體素內不相干運動參數值評價正常兒童腎臟皮髓質差異

邢春華，萬紅燕，陳靜雯，趙麗萍，華妙強，吳晴，陳宏偉，徐蒙萊，姜新宇

[1.南京醫科大學附屬南京醫院(南京市第一醫院) 醫學影像科，江蘇 南京 210006； 2.無錫市兒童醫院醫學影像科，江蘇 無錫 214023； 3.無錫市兒童醫院 腎內科，江蘇 無錫 214023]

?

·論 著·

體素內不相干運動參數值評價正常兒童腎臟皮髓質差異

邢春華1，萬紅燕2，陳靜雯2，趙麗萍3，華妙強2，吳晴3，陳宏偉2，徐蒙萊2，姜新宇2

[1.南京醫科大學附屬南京醫院(南京市第一醫院) 醫學影像科，江蘇 南京 210006； 2.無錫市兒童醫院醫學影像科，江蘇 無錫 214023； 3.無錫市兒童醫院 腎內科，江蘇 無錫 214023]

目的:探討體素內不相干運動(IVIM)相關參數值在正常兒童腎臟皮髓質之間的差異，為兒童腎臟病變在磁共振(MR)IVIM- DWI成像時提供正常參考值。方法:28例健康志愿者均行中腹部常規MRI平掃和IVIM- DWI檢查，b值取0、50、100、150、200、400、600 s·mm-2。將掃描原始圖像導入IVIM后處理軟件，對左、右側腎皮質及髓質分別劃取3個像素大小為10～15的ROI，測量皮髓質血流量(BF)、體素內真性水分子擴散(D)、體素內微循環灌注(D*)、灌注分數(f)值，取3次的平均值。采用獨立樣本t檢驗評價IVIM各參數在皮髓質之間的差異；采用ROC曲線分析BF、D、D*、f值區分差異的效能。結果:28例正常兒童腎臟中：皮髓質BF值分別為(3.47±0.35)×10-3、(3.28±0.23)×10-3mm2·s-1；D值分別為(2.70±0.13)×10-3、(2.12±0.31)×10-3mm2·s-1,D*值分別為(15.06±1.10)×10-3、(14.23±0.73)×10-3mm2·s-1；f值分別為(26.13±4.07)%和(32.11±3.50)%。腎臟皮質D、D*值明顯高于髓質，而腎臟皮質的f值則低于髓質，差異均具有統計學意義(P=0.000、0.027、0.001)。腎臟皮、髓質BF值差異無統計學意義(P=0.109)。ROC分析得到BF、D、D*、f值曲線下面積分別為0.622、0.954、0.760、0.872(P=0.270、0.000、0.019、0.001)。結論:IVIM相關參數D、D*、f值在腎臟皮髓質中存在顯著差異，其中D值區分差異的能力最強；而BF值在腎臟皮髓質之間的差異無統計學意義。

體素內不相干運動； 磁共振成像； 兒童； 腎臟

近年來，兒童腎臟病的發病率逐漸上升。腎活檢是目前臨床診斷的金標準，因其有創且短期內難以做到多次評價腎臟病理狀態，常不易被患兒及其家長接受。如何能夠無創監測腎臟病理生理功能的變化是兒童腎科醫生關注的課題。腎臟的磁共振成像(MRI)檢查已經廣泛應用于臨床，體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)擴散成像理論[1]即多b值的擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)[2]能夠無創區分組織內單純水分子運動的真性擴散及微循環血液灌注形成的假性擴散，因此其在腎臟中的潛在應用價值有可能超越常規的DWI和表觀擴散系數(ADC)。目前，已有研究采用體素內不相干運動擴散加權成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM- DWI)評估正常成人腎臟皮髓質血流情況[1，3]，然而未見關于兒童腎臟的研究。本研究試圖通過IVIM- DWI來研究腎臟的水分子擴散特點及微循環灌注特性，為兒童腎臟病變提供體素內真性水分子擴散(pure molecular- based diffusion coefficient，D)、體素內微循環灌注(pseudo diffusion coefficient of perfusion，D*)、灌注分數(perfusion fraction，f)及血流量(blood flow，BF)的正常參考對照值，為進一步研究兒童腎臟疾病的病理生理狀態打下基礎。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2013年6月至2015年12月在無錫市兒童醫院接受中腹部常規磁共振(MR)平掃和IVIM序列檢查的兒童，且符合以下條件：(1) 無MR檢查禁忌證，自愿接受檢查，并由其監護人簽署知情同意書；(2) 無泌尿系統疾病家族史，無可能影響腎功能的疾病(如腎炎、青少年糖尿病等)；(3) 研究前1個月內尿常規檢查、與腎功能相關血液學檢查及腎臟影像學檢查均無異常發現；(4) 研究前1個月內未服用影響腎血流、耗氧量的藥物；(5) IVIM成像序列參數一致，且采集所得MR圖像清晰，可用于觀察、診斷及后處理；(6) 研究對象年齡≤14歲。

