正常腎臟血氧依賴磁共振成像特點及與生理指標相關性研究

石會蘭 鄭振峰馬 慧 李峰坦 張 敬 張云亭

應用研究

正常腎臟血氧依賴磁共振成像特點及與生理指標相關性研究

石會蘭 鄭振峰△馬 慧 李峰坦 張 敬 張云亭

目的 探討正常腎臟的血氧水平依賴磁共振（BOLD-MRI）成像特點，以及與部分生理指標之間的相關性。方法納入90例行腹部磁共振檢查的非腎臟病患者。使用GE 3.0 T磁共振掃描儀和Torsopa相控陣線圈，行腎臟冠狀面T1WI及BOLD成像，BOLD-MRI成像掃描采用T2*自旋梯度回波（T2*SPGR）序列，BOLD影像分析采用R2*map后處理軟件，分別從腎臟皮質和髓質區選取感興趣區（ROI）測量表觀自旋-自旋弛豫率(R2*)值。分析R2*值與患者年齡、性別、身高、體質量、體質量指數（BMI）、體表面積（BSA）和估算的腎小球濾過率（eGFR）之間的相關性。結果兩側腎臟皮質區R2*值[左側（16.56±1.40）Hz和右側（16.66±1.28）Hz]均低于相應髓質區[左側（28.82±3.71）Hz和右側（28.36±3.72）Hz]；女性和男性患者皮質R2*值[女性（16.55±1.30）Hz和男性（16.66±1.38Hz）]也低于相應的髓質區[女性（28.46±3.64）Hz和男性（28.70±3.78）Hz]。雙側腎臟髓質區腎臟下極R2*值[（27.29±3.05）]Hz低于中極[（29.32±3.47）Hz]和上極[（29.16±4.21）Hz]；差異均有統計學意義。髓質R2*值與年齡呈正相關，與eGFR呈負相關(r分別為0.284、-0.232,均P＜0.05)。結論R2*值可反映腎臟皮髓質氧分壓的水平，判斷其缺血缺氧程度。BOLDMRI提供了一種簡單、易行且無創性檢測腎臟皮髓質氧代謝的方法。

腎皮質；腎髓質；磁共振成像；腎小球濾過率；血氧水平依賴磁共振成像；R2*值

腎臟血流灌注十分豐富，其血供占心輸出量的25%。腎臟疾病多有血流供應及氧含量的改變，腎臟實質內含氧水平常常可以反映疾病早期的異常變化。血氧水平依賴磁共振成像（BOLD-MRI）是目前唯一可無創性檢測腎臟內氧含量的影像學方法。BOLD-MRI信號強度與腎組織氧含量之間的相關性已經為氧敏感性微電極直接測量組織內氧分壓所證實[1]，使得BOLD-MRI實時評價人體腎臟氧含量成為可能。本研究對90例正常腎臟進行BOLD-MRI檢查，探討正常腎臟內氧含量水平并分析其與生理指標的相關性，為進一步研究提供依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入2013年6月—9月我院住院并行腹部MRI的非腎臟病患者90例。納入標準：（1）研究前3個月內患者尿液檢查、與腎臟功能有關的血液檢查以及腎臟影像學檢查無異常發現。（2）研究前3個月內估算的腎小球濾過率（eGFR）不低于60 mL/（min·1.73 m2)。（3）研究前2周內沒有服用過影響腎臟血流和氧耗的藥物，如血管緊張素轉換酶抑制劑、血管緊張素受體阻斷劑、鈣離子阻斷劑、利尿劑、血管擴張劑等。除外合并影響氧合水平的呼吸系統疾病（如慢性阻塞性肺部疾病、支氣管擴張、哮喘等）、心血管系統疾病（如急慢性心功能不全）、血液系統疾病（如再生障礙性貧血、營養性貧血、真性紅細胞增多癥等）者。所有納入研究的患者均簽署知情同意書。

1.2 主要設備圖像采集 應用GE公司Discovery 750 3.0 T磁共振掃描儀和8通道Torsopa體部專用相控陣線圈。最大場強梯度為50 mT/m，最大梯度場切換率為200 mT/（m·s）。圖像分析和后處理應用GE公司AW4.5工作站，功能重建選擇Functool和R2*map后處理軟件。

1.3 方法

1.3.1 人體測量指標檢測 收集研究對象的人口學指標和人體測量指標，包括年齡、性別、身高、體質量、體質指數（BMI）、體表面積（BSA）等。采用CKD-EPI方程估算eGFR[2]。

