液態(tài)金屬鎵在活體兔肝動(dòng)脈血管造影應(yīng)用中的實(shí)驗(yàn)研究

　　【摘要】 目的 探討液態(tài)金屬鎵用作血管對比劑在活體兔肝動(dòng)脈 CT 血管造影( CTA) 中的應(yīng)用價(jià)值。 方法 新西蘭大白兔 30 只，隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組 15 只，對照組 15 只，分別使用液態(tài)金屬鎵與碘佛醇經(jīng)股動(dòng)脈穿刺法行肝動(dòng)脈血管造影及腹部增強(qiáng) CT 掃描，工作站后處理肝動(dòng)脈增強(qiáng)圖像，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析液態(tài)金屬鎵與碘佛醇在兔肝動(dòng)脈血管造影中的血管顯影效果、整體圖像質(zhì)量及不良事件發(fā)生率，P < 0. 05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)果 結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組最小肝動(dòng)脈血管直徑、肝實(shí)質(zhì)絕對增強(qiáng)值[( 0. 831 ± 0. 060) mm、( 21. 333 ± 4. 780) HU]均小于對照組[( 1. 295 ± 0. 087) mm、( 86. 500 ± 4. 850) HU]，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) ; 實(shí)驗(yàn)組腹主動(dòng)脈的絕對增強(qiáng)值、肝動(dòng)脈及腹主動(dòng)脈較增強(qiáng)肝實(shí)質(zhì)的 CT 差值[( 2230. 740 ± 417. 701) HU、( 462. 807 ± 38. 273) HU、( 2197. 367 ± 416. 607) HU]均顯著高于對照組[( 173. 780 ± 6. 758) HU、( 80. 473 ± 8. 448) HU、( 75. 240 ± 3. 757) HU]，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) ; 實(shí)驗(yàn)組肝動(dòng)脈、腹主動(dòng)脈相對增強(qiáng)肝實(shí)質(zhì)的對比噪聲比( CNR) ( 59. 033 ± 10. 072、277. 277 ± 53. 512) 明顯高于對照組( 16. 481 ± 2. 896、15. 411 ± 2. 305) ，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) ; 實(shí)驗(yàn)組圖像質(zhì)量優(yōu)良率、不良事件發(fā)生率( 53. 33% 、100% ) 分別低于和高于對照組( 86. 67% 、26. 670% ) ，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) 。 結(jié)論 液態(tài)金屬鎵在活體器官血管造影中可顯示更為精細(xì)的血管分支結(jié)構(gòu)和高血管組織間對比度，在活體 CT 血管造影中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但尚存在高射線偽影、高機(jī)體損傷等亟需解決的問題。

　　劉婷; 陳曉霞; 趙經(jīng)緯; 劉昊; 張智猗; 韓文娟; 王貴生， 臨床放射學(xué)雜志 發(fā)表時(shí)間：2021-08-10

　　【關(guān)鍵詞】 液態(tài)金屬鎵 碘佛醇 CT 血管造影 圖像質(zhì)量

　　在良惡性腫瘤、心腦血管病、血管異常增生等疾病的檢查與診斷中，血管的分布和走行是衡量疾病發(fā)生發(fā)展的重要指標(biāo)[1]。CT 血管造影( CTA) 技術(shù)作為一種無創(chuàng)或微創(chuàng)的檢查方式是目前臨床上普遍使用的一種血管顯影的重要方法[2，3]，而碘對比劑在血管顯影中起著至關(guān)重要的作用[4]。目前臨床常采用的 X 線血管對比劑是第二代非離子型碘對比劑[5]，但其制備工藝繁雜，技術(shù)水平要求高、價(jià)格昂貴且尚存在過敏性、藥物毒性等對比劑不良反應(yīng)[6]。歐美地區(qū)統(tǒng)計(jì)顯示，碘對比劑腎病( contrastinduced nephropathy，CIN) 的發(fā)病率約為 24% ，慢性腎病患者在冠狀動(dòng)脈造影后約有一半發(fā)生急性腎衰，故開展血管造影材料的研發(fā)工作尤為重要[7，8]。鎵( Ga) 的熔點(diǎn)為 29. 78°C，在正常人體體溫( 37°C) 水平呈液態(tài)屬性，具有高流動(dòng)性、高順應(yīng)性、低粘度等特點(diǎn)[9]，在離體組織器官里可流入極細(xì)微小的毛細(xì)血管網(wǎng)且不伴有相應(yīng)組織結(jié)構(gòu)的破壞[10]。此外液態(tài)金屬鎵還具有高度生物相容性、低毒性、強(qiáng)可塑性等 特 征，近年來已成為多項(xiàng)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)[11 ～ 13]。本研究的目的是比較液態(tài)金屬鎵作為血管對比劑( 純度達(dá) > 99. 99% ) 與非離子型碘對比劑在活體 CTA 中的成像效果和機(jī)體生物學(xué)反應(yīng)，評估液態(tài)金屬鎵在活體器官血管造影中應(yīng)用的可行性。

