磁共振擴散峰度成像在人體腎臟的應用

程仲元，馮友珍，葉耀江，胡俊嬌，蔡香然

磁共振成像作為一種無創性、無電離輻射及可重復性強的檢查方法，被越來越多的應用到人體疾病診斷及功能評價等方面。擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)、磁共振灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI)和體素內相位不相干運動(intravoxel incoherent motion imaging，IVIM)擴散加權成像等磁共振功能成像技術在腎臟的應用日益增多，并展現出良好的應用前景[1-3]。擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是近年來發展的一種新興磁共振擴散成像技術，不僅能夠反映出生物組織非高斯分布的水分子擴散運動情況，而且還能夠提供組織微觀結構變化的信息。DKI最初應用于中樞神經系統[4]，并展現出良好的應用前景[5]。近年來隨著磁共振硬件及軟件的不斷發展和更新，DKI在腹部應用逐漸增多，目前主要集中在前列腺[6-8]、肝臟[9-10]的研究，在腎臟的應用仍處于探索階段，國內外僅見少量文獻報道[11-13]。本研究擬應用MRI-DKI序列對健康志愿者腎臟進行檢查，評估其在腎臟應用的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

收集2016年3月至2017年2月在我院招募的健康男性志愿者35例。納入標準：(1)20周歲≤年齡≤45周歲；(2)無腎臟器質性病變、感染等；(3)無其他系統疾病，如惡性腫瘤、血液病、放化療病史等；(4)無其他影響腎功能的疾病如高血壓、糖尿病、高尿酸血癥及腎病綜合征。排除標準：(1)腎臟內有較大(＞2 cm)或較多(超過3個)單純性腎囊腫；(2)泌尿系結石(多發結石或結石＞2 cm)或其他病變者；(3)圖像掃描偽影嚴重，影響圖像觀察的。本研究通過我院倫理委員會的批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

1.2.1 掃描設備及掃描前準備

采用 GE HD 3.0 T Discovery MR750 USA超導型掃描儀，8通道體部線圈，將掃描原始數據導入DKE軟件進行校正處理后行數據測量。所有受檢者掃描前禁食4 h，檢查前2 h內進水不超過350 ml。檢查前進行呼吸訓練，屏氣掃描。掃描采取仰臥位，足先進，并在中腹部安放呼吸帶。

1.2.2 掃描序列及參數

掃描參數設定如下：常規冠狀位T1WI、T2WI掃描；冠狀位DKI成像：采用SE/EPI序列，TR 3000～5500 ms，TE 58.9 ms，層厚4.0 mm，層間隔0.4 mm，FOV 38.0 cm×30.4 cm，帶寬250 kHz，矩陣128×128，NEX為2，平均采集時間約：7 min 30 s。采用呼吸觸發掃描，兩側腎臟獲得11～13層冠狀位圖像，每層獲得三個不同b值(0、500 s/mm2，1000 s/mm2；圖1)和30個方向擴散敏感梯度的圖像。

1.3 圖像后處理、測量及數據分析

由2名有3年以上腹部影像診斷的醫師單獨對雙腎的T1WI、T2WI以及b=1000 s/mm2的DWI圖像進行評估，評估內容主要包括：(1)腎臟有無占位性病變，如腎多發囊腫、錯構瘤等；(2)腎盂腎盞有無結石、積水擴張及梗阻征象等。兩人獨立完成DKI數據的測量，意見不同時由商議之后的結果決定。

將DKI原始數據導出經圖像校正(DKE)，使用image-J工具測量數據。由于各向異性分數(fractional anisotropy，FA)圖中腎皮質、髓質分界最為清楚，故選取其放置感興趣區(region of interest，ROI)(圖2)。在放置ROI時，以T2WI圖像作為參考，盡量選取冠狀位近腎門層面，同時盡量避開血管、腎盂和腎臟邊緣。在腎皮、髓質(上、中、下極)分別放好ROI后(圖2A)，再匹配到平均擴散峰度(mean kurtosis，MK)、軸向峰度(axial kurtosis，Ka)、徑向峰度(radial kurtosis，Kr)、平均擴散系數(mean diffusion，MD)、軸向擴散張量(axial diffusion，Da)及垂直擴散張量(radial diffusion，Dr)圖像(圖2B～H)，獲得皮、髓質相應參數，取平均值。皮質、髓質ROI大小均為22～40 mm2，皮、髓質中每個ROI大小完全一致。

