磁共振體素內不相干運動成像和擴散峰度成像在正常腎臟成像中的初步研究

曲麗潔， 周建軍， 丁玉芹， 傅彩霞， 曾蒙蘇

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磁共振體素內不相干運動成像和擴散峰度成像在正常腎臟成像中的初步研究

曲麗潔， 周建軍， 丁玉芹， 傅彩霞， 曾蒙蘇

目的：探討正常人腎臟磁共振體素內不相干運動成像(IVIM)和擴散峰度成像(DKI)的定量參數指標特點。方法：對27名健康志愿者行腎臟IVIM和DKI檢查，通過后處理分析，獲得雙腎皮髓質IVIM相關參數ADC、Dfast、Dslow、fp以及DKI相關參數MD、MK的測量值。分析同一測量者前后2次測得數據的一致性，比較正常腎臟左右側以及同側腎臟不同部位IVIM、DKI各參數間的差異，比較正常腎臟皮質、髓質各參數均值間的差異。結果：IVIM序列的ADC值、Dslow值、fp值和DKI序列的MD值、MK值前后兩次測量總體一致性較好，Dfast值一致性一般；IVIM、DKI各參數測量值在雙側腎臟間均沒有統計學差異(P值為0.058～0.954)，同側腎臟皮髓質不同部位各參數測量值間亦均沒有統計學差異(P值為0.171～0.995)；正常腎臟皮質ADC值、Dslow值高于髓質(t=7.072，P<0.05；t=10.057，P<0.05)，皮髓質Dfast值、fp值差異不具有統計學意義(P>0.05)；正常腎臟皮質MD值高于髓質(t=10.268，P<0.05)，髓質MK值高于腎皮質(t=-10.228，P<0.05)。結論：正常腎臟IVIM和DKI成像能顯示皮髓質間差異，反映腎臟生理功能，提示在評估腎臟疾病具有潛在應用價值，整體檢查結果具有一定穩定性。

磁共振成像; 腎； 對比研究

隨著磁共振功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的發展，基于體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)的擴散加權成像作為一種更為準確反映組織內水分子擴散運動的方法，在腎臟領域的應用逐漸成為熱點。已有的研究報道包括腎腫瘤的鑒別[1-3]、不同原因引起的腎功能損傷評估[4-7]等。擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)由Jensen教授于2005年提出[8]。峰度參數能反映水分子擴散非高斯位移偏離理想高斯分布的程度，從而更好地顯示組織微觀結構。腎臟髓質內小管排列和液體流動具有明顯方向性，水分子擴散的非高斯分布特征明顯，故DKI成像可提供與腎臟組織結

表1 MR檢查各掃描序列相關參數

構和病理生理學相關的生物學信息，而目前國內外關于腎臟DKI的研究報道較少，尚處于探索階段[9-10]。IVIM和DKI在正常腎臟的成像表現可以為進一步開展腎臟疾病研究提供參考。因此，本研究應用1.5T 磁共振對正常雙腎行IVIM-DWI和DKI檢查，探討正常腎臟皮髓質IVIM和DKI成像的部分功能參數特征。

材料與方法

1.研究對象

2015年7月-2016年2月采用IVIM-DWI和DKI序列行磁共振腎臟成像的健康志愿者計27例，男11例，女16例，年齡24～60歲，平均年齡35歲。所有志愿者均無腎臟相關疾病史和原發性高血壓、痛風、糖尿病、系統性紅斑狼瘡等可能影響腎臟功能的病史，近期未服用影響腎功能藥物；雙腎MR檢查無陽性發現。所有志愿者檢查前均簽署知情同意書。