　　1 資料與方法

　　1. 1 實(shí)驗(yàn)材料

　　試劑: 液態(tài)金屬鎵，純度 > 99. 99% ，由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所提供; 碘佛醇( Optiray) ，含碘量為 320 mg /ml。

　　實(shí)驗(yàn)動(dòng)物: 新西蘭大白兔 30 只，體質(zhì)量約 3. 5 ～ 4 kg /只，5 ～ 6 月齡，雌性。由解放軍總醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所提供。

　　器材: 3 F 介入微導(dǎo)管( Terumo) ，眼科鑷、眼科剪、防反流閥等。

　　1. 2 實(shí)驗(yàn)兔肝動(dòng)脈造影方法

　　本研究取得了醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。將 30 只實(shí)驗(yàn)兔隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組與對照組，每組 15 只進(jìn)行編號，實(shí)驗(yàn)前均禁食 12 h，禁水 4 h。稱重后，經(jīng)肌肉注射速眠新Ⅱ( 0. 2 ml /kg) 麻醉固定于自制兔板上，在實(shí)驗(yàn)兔腹部加腹帶固定于 CT 掃描床。在實(shí)驗(yàn)兔右側(cè)腹股溝區(qū)備皮、消毒、鋪巾后于搏動(dòng)區(qū)縱行切開皮膚及筋膜長約 3. 0 ～ 4. 0 cm，鈍性分離肌肉和股動(dòng)脈鞘，暴露股動(dòng)脈約 2. 0 cm，經(jīng)股動(dòng)脈穿刺法[14]快速將3F 微導(dǎo)管及導(dǎo)絲置入塑料套管并接防反流閥。之后于 CT 引導(dǎo)下將微導(dǎo)管尖端置于腹主動(dòng)脈約 T12水平，撤出導(dǎo)絲經(jīng)導(dǎo)管注入 0. 5 ml 1% 利多卡因。實(shí)驗(yàn)組采用液態(tài)金屬鎵作血管對比劑( 純度 > 99. 99% ) ，對照組采用碘佛醇對比劑。將對比劑和生理鹽水分別抽入雙筒高壓注射器的兩個(gè)注射筒內(nèi)，然后將輸液管與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物股動(dòng)脈的留置管連接，用對比劑沖管，并將輸液管用膠布固定于兔板上，實(shí)驗(yàn)組和對照組均在行腹部 CT 平掃后經(jīng)股動(dòng)脈先后注射對比劑和生理鹽水各 6 ～ 7. 5 ml 行肝動(dòng)脈造影檢查，注射流率均為 1. 5 ml /s，注射時(shí)長均為 4 s，對于平掃期顯示肝實(shí)質(zhì)體積較大的實(shí)驗(yàn)兔，注射時(shí)長為 5 s，實(shí)驗(yàn)完畢后拔出 3 F 微導(dǎo)管、導(dǎo)管鞘，縫合手術(shù)切口，術(shù)后連續(xù) 3 天肌注青霉素 80 萬 U。

　　1. 3 影像檢查方法及圖像后處理

　　采用 Siemens 全身螺旋雙源( Somatom Definition Flash) CT 機(jī)，定位選定膈頂上方約 3 cm 至髂總動(dòng)脈掃描范圍，行腹部平掃及肝動(dòng)脈造影動(dòng)態(tài)螺旋 CT 掃描，機(jī)器轉(zhuǎn)速 0. 28 s/r，管電壓 100 kV，管電流 100 mA，層厚與層間距均為 3 mm，螺距為 0. 984∶ 1，重組層厚和層間距均為 1 mm。最后將所得數(shù)據(jù)均傳至 GE AW 4. 6 工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，CT 圖像后處理技術(shù)包括最大密度投影( MIP) 及容積再現(xiàn)( VR) 。