1.4 實驗室檢查

所有受試對象于MRI檢查完成前2 d內完成尿肌酐水平檢測，測量前避免劇烈運動、發熱、應激、藥物以及尿路感染等。

1.5 統計學分析

使用SPSS 22.0統計軟件包進行統計學處理，P＜0.05有統計學意義。(1) 2名觀察者間DKI參數結果，采用組內相關系數(ICC)進行一致性檢驗，其中0＜ICC＜0.40：一致性差；0.40＜ICC＜0.75：一致性較好；ICC＞0.75：一致性好。(2)左、右腎臟皮髓質相應DKI各參數的比較，采用配對t檢驗；(3)右腎皮質與髓質DKI測量值比較，采用配對t檢驗。

2 結果

2.1 臨床信息

圖1 b值分別為同一志愿者同一層面三個不同b值原始圖，b值分別為0 (A)、500 s/mm2 (B)、1000 s/mm2 (C)Fig. 1 The original DKI images with b=0 (A), 500 s/mm2 (b), and 1000 s/mm2 (C).

圖2 為圖1志愿者腎臟DKI功能偽彩圖；在FA偽彩圖上，腎皮質與髓質ROI放置圖(A)；DKI偽彩圖(B～H)。A：腎皮質、髓質ROI放置圖；B：MK偽彩圖；C：Ka偽彩圖；D：Kr偽彩圖；E：FA偽彩圖；F：MD偽彩圖；G：Da偽彩圖；H：Dr偽彩圖Fig. 2 Examples for regions of interest (ROIs) of the renal cortex (oval circle) and medulla (round circle), shown on the FA image, were defined manually in the coronal plane (A). The DKI derived parametric maps of the kidney were showed on B—H. The pictures in Figure 1 and Figure 2 were from the same volunteer. A:ROI placement maps of renal cortex and medulla. B: MK pseudo-color map. C: Ka pseudo-color map. D: Kr pseudo-color map. E: FA pseudo-color map. F: MD pseudo-color map. G: Da pseudo-color map. H: Dr pseudo-color map.

表1 2名觀察者峰度參數、擴散參數各測量值ICC及95%CITab. 1 The ICCs of two observers on kurtosis and diffusion parameters

表2 左右腎皮質和髓質DKI峰度參數比較(x±s)Tab. 2 The comparison of DKI kurtosis parameters between left and right renal cortex or medulla (x±s)

表3 左、右腎皮質和髓質DKI擴散參數比較(x±s)Tab. 3 The comparison of DKI diffusion parameters between left and right renal cortex or medulla (x±s)

根據納入和排除標準，排除5例志愿者圖像，其中腎多發囊腫2例，圖像嚴重運動偽影2例，腎臟多發結石1例，最終納入本研究健康志愿者30例，年齡范圍24～44歲，平均年齡(32.37±5.73)歲；體重指數(body mass index，BMI) 25.62±3.32。

