四維DCE MRI評估大鼠缺血性腎臟結構及功能損傷的實驗研究

楊朝武 ，何光武，王 娟

（1.上海市第一人民醫院寶山分院放射科，上海 200940；2.上海市寶山區楊行鎮社區衛生服務中心，上海 200940）

四維動態磁共振增強 （4D Dynamic contrastenhancement MRI，4D DCE MRI）作為磁共振功能成像的一種，能提供多個定量血管功能參數：對比劑容積轉換常數（Ktrans）、血管外細胞外間隙容積比（Ve）、 速率常數 （Kep）、ST-T 曲線下最大面積（iAUC），Ktrans反映低分子量釓螯合物透過血管向血管外間隙的擴散常數，Ve反映組織內血管外細胞外間隙容積比，Kep為Ktrans/Ve比值，iAUC則可以定量分析組織區信號時間曲線的動態變化，通過4D DCE-MRI定量分析Gd-DTPA在血管與組織微環境的交換變化，結合ST-T曲線評估腎功能具有一定價值，目前相關研究較少。

本研究采用西門子3.0T磁共振掃描儀，采用大鼠腎動脈狹窄模型及Gd-DTPA小劑量灌注方法，利用工作站Tissue 4D軟件處理圖像，計算腎臟組織血管功能參數（Ktrans、Ve、Kep、iAUC），與 SPECT腎顯像腎小球濾過率 （Glomerular filtration rate，GFR）及組織病理學結果對照，探討4D DCE-MRI用于評估腎臟結構及功能損害的價值。

1 材料與方法

1.1 實驗對象一般資料

對大鼠的所有處置符合中國相關法規，并遵守中國實驗動物保護和安樂死規定。選取24只雄性SD大鼠，每只重350～450 g，腹腔注射氯胺酮麻醉（100 mg/kg體重），消毒后，腹部左旁縱向切口，游離左腎動脈、腎靜脈、神經和結締組織，選取一根絲線（3-0）環繞腎動脈注意不要損壞周圍血管，然后用一個針頭（21～23G）以角度為“L”放在左腎動脈水平，用絲線結扎腎動脈及針頭，抽出針頭造成左腎動脈輕中度狹窄。在手術過程中，暴露的組織用等滲鹽水浸泡過的紗布覆蓋且用等滲鹽水防止手術區域組織脫水，右腎和右腎動脈不作處理，依次縫合腹膜、肌肉和皮膚，大鼠蘇醒后，放回籠中繼續飼養2～4周。每只大鼠均行MR平掃、DCE-MRI及99mTc-DTPA SPECT腎顯像檢查。所有檢查完成后對大鼠施行安樂死，解剖大鼠雙側腎臟并進行病理學檢查。

1.2 影像學資料

1.2.1 4D DCE-MRI數據計算

使用3.0T磁共振掃描儀（Verio，西門子醫療解決方案，德國），小動物專用線圈，25℃室溫掃描，掃描詳細參數列于表1。大鼠麻醉后呼吸平穩，無抽搐后平穩放入小動物專用線圈，大鼠俯臥位，身體長軸與線圈長軸平行，位于線圈中心，掃描過程中對大鼠注意保暖。注入造影劑前先掃描32幅薄層圖像（包括 T1-vibe-冠狀位，5°及 15°翻轉角）。 DCE-MRI掃描分兩步，第一步，Vibe T1WI翻轉角5°及15°圖像作為掩膜圖像；第二步，尾靜脈按0.2 mmol/kg體重注入事先以0.9%生理鹽水6倍稀釋的造影劑釓特醇（ProHance，Bracco診斷，北京，中國），注射速度2 mL/min，注入造影劑后接著用1.2 mL生理鹽水沖洗靜脈導管，將殘留靜脈導管內造影劑推入，確保造影劑劑量準確。然后持續掃描5.25分鐘（連續35組掃描，每組20幅圖像），大鼠呼吸平穩狀態下采集圖像。使用西門子工作站Tissue 4D軟件，手工精確繪制感興趣區（ROI），避開腎竇脂肪及血管，包括腎皮質、腎髓質及腎盂，分別測量Ktrans、Ve、Kep 及 i-AUC值，并繪制ST-T曲線。