　　1. 4 數(shù)據(jù)測量與分析

　　所得兩組掃描圖像均采用盲法由兩名從事腹部影像診斷 5 年以上的醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行圖像測量及圖像質(zhì)量評估。( 1) 對腹主動(dòng)脈、肝動(dòng)脈圖像行三維血管重組并測量最小肝動(dòng)脈直徑; ( 2) 分別在近腹腔干分叉處上下 3 mm 的某一層面測量肝實(shí)質(zhì)、腹主動(dòng)脈平掃期和動(dòng)脈期的 CT 值與相應(yīng)肝實(shí)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差( SD) ，測量動(dòng)脈期肝動(dòng)脈的 CT 值，其中肝實(shí)質(zhì)感興趣區(qū)( ROI) 的選取為肝左葉避開大血管、膽管的近肝邊緣約 3 mm 區(qū)域，ROI 大小約 20 mm2 ，腹主動(dòng)脈 ROI 大小約 10 mm2 ，肝動(dòng)脈 ROI 選取為肝左葉近肝邊緣約 3 mm 的動(dòng)脈顯影區(qū)，大小約 5 mm2 ，要求同部位 ROI 的大小、形狀和位置高度一致。用三分法對兩組圖像質(zhì)量進(jìn)行整體評估，評定標(biāo)準(zhǔn): 優(yōu)，圖像顯示腹主動(dòng)脈、肝動(dòng)脈造影完全充盈，血管及周圍組織細(xì)微結(jié)構(gòu)均可顯示清楚; 良，圖像顯示腹主動(dòng)脈、肝動(dòng)脈造影充盈效果較好，血管顯影清楚，周圍組織細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示欠佳; 差，圖像顯示腹主動(dòng)脈、肝動(dòng)脈造影充盈效果差，血管周圍組織細(xì)微結(jié)構(gòu)顯影差; 優(yōu)良率 = ( 優(yōu)例數(shù) + 良例數(shù)) /總例數(shù) × 100% ，當(dāng)兩名醫(yī)師評估意見不一致時(shí)，由第 3 名高年資醫(yī)師重新評估，兩名醫(yī)師相同評估結(jié)果為最后結(jié)果。

　　數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)取兩名醫(yī)師對同只實(shí)驗(yàn)兔測得數(shù)據(jù)的平均值，包括: ( 1) 計(jì)算肝實(shí)質(zhì)、腹主動(dòng)脈的絕對增強(qiáng)值: 絕對增強(qiáng)值( HU) = 增強(qiáng)后的 CT 值 - 平掃 CT 值; ( 2) 計(jì)算增強(qiáng)檢查動(dòng)脈期肝動(dòng)脈、腹主動(dòng)脈與相鄰肝實(shí)質(zhì)的 CT 差值，比較兩種對比劑在肝動(dòng)脈、腹主動(dòng)脈較肝實(shí)質(zhì)的對比度; ( 3) 計(jì)算增強(qiáng)檢查動(dòng)脈期肝動(dòng)脈相對肝實(shí)質(zhì)的對比噪聲比( CNR) [15]， CNR = ( CT肝動(dòng)脈 - CT肝臟) /SD肝臟( CT肝動(dòng)脈為增強(qiáng)檢查肝動(dòng)脈 ROI 的平均 CT 值，CT肝臟 為增強(qiáng)檢查肝實(shí)質(zhì)ROI 的平均 CT 值，SD肝臟 為增強(qiáng)檢查肝實(shí)質(zhì) ROI 內(nèi) CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差) ; ( 4) 計(jì)算增強(qiáng)檢查動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈相對肝實(shí)質(zhì)的 CNR，CNR = ( CT腹主動(dòng)脈 - CT肝臟 ) / SD肝臟 ( CT腹主動(dòng)脈 為增強(qiáng)檢查腹主動(dòng)脈 ROI 內(nèi)平均 CT 值) 。

　　1. 5 術(shù)后觀察及記錄

　　血管造影檢查后 3 天內(nèi)密切觀察并記錄每只實(shí)驗(yàn)兔的飲食、排便、活動(dòng)狀態(tài)，術(shù)后 24 小時(shí)經(jīng)腹部 CT 平掃觀察有無對比劑潴留的情況。