1.3.2 功能性磁共振檢測 受試者掃描前6 h禁水，掃描時取仰臥位，反復訓練屏氣直至能憋氣20 s以上。常規掃描行冠狀T1抑脂加權像作為背景參考圖像。序列為T1INPHASE+ FAT；FOV380×380 mm；層厚7.0；層距1.0；重復時間（TR）/回波時間（TE）180/2.1。BOLD掃描采用T2*SPGR序列，復制T1WI掃描基線。采集參數有：TR100 ms,TE2.4 ms、6.2 ms、10.0 ms、13.8 ms、17.6 ms、21.4 ms、25.2 ms、29.0 ms。回波數8.00，翻轉角35，帶寬19.23，FOV380×380 mm，層厚7.0，層距1.0，矩陣大小192×160，激勵次數（NEX）1Hz，掃描范圍包括雙腎橫徑最大層面，層數8層。掃描時間25 s。在腎臟冠狀面成像圖像中選取包括腎門的腎臟長軸最大切面，在兩側腎臟皮髓質區內的上、中、下極各放置1個感興趣區（ROI）測量表觀自旋-自旋弛豫率(R2*)值。ROI的大小以減少噪聲及部分容積效應的影響為準，盡量避開肉眼可見的血管。

1.4 統計學方法 采用SPSS 17.0統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差（±s）表示，數據的正態性檢驗采用Kolmogorov-Smirnov檢驗，2組間比較采用獨立樣本t檢驗，多組間比較采用多因素方差分析，組間多重比較采用LSD法。相關分析采用偏相關分析。以雙側P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 生理指標結果 全部90例對均完成腎臟BOLD-MRI。男56例，女34例，平均年齡（51.65± 15.92）歲，身高（1.68±0.06）m，體質量（67.40±11.80）kg，BMI（23.78±3.90）kg/m2，BSA（1.76±0.16）m2，eGFR（103.01±17.91）mL/（min·1.73 m2）。

2.2 BOLD-MRI掃描結果 正常腎臟磁共振解剖圖可清晰顯示腎皮質和髓質，R2*偽彩圖中腎皮質顯示為灰色，髓質部由外髓至內髓部顯示為藍色、綠色到紅色，T2*偽彩圖中腎皮質顯示為深灰色，髓質部由外髓至內髓部顯示為橙色、黃色和綠色，見圖1。

2.3 皮髓質R2*值檢測結果 右側和左側腎臟皮質R2*值均低于同側腎臟髓質，女性和男性腎臟皮質R2*值均低于同性別腎臟髓質，見表1。腎髓質內上極、中極和下極區域內R2*值存在差異，下極低于中極和上極。多因素方差分析顯示這種變異只來源于腎髓質區內的不同測量部位，而與對側腎髓質區內的測量變異（兩側變異）和不同性別腎髓質區內的測量變異（性別變異）無關，同時也未發現上述3種變異之間存在交互作用，見表2。

Table 1 Difference of cortical and medullary R2* values by kidney and gender表1 左右側腎臟和不同性別腎臟皮髓質區R2*值的差異 （Hz,±s）

Table 1 Difference of cortical and medullary R2* values by kidney and gender表1 左右側腎臟和不同性別腎臟皮髓質區R2*值的差異 （Hz,±s）

＊＊P＜0.01

腎臟部位皮質區髓質區t男性腎臟（n=56）16.66±1.38 28.70±3.78 47.446＊＊右側腎臟（n=90）16.66±1.28 28.36±3.72 45.854＊＊左側腎臟（n=90）16.56±1.40 28.82±3.71 47.603＊＊女性腎臟（n=34）16.55±1.30 28.46±3.64 49.955＊＊

2.4 皮髓質R2*值與生理指標的相關性 偏相關分析發現研究對象的腎臟髓質R2*值與年齡呈正相關（r=0.284，P＜0.05），與eGFR呈負相關(r=-0.232,P＜0.05)。

3 討論

BOLD-MRI是使用梯度回波序列通過不同的TE測量MRI信號，計算信號與TE比值斜率，該斜率決定表觀自旋-自旋弛豫率R2*，R2*值降低表示脫氧血紅蛋白含量降低，氧合血紅蛋白含量增高。本研究采用改良后的T2*SPGR序列，達到了較好的成像效果，且采用T1INPHASE+FAT作為參考背景圖，使皮髓質分界顯示清晰，以便更好地測量數據。

Table 2 R2*values in different renal region and source of variation表2 腎臟不同部位R2*值和變異來源 （Hz,±s）

Table 2 R2*values in different renal region and source of variation表2 腎臟不同部位R2*值和變異來源 （Hz,±s）

＊＊P＜0.01，a與下極比較P＜0.05

測量部位和變異來源腎臟部位上極中極下極方差變異來源F值兩側變異性別變異部位變異兩側變異*性別變異性別變異*部位變異部位變異*兩側變異兩側變異*性別變異*部位變異皮質區 髓質區16.62±1.35 16.63±1.30 16.57±1.38 29.16±4.21a29.32±3.47a27.29±3.05 0.444 0.827 0.060 2.650 1.245 1.357 0.026 1.930 0.510 15.184＊＊0.028 0.039 0.868 0.479