表1 大鼠腎臟DCE-MRI掃描參數

1.2.299mTc-DTPA腎顯像GFR計算

每只大鼠，DCE-MRI掃描后間隔16～20小時行SPECT掃描，尾靜脈彈丸式注入2 mCi（74 MBq）99mTc-DTPA （Tc-99m噴替酸；Mallinckrodt公司，黑茲爾伍德，美國），然后1.5 mL生理鹽水沖洗導管，連續掃描15分鐘。選取冠狀位動態圖像，窗寬20%、能峰 140 keV、矩陣 128×28，像素大小 4.3 mm。顯像前，將顯像注射劑置于探頭前方支架上，長徑垂直探頭面計數，用完后同樣條件對用畢注射器再進行計數，兩者相減得注入總記數率。最初1.5分鐘每3秒采集一幀圖像，后13.5分鐘每6秒采集一幀圖像，設備自帶軟件計算GFR。

1.3 統計學方法

采用SPSS 16.0軟件進行統計分析，DCE-MRI基 于 Tissue 4D 軟 件 得 出 Ktrans、Ve、Kep、iAUC，SPECT掃描得出GFR值，數據列于表2，相關性采用Spearman相關分析，所有P值均為雙側檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 腎損害組織病理學結果

選取腎上極、下極，中部腎門水平3個ROI組織，10×10倍顯微鏡下觀察各區域腎小球及腎小管損害并計數，根據損傷腎小球和腎小管比率取平均值后分為四度：①嚴重（n=13），>50%；②中度（n=8），≤50%且>10%；③輕度（n=11），≤10%且>0%；④正常（n=16），0%（表 2）。

2.2 4D DCE-MRI腎皮質、髓質 Ktrans、Kep、Ve、iAUC并與SPECT腎顯像GFR比較結果

表2顯示，GFR與腎皮質、髓質Ktrans及iAUC有明顯相關性，與髓質Ve、Kep也有明顯相關性；然而，GFR與皮質Ve、Kep沒有相關性。當ROI選在皮質或髓質時，Ktrans和iAUC用于評價受損腎功能具有很好的可靠性。

表2 4D DCE-MRI定量參數 Ktrans、Kep、Ve、iAUC與 SPECT腎顯像 GFR 比較

2.3 4D DCE-MRI腎皮質、髓質、腎盂ST-T曲線與SPECT腎顯像比較結果

如圖1所示，通過制作大鼠左腎動脈輕度狹窄模型，造成大鼠左腎輕度組織損傷及功能損害，SPECT腎顯像（圖1a）顯示大鼠兩腎99mTc-DTPA不對稱攝取并且左腎攝取和排泄均延遲，左腎GFR計算值為41.6 mL/min，約為右腎GFR值50.4%，但對于解剖結構顯示不佳；基于MRI高軟組織分辨率，DCE-MRI圖像顯示左腎體積萎縮，左腎下極顯示低灌注（圖1b）且增強早期幾乎不強化（圖1c）而晚期延遲強化 （圖1d），DCE-MRI可清楚顯示左腎下極局灶性缺血損傷；解剖大鼠發現左腎下極缺血壞死灶，鏡下病理通過對損傷腎小球、腎小管計數，確認損傷程度，所有的MRI異常信號與腎臟樣本（圖1e）及病理學表現高度一致（圖1f），相比SPECT顯像，DCE-MRI能更好的顯示腎組織局灶性損傷。

如圖2所示（圖2與圖1為同一只大鼠），通過MRI Tissue 4D軟件分析，我們制作了該大鼠雙腎皮、髓質及腎盂時間-信號強度曲線（ST-T曲線），發現左腎皮質灌注明顯低于右腎，髓質灌注略低于右腎，腎盂排泄方面，左腎盂造影劑峰值高于右腎，而下降速度慢于右腎，曲線下面積更大，表明左腎盂排泄功能減低（圖2a和2b）；SPECT腎圖曲線顯示，左腎示蹤劑攝取低于右腎，顯示左腎功能受損 （圖2c），DCE-MRI圖像表現與SPECT腎顯像一致。

圖1 SPECT腎顯像（圖 1a）顯示大鼠兩腎99mTc-DTPA不對稱攝取；DCE-MRI顯示左腎體積萎縮，左腎下極的MRI圖像顯示低灌注 （圖1b），增強早期幾乎不強化 （圖1c），晚期（圖 1d）強化；病理學圖片（圖 1f）。

Figure 1. The SPECT renal imaging(Figure 1a)shows the asymmetrical uptake of99mTc-DTPA.DCE-MRI shows atrophy of left kidney volume and the lower pole of left kidney is low perfusion(Figure 1b)which is not strengthened in earlier stage (Figure 1c)and reversed in later stage(Figure 1d).Pathological imaging(Figure 1f).

