正常腎臟在不同場(chǎng)強(qiáng)下體素不相干運(yùn)動(dòng)MRI研究

李標(biāo)達(dá)， 劉欣， 陳小燕， 魯可， 伍筱梅， 李新春， 蒙秋華

傳統(tǒng)的磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用單指數(shù)模型在兩個(gè)b值的基礎(chǔ)上計(jì)算ADC值來(lái)反映組織中水分子的擴(kuò)散能力[1]。其不足之處是沒有考慮微循環(huán)灌注以及水分子擴(kuò)散方向等因素的作用[2-3]。1986年Le Bihan等[4]提出體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM) 擴(kuò)散加權(quán)成像這一概念，獲得的定量指標(biāo)可反映實(shí)質(zhì)器官組織的真實(shí)擴(kuò)散以及微循環(huán)灌注狀態(tài)，對(duì)微循環(huán)病變的臨床早期診斷和治療有一定意義[4]。腎臟是血流灌注極為豐富的腹部實(shí)質(zhì)性器官，很多疾病如糖尿病腎病或腎小球腎炎等在疾病早期即可能導(dǎo)致腎臟的微循環(huán)發(fā)生病變，最終可導(dǎo)致腎功能不全，嚴(yán)重危害人類健康。IVIM-DWI能否在這類疾病的早期檢測(cè)出微循環(huán)病變，無(wú)創(chuàng)性地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)腎功能的受損情況，為臨床診治提供依據(jù)，近幾年來(lái)已成為研究的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究中對(duì)腎臟進(jìn)行IVIM-DWI檢查時(shí)均僅限于單一場(chǎng)強(qiáng)條件下。但是，不同的研究中采用的磁共振設(shè)備及場(chǎng)強(qiáng)不完全相同，得出的量化結(jié)論是否能通用，同一患者在相同序列參數(shù)、不同場(chǎng)強(qiáng)下獲得的腎臟IVIM-DWI參數(shù)是否有差異，這直接影響到是否能建立統(tǒng)一可行的量化標(biāo)準(zhǔn)，目前尚未有相關(guān)研究報(bào)道。筆者采用不同場(chǎng)強(qiáng)(1.5T和3.0T)磁共振儀分別對(duì)同一組志愿者進(jìn)行腎臟IVIM-DWI掃描，對(duì)獲得的定量參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為腎臟疾病IVIM-DWI的相關(guān)研究提供依據(jù)。

材料與方法

1.病例資料

招募30例健康成人志愿者行IVIM-DWI檢查。其中，男13例，女17例，年齡20～54歲，平均(28.8±9.01)歲。所有志愿者了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)腎病、糖尿病和高血壓病史，血清肌酐和尿素氮濃度在正常范圍內(nèi)，經(jīng)超聲和MRI等影像學(xué)檢查證實(shí)無(wú)腎臟器質(zhì)性病變。

2.IVIM-DWI掃描方法

所有志愿者檢查前禁食超過(guò)3h，囑其在掃描過(guò)程中呼吸頻率和幅度盡量保持均勻和平穩(wěn)。使用分別使用Philips Intera 1.5T和Achieva 3.0T磁共振機(jī)對(duì)所有受試者進(jìn)行常規(guī)T2WI和IVIM-DWI掃描檢查，兩種場(chǎng)強(qiáng)條件下相同的序列的掃描參數(shù)保持一致。IVIM-DWI掃描采用并行采集技術(shù)(parallel acquisition techniques，PAT)單次激發(fā)EPI序列，取10個(gè)b值(0、10、30、50、80、100、200、400、600、800和1000 s/mm2)，同時(shí)在X、Y、Z軸三個(gè)方向上施加敏感梯度脈沖，掃描參數(shù)：TR 4000 ms，TE 39.3～68.1 ms，激勵(lì)次數(shù)4，矩陣128×128，視野38 cm×38 cm ，層厚5.0 mm，間隔1.0 mm，PAT 2， 掃描范圍覆蓋雙腎。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中所有受試者的MRI掃描由一位操作者完成，盡可能避免個(gè)體差異等因素的干擾，與此同時(shí)，每位受試者在兩臺(tái)MR機(jī)上進(jìn)行掃描的時(shí)間間隔不超過(guò)24 h，盡量保持身體狀態(tài)一致。

