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动脉自旋标记MRI技术在肾脏疾病中的研究进展

2015-03-21陈丽华

国际医学放射学杂志 2015年3期

任 涛 陈丽华 沈 文

动脉自旋标记MRI技术在肾脏疾病中的研究进展

任 涛 陈丽华 沈 文*

动脉自旋标记(ASL)MRI是将动脉血质子作为内源性示踪剂,无创性地观测血流灌注情况的MR检查技术,可以提供相应血流动力学信息,为临床治疗和科研提供一种新方法。目前肾脏ASL MRI的临床研究不断增多,主要见于肾动脉狭窄、急性肾损伤、肾脏实质性肿块以及移植肾等的研究。就肾脏ASL MRI的基本原理及其在肾脏疾病诊断中的研究进展予以综述。

肾脏;动脉自旋标记;磁共振成像;原理;功能成像

Int J Med Radiol,2015,38(3):237-241

肾脏是维持机体内环境稳态的最重要器官之一,机体代谢终产物和多余的水分均经其排泄,对维持机体水、电解质动态平衡十分重要。肾脏疾病可以造成肾功能不同程度的损害,通过监测肾功能的变化可以评价疾病程度,指导临床治疗及判断预后。目前临床常用的无创性监测和评价肾功能的检查方法很多,包括生化学检查如血清肌酐(serum creatinine,SCr)的测定、超声、核素显像、CT、静脉尿路造影以及常规MRI等,但均存在一定的不足[1]。肾脏血流灌注丰富,肾脏疾病多有血供的改变,而动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)MRI可以反映组织的血流灌注情况,从而了解组织的血供情况,获得其他检查无法提供的信息。ASL MRI是将动脉血中的自由水质子作为内源性示踪剂,能够快速、安全、无创、定量测量感兴趣器官的灌注水平[2-3],已广泛应用于颅脑血管灌注成像[4-6]。随着MR技术的发展,ASL MRI在肾脏疾病诊断中的应用也逐渐增多,本文对其基本原理及在肾脏疾病诊断中的应用进行综述。

1 ASL MRI的基本原理与成像序列

1.1 原理 ASL是一种无创性的灌注测量技术,它利用动脉血中的自由水质子作为内源性示踪剂,在兴趣区上游通过射频脉冲 (pulsed radiofrequency,RF)标记动脉血中水质子,经过一个从标记区到兴趣区的反转时间(inversion time,TI)后,标记水与组织水进行交换,引起组织T1值或磁化率的变化,采集得到标记影像;然后采集对照影像,将对照影像与标记影像相减获得灌注影像,影像的信号强度与灌注强度成正比[7-8]。

1.2 ASL MRI成像序列 流入的动脉血可以被连续或间断标记,根据质子标记方法的不同,ASL分为3类[7]:①连续动脉自旋标记(continuous arterial spin labeling,CASL);②脉冲动脉自旋标记(pulsed arterial spin labeling,PASL);③假连续动脉自旋标记(pseudo-continuous arterial spin labeling,pCASL)。CASL采用持续的梯度反转标记血流,标记更为充分,但对硬件的要求较高 (如磁场梯度及线圈技术),较难在临床设备上实现,目前多用于脑功能分析;而肾脏灌注成像多采用PASL中的血流敏感交替反转恢复 (flow-sensitive alternating inversion recovery,FAIR)序列联合其他数据采集技术[9-12]。

2 肾脏ASL MR成像序列

FAIR标记的方法是利用选层的反转恢复脉冲对成像层面进行射频激发,即同层标记、同层扫描,使其产生与扫描层面内的质子不同的相位,起到标记动脉血的效果。在采集标记影像时应用非选择性反转恢复脉冲和层面选择梯度,而在采集对照影像时采用选择性反转恢复脉冲。经过合理的TI,反转血流被未反转的新鲜血流完全代替而流出成像层面,此时采集标记影像,再与未标记的影像相减即得到动脉血流入扫描层面的灌注信息,经过影像后处理可获得仅有血流灌注信息的功能影像,从而起到内源性示踪剂的作用[13]。