2.2 DKI偽彩圖特征

隨著b值的增高，圖像信噪比降低(圖1)。DKI偽彩圖由暖色到冷色代表相應量化值依次減低。

2.3 觀察者間測量數據的一致性檢驗

兩位觀察者峰度參數、擴散參數各測量值ICC及95%CI如表1所示，ICC所處范圍為0.912～0.973，0.935～0.969，均＞0.750，一致性較好。

2.4 左腎與右腎的DKI各參數的比較

左、右腎臟皮質和髓質DKI峰度參數(MK值，Ka值及Kr值)及擴散參數(FA、MD、Da及Dr)值均無統計學差異(P＞0.05)(表2，3)。

2.5 腎皮質、髓質DKI各參數的比較

考慮到右側腎臟受心臟大血管及膈肌運動影響較小，同時本研究三組受檢者左、右腎臟皮、髓質間參數均無統計學差異，因此采用右側腎臟皮質、髓質所測DKI參數值進行比較。腎皮質MK值、Ka值及Kr值均高于腎髓質，相應參數兩兩比較均有統計學差異，P值分別為0.003、0.001、0.018。腎皮質FA值及Da低于腎髓質，而MD值及Da值高于髓質，相應參數兩兩比較均有統計學差異，P值分別為0.000、0.000、0.017、0.000。

3 討論

DKI于2005由Jensen等[4]首次提出，是在擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)基礎上的延伸與擴展，其特有的峰度參數，能夠更加豐富地反映水分子微觀結構的信息。峰度參數值的大小與感興趣區內組織結構復雜程度成正相關[4]。

3.1 腎臟DKI b值的選擇

基于高斯分布的DWI體部成像b值在800～1000 s/mm2時最佳[13-14]，但基于非高斯模型的DKI成像技術，一般需要較高b值(＞1000 s/mm2)，因此DKI在腹部的應用受到一定限制。b值是影響磁共振成像的重要因素，在DKI最大b值的選擇上需要考慮多種因素的影響。b值越高，對磁共振硬件及軟件要求也越高；同時也會加速組織信號衰減，使得磁共振信號強度的明顯下降，圖像信噪比(signal to noise ratio，SNR)隨之明顯降低[15-16]。

目前關于腎臟DKI的研究，僅有少量文獻報道[11-13]，且均為正常人的前瞻性研究，所采用的最大b值均小于1000 s/mm2。Jensen等[4，17]、Rosenkrantz等[16]認為在DKI的最佳b值的選擇應根據所研究組織的不同而又所差異，比如在正常腦組織的ADC≈1.0×10-3mm2/s，Kapp≈1，故腦組織DKI最大b值推薦選擇2000 s/mm2；而腎臟ADC≈(1.5～3.0)×10-3mm2/s，因此此時DKI最大b值應小于腦組織推薦的最大b值，約為1000 s/mm2，甚至更小[17]。Pentang等[12]認為在最大b值在600～800 s/mm2范圍，能夠顯示腎臟水分子偏離高斯擴散的狀態。而huang等[11]，也認為最大b值為1000 s/mm2的DKI模型用于正常人腎臟以顯示水分子非高斯分布擴散狀態是可行的。此外，Quentin等[7]在前列腺DKI最高b為1000 s/mm2。綜合以上各種因素考慮，本研究最終選擇掃描最大b值為1000 s/mm2，三組b值分別為0、500 s/mm2、1000 s/mm2。

3.2 腎皮質和髓質的峰度參數

研究表明，峰度參數主要反映感興趣內微觀組織的復雜程度[4，17]。本研究結果顯示腎皮質的MK值高于髓質，相應參數兩兩比較均具有統計學差異(P＜0.05)，這與Pentang等[12]、Filli等[15]研究結果一致，這可能說明腎皮質的微觀組織結構比髓質更加復雜。究其原因，可能與皮質、髓質微結構特點有關：(1)腎皮質組織結構和生理功能更復雜。腎皮質主要由腎小球和少量近端小管組成；腎小球由復雜的毛細血管叢和腎小囊構成，其組織結構內又包含內皮細胞、壁層上皮細胞、基底膜、足細胞、系膜細胞及系膜基質等結構。而腎髓質主要由腎小管系統、少量間質和營養小血管構成，在整體結構上較為一致。(2)受血流灌注的影響。腎臟血流灌注豐富，但腎臟血流分布極不均勻，腎皮質血流量約占腎臟總血流量的94%。

