動態(tài)增強MRI測量豬單側(cè)腎功能不全模型腎小球濾過率

葉 露，李 瓊，李 宏，董 峰，劉桂彬，王 亮，李峰坦，孫浩然*

Gd-DTPA是廣泛使用的細胞外MR對比劑，無腎毒性，可自由通過腎小球濾過膜，并且不被腎小管重吸收與排泄，和SPECT 腎動態(tài)顯像示蹤劑99Tcm-DTPA 具有非常相似的藥代動力學(xué)。近年來，國外學(xué)者成功利用腎臟Gd-DTPA多期動態(tài)增強MR檢查描繪MR腎圖(MR renography，MRR)測量腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)[1]。

以往絕大多數(shù)研究在1.5 T MR機上完成，而目前3.0 T MR機應(yīng)用更加廣泛，后者配合多通道體部相控陣線圈使成像速度較1.5 T快30%以上，圖像信噪比提高50%，且可減少增強檢查所需對比劑劑量[2]。再者，大多數(shù)MRR研究使用常規(guī)劑量Gd-DTPA，此時由于T2*效應(yīng)，腎髓質(zhì)和集合系統(tǒng)內(nèi)信號強度與對比劑濃度不符合線性關(guān)系[3]。文獻報道的研究對象絕大多數(shù)為健康志愿者和腎缺血患者或腎缺血動物模型，對于腎積水腎臟的MRR研究相對不足[4]，目前尚無腎積水MRR動物模型研究報道。

筆者通過外科手術(shù)建立豬單側(cè)腎動脈狹窄和單側(cè)腎積水模型，在3.0 T MR上使用0.04 mmol/kg Gd-DTPA (常規(guī)劑量0.1 mmol/kg的2/5)進行多期動態(tài)增強MR檢查，利用Patlak曲線法計算豬單側(cè)腎功能不全腎臟及正常腎臟GFR，并與99Tcm-DTPA動態(tài)核素腎圖得到GFR結(jié)果相比較，分析其一致性。

1 材料與方法

1.1 動物模型的建立

本研究通過本院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查。采用10只由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)育種的體質(zhì)量20～25 kg的雄性中華實驗豬來建立動物模型。其中5只豬利用腰大肌懸吊法建立左側(cè)上尿路不全梗阻模型，麻醉滿意后測量體重，靜脈滴注氯氨酮配合維庫溴銨維持麻醉，心電監(jiān)護，氣管插管接呼吸機，取靜脈血測量紅細胞壓積。取左側(cè)肋緣下切口，游離左側(cè)輸尿管，將左側(cè)輸尿管與腰大肌外緣縫合，使其懸吊成角，見近端輸尿管擴張則提示輸尿管不全梗阻模型成功。另外5只豬通過腎動脈結(jié)扎法建立左側(cè)腎動脈狹窄模型：手術(shù)準備過程同腰大肌懸吊法；取左側(cè)肋緣下切口，游離左側(cè)腎動脈、腎靜脈，取一根直徑1.5 mm銅絲將左側(cè)腎動脈靠近主動脈側(cè)用絲線環(huán)扎；觀察到左腎實質(zhì)顏色變白，然后將銅絲抽出，觀察到左腎實質(zhì)顏色逐漸恢復(fù)，則腎動脈狹窄模型建立完畢。

1.2 雙腎小劑量Gd-DTPA 動態(tài)增強MR檢查

建立靜脈通道，在磁共振掃描間使用氣囊人工輔助呼吸，靜脈持續(xù)滴入氯氨酮、維庫溴銨和生理鹽水維持麻醉。全部檢查在3.0 T (GE公司，HDx，密爾沃基，美國)機器上完成，使用體部相控陣線圈，定位掃描后，首先行常規(guī)序列掃描，然后進行MRU和相位對比法MRA。自豬耳靜脈彈丸注射0.04 mmol/kg 的Gd-DTPA (馬根維顯，0.5 mol/L，拜耳先靈公司，德國)，流率3.0 ml/s，注畢用10 ml生理鹽水沖管。分別于注藥0、3、6、9、12、15、21、30、45 s使用3D 肝臟加速容積采集序列(liver acceleration volume acquisition,LAVA)行冠狀面雙腎區(qū)Gd-DTPA動態(tài)增強掃描。掃描參數(shù)TR 4.7 ms，TE 1.9 ms，TI 5.0 ms，反轉(zhuǎn)角15°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 30 cm×30 cm，帶寬100 kHz，層厚4 mm，共16 層，每次采集時間3.0 s，圖像采集時暫停輔助呼吸。