最終，共計28例正常兒童符合所有入組標準而納入此項研究。入組兒童男15例，女13例，年齡3～14歲，平均7.6歲。

1.2 檢查方法

28例均行中腹部常規MRI平掃和IVIM序列檢查。采用德國Siemens Magnetom Aera1.5 T MR掃描儀，體部相控陣線圈。采取頭先進仰臥位，檢查前接受均勻呼吸訓練。掃描范圍中腹部，包括全腎臟。所有序列均加呼吸導航技術控制呼吸偽影。常規MRI平掃序列和參數：(1) 橫斷面梯度回波T1WI序列：TR 245.00 ms，TE 4.87、2.37 ms，反轉角(FA)70°，層厚5.0 mm，層間距1.0 mm，FOV 330 mm×396 mm，矩陣320×175；(2) 冠狀面半傅立葉采集單次激發快速T2WI序列：TR 1 400.00 ms，TE 92.00 ms，FA 180°，層厚5.0 mm，層間距1.0 mm，FOV 400 mm×400 mm，矩陣256×256；(3) 橫斷面快速自旋回波T2WI序列：TR 3 954.00 ms，TE 98.00 ms，FA 160°，層厚5.0 mm，層間距1.0 mm，FOV 330 mm×330 mm，矩陣384×202。DWI檢查：采用SE平面回波成像序列，b值為0、50、100、150、200、400、600 s·mm-2，TR 4 500.00 ms，TE 66.00 ms，FA 90°，層厚5.0 mm，層間距1.0 mm，FOV 317 mm×380 mm，矩陣192×134，掃描獲得DWI及ADC圖。總掃描時間共約12 min。

1.3 MR圖像后處理

IVIM圖像后處理采用德國Siemens Ivim Main軟件。IVIM序列所得MR圖像以DICOM格式存儲，采用軟件進行計算分析，生成代表BF、D*、D、f參數的偽彩圖像。圖像經保存后導入MR后處理工作站，觀察腎臟皮髓質的信號、邊界等，對其進行定量測定。

MRI圖像分析及ROI選取由1名具有10年以上腹部MRI影像診斷經驗的醫師完成。以相同掃描角度橫斷面脂肪抑制T1WI圖像為背景參考，在參數BF、D、D*、f圖像上遠離腎門側層面對左、右側腎皮質和髓質分別劃取3個像素大小為10～15的ROI，大小0.5～1 cm2，為保證ROI位置相同，采取復制、粘貼的方法求取平均值作為每側腎臟皮質及髓質的IVIM參數值。因靠近腎門側層面有血管通過，血管搏動可能導致鄰近腎組織失相位，影響測量數值造成一定程度的誤差。

1.4 統計學處理

所有數據采用SPSS 19.0軟件包進行統計分析。計量數據以均數±標準差表示，采用獨立樣本t檢驗比較IVIM相關參數值在腎臟皮髓質中的差異；采用ROC曲線分析參數值評估差異的能力。均以P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 正常兒童腎臟MRI表現

28例正常兒童腎臟MR影像學表現：由于腎臟皮髓質含水量差異，T1WI腎皮質信號稍高于髓質，多數于雙腎后緣及左側緣見低信號化學位移偽影，預飽和脂肪抑制T1WI皮髓質信號強度差異表現得更為明顯；T2WI、DWI腎皮髓質信號強度相似，難以分辨，均表現為稍高信號影，其中T2WI常見髓質信號強度稍高于皮質，而DWI多示皮質信號略高。

2.2 正常兒童腎臟IVIM參數值

28例正常兒童腎臟經IVIM序列檢查后，后處理產生BF、D*、D、f參數圖。在T1WI、BF、D*、D、f參數圖上取感興趣區(圖1)，測得左右側腎皮質之間、腎髓質之間IVIM參數值差異均無統計學意義(P>0.05)，因此研究將左、右腎數據合并，取測量平均值作為正常腎臟皮質及髓質的參數值，結果見表1。腎臟皮質D、D*值明顯高于髓質，而腎臟髓質的f值則高于皮質，差異均具有統計學意義(P=0.000、0.027、0.001)。腎臟皮質及髓質BF值差異無統計學意義(P=0.109)。ROC分析得到D、D*、f值曲線下面積分別為0.954、0.760、0.872，且差異存在統計學意義(P=0.000、0.019、0.001)，其中，D值區分差異的能力最高。