2.MR檢查方法

采用西門子1.5T磁共振掃描儀(Magnetom Aera，Simens Healthcare，Erlangen，Germany)進行檢查。檢查前受試對象禁食禁水4 h，使用18通道腹部相控陣表面線圈(A 1.5T Tim Coil Body 18)，掃描野覆蓋雙側腎臟、腎上腺及部分肝臟，囑咐患者檢查時平靜均勻呼吸。掃描序列包括：冠狀面T2WI、軸面T2WI抑脂序列、冠狀面及軸面T1WI抑脂序列、IVIM序列、DKI序列。IVIM-DWI成像采用自由呼吸下單次激發平面回波成像(single shot-echo planar imaging，SS-EPI)序列，b值取0、25、50、80、150、300、500、800 s/mm2[3,11,12]，擴散敏感梯度場施加在3個正交方向上，以腎門水平為中心行冠狀面掃描。DKI成像采用自由呼吸下單次激發平面回波(SS-EPI)序列，b值取0、500、1000、1500、2000、2500 s/mm2，擴散模式使用3D對角模式(3D diagonal)，以腎門水平為中心行冠狀面掃描。各序列具體掃描參數見表1。

3.圖像處理及數據測量

IVIM序列的ADC圖在掃描后自動生成；經過手動調用西門子Aera MR工作站的IVIM后處理軟件運算獲得擴散相關系數Dslow圖，微循環灌注相關系數Dfast圖和灌注分數fp圖。將DKI圖像經西門子公司后處理軟件(Siemens MR Body Diffusion Toolbox V1.2.0)處理，生成平均擴散系數MD圖和平均峰度MK圖。

所有圖像數據測量均在Siemens 1.5T Aera MR工作站上進行。在IVIM-ADC圖、Dfast圖、Dslow圖、fp圖以及DKI-MD圖、MK圖上選擇近腎門水平作為測量層面，以同層面冠狀面T2WI、冠狀面抑脂T1WI序列圖像作為腎臟皮髓質分布參考，在各個參數圖像上雙腎上極、中極、下極的皮質、髓質區域手動劃取感興趣區(region of interest，ROI)，盡量避開偽影和腎竇的影響。皮質和髓質的ROI均為依照輪廓勾畫的不規則區域，皮質ROI大小為18～30 px，髓質ROI大小為10～15 px，為了保證不同圖像的雙腎ROI放置在同一位置，采取復制、粘貼的方法(圖1)。每個參數圖都得到左右側、皮髓質、上中下極12組數據，所有參數由同一名放射科醫師測量，間隔1周后以同種方法測量第2次。

4.統計學分析

結 果

1.IVIM和DKI序列圖像表現

正常腎臟IVIM序列的ADC圖、fp圖和DKI序列的MD圖、MK圖質量較好，偽影較少，腎臟輪廓顯示清楚，ADC圖、fp圖和MD圖可以大致分清皮質和髓質；Dslow圖和MK圖腎臟輪廓顯示清楚，但皮髓質分界欠清；Dfast圖信噪比低，腎臟輪廓及皮髓分界均顯示欠佳(圖1)。

圖1 a～e為雙腎皮髓質IVIM和DKI各參數值的測定方法和圖像表現。a) 常規T2WI，該序列顯示腎臟皮髓質清楚，可作為其他序列皮髓質區分的參考，在該圖雙腎上中下極的皮髓質分別放置ROI并復制到其他圖像，以保持一致性; b) ADC圖可大致分清腎臟皮質和髓質; c) Dslow圖腎臟皮質和髓質顯示欠清； d) Dfast圖信噪比較低，腎臟輪廓及皮髓分界均顯示欠佳; e) fp圖可大致分清腎臟皮質和髓質； f) DKI成像的MD圖，圖質量較好，偽影較少，腎臟輪廓顯示清楚；g) DKI成像的MK圖像質量較好，偽影較少，但腎臟皮髓質分界顯示欠清。

2.IVIM和DKI參數測量穩定性分析

對IVIM和DKI序列每個參數圖的左右側、皮髓質、上中下極12組數據前后兩次測量值進行組內相關系數分析，評價各參數測量的穩定性(表2)。IVIM序列的ADC值、Dslow值、fp值和DKI序列的MD值、MK值前后兩次測量總體一致性較好(ICC中位值分別為0.751、0.671、0.710、0.670、0.675)，提示測量穩定性較好；Dfast值前后兩次測量總體一致性一般(ICC中位值為0.598)，提示測量穩定性一般。

