液態金屬鎵在活體兔肝動脈血管造影應用中的實驗研究

　　【摘要】 目的 探討液態金屬鎵用作血管對比劑在活體兔肝動脈 CT 血管造影( CTA) 中的應用價值。 方法 新西蘭大白兔 30 只，隨機分為實驗組 15 只，對照組 15 只，分別使用液態金屬鎵與碘佛醇經股動脈穿刺法行肝動脈血管造影及腹部增強 CT 掃描，工作站后處理肝動脈增強圖像，統計學分析液態金屬鎵與碘佛醇在兔肝動脈血管造影中的血管顯影效果、整體圖像質量及不良事件發生率，P < 0. 05 為差異有統計學意義。 結果 結果顯示實驗組最小肝動脈血管直徑、肝實質絕對增強值[( 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]，差異有統計學意義( P < 0. 05) ; 實驗組腹主動脈的絕對增強值、肝動脈及腹主動脈較增強肝實質的 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]，差異均有統計學意義( P < 0. 05) ; 實驗組肝動脈、腹主動脈相對增強肝實質的對比噪聲比( CNR) ( 59. 033 ± 10. 072、277. 277 ± 53. 512) 明顯高于對照組( 16. 481 ± 2. 896、15. 411 ± 2. 305) ，差異有統計學意義( P < 0. 05) ; 實驗組圖像質量優良率、不良事件發生率( 53. 33% 、100% ) 分別低于和高于對照組( 86. 67% 、26. 670% ) ，差異有統計學意義( P < 0. 05) 。 結論 液態金屬鎵在活體器官血管造影中可顯示更為精細的血管分支結構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用價值，但尚存在高射線偽影、高機體損傷等亟需解決的問題。

　　劉婷; 陳曉霞; 趙經緯; 劉昊; 張智猗; 韓文娟; 王貴生， 臨床放射學雜志 發表時間：2021-08-10

　　【關鍵詞】 液態金屬鎵 碘佛醇 CT 血管造影 圖像質量

　　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生發展的重要指標[1]。CT 血管造影( CTA) 技術作為一種無創或微創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，技術水平要求高、價格昂貴且尚存在過敏性、藥物毒性等對比劑不良反應[6]。歐美地區統計顯示，碘對比劑腎病( contrastinduced nephropathy，CIN) 的發病率約為 24% ，慢性腎病患者在冠狀動脈造影后約有一半發生急性腎衰，故開展血管造影材料的研發工作尤為重要[7，8]。鎵( Ga) 的熔點為 29. 78°C，在正常人體體溫( 37°C) 水平呈液態屬性，具有高流動性、高順應性、低粘度等特點[9]，在離體組織器官里可流入極細微小的毛細血管網且不伴有相應組織結構的破壞[10]。此外液態金屬鎵還具有高度生物相容性、低毒性、強可塑性等 特 征，近年來已成為多項領域研究的新熱點[11 ～ 13]。本研究的目的是比較液態金屬鎵作為血管對比劑( 純度達 > 99. 99% ) 與非離子型碘對比劑在活體 CTA 中的成像效果和機體生物學反應，評估液態金屬鎵在活體器官血管造影中應用的可行性。

　　1 資料與方法

　　1. 1 實驗材料

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

　　實驗動物: 新西蘭大白兔 30 只，體質量約 3. 5 ～ 4 kg /只，5 ～ 6 月齡，雌性。由解放軍總醫院實驗動物研究所提供。

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

　　1. 2 實驗兔肝動脈造影方法

　　本研究取得了醫院倫理委員會批準。將 30 只實驗兔隨機分為實驗組與對照組，每組 15 只進行編號，實驗前均禁食 12 h，禁水 4 h。稱重后，經肌肉注射速眠新Ⅱ( 0. 2 ml /kg) 麻醉固定于自制兔板上，在實驗兔腹部加腹帶固定于 CT 掃描床。在實驗兔右側腹股溝區備皮、消毒、鋪巾后于搏動區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脈鞘，暴露股動脈約 2. 0 cm，經股動脈穿刺法[14]快速將3F 微導管及導絲置入塑料套管并接防反流閥。之后于 CT 引導下將微導管尖端置于腹主動脈約 T12水平，撤出導絲經導管注入 0. 5 ml 1% 利多卡因。實驗組采用液態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注射筒內，然后將輸液管與實驗動物股動脈的留置管連接，用對比劑沖管，并將輸液管用膠布固定于兔板上，實驗組和對照組均在行腹部 CT 平掃后經股動脈先后注射對比劑和生理鹽水各 6 ～ 7. 5 ml 行肝動脈造影檢查，注射流率均為 1. 5 ml /s，注射時長均為 4 s，對于平掃期顯示肝實質體積較大的實驗兔，注射時長為 5 s，實驗完畢后拔出 3 F 微導管、導管鞘，縫合手術切口，術后連續 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，定位選定膈頂上方約 3 cm 至髂總動脈掃描范圍，行腹部平掃及肝動脈造影動態螺旋 CT 掃描，機器轉速 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。最后將所得數據均傳至 GE AW 4. 6 工作站進行數據后處理，CT 圖像后處理技術包括最大密度投影( MIP) 及容積再現( VR) 。

