液态金属镓在活体兔肝动脉血管造影应用中的实验研究

　　【摘要】 目的 探讨液态金属镓用作血管对比剂在活体兔肝动脉 CT 血管造影( CTA) 中的应用价值。 方法 新西兰大白兔 30 只，随机分为实验组 15 只，对照组 15 只，分别使用液态金属镓与碘佛醇经股动脉穿刺法行肝动脉血管造影及腹部增强 CT 扫描，工作站后处理肝动脉增强图像，统计学分析液态金属镓与碘佛醇在兔肝动脉血管造影中的血管显影效果、整体图像质量及不良事件发生率，P < 0. 05 为差异有统计学意义。 结果 结果显示实验组最小肝动脉血管直径、肝实质绝对增强值[( 0. 831 ± 0. 060) mm、( 21. 333 ± 4. 780) HU]均小于对照组[( 1. 295 ± 0. 087) mm、( 86. 500 ± 4. 850) HU]，差异有统计学意义( P < 0. 05) ; 实验组腹主动脉的绝对增强值、肝动脉及腹主动脉较增强肝实质的 CT 差值[( 2230. 740 ± 417. 701) HU、( 462. 807 ± 38. 273) HU、( 2197. 367 ± 416. 607) HU]均显著高于对照组[( 173. 780 ± 6. 758) HU、( 80. 473 ± 8. 448) HU、( 75. 240 ± 3. 757) HU]，差异均有统计学意义( P < 0. 05) ; 实验组肝动脉、腹主动脉相对增强肝实质的对比噪声比( CNR) ( 59. 033 ± 10. 072、277. 277 ± 53. 512) 明显高于对照组( 16. 481 ± 2. 896、15. 411 ± 2. 305) ，差异有统计学意义( P < 0. 05) ; 实验组图像质量优良率、不良事件发生率( 53. 33% 、100% ) 分别低于和高于对照组( 86. 67% 、26. 670% ) ，差异有统计学意义( P < 0. 05) 。 结论 液态金属镓在活体器官血管造影中可显示更为精细的血管分支结构和高血管组织间对比度，在活体 CT 血管造影中具有一定的应用价值，但尚存在高射线伪影、高机体损伤等亟需解决的问题。

　　刘婷; 陈晓霞; 赵经纬; 刘昊; 张智猗; 韩文娟; 王贵生， 临床放射学杂志 发表时间：2021-08-10

　　【关键词】 液态金属镓 碘佛醇 CT 血管造影 图像质量

　　在良恶性肿瘤、心脑血管病、血管异常增生等疾病的检查与诊断中，血管的分布和走行是衡量疾病发生发展的重要指标[1]。CT 血管造影( CTA) 技术作为一种无创或微创的检查方式是目前临床上普遍使用的一种血管显影的重要方法[2，3]，而碘对比剂在血管显影中起着至关重要的作用[4]。目前临床常采用的 X 线血管对比剂是第二代非离子型碘对比剂[5]，但其制备工艺繁杂，技术水平要求高、价格昂贵且尚存在过敏性、药物毒性等对比剂不良反应[6]。欧美地区统计显示，碘对比剂肾病( contrastinduced nephropathy，CIN) 的发病率约为 24% ，慢性肾病患者在冠状动脉造影后约有一半发生急性肾衰，故开展血管造影材料的研发工作尤为重要[7，8]。镓( Ga) 的熔点为 29. 78°C，在正常人体体温( 37°C) 水平呈液态属性，具有高流动性、高顺应性、低粘度等特点[9]，在离体组织器官里可流入极细微小的毛细血管网且不伴有相应组织结构的破坏[10]。此外液态金属镓还具有高度生物相容性、低毒性、强可塑性等 特 征，近年来已成为多项领域研究的新热点[11 ～ 13]。本研究的目的是比较液态金属镓作为血管对比剂( 纯度达 > 99. 99% ) 与非离子型碘对比剂在活体 CTA 中的成像效果和机体生物学反应，评估液态金属镓在活体器官血管造影中应用的可行性。

