腎臟DWI的IVIM及單指數(shù)模型預(yù)測腎小球?yàn)V過率的比較研究

楊荷霞，蔣振興，俞勝男，丁玖樂，陳杰，邢偉

腎臟DWI的IVIM及單指數(shù)模型預(yù)測腎小球?yàn)V過率的比較研究

楊荷霞，蔣振興，俞勝男，丁玖樂，陳杰，邢偉*

目的 比較體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)（IVIM）模型和單指數(shù)模型在腎臟DWI后處理分析過程中預(yù)測腎小球?yàn)V過率的價(jià)值。材料與方法 共納入56例因蛋白尿或持續(xù)微量蛋白尿就診的患者。根據(jù)估計(jì)腎小球?yàn)V過率(eGFR)將56例患者分為：明顯腎小球?yàn)V過功能損傷組(sRI，eGFR≤30 ml/min/1.73 m2)和非明顯腎小球?yàn)V過功能損傷組(non-sRI)。56例患者均完成7個(gè)b值的DWI序列掃描。多b值DWI圖像由1名放射科醫(yī)師同時(shí)行IVIM模型和單指數(shù)模型分析，分別得到三個(gè)IVIM參數(shù)[慢、快兩種擴(kuò)散系數(shù)(Dslow、Dfast)及快擴(kuò)散系數(shù)的分?jǐn)?shù)(Ffast)]和一個(gè)單指數(shù)模型參數(shù)(Dmon)。選擇右腎的最大橫斷面，將感興趣區(qū)域盡可能地囊括該層面的腎實(shí)質(zhì)區(qū)。結(jié)果 sRI組的Dmon、Dslow、Dfast和Ffast分別依次為(1.961±0.173)×10-3mm2/s、(1.747±0.153)×10-3mm2/s、(3.481±0.690)×10-3mm2/s和(19.000±4.010)%，non-sRI組的Dmon、Dslow、Dfast和Ffast分別依次為(2.175±0.165)×10-3mm2/s、(1.917±0.162)×10-3mm2/s、(4.210±0.718)×10-3mm2/s和(23.110±2.809)%，兩組間均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t≥3.793，P＜0.05)，四個(gè)參數(shù)也均與eGFR呈線性相關(guān)性(t≥0.356，P＜0.05)。當(dāng)區(qū)分sRI和non-sRI組時(shí)，Dmon、Dslow、Dfast和Ffast的受試者工作特征曲線下面積分別依次0.796、0.786、0.773和0.806，相互之間無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(Z≤0.482，P＞0.05)。結(jié)論 基于單指數(shù)模型分析的Dmon包含組織微灌注和水分子擴(kuò)散加權(quán)信息，更具有評(píng)價(jià)腎小球?yàn)V過率的潛力。

腎臟；腎小球?yàn)V過率；磁共振成像；彌散磁共振成像

ACKNOWLEDGEMENTS This study was funded by National Natural Science of China (No. 81371513).

在腹部實(shí)質(zhì)性臟器的多b值DWI的研究中，實(shí)質(zhì)臟器的DWI信號(hào)隨著b值增大而呈非單指數(shù)衰減[1]。這種非單指數(shù)衰減的主要原因是腹部臟器組織內(nèi)的血流灌注豐富[2]。而體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intra-voxel incoherent motion，IVIM）模型是分析這種非單指數(shù)衰減變化的主要方法之一。在以往的分析中，雖然IVIM在臨床中的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到認(rèn)可[3-4]，主要是應(yīng)用于腫瘤的探索性研究中。慢性腎病的進(jìn)展包括腎小球硬化、減少和腎實(shí)質(zhì)的部分纖維化。那么，IVIM可以解析微灌注信息，是否比傳統(tǒng)的單指數(shù)模型在預(yù)測腎小球?yàn)V過率方面是否更具有優(yōu)勢呢？也正是因?yàn)榇?，需要?duì)IVIM與傳統(tǒng)單指數(shù)模型分析方法比較分析。