曲麗潔等[13]、Huang等[11]認為腎髓質峰度參數(MK、Ka及Kr值)高于皮質，與本研究結果相反。掃描設備、成像方向不同可能是實驗結果有所不同的原因，Pentang等[12]采用GE 3.0 T Signa EXCITE HD掃描儀，4通道體部線圈，軸位掃描；曲麗潔等[13]采用Siemens 1.5 T磁共振掃描儀進行檢查，使用18通道腹部相控陣表面線圈。而本研究采用GE HD 3.0 T Discovery MR750，8通道體部線圈，冠狀位掃描。另外b的數量及大小不同可能是與曲麗潔等[13]研究結果有所差異的另一個原因。曲麗潔等[13]采用6個b值，最大b值為2500 s/mm2，而本研究采用3個b值，最大b值為1000 s/mm2。

本研究結果顯示皮質和髓質平均MK值分別為0.659±0.017、0.644±0.015，均小于文獻報道[12]。Pentang等[12]、Filli等[15]的研究顯示皮質MK值分別0.880±0.090、0.800±0.180；髓質平均MK值分別為0.750±0.140，0.790±0.210。這可能與以下因素有關：(1) b值大小以及數量不同。Pentang等[12]研究b值為0、300和600 s/mm2，Filli等[15]研究b值為0、150、300、500和800 s/mm2，而本研究b值為0、500和1000 s/mm2。b值是影響水分子擴散的重要因素，隨著b值的增大，生物組織的不均勻性對組織的擴散影響增加，水分子擴散分布偏離高斯分布更加明顯，更加符合DKI模型。掃描b值數量越多，所需掃描時間越長，運動偽影影響更加明顯。(2)與腎臟的血流灌注、小管內液體流動有關。Thoeny等[18]認為擴散信號受腎臟血流的影響。Sigmund等[19]對正常人狀態、水利尿后及使用呋塞米后進行IVIM及DTI研究發現，DWI對利尿劑引起的腎臟流量的改變敏感，并且認為擴散成像的信號與血管流量、腎小管直徑、水的重吸收及管內流量的改變均有關。曲麗潔等[13]、Pentang等[12]、Filli等[15]均未對Ka值及Kr值進行報道。

3.3 腎皮質和髓質的擴散參數

本研究中腎髓質的FA值明顯高于皮質并具有統計學意義，這與以往研究一致[11-12，20]。這主要與腎臟本身生理功能、解剖結構特點有關。腎臟皮質主要由腎小球和少量近端小管組成，而腎小球由復雜的毛細血管叢和腎小囊構成；髓質主要由腎小管及直小血管組成，且腎小管與直小血管平行排列，整體上呈放射狀分布，這就形成了一個限制水分子運動的結構，因此腎皮質表現為各向同性，而髓質各向異性更為明顯。本研究顯示腎皮質的MD值高于髓質，曲麗潔等[13]、Huang等[11]、Pentang等[12]及Filli等[15]也得到同樣的結論。Chandarana等[21]的研究顯示腎皮質擴散相關參數明顯高于腎髓質，認為這與腎臟皮質的高灌注及皮質的腎小管直徑較寬有關。另外，筆者認為皮質Da值小于髓質，皮質Dr值高于髓質，而Huang等[11]研究結果顯示皮質Da值、Dr值高于髓質，這可能與成像設備、掃描的方向等因素不同有關，需要進一步深入研究。曲麗潔等[13]、Pentang等[12]、Filli等[15]均未對腎皮質、髓質Da值、Dr值進行報道。

3.4 結論與不足

本研究以男性健康志愿者作為研究對象，應用呼吸觸發的MR-DKI技術對腎臟進行掃描，并采用DKE軟件對運動偽影進行校正，結果顯示MR-DKI在腎臟的應用可行性較好。DKI不僅能夠反映腎皮質、髓質水分子擴散狀態差異，而且能夠提供更多反應組織微觀信息；其特征性參數MK值、Ka值與Kr值，能夠對擴散參數做更好的補充。本研究存在以下不足：(1)納入的志愿者年齡較小，而且均為男性，平均32～34歲左右(24～44歲)；(2)單中心研究、樣本量較小，需要更大的樣本量及多中心研究。

利益沖突：無。