3 討 論

3.1 IVIM原理

DWI作為一種無創反映活體水平分子無規則熱運動狀況的成像方法，成像主要依賴于水分子運動[4]，因此DWI圖像影像對比主要取決于組織間表觀擴散[5]，ADC值可以量化評估組織平均擴散，體現組織細胞微觀水平的病理生理改變。研究多將其應用于腫瘤檢測、鑒別腫瘤及非腫瘤組織、預測疾病治療療效等。然而由于DWI圖像上信號衰減同時包括真性水分子擴散和毛細血管網中隨機血流微循環灌注，后者使擴散影像中含假擴散信息，從而ADC值反映的信息不盡真實，這種現象被稱為IVIM[1]。

基于IVIM雙指數模型的DWI是采用多個b值的掃描成像，通過雙指數模型擬合公式，可以將組織真實擴散信息和微循環灌注信息區分開。此擬合公式為：Sb/S0=(1-f)·exp(-bD)+f·exp[-b(D+D*)]，其中S代表體素內信號強度；D值反映真實水分子擴散，稱為真性擴散系數；D*值反映組織微循環灌注情況，又稱為假性擴散系數；f值代表體素內微循環灌注效應占總體擴散效應的容積率。根據上述公式，由于D*值常顯著高于D值若干個數量級，因此應用低b值DWI(通常指b<200 s·mm-2時)測量到的信號衰減主要反映微循環灌注；高b值DWI測量到的信號衰減主要體現水分子擴散。

3.2 IVIM成像臨床意義及腎臟結構分析

腎臟作為維持活體生物組織中水電解質平衡的重要器官之一，富含血流量，占心輸出量的20%～25%，同時，腎臟承擔人體水轉運的功能，時刻進行著水的重吸收、濃縮及稀釋，一旦腎臟病變容易影響血流及水轉運[6- 7]。IVIM適用于既含水分子活躍擴散運動又有血液微循環灌注的組織，已有報道將IVIM應用到肝臟、胰腺、前列腺等器官，在鑒別診斷良惡性腫瘤及評估疾病嚴重程度等方面皆取得了良好的效果[8- 11]。腎臟水分子擴散運動活躍、微循環灌注豐富，符合IVIM檢查的生理基礎。

目前，已有諸多研究采用IVIM評估正常成人腎臟皮髓質血流情況[3，12]，但是兒童畢竟不是縮小版的成人，在生理上有別于成人，故有必要進行兒童腎臟方面的研究，為進一步研究兒童腎臟疾病的病理生理狀態打下基礎。我們選取年齡段2～14歲正常兒童，原因為：足月新生兒單側腎臟含85～100萬腎單位，腎濾過率僅為成年人的1/4，2個月時為成人的一半，約2歲時才達到成人水平；過濾全身約20%血容量，腎臟的濾過功能直接影響水分子的擴散和血流微循環；另外，2歲之前嬰幼兒腎臟體積小，從影像學上很難區分皮髓質。在我們關于兒童腎臟的研究中發現，腎臟皮質D、D*值顯著高于髓質，而髓質的f值則高于皮質，其中，D值區分皮髓質差異的能力最高，究其原因可能與腎臟組織解剖結構及功能相關。

圖1 A～E分別為正常兒童腎臟T1WI、BF、D、D*、f圖像

Fig 1 A-E were T1WI， BF， D， D*，fimages of kidney in healthy children

表1 IVIM相關參數在腎臟皮髓質中的差異( x ± s)

Tab 1 difference of IVIM derived parameters in renal cortex and medulla( x ± s)

腎臟BF/×10-3mm2·s-1D/×10-3mm2·s-1D*/×10-3mm2·s-1f/%皮質3.47±0.352.70±0.1315.06±1.1026.13±4.07髓質3.28±0.232.12±0.3114.23±0.7332.11±3.50t值1.6686.4062.3444.165P值0.1090.0000.0270.000

