腎臟3.0 T磁共振彌散張量成像b值等參數優化及可重復性研究

王玉婷，鄢 雄，尹芳艷，賴 力，印隆林

(四川省醫學科學院·四川省人民醫院放射科，四川 成都 610072)

腎臟的功能與其結構的完整性密切相關，用功能磁共振評估腎臟微觀組織結構，可能早期評價引起腎臟功能受損的病理過程。彌散加權成像(DWI)是無創檢測活體內水分子彌散運動的方法，彌散張量成像(DTI)是在其基礎上發展起來的技術，可用各向異性分數(FA)定量評估彌散的方向性。隨著平面回波成像和并行采集技術的應用，DTI在中樞系統以外的器官的應用不斷擴展并成為熱點。腎臟具有高灌注、高含水量和各種結構(小管、集合管、血管等)呈輻射狀排列等特征，是使用DWI和DTI技術的理論基礎[1，2]。與DWI相比，DTI還顯示了水分子彌散運動方向性的差異，是一種值得深入研究的檢查。但目前國內相關研究處于起步階段，對掃描參數如最優b值設定等尚無較統一的規范，觀察者內及觀察者間的重復性數據較少。本研究探討腎臟3.0 T磁共振DTI的最優b值及參數優化方案，觀察正常腎臟DTI參數特征，評估測值的可重復性，使DTI進一步應用于檢測腎臟各種疾病有據可依。

1 資料與方法

1.1 一般資料2016年6月至2017年12月我院行磁共振彌散張量成像的志愿者，納入標準：①年齡18～80歲；②既往無高血壓、糖尿病、腎臟疾病病史；③近半年內腎功能化驗指標無異常，無服用有明顯腎毒性的藥物病史；④腎臟磁共振平掃無明顯陽性發現；⑤圖像質量滿足診斷需求。排除標準：無近半年內腎功能檢查結果；孕婦；磁共振禁忌證。經醫院倫理委員會批準，所有志愿者自愿接受檢查，簽署知情同意書。最終納入41例受檢者，腎臟DTI圖像偽影較少，組織輪廓、皮髓質分界較清晰，均滿足診斷需求。其中男21例，女20例，年齡22～78歲，中位年齡55歲。中青年組(<60歲)22例，老年組(≥60歲) 19例。

1.2 方法使用Siemens MAGNETO Verio3.0 T超導型MR，采用32通道體部相控陣線圈，先行雙腎常規MRI形態學檢查，包括軸位T1WI，軸位T2WI及冠狀位T2WI抑脂序列。雙腎冠狀位DTI成像采用單次激發自旋回波平面回波序列，應用并行空間采集成像技術，相關參數：TR：2200 ms，TE：70 ms，層厚：5 mm，層距：1 mm，成像范圍包括雙側腎臟，相位編碼方向：從左至右，帶寬：2706 Hz/pixel，視野(field-of-view，FOV)：380 mm×380 mm，矩陣154×154，彌散敏感梯度方向：6個。收集的前20例受檢者進行確定最優b值的預實驗，分別在b值=0，200 s/mm2；0，400 s/mm2；0，600 s/mm2時各掃描一次。經統計分析后確定最優b值，在該最優b值下完成其余受檢者的掃描。每組b值下掃描時間為24秒，每次掃描均在吸氣末屏氣時完成。

1.3 磁共振彌散張量成像圖像分析掃描完成后將DTI 原始數據傳送至SimensSyngo工作站，應用Nero 3D 軟件對數據進行分析處理，自動生成DWI圖及FA偽彩圖。由兩位具有5年以上工作經驗、4年以上磁共振工作經驗的影像專業診斷醫師對圖像質量進行評估，排除腎臟皮髓質分辨不清晰、難以滿足診斷需求的圖像，意見不一致時討論協商至意見一致后決定。

1.3.1觀察者分工 兩名醫師(觀察者1和觀察者2)分別對圖像進行后處理和測量；間隔2周后，觀察者1再次用相同方法對圖像進行后處理和測量，以避免記憶偏倚。腎臟FA測值表示為2次平均測值(觀察者1重復兩次測量所得平均值，下標“2次”)及2人平均測值(觀察者1第一次測量和觀察者2測量所得平均值，下標“2人”)。按性別、年齡等分組分析時，使用2次平均測值。

