大鼠骨骼肌急性擠壓傷MR-DTI初步研究

馮鴻燕，王豐哲，潘詩農(nóng)，郭啟勇

（1.中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004；2.沈陽市第四人民醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110031）

磁共振擴散張量成像技術(shù) （Diffusion tensor imaging，DTI）是在常規(guī)擴散加權(quán)成像 （Diffusion-weighted imaging，DWI）基礎(chǔ)上，在三維空間內(nèi)通過改變擴散敏感梯度脈沖的方向來觀察水分子擴散的各向異性技術(shù)，是目前唯一無創(chuàng)性反映活體組織含水量變化的檢查方法，可以從微觀水平研究疾病的病理改變情況[1]。基于DTI數(shù)據(jù)的纖維示蹤技術(shù)（DTT）可以更直觀的顯示肌纖維的幾何形態(tài)。

目前，DTI技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究，尤其是腦白質(zhì)病變[2]，但對骨骼肌損傷方面報道較少，而運動損傷診治一直是運動醫(yī)學(xué)的難點、重點，常規(guī)的影像學(xué)檢查對早期的病變?nèi)狈γ舾行裕袆?chuàng)性的活檢難以推廣應(yīng)用。本研究應(yīng)用MR-DTI技術(shù)評估大鼠骨骼肌急性擠壓傷模型，初步探討應(yīng)用DTI評估骨骼肌損傷的可行性，為骨骼肌損傷診治提供更多的結(jié)構(gòu)及生理上變化的信息[3]。

1 材料與方法

1.1 動物模型

本研究實驗動物為Weistar大鼠30只，雌性，體重400g左右，由中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院動物中心提供，常溫、鼠糧飼養(yǎng)。骨骼肌擠壓傷模型利用微機控制電子壓力損傷儀（濟南天辰試驗機制造有限公司）模擬，損傷部位為左下肢骨骼肌（避開骨骼），速度為100mm/min，壓力分別為500N和1000N。根據(jù)壓力大小將動物隨機分為正常對照組、500N組和1000N組，每組10只。

所有實驗大鼠麻醉后 （腹腔注射麻醉，10%水合氯醛，劑量0.15ml/100g），于模型建立后24h內(nèi)進行MR-DTI掃描，掃描后處死，根據(jù)MRI軸面圖像定位立即切取損傷肌肉，泡入福爾馬林溶液，制成石蠟切片（厚度5μm）進行常規(guī)HE染色。所有的動物實驗過程均遵守動物實驗保護原則。

1.2 掃描方法

使用 Philips Achieva型 3.0T超導(dǎo)型磁共振掃描儀，SENSE-Flex-M膝關(guān)節(jié)柔軟線圈。大鼠膠帶固定，頭先進俯臥位，左下肢長軸與主磁體長軸平行，線圈中心對準大鼠左下肢股直肌。先行左下肢常規(guī)MR掃描，包括冠狀面T2WI（TR/ TE，1721/100），軸面T2WI（TR/TE，725/90），層厚5mm，層間距0mm，F(xiàn)OV 300mm。DTI數(shù)據(jù)采集應(yīng)用基于平面回波成像序列（EPI-DTI），軸位采集，TR 1857ms，TE 65ms，層厚5mm，層間隔0mm，F(xiàn)OV 140mm，相位編碼為前后方向，施加6個梯度編碼方向，擴散敏感系數(shù)（b）值為600s/mm2。采集層面與軸面T2WI層面完全一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計學(xué)分析

DTI數(shù)據(jù)傳輸至后處理工作站，利用Philips Research Imaging Development Environment（PRIDE）Fiber Tracking tool（Version 4.1.V3）進行數(shù)據(jù)分析，利用軸面T2WI定位，于中心層面設(shè)置類圓形感興趣區(qū)（ROI大小：30～50），測量其平均表觀擴散系數(shù)（ADC）值和相對各向異性（FA）值，各值均多次測量取平均值，并得到相應(yīng)ADC圖、FA圖及肌纖維示蹤圖。

統(tǒng)計學(xué)分析運用SPSS 15.0軟件包。采用隨機區(qū)組設(shè)計資料的方差分析方法比較每組的ADC值和FA值的差別是否有統(tǒng)計學(xué)意義，每兩組均數(shù)之間的兩兩比較采用LSD-t檢驗。P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DTI檢查結(jié)果