如圖3所示，通過制作大鼠左腎動脈重度狹窄模型，造成大鼠左腎重度組織損傷及功能損害，SPECT腎顯像發現大鼠左腎示蹤劑99mTc-DTPA僅微量攝取，腎排泄功能嚴重受損，GFR為0.00mL/min，右腎攝取正常（圖3a）；而DCE-MRI圖像顯示左腎明顯萎縮（50%以上）和低灌注（圖3b），皮髓質結構顯示不清，腎皮質早期強化減低（圖3c），髓質嚴重損害在增強晚期階段延遲強化（圖3d），表明整個左腎組織重度彌漫缺血損傷；SPECT腎顯像ST-T曲線發現左腎盂示蹤劑呈持續上升，沒有下降 （圖3e），表明腎盂排泄功能嚴重受損；鏡下病理顯示左腎組織重度損傷 （圖3f），DCE-MRI相比SPECT腎顯像能更好的顯示腎解剖結構及損害程度。

圖2 與圖1為同一只大鼠，Tissue 4D DCE-MRI ST-T曲線（圖2a，2b），SPECT 腎顯像 ST-T曲線（圖2c）。Figure 2. Same rat as in Figure 1.The ST-T curve of Tissue 4D DCE-MRR(Figure 2a,2b).The ST-T curve of SPECT renal imaging(Figure 2c).

圖3 SPECT腎顯像（圖3a）顯示左腎示蹤劑僅微量攝取，幾乎無排泄；DCE-MRI顯示左腎體積萎縮和低灌注（圖3b），腎皮質早期強化減低（圖3c），髓質嚴重損害DCE晚期階段延遲強化（圖3d）；99mTc-DTPA腎顯像左腎ST-T曲線 （圖3e）；病理學圖片（圖 3f）。Figure 3. SPECT renal imaging shows that tracer in left kidney is microscale and without excretion(Figure 3a).The left kidney is atrophic and lower perfusion showed by DCE-MRI(Figure 3b).The renal cortex is lower strengthened in earlier stage(Figure 3c)and the injury of medulla is severely damaged in later stage of DCE(Figure 3d).The ST-T curve of left renal in99mTc-DTPA image(Figure 3e).Pathological imaging(Figure 3f).

3 討論

目前，實驗室指標檢測是評估腎功能的常用方法[1-2]，B超、CT、SPECT等影像學方法也可以一定程度上反映腎臟形態學改變，并提供一些定量參數[3-4]。利用MRI評估腎臟形態學及功能改變近年來受到關注[5-12]。我們研究發現，4D DCE-MRI在評價腎實質損害方面有許多優點。如圖1和圖3顯示，DCE-MRI可以清楚顯示腎組織損害（萎縮或壞死），相較SPECT腎顯像它是一種更好的無創性成像技術，定位更準確，對損害程度判斷也更直觀。同時，也可對腎臟形態學改變進行定性和定量分析，在評價腎實質損害方面有重要作用。Kaplon等[13]研究發現，在慢性梗阻性腎病中，利用CT測量患腎實質厚度，發現其與99mTc-DTPA SPECT GFR具有正相關性，可用于預測腎功能。Gandy等[14]利用增強MRI測量腎動脈狹窄患者腎皮質厚度及腎臟長徑，分析其與GFR相關性，發現皮質厚度與GFR呈正相關 （r=0.74），腎臟長徑與 GFR 輕度正相關（r=0.54），認為在評估腎功能方面具有價值。類似研究也證實利用腎臟形態學改變可以預測及評估腎功能。DCE-MRI軟組織分辨力更高，動態增強圖像選取合適的時間點可以更精確的測量腎皮質、髓質及腎臟長短徑，進而預估或評價患腎功能，而SPECT腎顯像圖像分辨力較低，很難做到這一點[3]。