D值主要反映的是活體生物組織中水分子的擴散，從解剖結構看，腎臟實質分為腎皮質和腎髓質，腎髓質位于腎實質深部，約占2/3，髓質主要由集合管、部分腎小管及小血管等管道結構組成，且規律排列成放射狀，這種結構限制了水分子的擴散；而腎臟皮質主要由腎小球和部分腎小管等結構組成，放射狀的小管狀結構較少，水分子擴散受限不顯著，因此造成髓質的D值明顯低于皮質。

D*值則體現了血流微循環灌注情況。腎動脈經由腹主動脈直接分出，正常人安靜時每分鐘流經腎臟的血液量相當于心輸出量的20%～25%，如此豐富的血流對IVIM的影響是不能忽略的。其中，腎血流量85%～90%流經皮質腎單位，流速快；另有10%～15%經髓旁腎單位入髓質，且流速較慢，腎髓質的血流灌注遠小于腎皮質，流經腎皮質區的血流量大大超過腎皮質區代謝的需要量。腎臟主要功能是濾過血漿形成尿液，存在血流差異主要是為了維持皮- 髓質溶質濃度梯度差，更有利于尿液的濃縮。皮髓質血流灌注差異導致D*值的不同，與已有對腎臟MR灌注成像的研究結果[13]類似。D值區分差異的能力更高，原因可能在于腎內外髓質灌注不同，外髓部和內髓部血流量分別約為腎皮質血流量的40%和10%，ROI的選取影響了IVIM參數，導致D*區分差異的能力不如D值。

f值理論上應隨著組織微循環灌注的增加而增大。此研究卻出現了違背理論的結果：髓質f值高于皮質。有文獻報道在脂肪肝、肝癌的IVIM- DWI研究中觀察到類似矛盾的結果。Lemke等[14]在對不同TE條件下健康志愿者胰腺DWI信號衰減的研究中發現，f值依賴TE，TE越長，低b值時信號衰減越是明顯，導致f值的增加；在小于血液T2值的組織中，f值對于TE的依賴性更強。IVIM理論未能計算TE對f值的影響，更適用于T2值與血液相近的組織。我們對腎臟的研究中，因腎臟與血液的T2值差異較大，IVIM參數計算時受到T2值差異影響，高估了腎髓質f值。

皮髓質BF值差異無統計學意義。BF值即血流量，在西門子公司提供的軟件中由D*×f所得，反映微循環灌注情況，可能由于D*與f值差異為雙向性造成BF值不穩定，另外本研究例數較少，故BF值在皮髓質之間未體現出差異，尚有待進一步研究。

總之，IVIM- DWI可作為一種新型無創性、動態評價腎臟濾過和重吸收功能的影像學方法，反映腎臟微觀功能結構。本研究為臨床評價腎臟功能提供了新的參考指標，也為將來進一步研究腎臟病理狀態下功能改變提供參考。

[1] le BIHAN D，BRETON E，LALLEMAND D，et al.Separation of diffusion and perfusion in intravoxel incoherent motion MR imaging[J].Radiology，1988，168(2):497- 505．

[2] KOH D M，COLLINS D J.Diffusion- weighted MRI in the body:applications and challenges in oncology[J].AJR Am J Roentgenol，2007，188(6):1622- 1635．

[3] FILLI L，WURNIG M，NANZ D，et al.Whole- body diffusion kurtosis imaging:initial experience on non- gaussian diffusion in various organs[J].Invest Radiol，2014，49(12):773- 778．

[4] 劉念龍，張蘭芳，何俠，等.磁共振彌散加權成像在鼻咽癌顱底放療療效評價中的應用[J].現代醫學，2013，41(11):821- 824．

[5] VANDECAVEYE V，de KEYZER F，DIRIX P，et al.Applications of diffusion- weighted magnetic resonance imaging in head and neck squamous cell carcinoma[J].Neuroradiology，2010，52(9):773- 784．

[6] PALMUCCI S，MAURO L A，FAILLA G，et al.Magnetic resonance with diffusion- weighted imaging in the evaluation of transplanted kidneys:updating results in 35 patients[J].Transplant Proc，2012，44(7):1884- 1888．

[7] 韓雨晨，劉必成.腎臟血管重建治療對動脈粥樣硬化性腎動脈狹窄患者臨床預后影響的Meta分析[J].東南大學學報：醫學版，2014，33(6):741- 746．

[8] LEWIN M，FARTOUX L，VIGNAUD A，et al.The diffusion- weighted imaging perfusion fractionfis a potential marker of sorafenib treatment in advanced hepatocellular carcinoma:a pilot study[J].Eur Radiol，2011，21(2):281- 290．