　　1 资料与方法

　　1. 1 实验材料

　　试剂: 液态金属镓，纯度 > 99. 99% ，由中国科学院理化技术研究所提供; 碘佛醇( Optiray) ，含碘量为 320 mg /ml。

　　实验动物: 新西兰大白兔 30 只，体质量约 3. 5 ～ 4 kg /只，5 ～ 6 月龄，雌性。由解放军总医院实验动物研究所提供。

　　器材: 3 F 介入微导管( Terumo) ，眼科镊、眼科剪、防反流阀等。

　　1. 2 实验兔肝动脉造影方法

　　本研究取得了医院伦理委员会批准。将 30 只实验兔随机分为实验组与对照组，每组 15 只进行编号，实验前均禁食 12 h，禁水 4 h。称重后，经肌肉注射速眠新Ⅱ( 0. 2 ml /kg) 麻醉固定于自制兔板上，在实验兔腹部加腹带固定于 CT 扫描床。在实验兔右侧腹股沟区备皮、消毒、铺巾后于搏动区纵行切开皮肤及筋膜长约 3. 0 ～ 4. 0 cm，钝性分离肌肉和股动脉鞘，暴露股动脉约 2. 0 cm，经股动脉穿刺法[14]快速将3F 微导管及导丝置入塑料套管并接防反流阀。之后于 CT 引导下将微导管尖端置于腹主动脉约 T12水平，撤出导丝经导管注入 0. 5 ml 1% 利多卡因。实验组采用液态金属镓作血管对比剂( 纯度 > 99. 99% ) ，对照组采用碘佛醇对比剂。将对比剂和生理盐水分别抽入双筒高压注射器的两个注射筒内，然后将输液管与实验动物股动脉的留置管连接，用对比剂冲管，并将输液管用胶布固定于兔板上，实验组和对照组均在行腹部 CT 平扫后经股动脉先后注射对比剂和生理盐水各 6 ～ 7. 5 ml 行肝动脉造影检查，注射流率均为 1. 5 ml /s，注射时长均为 4 s，对于平扫期显示肝实质体积较大的实验兔，注射时长为 5 s，实验完毕后拔出 3 F 微导管、导管鞘，缝合手术切口，术后连续 3 天肌注青霉素 80 万 U。

　　1. 3 影像检查方法及图像后处理

　　采用 Siemens 全身螺旋双源( Somatom Definition Flash) CT 机，定位选定膈顶上方约 3 cm 至髂总动脉扫描范围，行腹部平扫及肝动脉造影动态螺旋 CT 扫描，机器转速 0. 28 s/r，管电压 100 kV，管电流 100 mA，层厚与层间距均为 3 mm，螺距为 0. 984∶ 1，重组层厚和层间距均为 1 mm。最后将所得数据均传至 GE AW 4. 6 工作站进行数据后处理，CT 图像后处理技术包括最大密度投影( MIP) 及容积再现( VR) 。

　　1. 4 数据测量与分析

　　所得两组扫描图像均采用盲法由两名从事腹部影像诊断 5 年以上的医师独立进行图像测量及图像质量评估。( 1) 对腹主动脉、肝动脉图像行三维血管重组并测量最小肝动脉直径; ( 2) 分别在近腹腔干分叉处上下 3 mm 的某一层面测量肝实质、腹主动脉平扫期和动脉期的 CT 值与相应肝实质的标准差( SD) ，测量动脉期肝动脉的 CT 值，其中肝实质感兴趣区( ROI) 的选取为肝左叶避开大血管、胆管的近肝边缘约 3 mm 区域，ROI 大小约 20 mm2 ，腹主动脉 ROI 大小约 10 mm2 ，肝动脉 ROI 选取为肝左叶近肝边缘约 3 mm 的动脉显影区，大小约 5 mm2 ，要求同部位 ROI 的大小、形状和位置高度一致。用三分法对两组图像质量进行整体评估，评定标准: 优，图像显示腹主动脉、肝动脉造影完全充盈，血管及周围组织细微结构均可显示清楚; 良，图像显示腹主动脉、肝动脉造影充盈效果较好，血管显影清楚，周围组织细微结构显示欠佳; 差，图像显示腹主动脉、肝动脉造影充盈效果差，血管周围组织细微结构显影差; 优良率 = ( 优例数 + 良例数) /总例数 × 100% ，当两名医师评估意见不一致时，由第 3 名高年资医师重新评估，两名医师相同评估结果为最后结果。