FAIR序列联合较多的数据采集技术是真实稳态进动快速成像 (true fast image with steady-state precession,true FISP)序列(Siemens公司)[10,14-18],GE公司称之为FIESTA(fast imaging employing steadystate acquisition)序列[9],其所有的梯度是均匀、平衡的,灌注信号来源于血管内处于稳态的低速血流。在RF激励时施加频率编码梯度场和层面选择梯度场可引起流速补偿,不会改变沿频率编码和层面选择方向以恒定速率自旋的质子相位,主要聚焦在横向磁化上,所以信号清晰且饱和效应小。此外,该序列回波时间短,减少了信号的丢失,获得的影像信噪比(signal to noise ratio,SNR)高,磁敏感伪影小,并且对局部磁场不均匀性较不敏感,相位方向上的空间分辨力高。与平面回波 (echo planar imaging,EPI)-FAIR序列[19]相比,FAIR true FISP序列具有更高的空间分辨力及较小的影像畸变。Kiefer等[10]报道FAIR true FISP序列的灌注影像显示肾皮质的灌注水平高,而显示髓质的灌注水平低,且对肾脏灌注水平的评估具有稳定作用。有研究[20]显示,应用交替射频脉冲的信号标记技术(signal targeting with alternating radiofrequency,STAR)联合快速小角度激发(fast low angle shot,FLASH)序列(激发角度α=4°)采集信号,可以减少伪影。也有研究者[21-23]应用pCASL研究肾脏疾病,其原理是限制了RF的持续时间,使CASL接近于应用几个RF的ASL。

3 肾脏ASL MRI的应用

3.1 正常肾脏ASL MRI的可行性 肾脏是富血供器官,静息状态下成人肾脏的血流灌注占心输出量的20%~25%,但肾实质不同部位的血供不均,其中约94%的血流供应肾皮质,剩余约6%的血流供应髓质。肾脏的这些生理特点决定着它的灌注特点,即皮质高灌注,而髓质灌注水平低于皮质。然而,各项研究测得的灌注水平有所不同,肾皮质肾血流量(renal blood flow,RBF)为197~427 mL/(min·100 g)[3,12,23-27],肾髓质RBF为85~126 mL/(min·100 g)[12,23-24,26]。这可能与研究中所使用的MR设备类型、ASL序列、参数设置、后处理技术以及是否在采集平面内包含大血管血液等流动质子密切相关[19,26]。

一项动物实验研究显示,ASL MRI测量的肾脏灌注水平与荧光微球体测量的灌注水平具有很好的相关性,表明无创性的ASL MRI技术可以反映肾脏的生理变化[13]。Artz等[24]通过对24名肾功能稳定的健康志愿者进行FAIR-ASL研究,结果表明,在不同检查日期或同一天的不同时间,皮质的血流灌注水平没有发生明显变化,表明皮质的生理情况没有发生变异,具有很好的可重复性。另外,有研究者[23]应用pCASL进行研究,表明髓质的灌注测量亦具有可重复性,但是其受到低SNR、低对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR)的影响,重复性不如皮质好。而Cutajar等[3]的研究表明,ASL在短期和长期内对于肾皮质及肾实质灌注水平测量均具有可重复性。Gillis等[25]的研究也证实ASL MRI可重复性测量肾脏灌注,意味着ASL能够可靠地纵向评估肾脏血流灌注水平,进而评估肾功能情况。

