扩散加权成像单指数和双指数模型评估单侧输尿管梗阻大鼠肾脏扩散及微灌注变化

2014-03-09贾慧茹JIAHuiru

中国医学影像学杂志 2014年5期

关键词：髓质皮质肾脏

贾慧茹 JIA Huiru

张翼 ZHANG Yi

刘乐 LIU Le

吴焕焕 WU Huanhuan

韩伟 HAN Wei

高玮 GAO Wei

孙浩然 SUN Haoran

扩散加权成像单指数和双指数模型评估单侧输尿管梗阻大鼠肾脏扩散及微灌注变化

贾慧茹 JIA Huiru

张翼 ZHANG Yi

刘乐 LIU Le

吴焕焕 WU Huanhuan

韩伟 HAN Wei

高玮 GAO Wei

孙浩然 SUN Haoran

目的探讨扩散加权成像（DWI）单指数和双指数模型评估大鼠单侧输尿管梗阻（UUO）后肾脏扩散改变及微灌注改变的能力，为早期诊断及治疗梗阻性肾病提供依据。材料与方法21只大鼠按照随机数字表法平均分为7组，除对照组外，其余6组大鼠结扎左侧输尿管建立UUO模型。对照组与UUO大鼠分别于术前及UUO后6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、7 d行双肾多b值DWI检查获得ADC图，b值取0、20、40、60、80、100、140、180、240、300、500、1000、1500 s/mm2，并利用双指数模型计算灌注分数f图及纯扩散系数D图，分析UUO后不同时间点患肾、健肾及对照组间肾皮、髓质ADC值、f值和D值的变化。结果UUO后各时间点患肾皮、髓质ADC值均显著低于健肾（t=－9.809～－3.666、－8.703～－5.843, P＜0.01），UUO后3 d患肾皮质ADC值低于对照组（t=2.236, P＜0.05）；UUO后6 h、12 h、1 d、3 d健肾皮、髓质ADC值均高于对照组（t=－10.030～－2.724, P＜0.05）。患肾皮质f值均低于对照组及健肾（t=2.553～7.984、－6.418～－2.519, P＜0.05）；患肾髓质f值均低于健肾（t=－6.245～－3.408, P＜0.01），但患肾髓质f值仅UUO后12 h和7 d低于对照组（t=2.264、2.453, P＜0.05）。UUO后6 h、12 h、1 d、2 d、7 d患肾皮质D值均高于对照组（t=－7.638～－3.007, P＜0.05），髓质D值UUO后2 d开始持续高于对照组及健肾（t=－4.069～－3.040、2.799～3.079, P＜0.05），但健肾髓质D值与对照组无显著差异，健肾皮质D值仅UUO后1 d、3 d、7 d高于对照组（t=－2.898、－2.462、－2.628, P＜0.05）。结论双指数模型较单指数模型更好地评估梗阻性肾病肾实质扩散的改变，并可以反映肾皮质的微灌注变化。

输尿管梗阻；磁共振成像，弥散；扩散加权成像；表观扩散系数；肾；血液灌注；疾病模型，动物；大鼠，Sprague-Dawley

磁共振扩散加权成像（DWI）是一种无创性地反映活体组织内部水分子扩散过程的检查方法。20世纪80年代末，Le Bihan 等[1]提出体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion, IVIM）理论，并在表观扩散系数（ADC）的基础上使用双指数模型获得灌注分数f及组织纯扩散系数D。急性尿路梗阻早期，肾脏通过代偿机制可以维持肾的正常功能，随后肾功能开始出现不可逆损伤，采用无创性的影像学方法发现和评估梗阻性肾病早期肾损害具有潜在的临床应用价值。尽管目前应用ADC值评估肾脏疾病的研究很多[2-7]，但利用DWI双指数模型评估梗阻性肾病早期肾脏的动态改变鲜有报道。本研究通过比较单指数及双指数模型评估单侧输尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction, UUO）后大鼠肾脏微灌注及扩散改变，尝试利用DWI表现评估梗阻性肾病肾脏血流灌注和肾间质水肿、间质纤维化的早期进展过程，为其临床早期诊断及治疗提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物 21只健康雄性SD大鼠购自北京农业大学动物中心，动物合格证号2012-0001，体重240～360 g，平均（300±56）g，周龄12～20周，按照随机数字表法平均分为7组，每组3只，随机抽出1组作为对照组，其余6组结扎左侧输尿管近端建立UUO模型。经大鼠腿部肌肉注射2%戊巴比妥钠（0.2 ml/100 g）麻醉后，对照组与模型组大鼠分别于术前及术后6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、7 d行肾脏多b值DWI-IVIM检查。