表2 IVIM和DKI各參數前后兩次測量組內相關系數(ICC)

3.正常腎臟左右側以及同側不同部位IVIM、DKI各參數間差異分析

IVIM和DKI各參數在雙側上中下極的測量值間均沒有統計學差異，P值為0.058～0.954(表3)。IVIM、DKI各參數在同側上中下極的測量值間亦均沒有統計學差異，P值為0.171～0.995(表4)。

表3 IVIM、DKI各參數在雙側腎臟皮髓質上中下極的測量值分析

表4 IVIM、DKI各參數在同側腎臟皮髓質上中下極的測量值分析

4.正常腎臟皮質、髓質IVIM、DKI各參數均值及比較結果

由于正常腎臟左右側以及同側不同部位IVIM和DKI各參數間不存在統計學差異，故將IVIM和DKI各參數測量值分別取平均值作為雙腎整體的代表。正常腎臟皮質、髓質IVIM和DKI各參數均值及比較結果見表5。正常腎臟皮髓質間的ADC值、Dslow值差異具有統計學意義(P<0.05)，且皮質高于髓質；腎髓質的Dfast值、fp值略高于腎皮質，但差異不具有統計學意義。正常腎臟皮髓質間的MD值、MK值具有統計學差異(P<0.05)，腎皮質的MD值高于腎髓質，腎皮質的MK值低于腎髓質。

討 論

fMRI不僅可以反映腎臟形態學特征，而且無需外源對比劑就能提供擴散、灌注、血氧供應等分腎功能信息。既往腎臟fMRI研究主要集中在血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)成像[13]和擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)[14]。近年，IVIM-DWI和DKI成為腹部磁共振成像的研究熱門，并在腎臟成像中有所應用。IVIM成像可量化分離DWI圖像中擴散和灌注兩種運動成分，從分子水平為研究活體病變提供了一種檢測手段，具有十分重要的臨床價值。1999年，Yamada[15]首次報道了正常腎實質IVIM成像的ADC值、Dslow值和fp值，ADC值顯著高于真性擴散系數Dslow值，提示常規DWI成像ADC值高估了腎臟水分子的真實擴散狀況。Bane等[16]的研究表明腎臟皮質和髓質的ADC值、Dfast值、fp值存在差異，認為將皮髓質IVIM參數分開測量有利于更加準確了解腎臟不同部位的生理學特點及病理改變。本研究正常腎臟IVIM檢查所得各參數圖像基本可以區分皮質與髓質，并分別測量了皮髓質的ADC值、Dfast值、Dslow值和fp值。統計結果表明雙側腎臟、同側腎臟不同部位的IVIM參數無差異，腎臟皮髓質Dfast、Dslow和fp值與Filli等[11]研究結果大致相仿，而ADC值、Dfast值、Dslow值則低于Sigmund等[17]的研究。正常腎臟皮髓質IVIM各參數對比結果表明，皮質ADC值、Dslow值均高于髓質且具有統計學意義，皮髓質fp值無明顯差異，與Sigmund的報道相符；原因可能是腎髓質主要由呈放射狀規律排列的小管構成，水分子的擴散運動受限，且腎皮質毛細血管微循環灌注高于腎髓質，因此皮質的ADC值、Dslow值高于腎髓質。本研究中雖然皮髓質Dfast值沒有統計學差異，但髓質Dfast值略高于皮質，與髓質腎小管袢內液體高流量和水分子轉運活躍的生理學特點相符。多數相關文獻[12，16，17]的IVIM灌注參數(Dfast值、fp值)差異較大，推測主要與其測量的穩定性不高有關。本研究中同一測量者前后兩次測得的IVIM各參數ICC值表明ADC值、Dslow值、fp值測量穩定性好，Dfast測量穩定性一般，與Sigmund[17]的結果相仿。低b值(b≤100s/mm2)的灌注相關參數圖像信噪比偏低，會導致測量數值有較大標準差且組間測量一致性欠佳。有文獻[2，16]研究表明Dfast×fp這一參數較單一Dfast值、fp值有更高的測量準確性，可替代增強檢查作為造影劑慎用患者腎臟灌注水平的評價指標。Koh等[12]提出IVIM參數值大小及其準確性與b值數目及分布、參數擬合的數學模型、圖像數據分析的應用軟件有關，但磁場強度的影響在該文獻中并未提及。b值數量增多會延長檢查時間，兼顧臨床應用的可行性，IVIM檢查取6～8個b值即能滿足要求，但為保證準確計算灌注參數，低b值(≤200s/mm2)至少需要設置4個[12]。