3.2 肾脏病变中的应用

3.2.1 肾动脉狭窄 (renal artery stenosis,RAS) 明确肾血管疾病的程度对于临床治疗方案的选择非常重要,尤其对于中度RAS的病人,临床干预是很有价值的。一系列有关RAS病人肾功能损害的研究均采用外源性对比剂,但是均存在一定的风险,包括过敏反应和放射性等[28-29]。RAS病变轻重程度不同,引起肾脏灌注降低的程度亦不同,因此能否无创地检测RAS的程度非常重要。有研究者[30]采用FAIR true FISP序列定量测定RAS病人及健康志愿者肾脏灌注参数,结果显示轻、中度RAS(管腔狭窄≤70%)的灌注水平没有发生明显变化,但重度RAS(管腔狭窄>70%)的灌注水平与无或轻、中度RAS病人的灌注水平间有显著差异,且灌注水平与狭窄程度呈显著负相关,FAIR序列所得数据与单光子发射体层成像 (single photon emission computed tomography,SPECT)所测灌注值呈高度正相关。Berr等[31]的研究表明,ASL测量血管的狭窄程度与常规血管造影测得的狭窄程度具有很好的相关性,ASL可用来筛查和随访肾动脉疾病。

3.2.2 急性肾损伤 (acute kidney injury,AKI) AKI是一组临床综合征,也称急性肾功能衰竭是以肾脏功能的急剧丧失和代谢终产物(如尿素氮、SCr)的聚集为特征,最终导致慢性肾脏疾病、终末期肾病,甚至死亡。其主要发病机制是RBF的减少。临床诊断AKI依据实验室检查指标,即SCr及尿素的沉积,但对于早期AKI,其敏感度和特异度均较低;另外,上述实验室检查指标不能反映出肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)的动态变化。而其他生物学标志物的研究能早期诊断AKI并反映GFR的动态变化,但它们的临床实用性有待进一步证实[32-34]。而Dong等[12]应用ASL序列量化分析AKI病人的RBF,研究表明FAIR-单次激发快速自旋回波(FAIR-single shot fast spin echo,FAIR-SSFSE)序列可以对健康志愿者和AKI病人进行可靠的量化分析,指出AKI肾脏皮髓质的RBF均明显降低 (P<0.01),且AKI病人肾脏皮髓质的RBF与SCr浓度无相关性,而健康志愿者肾皮质的RBF与SCr浓度呈明显正相关。近年有研究者[35]通过ASL动态监测肾灌注损伤大鼠的实验研究也表明,ASL能够评估AKI后肾脏灌注情况,且与肾脏体积损失、肾小管损伤程度等组织学变化相关;另外,肾脏皮、髓质及全肾RBF的降低具有潜在诊断AKI的价值。因此,ASL可作为一种无创性的生物学标记,有助于早期诊断AKI。

3.2.3 肾脏实质性肿块 血管的生成在肿瘤发展和恶性肿瘤的转移中起关键作用,肾脏血流的测量对肾脏肿瘤的治疗及预后极其重要。目前临床诊断肿瘤性质主要依靠增强CT或者增强MRI,但是碘对比剂的肾毒性以及钆对比剂的肾源性系统性纤维化(nephrogenic systemic fibrosis,NSF)的风险限制了其在肾功能损害病人中的应用[36-37]。Pedrosa等[38]对肾功能损害病人肾脏肿块血管评估的研究认为,富血供肾脏肿块的信号比乏血供肿块(比如出血性囊肿)的要高,在ASL MR影像上更容易辨别富血供的肾脏肿块血流;而当灌注水平低于噪声贡献水平的3个标准差时,乏血供肿块的血流不易被检测出来。该研究表明,肾功能受损病人用ASL MRI检测肾脏肿块血流是可行的,可以用来提示肿瘤。而ASL MRI对于乏血供肿块的诊断价值较低,是与其对低血流的检测敏感性低有关。另外,Lanzman等[21]对42例有肾实质肿块病人进行ASL MRI检查,分析检测肾脏灌注水平与病理结果的相关性,表明ASL MRI可在灌注水平上区分和诊断不同病理类型的肾脏肿块。肾嗜酸性细胞瘤的灌注水平比肾细胞癌(renal cell carcinoma,RCC)(乳头型 RCC、嫌色RCC、未分类型RCC)的高,而乳头型RCC的灌注水平低于其他亚型的RCC(透明RCC、嫌色RCC、未分类型RCC)和肾嗜酸性细胞瘤。相关动物实验[39]也证实,肾脏ASL MRI可提供有关RCC肿瘤活性的相关信息,采用ASL MRI分析治疗前后RBF的变化,有助于对疗效进行早期评估,并且可以预测远期的治疗效果。表明肾脏ASL MRI对RCC的诊断和疗效评估有重要的临床价值。