　　1. 6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

　　采用 SPSS 24. 0 統(tǒng)計(jì)分析軟件行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以 x珋± s 表示，計(jì)數(shù)資料以例 數(shù) 或 百 分 比 表示，本實(shí)驗(yàn)中對兩組樣本均數(shù)的比較，采用獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)，P < 0. 05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

　　2 結(jié)果

　　2. 1 兩組影像數(shù)據(jù)比較( 表 1，圖 1 ～ 4)

　　對照組肝實(shí)質(zhì)的絕對增強(qiáng) CT 值( 86. 5 ± 4. 85) HU，明顯高于實(shí)驗(yàn)組( 21. 33 ± 4. 78) HU，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 001) 。對照組腹主動(dòng)脈的絕對增強(qiáng) CT 值 ( 173. 78 ± 6. 76 ) HU，顯著低于實(shí)驗(yàn)組 ( 2230. 74 ± 417. 70) HU，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 001) 。對照組與實(shí)驗(yàn)組肝動(dòng)脈增強(qiáng) CT 均值分別為( 225. 44 ± 7. 58) HU、( 542. 61 ± 38. 35) HU，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 001) 。對照組肝動(dòng)脈最小血管顯影直徑( 1. 30 ± 0. 09) mm，大于實(shí)驗(yàn)組( 0. 83 ± 0. 06) mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 001) 。

　　對照組增強(qiáng)檢查肝動(dòng)脈、腹主動(dòng)脈 CT 均值減增強(qiáng)肝實(shí)質(zhì) CT 均值分別為( 80. 47 ± 8. 45) HU、 ( 75. 24 ± 3. 76) HU，均明顯低于實(shí)驗(yàn)組( 462. 81 ± 38. 27) HU、( 2197. 37 ± 416. 61) HU，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( t = - 35. 49，P < 0. 001; t = - 19. 79，P < 0. 001) 。對照組增強(qiáng)檢查肝動(dòng)脈相對于肝實(shí)質(zhì)的 CNR、腹主動(dòng)脈相對于肝實(shí)質(zhì)的 CNR 分 別 為 ( 16. 481 ± 2. 896) HU、( 15. 411 ± 2. 305) HU，均顯著低于 實(shí) 驗(yàn) 組 ( 59. 033 ± 10. 072 ) HU、( 277. 277 ± 53. 512) HU，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( t = - 15. 195，P < 0. 001; t = - 19. 498，P < 0. 001) 。

　　2. 2 兩組圖像質(zhì)量比較 ( 圖 5)

　　對照組整體圖像質(zhì)量優(yōu)良率高于實(shí)驗(yàn)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) 。對照組優(yōu) 8 例，良 5 例，差 2 例，優(yōu)良率為 86. 67% ; 實(shí)驗(yàn)組良 8 例，差 7 例，優(yōu)良率為 53. 33% 。

　　2. 3 兩組不良事件比較( 表 2)

　　實(shí)驗(yàn)組造影檢查 3 天內(nèi)不良事件發(fā)生率顯著高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P < 0. 05) 。對照組食欲不振 5 例，大小便異常 2 例，活動(dòng)度減低 6 例， 24小時(shí)后對比劑潴留3例; 實(shí)驗(yàn)組食欲不振9例，大小便異常 8 例，活動(dòng)度減低 11 例，24 小時(shí)后對比劑潴留 15 例。

　　3 討論

　　隨著影像醫(yī)學(xué)和介入診療技術(shù)的快速發(fā)展， CTA 技術(shù)已成為臨床了解血管解剖結(jié)構(gòu)、明確血管病變部位、判斷實(shí)質(zhì)病變血供情況以及選擇適當(dāng)治療方案的重要檢查方法，是提高臨床診療水平、實(shí)現(xiàn)活體血管系統(tǒng)可視化、降低心腦血管等疾病死亡率的關(guān)鍵[16]，其通過比較血管內(nèi)不同對比劑含量和組織內(nèi)不同血供情況形成的對比劑濃度差來實(shí)現(xiàn) CT成像中較大的密度差，達(dá)到增大血管與組織臟器間對比度的目的[17]，因此對比劑的選擇是決定 CTA 成像效果的重要因素。為了更好地顯示活體血管中復(fù)雜的微小毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，增大血管與周圍實(shí)質(zhì)間的對比度，血管對比劑的研發(fā)多從增加對比劑溶質(zhì)密度出發(fā)，因而多種金屬材料如鉛、鉍等已被作為血管對比劑進(jìn)行研究，但均具備高熔點(diǎn)、硬化過程收縮及排出困難等不可避免的缺陷[18，19]。