1.2 仪器与方法使用GE HD750 3.0T MRI仪和5.0 cm孔径动物线圈（江苏万康医疗科技有限公司）。多b值DWI使用回波平面成像序列（spin echo-echo planar imaging, SE-EPI），横轴位采集双肾区，TR 2000 ms，TE 101.2～111.4 ms，层厚3.0 mm，间隔0.5 mm，视野8.0 cm，矩阵128×128，激励次数2，b值取0、20、40、60、80、100、140、180、240、300、 500、1000、1500 s/mm2，扩散敏感梯度场施加在X、Y、Z轴3个方向上。

1.3 ADC值与双指数模型参数测量将图像传输至ADW 4.3工作站，首先利用Functiontools中MADC软件多b值法单指数模型获得ADC图，然后利用双指数模型获得灌注分数f图和纯扩散系数D图。双指数模型计算公式：S(b)/S(0)=(1－f)·e-bD+f·e-b·(D*+D)，其中S(b)/S(0)为施加扩散梯度场后与施加前的信号强度比，D*为假扩散系数。选择肾门水平作为测量平面，根据DWI(b=0)图像划分双肾皮、髓质，并测量上述各参数。选择感兴趣区时尽可能准确地包括层面内全部肾皮质及髓质，肾髓质不包括扩张的肾盂。

1.4 统计学方法采用SPSS 17.0软件，不同时间点患肾与健肾计量资料比较采用配对t检验，模型组与对照组比较采用成组t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 双肾ADC值的变化 UUO后各时间点患肾皮质和髓质ADC值均低于健肾（t=－9.809～－3.666、－8.703～－5.843, P＜0.01），见图1、2。UUO后患肾皮、髓质ADC值均出现波动，但除患肾皮质ADC值3 d时减低外（t=2.236, P＜0.05），其余各时间点与对照组差异均无统计学意义（P＞0.05）；除UUO后2 d和7 d外，其余各时间点健肾皮、髓质ADC值均高于对照组（t=－10.030～－2.724, P＜0.05），见图2。

2.2 双肾f值的变化 UUO后各时间点患肾皮质和髓质f值均较健肾明显下降（t=－6.418～－2.519, P＜0.05; t=－6.245～－3.408, P＜0.01）（图1、3）。UUO后各时间点患肾皮质f值较对照组明显下降（t=2.553～7.984, P＜0.05），患肾髓质f值仅UUO后12 h和7 d低于对照组（t=2.264、2.453, P＜0.05）（图3）。健肾皮、髓质f值较对照组变化均不显著（P＞0.05），见图3。

2.3 双肾D值的变化患肾髓质D值仅UUO后2 d、3 d及7 d高于对照组及健肾（t=－4.069～－3.040、2.799～3.079, P＜0.05），见图1、4。患肾皮质D值除UUO后3 d外均高于对照组（t=－7.638～－3.007, P＜0.05）；健肾皮质D值仅UUO后1 d、3 d及7 d高于对照组（t=－2.898、－2.462、－2.628, P＜0.05），健肾髓质D值与对照组比较变化不显著（P＞0.05），见图4。