3.2.4 移植肾 肾移植是终末期肾病最有效的治疗方法,而术后早期并发症中急性排斥反应(acute rejection,AR)是影响移植肾存活的重要因素,AR的早期诊断和处理决定着肾移植的成败,而AR和急性肾小管坏死(acute tubular necrosis,ATN)是肾移植术后导致移植肾少尿或无尿的最常见原因,两者临床鉴别困难。虽然先前已有钆对比剂增强MRI研究证实了AR和ATN的灌注特点[40],但有引发NSF的风险,尤其对于肾功能不良的肾移植病人。另有研究应用血氧水平依赖(blood oxygen level dependent,BOLD)MRI研究AR时移植肾的血氧情况,但不能区分血氧变化是由于肾脏灌注引起还是由于组织氧耗引起[41-43];由于存在血供的影响,单纯的肾脏组织内表观自旋-自旋弛豫率(R2*)的测定有时不能完全代表氧的生物利用度情况。还有研究者[44-45]应用扩散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)、扩散张量成像(diffusion-tensor imaging,DTI)研究移植肾功能,但均不能定量测量移植肾灌注水平。因此,无创性地评估AR与ATN的灌注特点、鉴别不同程度移植肾功能对于肾移植术后病人非常重要,可为临床提供更多有价值的信息。

肾脏ASL MRI评估移植肾灌注情况最初由Lanzman等[17]提出,应用 FAIR-true FISP ASL MRI对6例术后4个月内移植肾功能稳定者、7例术后3周内肾功能良好者以及7例术后急性肾功能减退者的肾脏灌注情况进行定量评价。研究结果显示,3组皮质平均灌注值分别为 (304.8±34.4)mL/(min· 100 g)、(296.5±44.1)mL/(min·100 g)和 (181.9± 53.4)mL/(min·100 g),表明ASL有望成为平扫即可定量分析移植肾皮质灌注的技术。此后有研究者[26]对比评估自体肾和移植肾的灌注情况,提出估计肾小球滤过率 (estimated glomerular filtration rate,eGFR)≥60 mL/(min·1.73 m2)时,移植肾皮髓质的灌注水平均比自体肾明显减少(P<0.05),这可能是由于血流动力学改变或者是为了防止排斥反应而使用了钙调磷酸酶使血管收缩的效应。而当eGRF<60 mL/(min·1.73 m2)时,移植肾髓质的灌注水平比自体肾的低(P<0.05);并且移植肾与自体肾的皮质灌注水平均与eGRF呈正相关,而髓质的灌注水平均与eGFR无明显相关性。表明ASL能够检测移植肾的灌注水平,有望成为临床监测肾功能的新技术。Heusch等[15]也进行了类似研究,分析比较1.5 T和3.0 T MRI对于不同程度肾功能不全的移植肾灌注水平的影响,结果表明1.5 T和3.0 T检测的移植肾灌注水平间差异无统计学意义,轻、中度肾功能不全[慢性肾脏疾病1~3级,eGFR>30 mL/(min·1.73 m2)]的肾移植病人的皮质灌注水平比重度肾功能不全的肾移植病人[慢性肾脏疾病4~5级,eGFR≤30 mL/ (min·1.73 m2)]的皮质灌注水平高,并且与eGFR均有相关性。此外,该研究还表明,当eGRF<15 mL/(min·1.73 m2)和16 mL/(min·1.73 m2)<eGRF≤30 mL/(min·1.73 m2)时,移植肾皮质灌注水平均比eGRF>30 mL/(min·1.73 m2)时的低(P<0.05);而当eGRF<15 mL/(min·1.73 m2)和16 mL/(min·1.73 m2)<eGRF≤30 mL/(min·1.73 m2)时检测到的移植肾皮质灌注水平差异无统计学意义;同样地,当31 mL/(min·1.73 m2)<eGFR≤45 mL/(min·1.73 m2)、46 mL/(min·1.73 m2)<eGFR≤60 mL/(min·1.73 m2)或eGFR>60 mL/(min·1.73 m2)时,所检测到的移植肾皮质灌注水平差异亦无统计学意义。这为今后研究不同程度肾功能损害的移植肾灌注水平奠定了一定的基础。