1.3 SPECT 動態(tài)核素腎圖檢查

每次MR掃描結(jié)束，立即使用GEMENI 700型SPECT機(GE公司，密爾沃基，美國)，行99Tcm-DTPA 動態(tài)核素腎圖檢查。經(jīng)耳靜脈彈丸注射5 mCi(370 MBq)的99Tcm-DTPA 和2 ml生理鹽水洗液，在注藥后90 s內(nèi)每3 s采集1次，得到像素大小為4.3 mm×4.3 mm的腹盆部圖像，而后每分鐘采集直至注射后20 min；使用MPR型SPECT專用腎小球濾過率處理軟件(RENAL-ACQ)，根據(jù)實驗動物身長、體重等信息，由2名經(jīng)驗豐富的ECT診斷醫(yī)師進行處理，獲得雙腎GFR。

1.4 描繪MRR

在ADW4.4工作站(GE公司，密爾沃基，美國)上描繪各組冠狀面圖像上腎皮質(zhì)感興趣區(qū)(region of interest,ROI)輪廓，排除腎髓質(zhì)、集合系統(tǒng)及腎囊腫等與GFR無關(guān)的結(jié)構(gòu)，描繪ROI后由2名有經(jīng)驗的放射科醫(yī)師審核(圖1A，B)；測量每層圖像上腎皮質(zhì)面積和平均信號強度；將每層腎皮質(zhì)ROI面積乘以平均信號強度，再乘以其層厚，乘積加權(quán)求和即得到全腎皮質(zhì)的體積和總信號強度；主動脈ROI位置選擇為腹主動脈相當于腎上極水平(腎動脈上20 mm)，分別測得主動脈增強前、后信號強度；以時間為橫坐標，腎皮質(zhì)總信號強度凈增加值為縱坐標，繪制腎皮質(zhì)時間強度曲線即MRR；同樣繪制主動脈時間信號強度曲線(time density curve，TDC)。

1.5 使用Patlak 曲線法計算GFR

Patlak公式如下[5]：

式中c2為對比劑血漿清除率，K(t)是時間t 時腎皮質(zhì)ROI 平均信號強度，b(t)代表主動脈的信號強度，反映主動脈內(nèi)對比劑濃度，與腎血管空間對比劑總量成正比，K(t1)、K(t2)、b(t1)和b(t2)的值經(jīng)測量獲得，b(t)可以從時間t=0到時間t=t1或時間t=t2的積分求得。

計算GFR時，先根據(jù)腎實質(zhì)MRR，使用Patlak公式計算對比劑血漿清除率c2，再經(jīng)過血細胞壓積(hematocrit，HCT)校正后即得到GFR，表示為GFRMR，GFRMR=c2×(1-HCT)。

根據(jù)Patlak公式，需選取并測量3個時間點即t0、t1和t2時腎皮質(zhì)的信號強度，開始注藥時間為t0，主動脈強化峰值時間為t1，t2則選取腎圖曲線趨于平穩(wěn)的時刻。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

分別以GFRMR和GFRSPECT代表通過MRR和99Tcm-DTPA腎動態(tài)核素腎圖得到的GFR。應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件，采用Pearson線性相關(guān)分析、Bland-Altman分析和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)評價GFRMR與GFRSPECT的一致性，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 健康腎和病腎動態(tài)增強MRI表現(xiàn)

靜脈團注對比劑后，右側(cè)健腎腎皮質(zhì)約12～15 s開始出現(xiàn)強化，15～18 s腎皮質(zhì)明顯強化，皮髓質(zhì)分界清楚，24～27 s腎髓質(zhì)可見強化，30～33 s后逐漸與腎皮質(zhì)強化程度接近(圖2A)。5側(cè)腎動脈狹窄模型均可見左腎體積減小，腎皮質(zhì)萎縮(圖2B)，5例積水腎可見腎盂擴張和腎皮質(zhì)萎縮(圖1B)。