3 讨论

急性尿路梗阻可以导致肾间质纤维化，Chevalier等[8]报道大鼠肾纤维化于术后约1周出现，病理表现为肾小管扩张，肾间质炎症细胞浸润及肌成纤维细胞增殖。功能MRI尤其是DWI对肾纤维化的评估具有潜在的应用价值，但急性尿路梗阻后肾脏ADC值的变化存在争议。Pedersen等[9]进行猪输尿管梗阻肾DWI研究，发现急性尿路梗阻时患肾皮、髓质ADC值下降，而慢性尿路梗阻时ADC值升高。Thoney等[7]研究发现，急性尿路梗阻患者仅患肾髓质ADC值轻度升高，患肾和健肾皮、髓质ADC值均无明显差异。Togao等[3]观察大鼠UUO前及术后3 d、7 d患肾皮质ADC值，发现UUO后患肾皮质ADC值明显下降。本研究发现，UUO后大鼠患肾皮质和髓质ADC值较健侧明显减小，但与对照组相比无显著变化，可能与选取不同b值有关。目前广泛应用的单指数DWI获取的ADC值主要受组织内水分子运动及血管内分子运动（即灌注）的影响，Togao等[3]采用350 s/mm2以上高b值，测量ADC值受灌注的影响减小。本研究为比较单指数模型与双指数模型的差异，采用较多低b值，12个b值中有7个低于200 s/mm2，使得患肾ADC值可能受UUO后微灌注减低的影响[10]。此外，本研究发现健肾ADC值较对照组增高，可能与患肾肾功能下降后健肾微灌注代偿性增加有关。

图1 对照组和左肾UUO后2 d大鼠双肾ADC图、f图和D图。A、E分别为对照组和左肾UUO后2 d大鼠DWI图像（b=0）及肾皮、髓质ROI（紫色线）；B～D和F～H分别为与A图和E图同层面的ADC值、f值及D值伪彩图；左肾皮、髓质显示蓝色区域的ADC值分别为0.45×10-3mm2/s、0.43×10-3mm2/s，明显低于显示为蓝绿混合区域的右肾皮、髓质ADC值0.78×10-3mm2/s、0.72×10-3mm2/s（F），而与对照组B图双肾皮、髓质平均ADC值0.58×10-3mm2/s、0.45×10-3mm2/s（B）无明显变化；左肾皮、髓质显示为红黑混合区域的f值分别为34.8%、27.2%，明显低于显示为红色区域的右肾皮、髓质f值65.9%、60.2%（G），且左肾皮质f值明显低于对照组双肾皮质平均f值63.9%（C），而右肾皮质f值与对照组f值60.2%（C）无明显变化；左肾髓质显示为黄绿混合区域的D值为1.42×10-3mm2/s，明显高于显示为蓝色为主区域的右肾髓质D值0.53×10-3mm2/s（H），且高于对照组双肾髓质D值1.25×10-3mm2/s（D）

图2 大鼠UUO后不同时间点患肾和健肾皮、髓质ADC值的变化。与对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

图3 大鼠UUO后不同时间点患肾和健肾皮、髓质f值的变化。与对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

图4 大鼠UUO后不同时间点患肾和健肾皮、髓质D值的变化。与对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

尽管高b值DWI获得的ADC值很接近单纯扩散系数，但灌注的影响因素仍难以完全消除，根据IVIM原理，在活体组织中水分子的运动包括扩散（水分子布朗运动）和微循环灌注。为更好地描述水分子的运动，许多学者提出IVIM模型，其中双指数模型应用最广泛，后者可以同时获取反映细胞间及细胞内分子运动的纯扩散系数D、反映血管内微灌注的灌注系数D*及灌注分数f。本研究即采用了双指数模型评估UUO后肾实质水分子扩散和微灌注改变，结果发现，UUO后患肾皮质f值明显下降，健肾皮质f值升高，而患肾髓质f值仅在部分时间点低于正常，提示f值评估肾皮质微灌注的价值大于髓质。UUO后患肾皮质f值下降，反映了肾脏超早期应激反应致交感神经兴奋，使肾血流量减少及近端小管和肾小球内压上升，导致肾小球滤过率减低。本研究发现，UUO后健肾皮质f值升高，UUO后健肾病理改变的研究较少，一般认为UUO后健肾血流量代偿性地增加，进而肾小球滤过率增加[11]，因此f值可以反映尿路梗阻早期肾脏微灌注的变化。本研究发现，UUO后2 d患肾髓质D值开始升高，而健肾髓质D值无明显变化；患肾皮质D值仅在部分时间点高于正常，提示D值评估肾髓质扩散改变的价值大于皮质。Thoney等[7]也发现急性尿路梗阻后患肾髓质D值升高，推断与肾盂压力增高有关，可能还与肾小管扩张及肾间质水肿有关。UUO后患肾髓质ADC值与对照组比较无显著差异，而D值于UUO后2 d开始上升，提示D值能够较敏感地反映梗阻肾的扩散改变。