　　1. 4 數據測量與分析

　　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 年以上的醫師獨立進行圖像測量及圖像質量評估。( 1) 對腹主動脈、肝動脈圖像行三維血管重組并測量最小肝動脈直徑; ( 2) 分別在近腹腔干分叉處上下 3 mm 的某一層面測量肝實質、腹主動脈平掃期和動脈期的 CT 值與相應肝實質的標準差( SD) ，測量動脈期肝動脈的 CT 值，其中肝實質感興趣區( ROI) 的選取為肝左葉避開大血管、膽管的近肝邊緣約 3 mm 區域，ROI 大小約 20 mm2 ，腹主動脈 ROI 大小約 10 mm2 ，肝動脈 ROI 選取為肝左葉近肝邊緣約 3 mm 的動脈顯影區，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量進行整體評估，評定標準: 優，圖像顯示腹主動脈、肝動脈造影完全充盈，血管及周圍組織細微結構均可顯示清楚; 良，圖像顯示腹主動脈、肝動脈造影充盈效果較好，血管顯影清楚，周圍組織細微結構顯示欠佳; 差，圖像顯示腹主動脈、肝動脈造影充盈效果差，血管周圍組織細微結構顯影差; 優良率 = ( 優例數 + 良例數) /總例數 × 100% ，當兩名醫師評估意見不一致時，由第 3 名高年資醫師重新評估，兩名醫師相同評估結果為最后結果。

　　數據統計取兩名醫師對同只實驗兔測得數據的平均值，包括: ( 1) 計算肝實質、腹主動脈的絕對增強值: 絕對增強值( HU) = 增強后的 CT 值 - 平掃 CT 值; ( 2) 計算增強檢查動脈期肝動脈、腹主動脈與相鄰肝實質的 CT 差值，比較兩種對比劑在肝動脈、腹主動脈較肝實質的對比度; ( 3) 計算增強檢查動脈期肝動脈相對肝實質的對比噪聲比( CNR) [15]， CNR = ( CT肝動脈 - CT肝臟) /SD肝臟( CT肝動脈為增強檢查肝動脈 ROI 的平均 CT 值，CT肝臟 為增強檢查肝實質ROI 的平均 CT 值，SD肝臟 為增強檢查肝實質 ROI 內 CT 值的標準差) ; ( 4) 計算增強檢查動脈期腹主動脈相對肝實質的 CNR，CNR = ( CT腹主動脈 - CT肝臟 ) / SD肝臟 ( CT腹主動脈 為增強檢查腹主動脈 ROI 內平均 CT 值) 。

　　1. 5 術后觀察及記錄

　　血管造影檢查后 3 天內密切觀察并記錄每只實驗兔的飲食、排便、活動狀態，術后 24 小時經腹部 CT 平掃觀察有無對比劑潴留的情況。

　　1. 6 統計學處理

　　采用 SPSS 24. 0 統計分析軟件行統計學分析，計量資料以 x珋± s 表示，計數資料以例 數 或 百 分 比 表示，本實驗中對兩組樣本均數的比較，采用獨立樣本 t 檢驗，P < 0. 05 為差異有統計學意義。

　　2 結果

　　2. 1 兩組影像數據比較( 表 1，圖 1 ～ 4)

　　對照組肝實質的絕對增強 CT 值( 86. 5 ± 4. 85) HU，明顯高于實驗組( 21. 33 ± 4. 78) HU，差異有統計學意義( P < 0. 001) 。對照組腹主動脈的絕對增強 CT 值 ( 173. 78 ± 6. 76 ) HU，顯著低于實驗組 ( 2230. 74 ± 417. 70) HU，差異有統計學意義( P < 0. 001) 。對照組與實驗組肝動脈增強 CT 均值分別為( 225. 44 ± 7. 58) HU、( 542. 61 ± 38. 35) HU，差異有統計學意義( P < 0. 001) 。對照組肝動脈最小血管顯影直徑( 1. 30 ± 0. 09) mm，大于實驗組( 0. 83 ± 0. 06) mm，差異有統計學意義( P < 0. 001) 。