1.3.2ROI的勾畫及FA測量 選擇接近腎門水平的2～3個連續層面(包括腎臟顯示最大層面)作為測量層面，參照相應層面的b=0圖像所示的解剖結構，避開腎臟邊緣、集合系統及小囊腫，用自由曲線法分別于每側腎臟的上、中、下極的皮質及髓質區各勾畫1個ROI (圖1a～圖1c)，測量各ROI的FA值，分別計算皮質與髓質的FA平均值。選擇腎臟顯示最大層面，避開腎臟集合系統，用自由曲線法勾畫出每側腎臟總體輪廓(包括皮質和髓質)(圖2a～圖2c)，測得總體FA值。取雙腎FA值得平均值為腎總體FA值。

圖1 正常腎臟皮髓質感興趣區勾畫方法示例 a：b=0 的DWI圖；b：ADC圖；c：FA偽彩圖。

圖2 正常腎臟總體感興趣區勾畫方法示例 a：b=0 的DWI圖；b：ADC圖；c：FA偽彩圖。

1.4 統計學方法采用SPSS 19.0軟件包處理數據。計量資料以均值±標準差表示，兩組間比較采用t檢驗，三組間比較采用方差分析。P< 0.05為差異有統計學意義。用ICC評價觀察者內及觀察者間的一致性及可重復性，ICC<0.4提示重復性較差，0.4≤ICC≤0.75提示重復性中等，ICC>0.75提示重復性非常好。

2 結果

2.1 彌散張量成像最優b值確定第一次測得腎臟總FA值及皮髓質FA值之差(皮髓差)見表1。三組b值下測得腎總體FA和皮髓差的差異均有統計學意義(P< 0.05)，b值=0，200 s/mm2時腎總體FA和皮髓差均為最大。

2.2 正常腎臟彌散張量成像特征對41例受檢者b值=0，200 s/mm2條件下采集的數據分析，腎臟FA測值見表2。無論是2次平均測值還是2人平均測值，髓質FA值明顯高于皮質(P< 0.05)，左右腎的總體FA值比較，差異無統計學意義(P> 0.05)。男性與女性的雙腎總體FA值、FA皮髓差比較，差異無統計學意義(P> 0.05)。老年組與中青年組的腎臟皮質和髓質FA值比較，差異無統計學意義(P> 0.05)。見表3。

表1 三組b值條件下腎總體FA值及FA值皮髓差比較

表2 正常腎臟FA值比較

表3 不同性別、年齡組腎總體FA值及FA值皮髓差比較

2.3 FA測值的觀察者內及觀察者間可重復性觀察者內和觀察者間的FA值比較，差異無統計學意義(P> 0.05)。觀察者間對腎髓質FA值的ICC最低(0.690)，觀察者內和觀察者間其它FA值的ICC均>0.80，具有很高的一致性和可重復性。總體看來，觀察者內可重復性高于觀察者間可重復性。見表4。

表4 FA值的觀察者內和觀察者間的差異及一致性

3 討論

3.1 腎臟DTIb值選定及參數優化方案b值選取是彌散成像中的重要指標，b值越高，檢測組織內水分子擴散運動越敏感，但信噪比越低。文獻報道腎臟表觀擴散系數(ADC)約為大腦實質ADC值的3倍，而腦部DTI常采用的b值為1000 s/mm2；為使腎臟達到相似的信號強度，目前國內外多數檢查中選擇b值為0，200～400 s/mm2[3～6]。對于DTI圖像的評價，國內外較多使用皮髓質的FA值之差，皮髓差越大，提示越能顯示不同結構的各向異性特征。Kataoka等對參數最優化進行了研究，以b值為0，200 s/mm2的序列為基線，比較了多種參數設定下腎臟彌散參數的皮髓質對比，得出b值為0，200或400 s/mm2為最優[7]。Lanzman等采用多組不同b值研究健康及移植腎的DTI結果，顯示FA值無明顯差異[8]。本研究控制其它變量，直接對比多組b的結果，顯示高場強磁共振DTI檢查中，使用低b值具有獲得更好的皮髓質對比，推薦使用0，200 s/mm2；不同b值可能顯著影響腎臟總體彌散參數的測值，隨b值降低，測得FA值升高。