　　数据统计取两名医师对同只实验兔测得数据的平均值，包括: ( 1) 计算肝实质、腹主动脉的绝对增强值: 绝对增强值( HU) = 增强后的 CT 值 - 平扫 CT 值; ( 2) 计算增强检查动脉期肝动脉、腹主动脉与相邻肝实质的 CT 差值，比较两种对比剂在肝动脉、腹主动脉较肝实质的对比度; ( 3) 计算增强检查动脉期肝动脉相对肝实质的对比噪声比( CNR) [15]， CNR = ( CT肝动脉 - CT肝脏) /SD肝脏( CT肝动脉为增强检查肝动脉 ROI 的平均 CT 值，CT肝脏 为增强检查肝实质ROI 的平均 CT 值，SD肝脏 为增强检查肝实质 ROI 内 CT 值的标准差) ; ( 4) 计算增强检查动脉期腹主动脉相对肝实质的 CNR，CNR = ( CT腹主动脉 - CT肝脏 ) / SD肝脏 ( CT腹主动脉 为增强检查腹主动脉 ROI 内平均 CT 值) 。

　　1. 5 术后观察及记录

　　血管造影检查后 3 天内密切观察并记录每只实验兔的饮食、排便、活动状态，术后 24 小时经腹部 CT 平扫观察有无对比剂潴留的情况。

　　1. 6 统计学处理

　　采用 SPSS 24. 0 统计分析软件行统计学分析，计量资料以 x珋± s 表示，计数资料以例 数 或 百 分 比 表示，本实验中对两组样本均数的比较，采用独立样本 t 检验，P < 0. 05 为差异有统计学意义。

　　2 结果

　　2. 1 两组影像数据比较( 表 1，图 1 ～ 4)

　　对照组肝实质的绝对增强 CT 值( 86. 5 ± 4. 85) HU，明显高于实验组( 21. 33 ± 4. 78) HU，差异有统计学意义( P < 0. 001) 。对照组腹主动脉的绝对增强 CT 值 ( 173. 78 ± 6. 76 ) HU，显著低于实验组 ( 2230. 74 ± 417. 70) HU，差异有统计学意义( P < 0. 001) 。对照组与实验组肝动脉增强 CT 均值分别为( 225. 44 ± 7. 58) HU、( 542. 61 ± 38. 35) HU，差异有统计学意义( P < 0. 001) 。对照组肝动脉最小血管显影直径( 1. 30 ± 0. 09) mm，大于实验组( 0. 83 ± 0. 06) mm，差异有统计学意义( P < 0. 001) 。

　　对照组增强检查肝动脉、腹主动脉 CT 均值减增强肝实质 CT 均值分别为( 80. 47 ± 8. 45) HU、 ( 75. 24 ± 3. 76) HU，均明显低于实验组( 462. 81 ± 38. 27) HU、( 2197. 37 ± 416. 61) HU，差异均有统计学意义( t = - 35. 49，P < 0. 001; t = - 19. 79，P < 0. 001) 。对照组增强检查肝动脉相对于肝实质的 CNR、腹主动脉相对于肝实质的 CNR 分 别 为 ( 16. 481 ± 2. 896) HU、( 15. 411 ± 2. 305) HU，均显著低于 实 验 组 ( 59. 033 ± 10. 072 ) HU、( 277. 277 ± 53. 512) HU，差异均有统计学意义( t = - 15. 195，P < 0. 001; t = - 19. 498，P < 0. 001) 。

　　2. 2 两组图像质量比较 ( 图 5)

　　对照组整体图像质量优良率高于实验组，差异有统计学意义( P < 0. 05) 。对照组优 8 例，良 5 例，差 2 例，优良率为 86. 67% ; 实验组良 8 例，差 7 例，优良率为 53. 33% 。

　　2. 3 两组不良事件比较( 表 2)