1　材料與方法

1.1病例資料

回顧性分析我院56例因?yàn)榈鞍啄蚧虺掷m(xù)微量蛋白尿(＞3個(gè)月)而就診的患者，其中，男39例，女17例，年齡位于19～74歲。入組的排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)金屬植入手術(shù)史；(2)腎占位或泌尿系結(jié)石；(3)屏氣時(shí)間小于13 s；(4)不滿18周歲。腎濾過功能評(píng)價(jià)采用估計(jì)腎小球?yàn)V過率（estimated glomerular fltration rate，eGFR)，計(jì)算方法：eGFR (ml/min/1.73 m2)=170× Scr0.999×age0.176×BUN0.170×albumin0.318×0.762(如果為女性)，其中肌酐(Scr)的單位是mg/dl，血清尿素氮(BUN)的單位是mg/dl，尿蛋白的單位g/dl[5]。

表1　磁共振掃描序列及其參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Magnetic resonance imaging sequence and imaging parameters

當(dāng)eGFR≤30 ml/min/1.73 m2時(shí)認(rèn)定為有腎小球?yàn)V過率明顯損傷，其余則認(rèn)為沒有明顯腎小球?yàn)V過率損傷。因此，將研究對(duì)象分為明顯腎小球?yàn)V過率損傷組（severe glomerular fltration rate injury，sRI)和非明顯腎小球?yàn)V過率損傷組(non-sRI)。

1.2磁共振掃描參數(shù)

采用Phillip Achieva TX 3.0 T設(shè)備采集圖像。所有的研究對(duì)象均取仰臥位，采用32通道相控線圈采集信號(hào)。掃描序列共計(jì)4個(gè)(表1)，其中前3個(gè)序列主要用于腎臟定位，同時(shí)排除占位性病變，以減少干擾因素。

1.3磁共振圖像分析

多b值DWI的圖像采用OsiriX軟件(32-bit；http://www.osirix-viewer.com)分析，IVIM的理論基礎(chǔ)公式為：Sb/S0=Ffastexp (bDfast)+(1-Ffast) exp (bDslow)，單指數(shù)模型的理論基礎(chǔ)公式為：Sb/ S0=exp (bDmon)。其中b為擴(kuò)散加權(quán)梯度，S0代表b值為0時(shí)的DWI信號(hào)強(qiáng)度，Sb為對(duì)應(yīng)b值時(shí)組織的DWI信號(hào)強(qiáng)度，Dfast為組織中擴(kuò)散加權(quán)快成分的擴(kuò)散系數(shù)，Dslow是組織中擴(kuò)散慢成分的擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)fast為組織擴(kuò)散加權(quán)快的成分所占的比例；Dmon是單指數(shù)模型的擴(kuò)散系數(shù)。

為了盡可能地避免胃腸道中氣體偽影和不同層面可能導(dǎo)致的參數(shù)差異，該研究只將右腎中心層面納入圖像分析，即橫截面積最大的一個(gè)層面的DWI圖像用于信號(hào)分析。在避開腎實(shí)質(zhì)邊緣區(qū)偽影的前提下，手動(dòng)勾畫ROI，盡可能地囊括該層面中的右腎腎實(shí)質(zhì)區(qū)，然后讀取對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

定量參數(shù)采用均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)。腎小球?yàn)V過率不同組間比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；各組內(nèi)Dslow與Dfast的差異采用配對(duì)t檢驗(yàn)；各DWI的量化參數(shù)之間及與eGFR的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析；受試者特征工作曲線(receiver operating characteristic curves，ROC)分析用于比較四個(gè)參數(shù)區(qū)分腎小球?yàn)V過率損傷分組的效能。所有的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在SPSS 17.0 軟件包分析，P＜0.05認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2　結(jié)果

根據(jù)eGFR=30 ml/min/1.73 m2的閾值將研究對(duì)象分成sRI和non-sRI組，兩組的年齡分別為(54.48±13.38)歲和(50.91±14.80)歲，兩組間年齡分布沒有差異(t=0.948，P=0.351)。sRI組的Dmon參數(shù)小于non-sRI組(P＜0.05)。sRI組的IVIM參數(shù)也均小于non-sRI組(P＜0.05)，而且Dfast也均大于Dslow(表2)。

表2　兩組研究對(duì)象的DWI參數(shù)比較Tab. 2 Comparisons of DWI-based parameters between two groups

將DWI分析的各參數(shù)分別與eGFR行Pearson相關(guān)分析(圖1)，Dmon、Dslow、Dfast和Ffast均與eGFR存在線性相關(guān)(r≥0.356，P＜0.01)。此外，各參數(shù)之間也存在一定的相關(guān)性，其中Dmon與Dslow的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.893，然后依次減低，分別為Dmon與Dfast(r=0.508)、Dmon與Ffast(r=0.496)、Dfast與Ffast(r=0.429)、Dslow與Ffast(r=0.378)、Dslow與Dfast(r=0.344)。

圖1　56例患者的各DWI分析的參數(shù)分布及線性擬合。各參數(shù)值分布在擬合曲線兩側(cè)，均與eGFR存在線性相關(guān)性Fig. 1 Distrubution ranges and ftting lines of IVIM-based parameters in this study of 56 cases. The parameter value located on both sides of the ftting lines, and each parameter was linear related with eGFR.