3.圖像分析和數(shù)據(jù)測(cè)量

將DWI圖像在Philips工作站采用IVIM后處理軟件進(jìn)行分析，分別重建出灌注參數(shù)D、D*和f的偽彩圖(圖1)。D為純擴(kuò)散系數(shù)(diffusion coefficient，ADC)，代表真實(shí)水分子擴(kuò)散；D*值為假性擴(kuò)散系數(shù)(diffusion coefficient from the perfusion compartment，ADCp)，是一種與微循環(huán)灌注相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)；f值為灌注分?jǐn)?shù)(perfusion fraction，F(xiàn)P)，代表微循環(huán)灌注如血液及腎小管內(nèi)液體的流動(dòng)在信號(hào)衰減中所占的比重。

由于在各參數(shù)的偽彩圖上腎皮質(zhì)與腎髓質(zhì)的對(duì)比度不夠高，本研究中在整個(gè)腎實(shí)質(zhì)區(qū)域內(nèi)選取ROI 來(lái)進(jìn)行參數(shù)值的測(cè)量。由2位高年資影像醫(yī)師分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，選取3個(gè)層面的圖像(腎上極、下極及腎門水平)，在腎上下極和中部的腎實(shí)質(zhì)內(nèi)及在腎門水平的腎臟的前、中、后部分別勾畫圓形ROI，共6組ROI，所有ROI的形狀和大小完全一致。同一受試者不同場(chǎng)強(qiáng)下的各參數(shù)圖像的測(cè)量層面和ROI的位置盡可能一致。參考T2WI，勾畫ROI時(shí)盡可能避開腎竇組織和偽影，左、右腎各測(cè)量6次， 分別取平均值，測(cè)量出相應(yīng)的D、D*和f值。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)所有參數(shù)的測(cè)量值先進(jìn)行正態(tài)分布及方差齊性檢驗(yàn)，如符合正態(tài)分布且方差齊性，相應(yīng)的參數(shù)值采用均值士標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，組間比較采用配對(duì)或兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；若參數(shù)值不符合正態(tài)分布則采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

圖像質(zhì)量的評(píng)估：無(wú)論是1.5T或3.0T MR機(jī)，在自由呼吸條件下采集的雙腎IVIM-DWI圖像，圖像質(zhì)量均較好，擬合度高，尤其是在雙腎中部，而腎上極和下極有不同程度的呼吸運(yùn)動(dòng)偽影。經(jīng)后處理軟件重建的定量參數(shù)圖中，D和f的偽彩圖質(zhì)量良好，皮髓質(zhì)顯示較清晰，而D*圖上皮髓質(zhì)分界不清，甚至部分層面上腎臟的輪廓較模糊?？傮w來(lái)說(shuō)，3.0T MR獲得的IVIM-DWI圖像的信噪比和分辨率比1.5T MR更高。

不同場(chǎng)強(qiáng)條件下IVIM-DWI獲得的雙腎定量參數(shù)值及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。磁共振IVIM-DWI定量參數(shù)中，3.0T 條件下雙腎實(shí)質(zhì)的D值均大于1.5T條件下，雙腎實(shí)質(zhì)的D*值均小于1.5T條件下，組間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；3.0T條件下雙腎實(shí)質(zhì)的f值均大于1.5T條件下，但組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

相同場(chǎng)強(qiáng)條件下雙側(cè)腎臟IVIM-DWI定量參數(shù)值的比較見表2。IVIM-DWI定量參數(shù)中，1.5T場(chǎng)強(qiáng)下左側(cè)腎實(shí)質(zhì)的D值大于右側(cè)腎實(shí)質(zhì)，兩者間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；而3.0T場(chǎng)強(qiáng)下雙側(cè)腎實(shí)質(zhì)間D值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。無(wú)論是1.5T或3.0T場(chǎng)強(qiáng)下，雙側(cè)腎實(shí)質(zhì)的D*值或f值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 不同場(chǎng)強(qiáng)條件下雙腎實(shí)質(zhì)IVIM-DWI定量參數(shù)值的比較