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

　　2. 2 兩組圖像質量比較 ( 圖 5)

　　對照組整體圖像質量優良率高于實驗組，差異有統計學意義( P < 0. 05) 。對照組優 8 例，良 5 例，差 2 例，優良率為 86. 67% ; 實驗組良 8 例，差 7 例，優良率為 53. 33% 。

　　2. 3 兩組不良事件比較( 表 2)

　　實驗組造影檢查 3 天內不良事件發生率顯著高于對照組，差異有統計學意義( P < 0. 05) 。對照組食欲不振 5 例，大小便異常 2 例，活動度減低 6 例， 24小時后對比劑潴留3例; 實驗組食欲不振9例，大小便異常 8 例，活動度減低 11 例，24 小時后對比劑潴留 15 例。

　　3 討論

　　隨著影像醫學和介入診療技術的快速發展， CTA 技術已成為臨床了解血管解剖結構、明確血管病變部位、判斷實質病變血供情況以及選擇適當治療方案的重要檢查方法，是提高臨床診療水平、實現活體血管系統可視化、降低心腦血管等疾病死亡率的關鍵[16]，其通過比較血管內不同對比劑含量和組織內不同血供情況形成的對比劑濃度差來實現 CT成像中較大的密度差，達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雜的微小毛細血管網絡系統，增大血管與周圍實質間的對比度，血管對比劑的研發多從增加對比劑溶質密度出發，因而多種金屬材料如鉛、鉍等已被作為血管對比劑進行研究，但均具備高熔點、硬化過程收縮及排出困難等不可避免的缺陷[18，19]。

　　液態金屬鎵作為一種環境友好型材料，比液態金屬汞更為安全，其熔點為 29. 78° C、粘度為 1. 2 ( 77℃ ) mPa /s，在正常人體體溫下持穩定液態水平，且其制作工藝簡單、成本相對低廉。Wang 等[10]研究結果顯示液態金屬鎵在離體心、腎等組織器官血管內可流動于達納米級別的極微小血管網絡中，其流動性遠遠優于傳統碘對比劑，同時極大的 X 線衰減系數特征使其具備優越的血管可見性，為在 X 線攝影下實現血管網絡可視化提供了可能。Liu 等[20]根據液體金屬鎵的低毒性首次開展了將液態金屬鎵用作 X 線攝影下口服消化道對比劑的動物實驗研究，研究顯示液態金屬鎵可實現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。 Verron 等[21]根據液態金屬鎵在固態和液態間可隨溫度而自由轉換狀態的屬性，研究結果顯示液態金屬鎵亦具備作為治療骨質疏松癥的潛在填充劑的可能。因此，本研究探討液態金屬鎵用作活體血管造影對比劑可行性。

　　本研究結果顯示液態金屬鎵用作血管對比劑的 CT 增強效果與碘佛醇相比較可顯示出更為細小的血管網絡系統( 圖 6、7) ，且具有血管與周圍組織間高對比度，有望開辟一條區別于傳統毛細血管分區的影像微小血管分區新途徑。但本研究中實驗組最小肝動脈顯影直徑平均值約 0. 8 mm，雖顯著優于對照組所示的最小肝動脈平均直徑 1. 3 mm，卻未能達到其在離體器官實驗中的微米級別[10]，考慮原因為液態金屬鎵在活體器官的血液運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散的問題。本研究結果顯示液態金屬鎵在活體血管造影中對血管外周實質具有較大的金屬射線偽影，對血管周圍組織細微結構顯示效果較差，因此降低了整體 CT 圖像質量，此結論補充了液態金屬鎵在離體器官血管成像中對血管周圍組織結構顯影效果的研究。此外，本研究顯示液態金屬鎵在活體器官組織中排出速率緩慢，生物安全性較低，嚴重影響機體活動度與基礎代謝，從而將液態金屬鎵用作血管對比劑時尚需進一步開展使其分子結構向高血管通透性方向發展的研究。

　　綜上所述，本研究初步探索了液態金屬鎵在活體器官血管造影中的應用價值，結果表明液態金屬鎵在活體器官血管造影中較傳統碘化對比劑具有一定的顯示血管細微結構的優勢，但該材料作為活體血管對比劑尚需結合納米微球包裹技術[22]、基于 CT 迭代金屬偽像衰減校正的 CT 數據迭代算法[23]及分子結構的改良等相關研發工作，從而改善液態金屬鎵在活體血管中射線偽影大及機體損傷率較高的缺陷。