3.2.5 肾脏其他方面的应用 肾脏ASL MRI应用在慢性肾脏疾病的研究表明,轻、中度肾功能不全病人的肾皮质及肾实质的灌注水平较肾功能良好的肾脏均减低,这对于临床动态监测其进展具有重要意义[11]。肾脏ASL MRI还可用于评估上尿路结石病人体外冲击波碎石术后的RBF[20]。

4 小结

目前ASL MRI的临床应用仍受到技术等方面的限制,如ASL影像的SNR相对较低,具有磁敏感伪影,会影响RBF值的准确性;后处理计算RBF值时反转时间值、T1值设定尚不统一,也会影响RBF值的准确性;测量数据需要手工绘制兴趣区,其放置位置和形状均会使RBF值发生偏差。此外,邻近肠管会引起质子去相位,再加上部分容积效应,也会引起RBF值的偏差。

肾移植术后AR与ATN的血流灌注水平不同,应用ASL可定量测量灌注水平的特点,理论上是可以鉴别这两种并发症的,而Heusch等[15]应用ASL对不同程度肾功能的移植肾灌注水平的研究中只有2例AR病人,不能进行相关统计学分析,因而无法得出诊断阈值。因此,研究尚待进一步深入。另外,对于肾移植术后肾功能良好的病人 [eGFR≥60 mL/(min·1.73 m2)],移植肾皮髓质的灌注水平均比自体肾明显减少[26],其具体原因是肾移植术后血流动力学的改变,还是为了防止排斥反应而使用了钙调磷酸酶从而导致血管收缩的效应,ASL可能有助于分析。

随着MR设备的不断发展,研究不断深入,目前ASL MRI作为唯一无创、定量评估肾脏灌注水平的方法,可以评估早期肾脏损害引起的血流灌注水平,预测潜在的可逆性肾脏损害及对肾脏损害治疗的反应,更敏感地监测肾功能,在肾脏疾病的研究与临床应用中具有广阔的前景。

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(收稿2014-09-22)

The research progress of ASL MRI in kidney diseases

REN Tao,CHEN Lihua,SHEN Wen.Department of Radiology,Tianjin Medical University First Central Hospital Institute,Tianjin 300192

Arterial spin labeling(ASL)MRI is capable of noninvasively measuring blood flow by tagging the protons in arterial blood.It can provide hemodynamic information,and has been applied in clinical treatment and research.The clinical studies of renal ASL MRI are continuously increasing,most of them focus on the renal artery stenosis,the acute kidney injury,solid renal masses and the transplanted renal.This review summarized the basic principle of kidney ASL MRI and the study progress in the diagnosis of kidney diseases.

Kidney;Arterial spin labeling;Magnetic resonance imaging;Principle;Functional imaging

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.03.Z0306

天津医科大学一中心临床学院放射科,天津 300192

沈文,E-mail:shenwen66happy@163.com

*审校者