大鼠左下肢骨骼肌ADC值及FA值測量結(jié)果見表1。

表1 各組大鼠左下肢骨骼肌ADC值（×10－3mm2/s）及FA值統(tǒng)計結(jié)果

除500N組和1000N組的FA值之間無統(tǒng)計學(xué)差異外，其余各組之間的ADC值和FA值均有統(tǒng)計學(xué)差異（P<0.05）。

2.2 DTT及HE染色結(jié)果

纖維示蹤結(jié)果顯示正常大鼠左下肢骨骼肌肌纖維排列緊密，走行基本一致，具有各向異性。HE染色光鏡下顯示肌細胞排列整齊，細胞形態(tài)規(guī)整，呈長圓柱形，細胞核分布在細胞周圍（圖1）。500N組纖維示蹤顯示肌纖維走形扭曲，纖維束數(shù)量減少，纖維部分分離及移位。HE染色肌細胞水腫，肌漿染色明顯變淡，細胞核染色不均（圖2）。1000N組纖維示蹤顯示肌纖維扭曲嚴重，部分纖維中斷，發(fā)現(xiàn)示蹤的橫向纖維。HE染色肌細胞水腫更加明顯，可見到部分肌纖維斷裂（圖3）。

3 討論

MR-DTI是利用擴散敏感梯度從多個方向?qū)λ肿拥臄U散各向異性進行量化評價，能夠定量、定性反映受檢組織細微病理、生理結(jié)構(gòu)變化信息。骨骼肌是具有高度機化的組織，其結(jié)構(gòu)包括肌纖維結(jié)構(gòu)及其周圍的結(jié)締組織，骨骼肌細胞膜能夠阻礙水分子的擴散，因此在與肌纖維細胞長軸垂直方向上，水分子的擴散運動慢于平行方向，表現(xiàn)為擴散的各向異性。應(yīng)用擴散敏感梯度從多個方向?qū)λ肿拥臄U散各向異性進行量化，能夠為骨骼肌損傷提供更多的結(jié)構(gòu)及生理上變化的信息，因此利用DTI技術(shù)評估骨骼肌損傷可行。目前，DTI可以無創(chuàng)性獲得在體肌纖維結(jié)構(gòu)的特征及病理學(xué)改變?nèi)缂∪馑[[4]、纖維撕裂或血腫[5]，故應(yīng)用DTI開展早期急性肌纖維損傷或肌肉內(nèi)血腫的探查具有廣泛前景。

正常骨骼肌纖維的結(jié)構(gòu)是完整有序的，由于其受到細胞膜、跨膜濃度梯度、自由擴散等多因素的影響，水分子的擴散主要沿著肌纖維長軸方向的擴散，因此骨骼肌是各向異性的[6]。為了更形象的描述這種擴散各向異性，人們提出了幾種反應(yīng)擴散特性、基于本征值的、具有旋轉(zhuǎn)不變性的定量指標。如目前常用的ADC，其能夠反映組織在3個軸向上的平均擴散率；FA是擴散張量的各向異性成分與整個擴散張量的比值，反映了水分子在擴散主向量軸上的運動強度，應(yīng)用ADC值和FA值的變化定量的反映組織細微結(jié)構(gòu)的變化[7]。基于DTI數(shù)據(jù)的纖維示蹤技術(shù)可以直觀、形象顯示纖維排列結(jié)構(gòu)，還原生理狀態(tài)下骨骼肌的解剖結(jié)構(gòu)，顯示病理狀態(tài)下肌纖維的中斷等。