　　液態(tài)金屬鎵作為一種環(huán)境友好型材料，比液態(tài)金屬汞更為安全，其熔點(diǎn)為 29. 78° C、粘度為 1. 2 ( 77℃ ) mPa /s，在正常人體體溫下持穩(wěn)定液態(tài)水平，且其制作工藝簡單、成本相對低廉。Wang 等[10]研究結(jié)果顯示液態(tài)金屬鎵在離體心、腎等組織器官血管內(nèi)可流動(dòng)于達(dá)納米級別的極微小血管網(wǎng)絡(luò)中，其流動(dòng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)碘對比劑，同時(shí)極大的 X 線衰減系數(shù)特征使其具備優(yōu)越的血管可見性，為在 X 線攝影下實(shí)現(xiàn)血管網(wǎng)絡(luò)可視化提供了可能。Liu 等[20]根據(jù)液體金屬鎵的低毒性首次開展了將液態(tài)金屬鎵用作 X 線攝影下口服消化道對比劑的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，研究顯示液態(tài)金屬鎵可實(shí)現(xiàn)小鼠消化道的高對比度顯影，且無身體不適及急性中毒等不良反應(yīng)。 Verron 等[21]根據(jù)液態(tài)金屬鎵在固態(tài)和液態(tài)間可隨溫度而自由轉(zhuǎn)換狀態(tài)的屬性，研究結(jié)果顯示液態(tài)金屬鎵亦具備作為治療骨質(zhì)疏松癥的潛在填充劑的可能。因此，本研究探討液態(tài)金屬鎵用作活體血管造影對比劑可行性。

　　本研究結(jié)果顯示液態(tài)金屬鎵用作血管對比劑的 CT 增強(qiáng)效果與碘佛醇相比較可顯示出更為細(xì)小的血管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( 圖 6、7) ，且具有血管與周圍組織間高對比度，有望開辟一條區(qū)別于傳統(tǒng)毛細(xì)血管分區(qū)的影像微小血管分區(qū)新途徑。但本研究中實(shí)驗(yàn)組最小肝動(dòng)脈顯影直徑平均值約 0. 8 mm，雖顯著優(yōu)于對照組所示的最小肝動(dòng)脈平均直徑 1. 3 mm，卻未能達(dá)到其在離體器官實(shí)驗(yàn)中的微米級別[10]，考慮原因?yàn)橐簯B(tài)金屬鎵在活體器官的血液運(yùn)輸中存在對比劑血液稀釋和滲透壓作用下對比劑向周圍組織間隙擴(kuò)散的問題。本研究結(jié)果顯示液態(tài)金屬鎵在活體血管造影中對血管外周實(shí)質(zhì)具有較大的金屬射線偽影，對血管周圍組織細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示效果較差，因此降低了整體 CT 圖像質(zhì)量，此結(jié)論補(bǔ)充了液態(tài)金屬鎵在離體器官血管成像中對血管周圍組織結(jié)構(gòu)顯影效果的研究。此外，本研究顯示液態(tài)金屬鎵在活體器官組織中排出速率緩慢，生物安全性較低，嚴(yán)重影響機(jī)體活動(dòng)度與基礎(chǔ)代謝，從而將液態(tài)金屬鎵用作血管對比劑時(shí)尚需進(jìn)一步開展使其分子結(jié)構(gòu)向高血管通透性方向發(fā)展的研究。

　　綜上所述，本研究初步探索了液態(tài)金屬鎵在活體器官血管造影中的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)果表明液態(tài)金屬鎵在活體器官血管造影中較傳統(tǒng)碘化對比劑具有一定的顯示血管細(xì)微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，但該材料作為活體血管對比劑尚需結(jié)合納米微球包裹技術(shù)[22]、基于 CT 迭代金屬偽像衰減校正的 CT 數(shù)據(jù)迭代算法[23]及分子結(jié)構(gòu)的改良等相關(guān)研發(fā)工作，從而改善液態(tài)金屬鎵在活體血管中射線偽影大及機(jī)體損傷率較高的缺陷。