兩種模型分析的四個(gè)參數(shù)用于預(yù)測sRI和nonsRI分組時(shí)，Dmon、Dslow、Dfast和Ffast的ROC曲線下面積分別依次0.796、0.786、0.773和0.806，四者之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖2)。

圖2　兩種DWI模型分析的四個(gè)參數(shù)預(yù)測sRI與non-sRI分組的受試者工作特征曲線分析。四個(gè)參數(shù)的曲線下面積比較均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，具體為Dmonvs. Dslow，Z=0.205，P=0.838；Dmonvs. Dfast，Z=0.314，P=0.754；Dmonvs. Ffast，Z=0.146，P=0.884；Dfastvs. Dslow，Z=0.143，P=0.887；Dfastvs. Ffast，Z=0.482，P=0.630；Dslowvs. Ffast，Z=0.241，P=0.810Fig. 2 In the analysis from ROC， there are no signifcant differences for differentiating sRI from non-sRI between Dmon and Dslow (Z=0.205, P=0.838), between Dmonand Dfast(Z=0.314, P=0.754), between Dmonand Ffast(Z=0.146, P=0.884), Dfastand Dslow(Z=0.143, P=0.887), between Dfastand Ffast(Z=0.482, P=0.630), and between Dslowand Ffast(Z=0.241, P=0.810).

3　討論

3.1腎臟擴(kuò)散加權(quán)成像的IVIM模型分析參數(shù)變化趨勢及其潛在的病理基礎(chǔ)

在DWI圖像的IVIM模型分析中，根據(jù)b值的選擇，將組織中的擴(kuò)散加權(quán)信號(hào)變化分解成兩種(慢和快)水分子的擴(kuò)散特征，其中理論上Dfast更加能體現(xiàn)組織的微血管灌注。相對(duì)腎臟而言，正常情況下其血流量非常豐富，而且本身又參與維持電解質(zhì)的平衡和代謝產(chǎn)物的排泄，即腎小管中尿液的形成和流動(dòng)，兩者都是Dfast和Ffast的主要貢獻(xiàn)者。在慢性腎病的進(jìn)展過程中主要為腎小管或腎小球的損傷，最終表現(xiàn)為腎小球?yàn)V過功能的減低，即單位體積腎血流量減少。本研究也證實(shí)了sRI組的Dfast和Ffast明顯減低，而且腎小球?yàn)V過率與Dfast及Ffast均呈線性相關(guān)。在腎臟功能損傷疾病的進(jìn)展中也表現(xiàn)為腎間質(zhì)纖維化和間質(zhì)中含水量的減少。本研究結(jié)果與之前的研究相似[6-7]，即隨著腎小球?yàn)V過率的減少，Dmon和Dslow均呈逐漸降低的趨勢。但是Dslow未能改善Dmon預(yù)測sRI與non-sRI分組的價(jià)值。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在前列腺腫瘤的鑒別和肝臟纖維化的評(píng)價(jià)中[8-9]，但是之前的研究均未能給出合理的解釋。該研究進(jìn)一步分析則發(fā)現(xiàn)：Dslow與Dmon的線性相關(guān)性也非常高(r=0.893)，而且在sRI和non-sRI組，Dslow值大小均約為Dmon的89%，提示了Dmon主要代表“慢”水分子的擴(kuò)散信息特征。

3.2腎臟擴(kuò)散加權(quán)成像參數(shù)與eGFR的相關(guān)性比較

該研究的Dmon與eGFR存在輕中度線性相關(guān)性。但是不同的研究中的相關(guān)性存在一些差異。其中Carbone等[10]報(bào)道的相關(guān)性最好(r=0.79)，其所采用的b值為0和600，而Toya等[11]報(bào)道的相關(guān)性最差(r=0.03)，其所采用的b值為50和1000，而Zhao等[12]的研究報(bào)道(r=0.43)則與本研究相似，其采用的b值時(shí)0和800。因此，筆者推斷：b值越小，擴(kuò)散加權(quán)參數(shù)中的微灌注信息越多，與腎小球?yàn)V過率的相關(guān)性也越高，其潛在的臨床價(jià)值也越大。