當(dāng)肌肉損傷后，肌細胞水腫、斷裂，就改變肌肉微觀結(jié)構(gòu)的完整性，肌膜的破裂，線粒體的破壞[8]，導(dǎo)致了纖維結(jié)構(gòu)的無序，水分子在各個方向上的擴散增加且更加自由，因此擴散參數(shù)就發(fā)生了實質(zhì)性改變，即ADC值明顯增高。Galban等[9]認為骨骼肌的3個本征值中λ1代表肌內(nèi)膜內(nèi)沿著肌纖維長軸方向上的擴散，λ2與肌纖維的橫斷面有關(guān)，而λ3與肌纖維的半徑相關(guān)（肌纖維短軸方向上的擴散）。研究顯示，骨骼肌損傷后，λ1、λ2、λ3均明顯增加，根據(jù)公式ADC＝Tr（D）/ 3=（λ1+λ2+λ3）/3，ADC值必然增加。FA值是一個理論上不變的標量參數(shù)，提供著組織的定量信息，對于纖維組織的容積成分很敏感。當(dāng)各向異性的組織結(jié)構(gòu)的排列順序是規(guī)則和平行時，F(xiàn)A值增加。相反，當(dāng)纖維的不同方向越大時，F(xiàn)A值越小。因此肌肉損傷后，纖維出現(xiàn)分離、斷裂，纖維的走形方向發(fā)生多向性變化，F(xiàn)A值減小。

本實驗擠壓傷模型壓力為500N和1000N，模擬骨骼肌急性擠壓傷，盡量躲開骨骼，避免過度壓力所致下肢骨折。骨骼肌急性擠壓傷發(fā)生后，肌肉微觀結(jié)構(gòu)的完整性破壞，細胞水腫，形態(tài)變圓，染色變淡，同時細胞間質(zhì)即血管滲透性增加，液體外滲，出現(xiàn)血管周圍源性水腫，骨骼肌肌細胞水腫導(dǎo)致肌纖維間隔增寬，血管滲透性增加，導(dǎo)致細胞外游離水的增加[10]，因此水分子在各個方向上的擴散均增加，即λ1、λ2、λ3均增加，ADC值增加。纖維示蹤可見骨骼肌損傷后肌纖維走形扭曲，纖維束數(shù)量減少，纖維分離及移位，各向異性發(fā)生改變，纖維的走形發(fā)生多向性變化，故FA值減小。病理顯示1000N組造成損傷較500N組重，細胞水腫更加明顯，肌纖維扭曲嚴重，可見示蹤的橫向纖維，因此，對比500N組，1000N組的ADC值和FA的增加和減少更顯著。

總之，DTI技術(shù)通過定量測定大鼠骨骼肌急性擠壓傷時各向異性及水分子擴散變化規(guī)律，能夠無創(chuàng)、有效的評估骨骼肌急性擠壓傷，為骨骼肌損傷的影像學(xué)評價提供更多的信息和指導(dǎo)意義。

[1]Rovaris M,Agosta F,Pagani E,et al.Diffusion tensor MR imaging[J].Neuroimaging Clin North Am,2009,19(1):37-43.

[2]謝嬋來，繆飛.DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷與治療中的價值[J].上海醫(yī)學(xué)影像，2008，17（1）：73-74.

[3]Saupe N,White LM,Sussman MS,et al.Diffusion tensor magnetic resonance imaging of the human calf:comparison between 1.5 T and 3.0 T-preliminary results[J].Invest Radiol,2008,43 (9):612-618.

[4]ZaraiskayaT,KumbhareD,NoseworthyMD.Diffusion tensor imaging in evaluation of human skeletal muscle injury[J].J Magn Reson Imaging,2006,24(2):402-408.

[5]Zeng H.Grading of rabbit skeletal muscle trauma by diffusion tensor imaging and tractography on magnetic resonance imaging[J]. Chin Med Sci J,2006,21(4):276-280.

[6]Tuch DS,Wedeen VJ,Dale AM,et al.Conductivity tensor mapping of the human brain using diffusion tensor MRI[J].Proc Natl Acad Sci USA,2001,98(20):11697-11701.

[7]胡軍武，肖旭軒，李勇剛，等.擴散張量成像技術(shù)及各指標的初步應(yīng)用與評價[J].中華放射學(xué)雜志，2004，38（12）：1256-1259.

[8]洪汛寧，王德杭，王小寧.肌肉損傷磁共振成像的病理基礎(chǔ)研究[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2000，20（5）：362-364.

[9]Galban CJ,Maderwald S,Uffmann K,et al.A diffusion tensor imaging analysis of gender differences in water diffusivity within human skeletal muscle[J].NMR Biomed,2005,18(8):489-498.

[10]楊艷梅，馮曉源，倪建明，等.3.0T磁共振DTI診斷急性腦缺血的實驗研究[J].中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，2007，18（3）：157-159.