表5 正常腎臟皮髓質各IVIM、DKI參數均值及比較結果

注：*差異有統計學意義。

研究正常腎臟IVIM參數指標的變化特點，有助于為研究臨床病變提供基礎材料。Rheinheimer[7]研究發現移植腎功能不全患者腎皮質IVIM參數值均低于健康對照組，而移植腎功能正常者腎皮質ADC值、Dslow值也低于對照組，提示移植腎存在缺血再灌注損傷及腎單位纖維化。慢性腎病IVIM成像研究顯示[18]患者腎皮質ADC值、Dfast值、Dslow值以及腎髓質Dfast值、Dslow值均低于正常值，且隨腎功能下降而數值減低；皮髓質fp值與肌酐清除率存在相關性[19]。Rheinheimer等[2]對腎腫瘤行IVIM檢查發現腎透明細胞癌ADC值和Dslow值明顯低于正常腎皮質，fp值明顯升高，證明fp值具有評價腫瘤血管生成情況的潛在價值，該研究還發現病灶Dslow值、fp值與腎透明細胞癌的腫瘤分級存在正相關性。盡管腎臟IVIM灌注參數具有很大的臨床價值，但其局限性在于無法進一步區分微循環的血流量與小管液水流量各自的變化情況[12，16，17]，綜合多種功能成像方法(如動脈自旋標記成像)或有助于兩者區分[20]。

組織微觀結構的復雜(細胞異型性和血管豐富程度)會導致局部水分子擴散不符合高斯分布，在使用更高b值(1000～2000s/mm2)成像時，IVIM模型無法反映真實水分子擴散情況。為了評估水分子運動偏離高斯分布的程度，出現了擴散峰度成像模型[8]，公式為S=S0×exp(-b×D+b2×D2×K/6)。其中K值可量化偏離高斯分布的程度，K值越大代表組織微觀構成越復雜，非高斯分布水分子擴散運動受限越明顯；D值則是指矯正過的ADC值，代表單純水分子擴散。由于DKI掃描時間較短，能提供比常規DWI更精確的組織擴散信息，因此在腹盆器官成像中有較大的潛在應用價值。其中，有關肝臟和前列腺疾病研究較多，然而對腎臟DKI成像進行報道的文獻少見[9，10]。本研究應用1.5T MR行正常腎臟DKI檢查，結果表明雙側腎臟、同側腎臟不同部位的DKI參數無差異，腎皮髓質的MD值分別為(2.68±0.17)×10-3和(2.31±0.22)×10-3mm2/s，皮質明顯高于髓質；腎皮髓質的MK值分別為0.58±0.04、0.62±0.05，髓質明顯高于皮質。腎髓質結構復雜，其內腎小管和集合管排列具有明顯方向性，水分子擴散受管壁等多種因素限制，因此腎髓質水分子運動偏離高斯分布更明顯，使得腎髓質MK值大于皮質。Huang等[9]報道皮髓質MD值分別為3.88×10-3和2.88×10-3mm2/s，皮髓質MK值分別為0.375、0.560，本研究髓質的測量數值與該報道大致相仿。Pentang等[10]研究顯示腎臟皮質MD值范圍在2.91×10-3～3.60×10-3mm2/s，髓質為2.66×10-3～3.80×10-3mm2/s，皮質MK值范圍為0.91～0.94，髓質為0.74～0.86，各參數值高于本研究。分析各研究間腎臟皮髓質DKI參數值差異，可能主要在于 b值選取不同。如果最大b值選取不夠高，DKI成像中有較大的IVIM成分，與非高斯運動曲線擬合不良，無法真正反映組織非高斯運動特征[21,22]。研究表明[23,24]當體部DKI成像的最大b值選取范圍在1500～2000s/mm2時，既能滿足圖像質量又能很好地擬合高b值下非高斯運動曲線。Pentang[10]研究最高b值為600s/mm2，Huang[9]的研究的最高b值為1000s/mm2，而本研究高b值有1000、1500、2000、2500s/mm2，涵蓋推薦范圍，故本研究所得測量值可能較前兩篇文獻更能真實反映正常腎臟的水分子非高斯運動特征。本研究DKI成像MD值、MK值的ICC中位值分別為0.670、0.675，一致性在較好范圍，但略低于Huang[9]的研究。本研究采用自由呼吸檢查方式，運動偽影的存在可能是ICC偏低的原因。正常腎臟DKI成像能顯示腎臟皮髓質間的差異、反映組織微結構特征，預示其在評估移植腎功能、慢性腎病及腎腫瘤化療后腎功能評估等方面具有潛在應用價值，值得深入研究。