表2 相同場(chǎng)強(qiáng)條件下左、右側(cè)腎實(shí)質(zhì)各項(xiàng)定量參數(shù)值的比較

表3 1.5T場(chǎng)強(qiáng)條件下男性組與女性組間雙腎各項(xiàng)定量參數(shù)值的比較

表4 3.0T場(chǎng)強(qiáng)條件下男性組與女性組間雙腎各項(xiàng)定量參數(shù)值的比較

圖1 一例受試者的3.0T MR IVIM-DWI掃描數(shù)據(jù)經(jīng)后處理軟件重建的定量參數(shù)偽彩圖。a)D圖； b) D*圖； c) f圖。

相同場(chǎng)強(qiáng)條件下不同性別間雙腎IVIM-DWI定量參數(shù)的比較見表3～4。在3.0T場(chǎng)強(qiáng)下，無(wú)論是左腎還是右腎的f值，在男性組與女性組之間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，并且均為男性組的f值大于女性組。而1.5T場(chǎng)強(qiáng)下，男性組與女性組之間雙腎f值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。而D值和D*值，無(wú)論在3.0T或者1.5T場(chǎng)強(qiáng)條件下，均未發(fā)現(xiàn)有性別上的差異(P>0.05)。

討 論

1. 1.5T和3.0T磁共振的圖像與效能

目前，臨床上廣泛使用的是1.5T和3.0T高場(chǎng)強(qiáng)磁共振儀。場(chǎng)強(qiáng)的提高，可增加圖像的信噪比和空間分辨率，有效提高圖像質(zhì)量；隨著多通道射頻線圈以及并行采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，掃描時(shí)間縮短，圖像上運(yùn)動(dòng)偽影減少，工作效率得到有效增加。高場(chǎng)強(qiáng)下有更明顯的化學(xué)位移，更明顯的磁敏感效應(yīng)，對(duì)病變檢出更敏感?？偟膩?lái)說(shuō)，3.0T與1.5T磁共振儀相比，不僅提高了圖像質(zhì)量更利于小病灶的檢出，而且隨著化學(xué)位移效應(yīng)的提高，能更敏感地檢測(cè)到疾病早期組織細(xì)胞化學(xué)成分的變化[6-7]。

本組研究結(jié)果顯示，在其它掃描參數(shù)相同、自由呼吸狀態(tài)下進(jìn)行雙腎IVIM-DWI掃描，1.5T和3.0T場(chǎng)強(qiáng)條件下均可獲得擬合度較高的圖像。而且，3.0T場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)運(yùn)動(dòng)位移更為敏感[7-8]，獲得的DWI圖像質(zhì)量并不比1.5T的好。無(wú)論是3.0T還是1.5T MR機(jī)，IVIM-DWI圖像上雙腎上極或下極水平的部分層面上存在偽影，可能是由于上極緊鄰肺底或下極毗鄰腸管(受腸內(nèi)容物的影響)，組織差異造成的磁敏感偽影[9]，同時(shí)也不能排除是呼吸運(yùn)動(dòng)或毗鄰腸管的蠕動(dòng)所致。如掃描時(shí)采用呼吸門控、檢查前進(jìn)行充分的腸道準(zhǔn)備，可能有助于此偽影的改善，但掃描時(shí)間成倍增加，腸道準(zhǔn)備可能增加患者的不適感，限制了其臨床應(yīng)用。

2.關(guān)于感興趣區(qū)的選擇

在既往腎臟DWI相關(guān)研究中，對(duì)ROI的選取方法較為一致，均采用在腎上極、下極和腎門水平多點(diǎn)測(cè)量取平均值，本文旨在為IVIM-DWI的臨床應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)，故測(cè)量方法保持與其他學(xué)者一致。本組研究中經(jīng)飛利浦公司提供的IVIM轉(zhuǎn)換軟件處理后的IVIM圖像上腎臟的皮髓質(zhì)分界不清，勾畫ROI時(shí)難以準(zhǔn)確判斷皮髓質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖1)。筆者分析原因：因b值越高圖像信噪比越低，圖像越容易變形或失真[10]。而在本研究中行IVIM-DWI掃描時(shí)共選取了11個(gè)b值，其中高b值的構(gòu)成比例較大。這一不足有可能影響對(duì)定量參數(shù)值的測(cè)量，尤其是當(dāng)腎臟體積相對(duì)較小或合并有腎萎縮、腎積水或腎實(shí)質(zhì)變薄等情況時(shí)。故筆者分別在雙腎上極、下極和腎門水平于腎實(shí)質(zhì)內(nèi)勾畫圓形ROI，盡可能避開腎盞結(jié)構(gòu)及偽影[11]，來(lái)測(cè)量D、D*和f值。

