正常肾脏血氧依赖磁共振成像特点及与生理指标相关性研究

石会兰 郑振峰马 慧 李峰坦 张 敬 张云亭

应用研究

正常肾脏血氧依赖磁共振成像特点及与生理指标相关性研究

石会兰 郑振峰△马 慧 李峰坦 张 敬 张云亭

目的 探讨正常肾脏的血氧水平依赖磁共振（BOLD-MRI）成像特点，以及与部分生理指标之间的相关性。方法纳入90例行腹部磁共振检查的非肾脏病患者。使用GE 3.0 T磁共振扫描仪和Torsopa相控阵线圈，行肾脏冠状面T1WI及BOLD成像，BOLD-MRI成像扫描采用T2*自旋梯度回波（T2*SPGR）序列，BOLD影像分析采用R2*map后处理软件，分别从肾脏皮质和髓质区选取感兴趣区（ROI）测量表观自旋-自旋弛豫率(R2*)值。分析R2*值与患者年龄、性别、身高、体质量、体质量指数（BMI）、体表面积（BSA）和估算的肾小球滤过率（eGFR）之间的相关性。结果两侧肾脏皮质区R2*值[左侧（16.56±1.40）Hz和右侧（16.66±1.28）Hz]均低于相应髓质区[左侧（28.82±3.71）Hz和右侧（28.36±3.72）Hz]；女性和男性患者皮质R2*值[女性（16.55±1.30）Hz和男性（16.66±1.38Hz）]也低于相应的髓质区[女性（28.46±3.64）Hz和男性（28.70±3.78）Hz]。双侧肾脏髓质区肾脏下极R2*值[（27.29±3.05）]Hz低于中极[（29.32±3.47）Hz]和上极[（29.16±4.21）Hz]；差异均有统计学意义。髓质R2*值与年龄呈正相关，与eGFR呈负相关(r分别为0.284、-0.232,均P＜0.05)。结论R2*值可反映肾脏皮髓质氧分压的水平，判断其缺血缺氧程度。BOLDMRI提供了一种简单、易行且无创性检测肾脏皮髓质氧代谢的方法。

肾皮质；肾髓质；磁共振成像；肾小球滤过率；血氧水平依赖磁共振成像；R2*值

肾脏血流灌注十分丰富，其血供占心输出量的25%。肾脏疾病多有血流供应及氧含量的改变，肾脏实质内含氧水平常常可以反映疾病早期的异常变化。血氧水平依赖磁共振成像（BOLD-MRI）是目前唯一可无创性检测肾脏内氧含量的影像学方法。BOLD-MRI信号强度与肾组织氧含量之间的相关性已经为氧敏感性微电极直接测量组织内氧分压所证实[1]，使得BOLD-MRI实时评价人体肾脏氧含量成为可能。本研究对90例正常肾脏进行BOLD-MRI检查，探讨正常肾脏内氧含量水平并分析其与生理指标的相关性，为进一步研究提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 纳入2013年6月—9月我院住院并行腹部MRI的非肾脏病患者90例。纳入标准：（1）研究前3个月内患者尿液检查、与肾脏功能有关的血液检查以及肾脏影像学检查无异常发现。（2）研究前3个月内估算的肾小球滤过率（eGFR）不低于60 mL/（min·1.73 m2)。（3）研究前2周内没有服用过影响肾脏血流和氧耗的药物，如血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素受体阻断剂、钙离子阻断剂、利尿剂、血管扩张剂等。除外合并影响氧合水平的呼吸系统疾病（如慢性阻塞性肺部疾病、支气管扩张、哮喘等）、心血管系统疾病（如急慢性心功能不全）、血液系统疾病（如再生障碍性贫血、营养性贫血、真性红细胞增多症等）者。所有纳入研究的患者均签署知情同意书。

1.2 主要设备图像采集 应用GE公司Discovery 750 3.0 T磁共振扫描仪和8通道Torsopa体部专用相控阵线圈。最大场强梯度为50 mT/m，最大梯度场切换率为200 mT/（m·s）。图像分析和后处理应用GE公司AW4.5工作站，功能重建选择Functool和R2*map后处理软件。

1.3 方法

1.3.1 人体测量指标检测 收集研究对象的人口学指标和人体测量指标，包括年龄、性别、身高、体质量、体质指数（BMI）、体表面积（BSA）等。采用CKD-EPI方程估算eGFR[2]。

