動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像對(duì)腎功能的評(píng)價(jià)*

么喜存 楊 芹 孫浩然

1 天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院濱海醫(yī)院，天津市 300480； 2 天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院

利用釓基造影劑(Gadolinium based contrast agent,GBCA)做動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI(Dynamic contrast enhanced MRI,DCE-MRI)來(lái)評(píng)價(jià)腎功能，已得到了很多年的關(guān)注。在此之前，臨床上反映腎功能的指標(biāo)很多，如血清肌酐濃度(SCr)和血尿素氮(BUN)、內(nèi)源性肌酐清除率(Ccr)、腎小球?yàn)V過(guò)率(GFR)、有效腎血漿流量(ERPF)等。然而，SCr和BUN被認(rèn)為是晚期腎功能不全的標(biāo)志，不能早期發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的、不可逆的腎損害[1]，也不能用于評(píng)價(jià)單腎功能。Ccr對(duì)于反映腎臟血流和排泄也很重要，但是由于檢查過(guò)程復(fù)雜所以不常被應(yīng)用。SPECT腎臟造影是目前評(píng)價(jià)包括GFR和ERPF在內(nèi)的腎臟功能的主要影像技術(shù)，但缺乏良好的空間分辨率，不能準(zhǔn)確反映形態(tài)學(xué)改變。超聲微泡造影檢查技術(shù)的準(zhǔn)確性比較依賴于操作者的水平，檢查費(fèi)時(shí)、敏感性較低，且一次測(cè)量的掃描范圍有限，不能同時(shí)獲得雙側(cè)腎臟的血流信息。而且微泡超聲造影檢查結(jié)果容易受到微氣泡的大小及穩(wěn)定性、組織深度的影響[2]。DCE-MRI技術(shù)能夠?qū)δI臟的泌尿功能做更為復(fù)雜的建模，以更廉價(jià)的費(fèi)用、更少的時(shí)間獲得eGFR及沒(méi)有輻射的MR腎圖(MR renography,MRR)。

1 DCE-MRI的基礎(chǔ)概念

DCE-MRI是通過(guò)靜脈注射釓基造影劑和連續(xù)斷層掃描目標(biāo)組織，得到時(shí)間—信號(hào)強(qiáng)度曲線(Time signal intensity curve,TIC)來(lái)進(jìn)行成像的技術(shù)。與組織相關(guān)的參數(shù)可以通過(guò)使用基于模型的或無(wú)模型的方法分析曲線來(lái)計(jì)算。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)造影劑通過(guò)皮質(zhì)、髓質(zhì)和收集系統(tǒng)的傳遞，得到TIC并加以分析，便可以確定臨床上重要的單個(gè)腎臟參數(shù)，如腎血流量、GFR和皮質(zhì)髓質(zhì)血容量[3]。

2 DCE-MRI的采集

2.1 序列選擇 理想的脈沖序列應(yīng)具有較大的T1加權(quán)、良好的信噪比(Signal noise ratio, SNR)、速度要快、信號(hào)變化與GBCA的濃度應(yīng)呈線性關(guān)系[4]。根據(jù)脈沖序列是使用自旋回波還是使用梯度回波來(lái)形成信號(hào)，脈沖序列可分為兩大類。為了達(dá)到更快的速度和更高的信噪比，一般選擇DCE成像的2D或3D GRE序列。目前快速3D采集已逐漸取代2D方法。一方面，GBCA縮短了T1和T2弛豫時(shí)間，對(duì)T1弛豫時(shí)間的影響更大；另一方面，弛豫速率與GBCA濃度呈線性關(guān)系。合理的T1加權(quán)可以使用具有短回波時(shí)間(TR)、相對(duì)高翻轉(zhuǎn)角(45°～90°)和短回波時(shí)間(TE)[5]的GRE(SPGR)序列來(lái)完成。在DCE-MRI中，為了減小T2*效應(yīng)，選擇TE值應(yīng)接近其最小值。

2.2 對(duì)比劑量 避免使用高劑量GBCA有兩個(gè)原因：一個(gè)是T2*效應(yīng)，另一個(gè)是腎臟的高灌注。在靜脈注射造影劑期間，當(dāng)腎臟和腹主動(dòng)脈中的濃度超過(guò)序列的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，信號(hào)將達(dá)到飽和狀態(tài)并且不再對(duì)變化敏感[6]。在文獻(xiàn)中沒(méi)有最佳劑量的一致性，Yamamoto等[7]表明，在健康人中釓劑的使用濃度約為0.02mmol/kg，而腎功能下降的患者約為0.025mmol/kg，但較少的劑量會(huì)降低對(duì)比噪聲比(Contrast noise ratio,CNR)。在動(dòng)物研究中，對(duì)比劑劑量使用范圍在0.025～0.05mmol/kg，這取決于所用序列和MR系統(tǒng)獲得的信噪比水平。