3. 1.5T與3.0T IVIM參數(shù)的比較

隨著場(chǎng)強(qiáng)的提高，圖像分辨率和信噪比也相應(yīng)提高，然而IVIM-DWI的研究結(jié)論是否隨之受到影響呢，各大醫(yī)院磁共振機(jī)的場(chǎng)強(qiáng)不同，相同掃描參數(shù)行IVIM-DWI時(shí)在不同場(chǎng)強(qiáng)磁共振掃描儀間的結(jié)論是否一致或具有同步性，這些問題尚未明確。本組研究結(jié)果顯示，雙腎IVIM-DWI獲得的定量參數(shù)中，在3.0T場(chǎng)強(qiáng)條件下左腎和右腎實(shí)質(zhì)的D值均高于1.5T(P<0.05)。Cui等[12]在研究肝臟不同場(chǎng)強(qiáng)條件下IVIM-DWI參數(shù)的穩(wěn)定性中，發(fā)現(xiàn)D值的可重復(fù)性較高，場(chǎng)強(qiáng)的差異對(duì)D值的影響不大，與本文的結(jié)果間存在差異。筆者分析可能有以下幾個(gè)原因：(1)IVIM理論計(jì)算公式為Sb/S0=(1-f)e-bD+f×e-bD*，其中Sb代表取某個(gè)b值(b≠0)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，S0代表b=0s/mm2時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，D值和D*值受梯度磁場(chǎng)的影響。從IVIM的理論公式可知，D值與D*值受場(chǎng)強(qiáng)的影響，故3.0T MR獲得的D值和D*值與1.5T MR存在差異。(2)IVIM-DWI檢查中，b值的選取也至關(guān)重要。b值即擴(kuò)散敏感梯度因子(gradient factor)，其計(jì)算公式為：

b=γ2G2δ2(Δ-δ/3)

(1)

γ、δ、G和Δ分別代表所施加的梯度磁場(chǎng)的磁旋比、持續(xù)時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度及間隔時(shí)間 ，可見b值也受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。(3)由于腎臟及肝臟的解剖功能上的差異所致。腎臟主要功能是通過(guò)體內(nèi)大量液體及代謝物的重吸收及排泄，維持體內(nèi)水、電解質(zhì)及酸堿平衡，因此腎臟組織內(nèi)存在廣泛而活躍的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而肝臟作為人體解毒和產(chǎn)熱的實(shí)質(zhì)器官，相對(duì)腎臟而言，肝臟內(nèi)部水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)甚小。3.0T高場(chǎng)強(qiáng)磁共振儀的梯度磁場(chǎng)的強(qiáng)度及切換率也比1.5T高，對(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)越敏感[13]，所以，3.0T MRI獲得的D值較1.5T MRI的D值高；此外，b值越高對(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越敏感，更接近真實(shí)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，本研究中IVIM-DWI掃描中選擇的b值以高b值為主，而Cui等[12]的研究中選擇了16個(gè)b值，但僅有4個(gè)b值≥200s/mm2，b值的選擇也是重要原因之一。(4) 3.0T MR獲得的左、右腎實(shí)質(zhì)的D*值均低于1.5T MR(P<0.05)。3.0T MR對(duì)于水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更為敏感，然而在反映灌注功能的D*值上卻是3.0T MR較1.5T MR低。多篇文獻(xiàn)報(bào)道皮質(zhì)與髓質(zhì)間各項(xiàng)IVIM定量參數(shù)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[14-15]。ROI選取區(qū)域內(nèi)皮、髓質(zhì)所占比例對(duì)測(cè)量D*值有一定影響，也可能是因?yàn)镈*值穩(wěn)定性低的原因[16]。筆者認(rèn)為，高場(chǎng)強(qiáng)MRI對(duì)腎臟水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以及微循環(huán)灌注更為敏感，隨著場(chǎng)強(qiáng)的增高，腎臟排泄與重吸收過(guò)程對(duì)D*反映灌注功能的干擾降低，從而導(dǎo)致3.0T MR獲得的D*值較1.5T小。而1.5T及3.0T MR的場(chǎng)強(qiáng)差異對(duì)f值的測(cè)量并沒有顯著影響(P>0.05)。