1.3.2 功能性磁共振检测 受试者扫描前6 h禁水，扫描时取仰卧位，反复训练屏气直至能憋气20 s以上。常规扫描行冠状T1抑脂加权像作为背景参考图像。序列为T1INPHASE+ FAT；FOV380×380 mm；层厚7.0；层距1.0；重复时间（TR）/回波时间（TE）180/2.1。BOLD扫描采用T2*SPGR序列，复制T1WI扫描基线。采集参数有：TR100 ms,TE2.4 ms、6.2 ms、10.0 ms、13.8 ms、17.6 ms、21.4 ms、25.2 ms、29.0 ms。回波数8.00，翻转角35，带宽19.23，FOV380×380 mm，层厚7.0，层距1.0，矩阵大小192×160，激励次数（NEX）1Hz，扫描范围包括双肾横径最大层面，层数8层。扫描时间25 s。在肾脏冠状面成像图像中选取包括肾门的肾脏长轴最大切面，在两侧肾脏皮髓质区内的上、中、下极各放置1个感兴趣区（ROI）测量表观自旋-自旋弛豫率(R2*)值。ROI的大小以减少噪声及部分容积效应的影响为准，尽量避开肉眼可见的血管。

1.4 统计学方法 采用SPSS 17.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差（±s）表示，数据的正态性检验采用Kolmogorov-Smirnov检验，2组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用多因素方差分析，组间多重比较采用LSD法。相关分析采用偏相关分析。以双侧P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 生理指标结果 全部90例对均完成肾脏BOLD-MRI。男56例，女34例，平均年龄（51.65± 15.92）岁，身高（1.68±0.06）m，体质量（67.40±11.80）kg，BMI（23.78±3.90）kg/m2，BSA（1.76±0.16）m2，eGFR（103.01±17.91）mL/（min·1.73 m2）。

2.2 BOLD-MRI扫描结果 正常肾脏磁共振解剖图可清晰显示肾皮质和髓质，R2*伪彩图中肾皮质显示为灰色，髓质部由外髓至内髓部显示为蓝色、绿色到红色，T2*伪彩图中肾皮质显示为深灰色，髓质部由外髓至内髓部显示为橙色、黄色和绿色，见图1。

2.3 皮髓质R2*值检测结果 右侧和左侧肾脏皮质R2*值均低于同侧肾脏髓质，女性和男性肾脏皮质R2*值均低于同性别肾脏髓质，见表1。肾髓质内上极、中极和下极区域内R2*值存在差异，下极低于中极和上极。多因素方差分析显示这种变异只来源于肾髓质区内的不同测量部位，而与对侧肾髓质区内的测量变异（两侧变异）和不同性别肾髓质区内的测量变异（性别变异）无关，同时也未发现上述3种变异之间存在交互作用，见表2。

Table 1 Difference of cortical and medullary R2* values by kidney and gender表1 左右侧肾脏和不同性别肾脏皮髓质区R2*值的差异 （Hz,±s）

Table 1 Difference of cortical and medullary R2* values by kidney and gender表1 左右侧肾脏和不同性别肾脏皮髓质区R2*值的差异 （Hz,±s）

＊＊P＜0.01

肾脏部位皮质区髓质区t男性肾脏（n=56）16.66±1.38 28.70±3.78 47.446＊＊右侧肾脏（n=90）16.66±1.28 28.36±3.72 45.854＊＊左侧肾脏（n=90）16.56±1.40 28.82±3.71 47.603＊＊女性肾脏（n=34）16.55±1.30 28.46±3.64 49.955＊＊

2.4 皮髓质R2*值与生理指标的相关性 偏相关分析发现研究对象的肾脏髓质R2*值与年龄呈正相关（r=0.284，P＜0.05），与eGFR呈负相关(r=-0.232,P＜0.05)。

3 讨论

BOLD-MRI是使用梯度回波序列通过不同的TE测量MRI信号，计算信号与TE比值斜率，该斜率决定表观自旋-自旋弛豫率R2*，R2*值降低表示脱氧血红蛋白含量降低，氧合血红蛋白含量增高。本研究采用改良后的T2*SPGR序列，达到了较好的成像效果，且采用T1INPHASE+FAT作为参考背景图，使皮髓质分界显示清晰，以便更好地测量数据。