[9] CHEN C，WANG B，SHI D，et al.Initial study of biexponential model of intravoxel incoherent motion magnetic resonance imaging in evaluation of the liver fibrosis[J].Chin Med J(Engl)，2014，127(17):3082- 3087．

[10] KANG K M，LEE J M，YOON J H，et al.Intravoxel incoherent motion diffusion weighted MR imaging for characterization of focal pancreatic lesions[J].Radiology，2014，270(2):444- 453．

[11] ZHANG Y D，WANG Q，WU C J，et al.The histogram analysis of diffusion- weighted intravoxel incoherent motion(IVIM)imaging for differentiating the gleason grade of prostate cancer[J].Eur Radiol，2015，25(4):994- 1004．

[12] ECKERBOM P，HANSELL P，BJERNER T，et al.Intravoxel incoherent motion MR imaging of the kidney:pilot study[J].Adv Exp Med Biol，2013，765:55- 58．

[13] NOTOHAMIPRODJO M，REISER M F，SOURBRON S P.Diffusion and perfusion of the kidney[J].Eur Radiol，2010，76(3):337- 347．

[14] LEMKE A，LAUN F B，SIMON D，et al.Aninvivoverification of the intravoxel incoherent motion effect in diffusion- weighted imaging of the abdomen[J].Magn Reson Med，2010，64:1580- 1585．

Evaluation of intravoxel incoherent motion derived parameters in differentiating renal cortex and medulla of healthy children

XING Chun- hua1，WAN Hong- yan2，CHEN Jing- wen2，ZHAO li- ping3，HUA Miao- qiang2，WU Qing3，CHEN Hong- wei2，XU Meng- lai2，JIANG Xin- yu2

(1.DepartmentofRadiology，theFirstHospitalofNanjing，NanjingMedicalUniversity，Nanjing210006，China;2.DepartmentofRadiology，WuxiChildren’sHospital，Wuxi214023，China; 3.DepartmentofNephrologyandRheumatology，WuxiChildren’sHospital，Wuxi214023，China)

Objective： To evaluate the value of intravoxel incoherent motion(IVIM)derived parameters in differentiating renal cortex and medulla of healthy children， in order to provide normal reference in renal diseases. Methods： 28 healthy volunteers underwent middle abdomen 1.5 T MR(including conventional MRI and IVIM- DWI scan sequences)， and b values were 0， 50， 100， 150， 200， 400， 600 s·mm-2. After the original images were imported into the IVIM post- processing software， the ROIs of the left and right renal cortex and medulla were each set three times. The average value of blood flow(BF)， pure molecular diffusion(D)， perfusion- based molecular diffusion(D*)， perfusion fraction(f)were measured. Using independent- samplesttest to evaluate the difference and using ROC analysis to compare the differential potential of parameters BF， D， D*，f. Results： BF values of cortex and medulla in 28 cases of healthy volunteers were(3.47±0.35)×10-3mm2·s-1and(3.28±0.23)×10-3mm2·s-1separately， D values were(2.70±0.13)×10-3mm2·s-1and(2.12±0.31)×10-3mm2·s-1， D*values were(15.06±1.10)×10-3mm2·s-1and(14.23±0.73)×10-3mm2·s-1，fvalues were(26.13±4.07)% and(32.11±3.50)%. D， D*andfvalues were significantly different in renal cortex and medulla(P=0.000， 0.027， 0.001， respectively). BF was not significantly different(P=0.109). Areas under the ROC curve for the related parameters BF， D， D*，fwere 0.622， 0.954， 0.760， 0.872(P=0.270， 0.000， 0.019， 0.001)， respectively. Conclusion: D， D*，fvalue show significant difference in renal cortex and medulla， and the differential potential of D is the highest， and BF shows poor difference in cortex and medulla．

intravoxel incoherent motion; magnetic resonance imaging; children; kidney

2016- 05- 04

2016- 08- 27

無錫市科技局研究基金項目(CSE31N1412)；無錫市衛生局面上項目(MS201426)；無錫市醫管中心面上項目(YGZXM1535)

邢春華(1989-)，女，江蘇啟東人，住院醫師，醫學碩士。E- mail：xingchunhua07sh@126.com

姜新宇 E- mail：zoezoejiang@163.com

邢春華，萬紅燕，陳靜雯，等.體素內不相干運動參數值評價正常兒童腎臟皮髓質差異[J].東南大學學報:醫學版，2016，35(6)：996- 1001.

R445.2

A

1671- 6264(2016)06- 0996- 06

10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.06.035