4.相同場(chǎng)強(qiáng)MR IVIM-DWI參數(shù)的比較

對(duì)相同場(chǎng)強(qiáng)下左腎與右腎的各項(xiàng)IVIM-DWI定量參數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示僅1.5T場(chǎng)強(qiáng)下左腎實(shí)質(zhì)的D值[(1.60±0.14)×10-3mm2/s]要大于右腎實(shí)質(zhì)的D值[(1.53±0.12)×10-3mm2/s]，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。丁玉芹等[11]的研究中亦顯示左、右腎的D值有差異，但是為右腎實(shí)質(zhì)的D值較左腎高，與本文結(jié)果不符。丁玉芹等的研究中ROI是選取同層面左、右腎的整個(gè)腎實(shí)質(zhì)，而本研究中ROI的選取方法與其有一定差異，我們采用分別在腎上、下極及腎門水平選取3個(gè)層面，在腎上下極層面各選取一個(gè)ROI，在腎門層面上在腎實(shí)質(zhì)內(nèi)勾畫4個(gè)ROI進(jìn)行測(cè)量并取其平均值。但也有可能是因本研究中樣本量較少所致，尚需擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步驗(yàn)證。然而3.0T MR獲得的左、右腎的D值并不存在明顯差異。丁玉芹等的研究中采用的是1.5T MR機(jī)，筆者認(rèn)為造成上述結(jié)果的原因是是場(chǎng)強(qiáng)不同，健康成人的左、右腎功能理應(yīng)沒有顯著差異，是否隨著場(chǎng)強(qiáng)的提高，IVIM參數(shù)測(cè)量值更為穩(wěn)定，有待進(jìn)一步探討驗(yàn)證。本研究中1.5T MR獲得的D*和f值以及3.0T MR獲得的D值、D*值和f值在左、右腎之間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

本組研究中，3.0T MR獲得的f值，無(wú)論在左腎還是右腎，均為男性大于女性(P<0.05)。這一結(jié)果與丁玉芹等[11]的報(bào)道相仿。Wittsack等[17]認(rèn)為f值與腎動(dòng)脈血流速度呈明顯正相關(guān)，正常男性在平靜狀態(tài)下新陳代謝明顯高于女性，腎動(dòng)脈血流量也顯著高于女性。但本組實(shí)驗(yàn)中，1.5T MR 獲得的f值在男性和女性組間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。筆者分析可能是因?yàn)楸窘M中男性和女性志愿者年齡較輕且身體健康，身體狀態(tài)差異不大，1.5T IVIM-DWI獲得的f值的敏感度尚不足以反映兩者間的差異，而隨著場(chǎng)強(qiáng)的增高，3.0T MR獲得的f值能更準(zhǔn)確的反映出兩性之間的差異。

IVIM-DWI作為一種無(wú)需外源對(duì)比劑而能提供擴(kuò)散、灌注等分腎功能信息的無(wú)創(chuàng)性成像技術(shù)，在臨床實(shí)踐中可以在疾病的早期從分子水平對(duì)病變組織進(jìn)行定量分析和診斷，具有較好的應(yīng)用前景。但是其獲得的定量參數(shù)值的是否適用不同掃描條件仍是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，本研究中發(fā)現(xiàn)掃描參數(shù)相同的條件下1.5T和3.0T MR獲得的腎實(shí)質(zhì)D和D*值間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而f值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義、穩(wěn)定性較高；1.5T MR IVIM-DWI獲得的左、右腎的D、D*和f值的差異與3.0T MR下的結(jié)果不具有同步性，提示IVIM-DWI定量參數(shù)受到場(chǎng)強(qiáng)等因素的影響，場(chǎng)強(qiáng)不同時(shí)研究的量化結(jié)論可能不能相互通用，其可靠性和可行性需建立在相同場(chǎng)強(qiáng)及掃描參數(shù)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上。本研究也存在不足之處，主要是樣本量不夠大，尚需擴(kuò)大樣本量進(jìn)行更深入的研究。