Table 2 R2*values in different renal region and source of variation表2 肾脏不同部位R2*值和变异来源 （Hz,±s）

Table 2 R2*values in different renal region and source of variation表2 肾脏不同部位R2*值和变异来源 （Hz,±s）

＊＊P＜0.01，a与下极比较P＜0.05

测量部位和变异来源肾脏部位上极中极下极方差变异来源F值两侧变异性别变异部位变异两侧变异*性别变异性别变异*部位变异部位变异*两侧变异两侧变异*性别变异*部位变异皮质区 髓质区16.62±1.35 16.63±1.30 16.57±1.38 29.16±4.21a29.32±3.47a27.29±3.05 0.444 0.827 0.060 2.650 1.245 1.357 0.026 1.930 0.510 15.184＊＊0.028 0.039 0.868 0.479

本研究发现肾脏皮质R2*值明显低于髓质，提示肾皮质内氧含量高于髓质。这一特点与肾脏特殊的解剖生理构造相关：（1）肾脏皮质区本身新陈代谢所需消耗的氧并不多，但流经肾皮质区血液是富含氧的动脉血，所提供的氧分远远多于其正常生理消耗量。相比之下，流经肾髓质的血液较皮质少，保证了髓质内渗透梯度较高，从而有利于尿液的浓缩[3]。（2）髓质升支粗段是重吸收钠维持髓质梯度的重要部位，重吸收过程需要大量的氧耗，这使得髓质区域内相对缺氧[4]。（3）提供肾髓质内血流的降支和升支直小血管在解剖上是并行的，但其内血流是反向的。由皮质流入髓质的降支小血管血液中的氧弥散进入髓质后，会再次弥散进入升支小血管中，并随升支小血管流回皮质区[5]。这些解剖和生理结构上的特点反映在BOLD-MRI上就是皮质的R2*值明显低于髓质。本研究还发现肾髓质区域内相对于肾上极和肾中极区域的R2*值高于肾下极，提示肾髓质内肾下极氧含量相对更高，笔者推测这可能与一部分研究对象肾下极存在副肾动脉供应有关。一部分副肾动脉由腹主动脉单独分出，并且大多数直接为肾下极供血，这样的副肾动脉可以在20%～30%的健康人群中出现。本研究显示肾皮质不同部位R2*值无明显差异，推测这可能与皮质内特有动静脉分流机制有关。肾皮质内血流增加时分流量也随之增加，肾皮质内氧分压维持在相对稳定的水平[6]。

本研究还发现髓质R2*值与研究对象年龄呈正相关，与eGFR负相关，推测可能有肾内血流和内分泌等生理机制参与其中。肾实质内功能性肾小球数量随着年龄的增长而减少[7-8]，另外，随着年龄的增长，肾小动脉的内皮功能的变化会引起血管阻力增大[9]。功能性肾小球数量的减少和血管阻力增大均导致肾血流量减少，肾实质内缺氧程度加重。老年人群前列腺素E2（PGE2）水平不足年轻人群的1/2[10]，PGE2已证实可抑制肾脏细胞内Na-K-ATP酶活性从而减少肾内氧耗[11]。因此，肾实质内PGE2水平下降造成肾内缺氧程度也加重。

总之，BOLD-MRI作为一种新型无创技术可以评价肾实质内氧含量的变化，并可动态观察肾功能变化。

Figure 1 Anatomic and BOLD MRI map of normal healthy kidneys.图1 正常健康肾脏解剖参考图和BOLD-MRI图像

[1]Pedersen M,Dissing TH,Mørkenborg J,et al.Validation of quantitative BOLD MRI measurements in kidney:application to unilateral ureteral obstruction[J].Kidney Int,2005,67(6):2305-2312.

[2]Levey AS,Stevens LA,Schmid CH,et al.A new equation to estimate glomerular filtration rate[J].Ann Intern Med,2009,150(9): 604-612.

[3]Haase VH.Mechanisms of hypoxia response in renal tissue[J].J Am Soc Nephrol,2013,24(4):537-541.

[4]Koeners MP,Ow CP,Russell DM,et al.Telemetry-based oxygen sensor for continuous monitoring of kidney oxygenation in conscious rats[J].Am J Physiol Renal Physiol,2013,304(12):F1471-F1480.