3.3本研究的不足之處

本研究也存在一些不足：(1) non-sRI的樣本量相對(duì)較小，需要大樣本的研究分析確認(rèn)；(2)在sRI組中，腎臟皮髓質(zhì)分界不清，無法進(jìn)一步細(xì)化皮質(zhì)或髓質(zhì)的DWI參數(shù)值變化；(3)為了盡可能地減少胃腸道中氣體偽影的影響，只將右腎的DWI信號(hào)用于分析，因此可能存在選擇性偏移；(4)計(jì)算eGFR的前提是假定雙腎的腎小球?yàn)V過率功能相似，但是事實(shí)可能并非如此。

3.4總結(jié)

多b值DWI的IVIM模型和單指數(shù)模型分析可以評(píng)估腎小球?yàn)V過率的狀態(tài)。雖然IVIM可以解析部分腎實(shí)質(zhì)的微灌注信息，但是顯然沒有展示出更多的優(yōu)勢。相比較而言，Dmon不僅計(jì)算簡單，同時(shí)包含部分微灌注信息，在評(píng)價(jià)慢性腎病的腎小球?yàn)V過率方面可能更具有潛力和實(shí)用價(jià)值。

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Assessment of glomerular filtration rate using diffusion weighted imaging: a comparative study of IVIM and mono-exponential models

YANG He-xia, JIANG Zhen-xing, YU Sheng-nan, DING Jiu-le, CHEN Jie, XING Wei*Department of Radiology, the Third Affiliated Hospital of Suzhou University, Changzhou, Jiangsu 213003, China

*Correspondence to: Xing W, E-mail: suzhxingwei@126.com

Objective: To compare the clinical value of intra-voxel incoherent motion（IVIM） with a mono-exponential decay model in the analysis of diffusion weighted imaging for assessing glomerular fltration rate in vivo. Materials and Methods: In this study, 56 participants with albuminuria or persistent micro-albuminuria were included. A parameter of estimated glomerular fltration rate （eGFR） was calculated to classify the participants as having severe glomerular fltration rate injury （sRI， eGFR≤30 ml/min/1.73 m2) or not (nonsRI). A DWI sequence with seven b-factors was performed successfully on each participant. Image analysis was performed by a radiologist to generate diffusion coeffcient （Dslowand Dfast) and fraction of fast diffusion (Ffast） in IVIM model， and to generate Dmonin monoexponential decay model. The regions of interest were curved to cover the renal parenchyma for parameter measurements. Results: The four parameters (Dmon, Dslow, Dfastand Ffast) were （1.961±0.173）×10-3mm2/s， （1.747±0.153）×10-3mm2/s， （3.481±0.690）×10-3mm2/s and （19.000±4.010）%， respectively， in sRI group， and were less than that （2.175±0.165）× 10-3mm2/s， （1.917±0.162）×10-3mm2/s， （4.210±0.718）×10-3mm2/s and （23.110±2.809）% in non-sRI group, respectively) in non-sRI (t≥3.793, P＜0.05), and were positively related with eGFR (t≥0.356, P＜0.05). For differentiating sRI from non-sRI, receiver operating characteristic curve （ROC） analysis indicated no signifcant difference between the four parameters (Z≤0.482, P＞0.05) because the areasunder ROC of Dmon, Dslow, Dfastand Ffastwere 0.796, 0.786, 0.773 and 0.806, respectively. Conclusions: The Dmon, a mono-exponential modelparameter with combining micro-perfusion and diffusion information, demonstrates the potential for assessing glomerular fltration rate in vivo.

Kidney； Glomerular fltration rate； Magnetic resonance imaging； Diffusion magnetic resonance imaging

14 June 2016, Accepted 15 Aug 2016

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：81371513)

蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院放射科，常州213003

邢偉，E-mail：suzhxingwei@126.com

2016-06-14

接受日期：2016-08-15

R445.2；R692

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.09.008

楊荷霞, 蔣振興, 俞勝男, 等. 腎臟DWI的IVIM及單指數(shù)模型預(yù)測腎小球?yàn)V過率的比較研究. 磁共振成像, 2016, 7(9): 679-682.