2.3 采集容積 有一些研究是通過(guò)雙腎的一個(gè)中間層面來(lái)測(cè)量GFR值的，然后依此值推斷到全腎體積而得到一個(gè)總的GFR值。這種方法是比較簡(jiǎn)單的，有較高的時(shí)間分辨力，但是這種方法忽視了腎皮質(zhì)內(nèi)濾過(guò)功能可能存在的不均勻性。同樣，當(dāng)處理患腎時(shí)，只憑單層是不能準(zhǔn)確地代表全腎狀況的。隨著掃描設(shè)備的不斷發(fā)展，使得采用多層或3D采集序列以覆蓋每個(gè)腎的全部腎實(shí)質(zhì)成為可能，這樣能夠更加精準(zhǔn)地得到患腎的GFR值。

2.4 運(yùn)動(dòng)校正 運(yùn)動(dòng)效果可在掃描和后處理中進(jìn)行校正，可以使用呼吸門控或?qū)Ш交夭▉?lái)確保在呼吸周期中總是在同一時(shí)間點(diǎn)獲取圖像，并且可以應(yīng)用飽和準(zhǔn)備序列來(lái)消除磁化。但是這些方法將降低時(shí)間分辨率和信噪比。在后處理步驟中，可以采用圖像配準(zhǔn)算法[8]來(lái)解決移動(dòng)。Shehata等人[9]提出的基于三維DCE-MRI數(shù)據(jù)的腎臟三維非剛性圖像配準(zhǔn)新算法及Boer等人[10]提出的雙回波采集改進(jìn)的Dixon重建是目前具有最佳應(yīng)用前景的技術(shù)。

3 用于腎功能研究的數(shù)學(xué)模型

目前廣泛應(yīng)用的兩室或三室模型將腎臟描述為血管室與一個(gè)或多個(gè)管狀室的組合。GFR通過(guò)從血管腔到管腔的流動(dòng)來(lái)識(shí)別。除了3C-IRF模型外，所有的模型都假設(shè)每個(gè)隔室內(nèi)對(duì)比劑是瞬時(shí)混合的，而且造影劑滲漏到間質(zhì)空間被忽略，靜脈室也被忽略。除了下面描述的Baumann-Rudin模型外，所有的模型都需要一個(gè)動(dòng)脈輸入函數(shù)(AIF)來(lái)補(bǔ)償注入血液中的非瞬時(shí)團(tuán)注。

3.1 二室模型

3.1.1 Baumann-Rudin模型:由Baumann和Rudin提出的模型描述了造影劑最初從皮質(zhì)(與血管腔一致)流入髓質(zhì)，髓質(zhì)流出被忽略。BR模型是唯一不需要測(cè)量AIF的模型。BR模型不直接計(jì)算GFR，只計(jì)算與GFR呈正比的指數(shù)kcl，清除指數(shù)kcl被定義為從皮層到髓質(zhì)的單向流動(dòng)的速率常數(shù)(公式1)。 Cx(t)代表腎臟皮質(zhì)對(duì)比劑攝取量； Med(t)代表腎臟髓質(zhì)對(duì)比劑濃攝取量。

3.1.2 Patlak-Rutland模型：它是基于忽略了對(duì)比劑從管狀室流出的兩室模型，同時(shí)也忽略了團(tuán)注藥丸在腎血管中的分散，認(rèn)為近似于主動(dòng)脈血漿中的濃度。該模型得到兩個(gè)參數(shù)，血管隔室A的體積分?jǐn)?shù)wa和GFR(公式2)。K(t)代表腎臟對(duì)化劑攝取量；Aop(t)代表腹主動(dòng)脈的對(duì)比劑濃度。

在一定條件下，單腎信號(hào)強(qiáng)度的凈增加量與其內(nèi)釓劑的總含量呈正比，在固定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行掃描成像，單腎的信號(hào)強(qiáng)度和面積通過(guò)在每個(gè)掃描圖像的層面上描繪感興趣區(qū)域(Region of interest, ROI)測(cè)量出來(lái)。根據(jù)著名的Patlak曲線進(jìn)行計(jì)算[11]，然后再根據(jù)血細(xì)胞比容校正后就得出了所謂的“清除率”。動(dòng)態(tài)掃描用于描繪主動(dòng)脈密度曲線以得到更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

主動(dòng)脈衰減曲線是用Patlak曲線測(cè)定GFR時(shí)必須描繪出來(lái)的。該曲線包含四個(gè)部分圖像的數(shù)據(jù)，分別是彈丸觸發(fā)、動(dòng)脈期、動(dòng)態(tài)掃描、實(shí)質(zhì)期的圖像，這些圖像的數(shù)據(jù)分別通過(guò)在主動(dòng)脈腔內(nèi)圈畫一個(gè)環(huán)形的ROI來(lái)測(cè)得。因?yàn)閯?dòng)態(tài)掃描的次數(shù)有限，缺失的部分以線性插值法補(bǔ)充。ROI應(yīng)盡可能靠近血管內(nèi)壁，如有明確的血管壁鈣化，要除外鈣化區(qū)域[12]。