圖1 腎臟冠狀面動態(tài)增強MR圖像上描繪腎皮質(zhì)ROI。1A：右側(cè)健腎，圖中紅色曲線內(nèi)范圍代表腎皮質(zhì)ROI；1B：左腎積水腎臟，腎盂、腎盞擴張，腎皮質(zhì)變薄，圖中紅色曲線內(nèi)范圍代表腎皮質(zhì)ROI 圖2 左腎動脈狹窄模型豬動態(tài)增強MRI和MRA。2A：左腎體積較對側(cè)健腎減小，腎皮質(zhì)萎縮變薄，增強早期皮髓質(zhì)分界清晰。2B：MR腎動脈成像顯示左腎動脈近腎門處由手術(shù)結(jié)扎形成的局限狹窄Fig.1 The region of interest of renal cortex depicted by manually segmentation on coronal dynamic contrasted MR images.1A:A right healthy kidney,the red line drawing defined the cortex ROI.1B:A left hydronephrosis kidney,there was remarkable renal pelvis dilatation and renal cortex atrophy,the red line drawing defined the cortex ROI.Fig.2 Coronal dynamic contrasted MR images and MR angiogram of left renal artery stenosis (RAS) in swine model.2A:The size of left RAS kidney was shrunken,the thickness of cortex became thinner,and there was clear boundary between cortex and medulla in early enhancement.2B:Coronal maximum intensity projection of contrast-enhanced MR angiogram of left unilateral RAS,which indicating the local stricture created by surgical operation.

2.2 健康腎和病腎MRR表現(xiàn)

所有10側(cè)健腎與10側(cè)病腎MRR均呈速升后略平穩(wěn)下降趨勢，主動脈峰值點出現(xiàn)時間為注射對比劑后6～9 s，健側(cè)腎皮質(zhì)強化峰值出現(xiàn)在注射對比劑后9～12 s的實質(zhì)期。隨后皮質(zhì)對比劑濃度下降，腎圖曲線開始趨于穩(wěn)定。左腎動脈狹窄或尿路梗阻側(cè)腎臟強化曲線形態(tài)與右側(cè)健腎相似，而曲線高度低于同時刻健側(cè)腎臟，且腎皮質(zhì)峰值時刻出現(xiàn)延遲3～6 s(圖3，4)。

2.3 GFRMR與GFRSPECT結(jié)果一致性分析

全部10只豬共20側(cè)腎臟的GFRMR平均為(39.60±12.42) ml/min(7.62～66.40 ml/min)，GFRSPECT平均為(40.72±15.27) ml/min (7.60～74.90 ml/min)；5側(cè)腎動脈狹窄模型腎臟和5側(cè)輸尿管不全梗阻模型腎臟的GFRMR平均值分別為(31.20±15.30)和(42.76±13.80) ml/min，均低于10只豬對側(cè)正常腎臟平均GFRMR值 (44.45±15.34) ml/min。

圖3 左側(cè)腎動脈狹窄模型的豬雙腎皮質(zhì)。MR腎圖(MRR)及主動脈時間信號強度曲線(TDC)。左側(cè)腎強化曲線形態(tài)與右側(cè)健腎相似，而曲線高度低于同時刻健側(cè)腎臟 圖4 左側(cè)腎臟積水模型豬雙腎皮質(zhì)MRR及主動脈時間信號強度曲線(TDC)。左側(cè)腎臟強化曲線的強化峰值延遲，曲線高度低于同時刻健側(cè)腎臟 圖5 GFRMR 與GFRSPECT 散點圖。圖中實線為回歸線，可見大多數(shù)數(shù)值靠近回歸線；Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示GFRMR 與GFRSPECT 呈線性關(guān)系，Y=－0.01+1.03X (r=0.836，P=0.000)圖6 GFRMR 與GFRSPECTBland-Altman分析圖。圖內(nèi)中間橫線代表GFRMR結(jié)果與GFRSPECT 結(jié)果的差值均數(shù)，而上下2條橫線之間即為二者一致性的95%置信區(qū)間，圖中可見所有GFRMR 與GFRSPECT 的差值均位于95%一致性區(qū)間Fig.3 Magnetic resonance renography (MRR) of bilateral renal cortex in left renal artery stenosis and time density curve (TDC) of aorta in swine model.The curve of left kidney was similar to right kidney,however,the amplitude of left kidney curve was lower than that of right kidney.Fig.4 Magnetic resonance renography(MRR) of bilateral renal cortex in left hydronephrosis kidney and time density curve(TDC) of aorta in swine model.There was a delayed enhancement peak in left kidney curve,and the amplitude was lower than that of right kidney.Fig.5 Scatter plot of GFRMR and GFRSPECT.The straight line was regression line,and most of the values were close to the regression line.Pearson’s correlation coefficient analysis showed a linear correlation between GFRMR and GFRSPECT：Y=－0.01+1.03X (r=0.836，P=0.000).Fig.6 Bland-Altman scatter plot of GFRMR and GFRSPECT.The middle horizontal line represents the mean differences between GFRMR and GFRSPECT,while the upper and lower lines represented the 95% interval of agreement respectively，the plot showed that all the differences were within the 95% consistency range.