DCE-MRI序列采集時間夠長，可以獲得皮質期、髓質期及分泌期圖像，定量參數Ktrans、Ve、Kep和iAUC可以通過西門子工作站Tissue 4D軟件計算出，通過手動繪制感興趣區（ROI），可以得到腎皮質、髓質、腎盂或病灶區的血管功能定量參數。我們研究（表2）表明，Ktrans和iAUC是評估腎功能損害的理想參數，與99mTc-DTPA SPECT腎顯像GFR有很好的一致性，ROI選取腎皮質或髓質同樣可靠。Ktrans下降的程度可能表明腎功能損害的不同程度，因為Ktrans反映的是低分子量的釓螯合物在毛細血管內皮細胞的擴散轉運。此外，iAUC也能反映腎實質灌注和腎實質中釓螯合物的濃度進而評價腎功能損害。髓質Ve、Kep與GFR同樣具有相關性，但相關程度較弱，皮質Ve、Kep與GFR無相關性，原因有待進一步研究。就定量參數而言，DCE-MRI在評價整個分腎功能損害方面較99mTc DTPA腎顯像能提供更多的血管功能參數，Ktrans和iAUC價值最大，我們的研究表明，當腎小球和腎小管損傷比率大于50%時，部分腎臟GFR值接近0 mL/min，而DCE-MRI定量參數 Ktrans、Ve、Kep和 iAUC 顯示尚殘余少量腎功能，這點較GFR更敏感、分辨力更高、更有價值。ST-T曲線是SPECT腎顯像的重要結果，反映示蹤劑99mTc-DTPA在腎臟的攝取、代謝及排泄情況。4D DCE-MRI同樣可以繪制雙腎ST-T曲線，與SPECT腎顯像ST-T曲線價值類似，但DCE-MRI借助于MRI超高軟組織分辨力，解剖細節顯示更清晰，通過手動精確繪制ROI，誤差更小。有研究表明，隨著腎功能障礙進展，相對水分子彌散腎皮質灌注降低更早更明顯[15]。DCE-MRI能提供更多的腎皮質灌注信息，除了豐富的血管功能參數外，皮質ST-T曲線可直觀顯示皮質信號強度變化。ST-T曲線在顯示腎皮、髓質血流灌注異常方面有較大價值，本研究中患腎由于血供減少，腎實質發生缺血性損害后，皮髓質ST-T曲線均表現為低灌注，如圖2所示，皮質灌注下降更明顯，髓質略下降，由于該例大鼠腎動脈結扎為輕度狹窄，腎臟血供減少較輕，推測可能跟腎功能損害尚不嚴重有關。ST-T曲線反映腎排泄功能方面也有較大價值，目前臨床主要通過99mTc-DTPA SPECT腎顯像腎盂ST-T曲線評估腎盂排泄功能，在本研究中，腎盂ST-T曲線可顯示腎盂造影劑最大濃度及下降速度，這是判斷腎排泄功能的重要參數，如圖2所示，左腎腎盂ST-T曲線比較右腎可看出腎盂造影劑最大濃度更高，且下降速度更慢，曲線下面積更大，顯示該腎排泄功能受損，與99mTc-DTPA SPECT腎顯像結果一致。雖然有研究認為磁共振ST-T曲線信號強度變化與時間并不成線性關系，但仍然能直觀顯示腎臟血流及排泄的變化，輔以定量參數Ktrans及Ve變化，能較準確評估缺血性腎病的腎臟功能變化，是較為有效的方法。

綜上所述，4D DCE-MRI在顯示腎臟形態學改變方面更有價值，顯示局部缺血性腎組織損傷方面優于99mTc DTPA SPECT 腎顯像 （圖 1a，1b、1c、1d）。相較SPECT腎顯像GFR，4D DCE-MRI有豐富的定量參數，在反映腎皮髓質灌注方面價值較大；4D DCE-MRI也可繪制ST-T曲線，繪制誤差更小，與SPECT腎顯像ST-T曲線有同樣價值，ST-T曲線輔以定量參數Ktrans及Ve變化，能較準確評估缺血性腎病的腎臟功能變化。然而，DCE-MRI也需使用造影劑，由于Gd-DTPA造影劑潛在腎損傷可能，其使用受到一定限制，如嚴重腎功能不全或造影劑過敏等，不適于4D DCE-MRI檢查。低劑量 （0.1～0.2 mmol/kg）或無腎功能損害的新對比劑可以為Tissue 4D DCE-MRI使用提供更安全的方式，我們的研究使用0.2 mmol/kg低劑量，降低了腎損害風險。有研究將兩組患者分別行無對比劑MRI檢查及0.2 mmol/kg MRI檢查，于檢查后 6、24、72、168 小時分別檢測GFR及實驗室指標檢查 （包括血肌酐、血清胱抑素C等），并未發現兩組間存在差異，認為低劑量造影劑不會導致潛在腎功能損害，更多的相關研究也支持這一觀點[16-18]，且一些新的無需使用造影劑的MRI新技術也在研究中[20-24]，Ebrahimi.等利用心血管磁共振（CMR）方法結合BOLD技術對腎動脈狹窄大鼠腎功能損害及心血管功能損害相關研究是這方面的積極探索[19]。