[5]Chen J,Edwards A,Layton AT.A mathematical model of O2 transport in the rat outer medulla.II.Impact of outer medullary architecture[J].Am J Physiol Renal Physiol,2009,297(2):F537-F548.

[6]Leong CL,Anderson WP,O'Connor PM,et al.Evidence that renal arterial-venous oxygen shunting contributes to dynamic regulation of renal oxygenation[J].Am J Physiol Renal Physiol,2007,292(6): F1726-1733.

[7]Rule AD,Amer H,Cornell LD,et al.The association between age and nephrosclerosis on renal biopsy among healthy adults[J].Ann Intern Med,2010,152(9):561-567.

[8]Tan JC,Busque S,Workeneh B,et al.Effects of aging on glomerular function and number in living kidney donors[J].Kidney Int,2010, 78(7):686-692.

[9]Herrera MD,Mingorance C,Rodriguez-Rodriguez R,et al.Endothelial dysfunction and aging:an update[J].Ageing Res Rev,2010,9 (2):142-152.

[10]Prasad PV,Epstein FH.Changes in renal medullary pO2 during water diuresis as evaluated by blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging:effects of aging and cyclooxygenase inhibition[J].Kidney Int,1999,55(1):294-298.

[11]Herman MB,Rajkhowa T,Cutuli F,et al.Regulation of renal proximal tubule Na-K-ATPase by prostaglandins[J].Am J Physiol Renal Physiol,2010,298(5):F1222-F1234.

（2013-10-12收稿 2013-12-19修回）

（本文编辑 李国琪）

Blood Oxygen Level Dependent MRI of Normal Kidney and Its Correlation with Physiological Indexes

SHI Huilan,ZHENG Zhenfeng,MA Hui,LI Fengtan,ZHANG Jing,ZHANG Yunting
Department of Radiology,General Hospital of Tianjin Medical University,Tianjin 300052,China

ObjectiveTo explore the characteristics of blood oxygen level dependent(BOLD)magnetic resonance imaging(MRI)in healthy native kidneys.To investigate the relationship between BOLD-MRI and common physiological indexes.MethodsGE 3.0T MRI scanner and Torsopa phased-array coil were employed to acquire renal coronal T1WI and BOLD image.Ninety patients who were ruled out chronic kidney diseases underwent BOLD-MRI with T2*-spoiled gradient recalled echo(T2*SPGR)sequence.BOLD images were analyzed on R2*map software.Cortical and medullary R2*values were analyzed in bilateral kidneys and in different gender.Different regional R2*values in cortex and medulla were also analyzed.Physiological indices including age,body height and weight,body mass index(BMI),body surface area(BSA),estimated glomerular filtration rate(eGFR)were recorded.Correlation between R2*value and physiological indices were analyzed.ResultsBilateral renal cortical R2*values[left(16.56±1.40)Hz and right(16.66±1.28)Hz,respectively]were less than values in medulla[left(28.82±3.71)Hz and right(28.36±3.72)Hz,respectively].Female and male cortical R2*values[female (16.55±1.30Hz)and male(16.66±1.38)Hz,respectively]were also less than corresponding values in medulla[female(28.46± 3.64)Hz and male(28.70±3.78)Hz,respectively].In bilateral renal medullary region,R2*values in low pole(27.29±3.05) Hz was less than values in middle(29.32±3.47)Hz and upper pole(29.16±4.21)Hz(F=15.184,P＜0.001).Age was positively correlated with R2*values in medulla(r=0.284,P=0.002).However,eGFR was negatively correlated with medullary R2*value(r=-0.232,P=0.007).ConclusionR2*values reflected the levels of renal partial pressure of oxygen and assessed the degree of renal ischemia.BOLD MRI could offer a simple,convenient and noninvasive method for to evaluate renal oxygen metabolism in cortex and medulla.

kidney cortex;kidney medulla;magnetic resonance imaging;glomerular filtration rate;blood oxygen level dependent magnetic resonance imaging;R2*value

R445.2

A

10.3969/j.issn.0253-9896.2014.06.031

天津医科大学总医院放射科（邮编300052）

△通讯作者 E-mail:zhengzhenfeng@vip.126.com