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果，GFRMR與GFRSPECT呈顯著相關(guān)，GFRMR=－0.01＋1.03×GFRSPECT(r=0.836，P=0.000) (圖5)。Bland-Altman一致性分析結(jié)果，20側(cè)腎臟測得的GFRMR與GFRSPECT的平均差值為－1.11 ml/min，差值的標準差為8.34 ml/min；兩組數(shù)值95%一致性界限位于差值均數(shù)±1.96倍差值標準差，即－1.11±1.96×8.34 ml/min之間(－17.46～15.24 ml/min)，結(jié)果所有20側(cè)腎臟的GFRMR與GFRSPECT差值均位于95%一致性區(qū)間，提示一致性好(圖6)?？煽啃詸z驗結(jié)果顯示組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)為0.9508(P＜0.01)。上述3種一致性分析方法均提示GFRMR與GFRSPECT結(jié)果具有一致性。

3 討論

3.1 MRR測量GFR原理

MRR即腎臟Gd-DTPA動態(tài)增強時，腎皮質(zhì)、髓質(zhì)和集合系統(tǒng)的TDC，反映對比劑分布和轉(zhuǎn)運過程，與GFR密切相關(guān)，進一步應(yīng)用合適的數(shù)學(xué)模型即可推算單側(cè)腎GFR。2003年，Lee 等[3]應(yīng)用3D 破壞性梯度回波(SPGRE)序列和低劑量對比劑獲得人腎臟動態(tài)3D MRR，根據(jù)類似核素腎圖的Gates 公式，利用髓質(zhì)對對比劑的攝取用皮質(zhì)濃度作為輸入函數(shù)計算 GFR。Hackstein等[6]則應(yīng)用Patlak曲線設(shè)計了不同的計算公式以計算GFR。國外相關(guān)學(xué)者提出了很多測量GFR的數(shù)學(xué)計算模型，其中Patlak曲線應(yīng)用最廣泛；本研究即采用Patlak公式通過MRR測量GFR，結(jié)果與腎動態(tài)核素顯像測得的GFR具有很好的相關(guān)性及一致性。

3.2 利用Patlak曲線計算GFR

Patlak曲線(也稱Rutland-Patlak曲線)為兩室模型，將腎臟看做2個獨立空間(腎血管空間和腎小管空間)，假設(shè)對比劑在組織中短暫停留，則理論上計算中，對比劑自腎血管空間向腎小管空間流出的速率即代表GFR[6]。該模型優(yōu)點是只需計算組織TDC的最大斜率和測量主動脈的強化峰值，測量數(shù)據(jù)量小，誤差因素少，計算簡單，掃描時間短，臨床實用性強。此過程忽略了對比劑在腎小管空間的流出及腎血管空間的漏出，而通過測定其在這2個空間內(nèi)的清除率來計算GFR。該模型的不足是只考慮對比劑自腹主動脈流向腎血管空間及腎血管空間流向腎小管空間的過程，而沒有考慮其從腎小管空間的流出以及對比劑自腎血管空間的漏出，可能導(dǎo)致其GFR值的高估[7]。根據(jù)本研究結(jié)果，采用Patlak公式獲得的GFR與參考標準非常接近，其原因可能為本組20側(cè)腎臟中包括5個腎積水腎臟，而積水腎臟的集合系統(tǒng)壓力增高，因此對比劑流出減少，同時腎小管空間增大，從而降低了對比劑自腎血管空間的漏出。