3.1.3 考慮腎小管造影劑流出的兩室模型:分為忽略團(tuán)注藥丸在腎血管中分散的兩室模型(2C)和考慮團(tuán)注藥丸在腎血管中分散的兩室模型(2CD)。Buckley等人[13]針對(duì)2C以及Sourbron等人[14]針對(duì)2CD模型注意到PR方法相對(duì)低估了GFR，并將這種低估歸因于PR方法中忽略了腎小管造影劑的流出。所得參數(shù)：血管隔室A的體積分?jǐn)?shù)wa、GFR、腎小管隔室T流出率(公式3)。A(t)代表腎血管隔室A的對(duì)比劑攝取量；wa代表血管隔室的體積分?jǐn)?shù)。

公式3

在2C模型中：A(t)=Aop(t)

3.2 三室模型 包括考慮團(tuán)注藥丸在腎血管中分散的三室模型(3CD)和脈沖保持式三室模型(3C-IRF)。Lee等人[15]最早提出的三室模型(3CD)將皮質(zhì)和髓質(zhì)描述為三個(gè)連續(xù)連接的室的組合:皮質(zhì)和髓質(zhì)共享的血管室(A)、僅在皮質(zhì)中包含的近端小管(P)和僅在髓質(zhì)中包含的髓袢(L)。同時(shí)擬合皮質(zhì)和髓質(zhì)濃度可以得到5個(gè)參數(shù)，包括RPF、GFR、皮質(zhì)和髓質(zhì)血管體積以及近端腎小管和髓袢中的水分再吸收分?jǐn)?shù)。Zhang等[16]的3C-IRF模型結(jié)構(gòu)與3CD模型相同，假設(shè)由于路徑的分布，對(duì)比劑需要一個(gè)最小通過(guò)時(shí)間從一個(gè)隔室進(jìn)入另一個(gè)隔室，在通過(guò)之前，每個(gè)隔室都表現(xiàn)為一個(gè)無(wú)流出系統(tǒng)，對(duì)比劑通過(guò)時(shí)才變成一個(gè)流進(jìn)—流出系統(tǒng)。3C-IRF模型包含9個(gè)參數(shù):RPF、GFR、皮層血管體積分?jǐn)?shù)、三個(gè)隔室的最小通過(guò)時(shí)間、三個(gè)隔室的流出常數(shù)(公式4～8)。

Cx(t)=waCxA(t)+wpP(t)

公式4

Med(t)=waMecJA(t)+WlL(t)

公式5

公式6

公式7

公式8

4 存在的問(wèn)題

DCE-MRI是研究腎臟功能的新興檢查方法，然而對(duì)于GFR的估計(jì)仍然在摸索研究當(dāng)中，因?yàn)橐恍┰颍壳芭R床應(yīng)用仍存在很多困難。首先，由于呼吸運(yùn)動(dòng)及周圍腸管導(dǎo)致的磁化率偽影，難于從全腎獲得準(zhǔn)確及可重復(fù)的信息；其次，在觀察到的MR信號(hào)變化與對(duì)比劑濃度之間的復(fù)雜關(guān)系，導(dǎo)致定量分析困難；第三，所提出的用于經(jīng)MRI數(shù)據(jù)計(jì)算GFR的不同動(dòng)力學(xué)模型仍需要被驗(yàn)證是有效且可重復(fù)性好的；第四，對(duì)于需要AIF的方法，主動(dòng)脈增強(qiáng)的變化對(duì)建模結(jié)果有很大影響，是GFR測(cè)量結(jié)果不確定性的主要來(lái)源；第五，近十年學(xué)者們雖然一直圍繞這些技術(shù)進(jìn)行探索，盡管改良的數(shù)學(xué)模型不斷被提出[17]，但是現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性仍沒(méi)有達(dá)成廣泛共識(shí)。

綜上所述，DCE-MRI技術(shù)在多方面存在挑戰(zhàn)，未來(lái)還需找到更加可靠、容易獲得、且臨床上可應(yīng)用的精確定量模型。令人欣喜的是，基于近些年DCE-MRI對(duì)GFR定量與核素顯像的相關(guān)性研究[18]，表明了DCE-MRI具有成為無(wú)創(chuàng)性腎功能檢查方案的潛力，在研究腎血管性病變、腎積水、腎小管壞死、糖尿病腎病和急、慢性腎臟彌漫性病變及移植腎功能異常等疾病[19]方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。