　　实验组造影检查 3 天内不良事件发生率显著高于对照组，差异有统计学意义( P < 0. 05) 。对照组食欲不振 5 例，大小便异常 2 例，活动度减低 6 例， 24小时后对比剂潴留3例; 实验组食欲不振9例，大小便异常 8 例，活动度减低 11 例，24 小时后对比剂潴留 15 例。

　　3 讨论

　　随着影像医学和介入诊疗技术的快速发展， CTA 技术已成为临床了解血管解剖结构、明确血管病变部位、判断实质病变血供情况以及选择适当治疗方案的重要检查方法，是提高临床诊疗水平、实现活体血管系统可视化、降低心脑血管等疾病死亡率的关键[16]，其通过比较血管内不同对比剂含量和组织内不同血供情况形成的对比剂浓度差来实现 CT成像中较大的密度差，达到增大血管与组织脏器间对比度的目的[17]，因此对比剂的选择是决定 CTA 成像效果的重要因素。为了更好地显示活体血管中复杂的微小毛细血管网络系统，增大血管与周围实质间的对比度，血管对比剂的研发多从增加对比剂溶质密度出发，因而多种金属材料如铅、铋等已被作为血管对比剂进行研究，但均具备高熔点、硬化过程收缩及排出困难等不可避免的缺陷[18，19]。

　　液态金属镓作为一种环境友好型材料，比液态金属汞更为安全，其熔点为 29. 78° C、粘度为 1. 2 ( 77℃ ) mPa /s，在正常人体体温下持稳定液态水平，且其制作工艺简单、成本相对低廉。Wang 等[10]研究结果显示液态金属镓在离体心、肾等组织器官血管内可流动于达纳米级别的极微小血管网络中，其流动性远远优于传统碘对比剂，同时极大的 X 线衰减系数特征使其具备优越的血管可见性，为在 X 线摄影下实现血管网络可视化提供了可能。Liu 等[20]根据液体金属镓的低毒性首次开展了将液态金属镓用作 X 线摄影下口服消化道对比剂的动物实验研究，研究显示液态金属镓可实现小鼠消化道的高对比度显影，且无身体不适及急性中毒等不良反应。 Verron 等[21]根据液态金属镓在固态和液态间可随温度而自由转换状态的属性，研究结果显示液态金属镓亦具备作为治疗骨质疏松症的潜在填充剂的可能。因此，本研究探讨液态金属镓用作活体血管造影对比剂可行性。

　　本研究结果显示液态金属镓用作血管对比剂的 CT 增强效果与碘佛醇相比较可显示出更为细小的血管网络系统( 图 6、7) ，且具有血管与周围组织间高对比度，有望开辟一条区别于传统毛细血管分区的影像微小血管分区新途径。但本研究中实验组最小肝动脉显影直径平均值约 0. 8 mm，虽显著优于对照组所示的最小肝动脉平均直径 1. 3 mm，却未能达到其在离体器官实验中的微米级别[10]，考虑原因为液态金属镓在活体器官的血液运输中存在对比剂血液稀释和渗透压作用下对比剂向周围组织间隙扩散的问题。本研究结果显示液态金属镓在活体血管造影中对血管外周实质具有较大的金属射线伪影，对血管周围组织细微结构显示效果较差，因此降低了整体 CT 图像质量，此结论补充了液态金属镓在离体器官血管成像中对血管周围组织结构显影效果的研究。此外，本研究显示液态金属镓在活体器官组织中排出速率缓慢，生物安全性较低，严重影响机体活动度与基础代谢，从而将液态金属镓用作血管对比剂时尚需进一步开展使其分子结构向高血管通透性方向发展的研究。

　　综上所述，本研究初步探索了液态金属镓在活体器官血管造影中的应用价值，结果表明液态金属镓在活体器官血管造影中较传统碘化对比剂具有一定的显示血管细微结构的优势，但该材料作为活体血管对比剂尚需结合纳米微球包裹技术[22]、基于 CT 迭代金属伪像衰减校正的 CT 数据迭代算法[23]及分子结构的改良等相关研发工作，从而改善液态金属镓在活体血管中射线伪影大及机体损伤率较高的缺陷。