3.3 3.0T MR機小劑量Gd-DTPA動態(tài)增強檢查的優(yōu)勢

大多數(shù)關(guān)于MRR的研究報道使用常規(guī)劑量Gd-DTPA進行增強檢查[4,6,8-9]，此時由于T2*效應(yīng)，腎髓質(zhì)信號強度與對比劑濃度的線性關(guān)系產(chǎn)生干擾[3]。因此，為避免高濃度時對比劑產(chǎn)生的T2*效應(yīng)，注射劑量應(yīng)在滿足圖像對比的條件下盡量減少[8]。目前，各研究小組低劑量對比劑的選擇范圍在0.01～0.05 mmol/kg之間[9]。 本研究中使用低至0.04 mmol/kg的 Gd-DTPA(常規(guī)劑量0.1 mmol/kg的2/5)獲得滿意的增強影像，在3.0 T MR機上使用體部相控陣線圈進行LAVA序列動態(tài)增強MR檢查，在時間分辨率為3.0 s的條件下得到了對比清晰的冠狀面256×256矩陣全腎強化圖像，可準確描繪腎皮質(zhì)輪廓而用于ROI測量。

3.4 MRR腎皮質(zhì)ROI的選取

腎小球的濾過主要發(fā)生在腎皮質(zhì)，因此理論上應(yīng)當將腎皮質(zhì)作為ROI，但是選擇皮質(zhì)則無法滿足Patlak曲線關(guān)于采樣期間無對比劑離開ROI的假設(shè)，所以目前使用全腎實質(zhì)及腎皮質(zhì)數(shù)據(jù)計算GFR均有報道[10-12]。Annet等[10]證明以腎皮質(zhì)作為ROI獲得GFR結(jié)果更接近參考值。Bokacheva等[11]分別使用全腎實質(zhì)及腎皮質(zhì)作為ROI使用Patlak曲線計算GFR，結(jié)果顯示以皮質(zhì)為ROI計算結(jié)果較腎實質(zhì)偏低。de Priester等[12]也對腎臟的皮質(zhì)、髓質(zhì)分別進行腎圖研究，并認為主要原因是皮質(zhì)組織內(nèi)含有的血管結(jié)構(gòu)較多，而髓質(zhì)組織內(nèi)含有的小管結(jié)構(gòu)較多，使用皮質(zhì)做為ROI計算，反映對比劑由腎血管空間流向腎小管空間的速率可能更接近核素腎圖結(jié)果。

3.5 Patlak曲線時間點的選取

Hackstein等[13]選取注藥后40～100 s測量腎實質(zhì)數(shù)據(jù)，獲得的GFR值與參考值具有高度相關(guān)性。本研究中，筆者發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)在注藥后約10 s即達到強化峰值，在注藥后21～40 s，腎圖曲線趨于平穩(wěn)，適合于利用Patlak曲線計算GFR。該表現(xiàn)與健康志愿者和腎動脈狹窄患者研究結(jié)果不同[14]，峰值時間明顯縮短，這可能與動物和人相比具有較快的代謝率和相對較大的心搏量有關(guān)。

3.6 本研究局限性

(1)本實驗所需GFR參考值采用99Tcm-DTPA腎動態(tài)顯像方法測量，其GFR計算公式適用于成年人，對于本次實驗動物尚無特定適用公式，結(jié)果可能存在偏差。(2)MR信號強度與對比劑濃度間的關(guān)系比較復(fù)雜，這主要是由于圖像信號強度受磁敏感及腎臟對對比劑的濃集現(xiàn)象較明顯，目前文獻報道關(guān)于信號強度的換算方法均存在一定局限，本實驗前期嘗試采用離體模型得出信號強度與血漿及尿液中對比劑濃度之間的關(guān)系，結(jié)果顯示采用相當于0.04 ml/kg的對比劑濃度時，兩者間呈良好的線性相關(guān)性，此外圖像信號強度還受血流影響，在大動脈上表現(xiàn)尤為明顯。(3)本研究樣本量較小，有待于在今后的工作中進一步增加樣本量，豐富實驗數(shù)據(jù)，提高準確性。

利用小劑量動態(tài)增強MR檢查可以得到腎小球濾過率，且與99Tcm-DTPA腎動態(tài)顯像測量的GFR具有較好的相關(guān)性及一致性，在評價單側(cè)腎功能方面具有臨床應(yīng)用價值。

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