除b值以外，本研究考慮了多項技術參數及因素以優化掃描質量。與中樞神經系統不同，腹部DTI檢查往往會受到呼吸運動、腸道蠕動等造成的運動偽影及腸道氣體導致的磁敏感偽影等影響。將平面回波成像與并行采集技術聯合應用可以明顯加快采集速度，減少運動偽影，提高圖像質量[9]。本研究中采用該技術，單組b值下采集一次DTI時間縮短至24秒，可讓配合較好的受檢者在單次屏氣內完成。據文獻報道，使用高場強3.0 T磁共振設備可以明顯提高圖像質量，Kido等和Notohamiprodjo等均報道3.0 T磁共振腎臟DTI的信噪比較1.5 T磁共振更優[10]。本研究受檢者全部在3.0 T磁共振設備上完成掃描。FOV的選擇是另一個技術因素，FOV越大，信噪比越高，偽影和變形越少，但會降低空間分辨力；FOV的選擇取決于感興趣區域的結構在解剖形態方面的要求。本研究采用了較以往DTI研究中更大的FOV(380 mm×380 mm)，偽影和變形少，與高場強一起提高圖像信噪比，且納入的檢查圖像對腎臟皮髓質的顯示和分辨度全部達到診斷要求。

3.2 正常腎臟的彌散張量特征FA值是DTI常用參數，取值范圍為0～1.0，0代表最小的各向異性，1代表最大的各向異性。文獻報道正常腎臟中髓質FA值明顯高于皮質，可能是由于髓質主要由腎椎體構成，微觀結構排列具有更高的方向性(彌散張量示蹤顯示髓質為尖端指向腎門、放射狀走形、緊密排列的纖維束樣結構)。但報道的正常腎臟皮、髓質FA值范圍區間較大，分別為0.24～0.32，0.32～0.70[11]。本研究結果與之基本一致，但測得的正常腎臟皮髓質FA值偏高。綜合多項b值比較的結果，分析偏高的原因可能與采用較低b值有關。此外還可能與成像設備和掃描技術不同、受試者檢查時水化狀態及血流灌注狀態不同有關[12]。本研究還顯示，左右腎的FA值無明顯差異，年齡差異、性別差異均對腎臟FA測值無明顯影響，與之前的文獻相印證[13]。傳統DWI的單指數模型下的參數：ADC被認為同時包含真性彌散和灌注，以致既往文獻中ADC的報道各有差異，有學者認為腎臟皮髓質的單指數ADC值比較意義不大，故本文暫不予討論[14]。

3.3 觀察者內和觀察者間差異和一致性為評價腎臟DTI檢查結果的穩定性和準確性，文獻使用不同方法測量了其可重復性，大多報道可重復性較好[15]。本研究較系統性地使用t檢驗評估觀察者內和觀察者間的差異、使用ICC評估觀察者內和觀察者間的一致性。結果顯示測量腎髓質FA值的觀察者間可重復性稍差，ICC處于中等一致性的范圍。其它FA測值均有很高的可重復性，ICC均高于0.8，其中觀察者內對腎總體FA測值的一致性最高，ICC高達0.999。總體看來，觀察者間差異大于觀察者內差異，可能與不同觀察者對腎臟皮髓質解剖的認識差異有關，有望通過更標準化的學習來增加共識、改進可重復性。

綜上所述，腎臟3.0 T磁共振DTI可獲得良好圖像，能有效顯示正常腎臟皮髓質的彌散張量特征，在進一步評估腎臟疾病方面具有較好的應用前景。使用低b值可獲得更好的皮髓質對比。年齡、性別差異對腎臟FA測值整體影響不明顯。除測量腎髓質FA值的觀察者間一致性稍差、仍有改進空間之外，其它FA測值均有很高的可重復性。