本研究的局限性：①MRI采集中采用腹部加压控制呼吸运动，而未使用呼吸门控，双肾上极层面运动伪影和磁敏感伪影严重，故本研究只测量肾门水平的DWI信号，既往研究报道肾上、下极及肾门水平的扩散加权系数不同[12-14]。②由于本实验设计时间点较多，每组样本量较小。③f值反映的是组织内毛细血管的丰富程度[15]，而f值除了反映组织微灌注外，还反映了肾小管内的液体流动[16]，因此f值的病理生理意义有待进一步证实。

总之，双指数模型较单指数模型能够更好地评估梗阻性肾病肾实质扩散的改变，并可以反映肾皮质微灌注的变化，是一种评估梗阻肾早期肾脏变化的潜在方法。

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（责任编辑张春辉）

Diffusion and Microperfusion Changes in Rats with Unilateral Ureteral Obstruction Using Mono- and Bi-exponential Model Diffusion Weighted Imaging

PurposeTo investigate the potential of mono- and bi-exponential model diffusion weighted imaging (DWI) in evaluating kidney changes in diffusion and microperfusion in rats with unilateral ureteral obstruction (UUO).Materials and MethodsTwenty-one rats were divided into seven groups using random number table. There were one normal control group and six groups with UUO. UUO groups underwent DWI using multiple b-values (b=0, 20, 40, 60, 80, 100, 140, 180, 240, 300, 500, 1000 and 1500 s/mm2) presurgery and at 6 hours, 12 hours, 1 day, 2 days, 3 days and 7 days after surgically created UUO to obtain the ADC maps. Perfusion fraction f map and pure diffusion coeffcient D map were calculated using biexponential model. ADC, f and D values in the cortical and medullary regions were compared between diseased and contralateral kidneys at different time points.ResultsCortical and medullary ADCs in UUO kidneys were signifcantly lower than those of contralateral kidneys (t=－9.809-－3.666 and －8.703-－5.843, P＜0.01). At 3 days after surgery, cortical ADCs of UUO kidneys were lower than those of normal controls (t=2.236, P＜0.05). Cortical and medullary ADCs of contralateral kidneys were higher than those of normal controls at 6 hours, 12 hours, 1 day and 3 days after operation (t=－10.030-－2.724, P＜0.05). Compared with both normal controls and contralateral kidneys, there was significant decrease in cortical f values of UUO kidneys (t=2.553-7.984 and －6.418-－2.519, P＜0.05). The medullary f values of UUO kidneys were lower than those of contralateral kidneys (t=－6.245-－3.408, P＜0.01). This was lower than that of normal controls only at 12 hours and 7 days after surgery (t=2.264 and 2.453, P＜0.05). Cortical D values of UUO kidneys were higher than that of normal controls at 6 hours, 12 hours, 1 day, 2 days and 7 days after surgery (t=－7.638-－3.007, P＜0.05). The medullary D values of UUO kidneys were higher than those of contralateral kidneys and normal controls beginning at 2 days after surgery (t=－4.069-－3.040 and 2.799-3.079, P＜0.05). There was no significant difference in medullary D values between contralateral kidneys and normal controls. The cortical D values of contralateral kidneys were higher than those of normal controls at 1 day, 3 days and 7 days after surgery (t=－2.898, －2.462 and－2.628, P＜0.05).ConclusionBiexponential model is superior to monoexponential model in evaluating changes in parenchymal diffusion and microperfusion in obstructive nephropathy.

Ureteral obstruction; Diffusion magnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Apparent diffusion coefficient; Kidney; Hemoperfusion; Disease models, animal; Rats, sprague-dawley

天津医科大学总医院放射科天津 300052

孙浩然

Department of Radiology, Tianjin Medical University General Hospital, Tianjin 300052, China

Address Correspondence to: SUN Haoran

E-mail: sunhaoran2006@hotmail.com

国家自然科学基金项目（81171316）。

R-33；R445.2

2013-12-24

修回日期：2014-04-20

中国医学影像学杂志

2014年第22卷第5期：325-328

Chinese Journal of Medical Imaging