本研究納入正常志愿者的樣本量不大，故未就性別和年齡作相關性分析，有待后續研究征集更多志愿者，做進一步分析。目前，IVIM和DKI成像中自由呼吸、屏氣掃描、呼吸門控等掃描方式均有涉及，不同方式對各參數值的穩定性和可重復性會有影響；掃描參數設置方面，不同b值(諸如數量、間隔、最大值等)選擇對參數值也有較大影響，在將來研究中有待深入比較并逐步形成統一的優化掃描方案。

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A pilot study of IVIM and DKI on normal kidney MR

QU Li-jie,ZHOU Jian-jun,DING Yu-qin,et al.

Shanghai Institute of Medical Imaging,Department of Radiology,Zhongshan Hospital,Fudan University,Shanghai 200032,China

Objective:To evaluate the characteristic parameters of intravoxel incoherent motion (IVIM) and diffusion kurtosis imaging (DKI) on normal kidney MRI.Methods:27 healthy volunteers underwent IVIM and DKI MRI of kidneys using 1.5T scanner.Maps of apparent diffusion coefficient (ADC),pseudodiffusion coefficient (Dfast),pure diffusion coefficient (Dslow),perfusion fraction (fp),mean diffusion (MD),mean kurtosis (MK) were produced by image post processing.The IVIM and DKI parameters of renal cortex and medulla were measured.Intraclass correlation coefficient (ICC) test is adopted to check the consistency.The differences of upper,middle and lower poles were compared with analysis of variance (ANOVA).The differences between left and right kidneys,between the cortex and medulla were compared with matched-pairst-test.Results:Among the values of the same measurer at different time,ADC,Dslow,fp,MD and MK showed better measuring consistency in IVIM sequence,while Dfastshowed moderate measuring consistency.There were no statistically significant differences of all parameters between IVIM and DKI for measuing kidneys.ADC、Dslowvalues obtained in the cortex were significantly higher than those in the medulla (t=7.072,P<0.05;t=10.057,P<0.05).There were no significant differences between the values of cortex and medulla in Dfastand fp(P>0.05).In DKI parametes,MD value of the medulla was lower than that of the cortex (t=10.268,P<0.05),whereas MK value of the medulla were higher than that of the cortex (t=-10.228,P<0.05).Conclusion:Some functional parameters of IVIM and DKI can reveal the difference between the cortex and medulla of the kidney,which can reflect the kidney function and provide potential value in the assessment of kidney disease.The measuring results of IVIM and DKI show good consistency.

Magnetic resonance imaging; Kidney; Comp study

R322.61; R445.2

A

1000-0313(2016)10-0908-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.10.002

2016-04-04

2016-06-17)