本研究發現腎臟皮質R2*值明顯低于髓質，提示腎皮質內氧含量高于髓質。這一特點與腎臟特殊的解剖生理構造相關：（1）腎臟皮質區本身新陳代謝所需消耗的氧并不多，但流經腎皮質區血液是富含氧的動脈血，所提供的氧分遠遠多于其正常生理消耗量。相比之下，流經腎髓質的血液較皮質少，保證了髓質內滲透梯度較高，從而有利于尿液的濃縮[3]。（2）髓質升支粗段是重吸收鈉維持髓質梯度的重要部位，重吸收過程需要大量的氧耗，這使得髓質區域內相對缺氧[4]。（3）提供腎髓質內血流的降支和升支直小血管在解剖上是并行的，但其內血流是反向的。由皮質流入髓質的降支小血管血液中的氧彌散進入髓質后，會再次彌散進入升支小血管中，并隨升支小血管流回皮質區[5]。這些解剖和生理結構上的特點反映在BOLD-MRI上就是皮質的R2*值明顯低于髓質。本研究還發現腎髓質區域內相對于腎上極和腎中極區域的R2*值高于腎下極，提示腎髓質內腎下極氧含量相對更高，筆者推測這可能與一部分研究對象腎下極存在副腎動脈供應有關。一部分副腎動脈由腹主動脈單獨分出，并且大多數直接為腎下極供血，這樣的副腎動脈可以在20%～30%的健康人群中出現。本研究顯示腎皮質不同部位R2*值無明顯差異，推測這可能與皮質內特有動靜脈分流機制有關。腎皮質內血流增加時分流量也隨之增加，腎皮質內氧分壓維持在相對穩定的水平[6]。

本研究還發現髓質R2*值與研究對象年齡呈正相關，與eGFR負相關，推測可能有腎內血流和內分泌等生理機制參與其中。腎實質內功能性腎小球數量隨著年齡的增長而減少[7-8]，另外，隨著年齡的增長，腎小動脈的內皮功能的變化會引起血管阻力增大[9]。功能性腎小球數量的減少和血管阻力增大均導致腎血流量減少，腎實質內缺氧程度加重。老年人群前列腺素E2（PGE2）水平不足年輕人群的1/2[10]，PGE2已證實可抑制腎臟細胞內Na-K-ATP酶活性從而減少腎內氧耗[11]。因此，腎實質內PGE2水平下降造成腎內缺氧程度也加重。

總之，BOLD-MRI作為一種新型無創技術可以評價腎實質內氧含量的變化，并可動態觀察腎功能變化。

Figure 1 Anatomic and BOLD MRI map of normal healthy kidneys.圖1 正常健康腎臟解剖參考圖和BOLD-MRI圖像

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（2013-10-12收稿 2013-12-19修回）

（本文編輯 李國琪）

Blood Oxygen Level Dependent MRI of Normal Kidney and Its Correlation with Physiological Indexes

SHI Huilan,ZHENG Zhenfeng,MA Hui,LI Fengtan,ZHANG Jing,ZHANG Yunting
Department of Radiology,General Hospital of Tianjin Medical University,Tianjin 300052,China

ObjectiveTo explore the characteristics of blood oxygen level dependent(BOLD)magnetic resonance imaging(MRI)in healthy native kidneys.To investigate the relationship between BOLD-MRI and common physiological indexes.MethodsGE 3.0T MRI scanner and Torsopa phased-array coil were employed to acquire renal coronal T1WI and BOLD image.Ninety patients who were ruled out chronic kidney diseases underwent BOLD-MRI with T2*-spoiled gradient recalled echo(T2*SPGR)sequence.BOLD images were analyzed on R2*map software.Cortical and medullary R2*values were analyzed in bilateral kidneys and in different gender.Different regional R2*values in cortex and medulla were also analyzed.Physiological indices including age,body height and weight,body mass index(BMI),body surface area(BSA),estimated glomerular filtration rate(eGFR)were recorded.Correlation between R2*value and physiological indices were analyzed.ResultsBilateral renal cortical R2*values[left(16.56±1.40)Hz and right(16.66±1.28)Hz,respectively]were less than values in medulla[left(28.82±3.71)Hz and right(28.36±3.72)Hz,respectively].Female and male cortical R2*values[female (16.55±1.30Hz)and male(16.66±1.38)Hz,respectively]were also less than corresponding values in medulla[female(28.46± 3.64)Hz and male(28.70±3.78)Hz,respectively].In bilateral renal medullary region,R2*values in low pole(27.29±3.05) Hz was less than values in middle(29.32±3.47)Hz and upper pole(29.16±4.21)Hz(F=15.184,P＜0.001).Age was positively correlated with R2*values in medulla(r=0.284,P=0.002).However,eGFR was negatively correlated with medullary R2*value(r=-0.232,P=0.007).ConclusionR2*values reflected the levels of renal partial pressure of oxygen and assessed the degree of renal ischemia.BOLD MRI could offer a simple,convenient and noninvasive method for to evaluate renal oxygen metabolism in cortex and medulla.

kidney cortex;kidney medulla;magnetic resonance imaging;glomerular filtration rate;blood oxygen level dependent magnetic resonance imaging;R2*value

R445.2

A

10.3969/j.issn.0253-9896.2014.06.031

天津醫科大學總醫院放射科（郵編300052）

△通訊作者 E-mail:zhengzhenfeng@vip.126.com