磁共振体素内不相干运动成像和扩散峰度成像在正常肾脏成像中的初步研究

曲丽洁， 周建军， 丁玉芹， 傅彩霞， 曾蒙苏



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磁共振体素内不相干运动成像和扩散峰度成像在正常肾脏成像中的初步研究

曲丽洁， 周建军， 丁玉芹， 傅彩霞， 曾蒙苏

目的：探讨正常人肾脏磁共振体素内不相干运动成像(IVIM)和扩散峰度成像(DKI)的定量参数指标特点。方法：对27名健康志愿者行肾脏IVIM和DKI检查，通过后处理分析，获得双肾皮髓质IVIM相关参数ADC、Dfast、Dslow、fp以及DKI相关参数MD、MK的测量值。分析同一测量者前后2次测得数据的一致性，比较正常肾脏左右侧以及同侧肾脏不同部位IVIM、DKI各参数间的差异，比较正常肾脏皮质、髓质各参数均值间的差异。结果：IVIM序列的ADC值、Dslow值、fp值和DKI序列的MD值、MK值前后两次测量总体一致性较好，Dfast值一致性一般；IVIM、DKI各参数测量值在双侧肾脏间均没有统计学差异(P值为0.058～0.954)，同侧肾脏皮髓质不同部位各参数测量值间亦均没有统计学差异(P值为0.171～0.995)；正常肾脏皮质ADC值、Dslow值高于髓质(t=7.072，P<0.05；t=10.057，P<0.05)，皮髓质Dfast值、fp值差异不具有统计学意义(P>0.05)；正常肾脏皮质MD值高于髓质(t=10.268，P<0.05)，髓质MK值高于肾皮质(t=-10.228，P<0.05)。结论：正常肾脏IVIM和DKI成像能显示皮髓质间差异，反映肾脏生理功能，提示在评估肾脏疾病具有潜在应用价值，整体检查结果具有一定稳定性。

磁共振成像; 肾； 对比研究

随着磁共振功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的发展，基于体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)的扩散加权成像作为一种更为准确反映组织内水分子扩散运动的方法，在肾脏领域的应用逐渐成为热点。已有的研究报道包括肾肿瘤的鉴别[1-3]、不同原因引起的肾功能损伤评估[4-7]等。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)由Jensen教授于2005年提出[8]。峰度参数能反映水分子扩散非高斯位移偏离理想高斯分布的程度，从而更好地显示组织微观结构。肾脏髓质内小管排列和液体流动具有明显方向性，水分子扩散的非高斯分布特征明显，故DKI成像可提供与肾脏组织结

表1 MR检查各扫描序列相关参数

构和病理生理学相关的生物学信息，而目前国内外关于肾脏DKI的研究报道较少，尚处于探索阶段[9-10]。IVIM和DKI在正常肾脏的成像表现可以为进一步开展肾脏疾病研究提供参考。因此，本研究应用1.5T 磁共振对正常双肾行IVIM-DWI和DKI检查，探讨正常肾脏皮髓质IVIM和DKI成像的部分功能参数特征。

材料与方法

1.研究对象

2015年7月-2016年2月采用IVIM-DWI和DKI序列行磁共振肾脏成像的健康志愿者计27例，男11例，女16例，年龄24～60岁，平均年龄35岁。所有志愿者均无肾脏相关疾病史和原发性高血压、痛风、糖尿病、系统性红斑狼疮等可能影响肾脏功能的病史，近期未服用影响肾功能药物；双肾MR检查无阳性发现。所有志愿者检查前均签署知情同意书。

2.MR检查方法

采用西门子1.5T磁共振扫描仪(Magnetom Aera，Simens Healthcare，Erlangen，Germany)进行检查。检查前受试对象禁食禁水4 h，使用18通道腹部相控阵表面线圈(A 1.5T Tim Coil Body 18)，扫描野覆盖双侧肾脏、肾上腺及部分肝脏，嘱咐患者检查时平静均匀呼吸。扫描序列包括：冠状面T2WI、轴面T2WI抑脂序列、冠状面及轴面T1WI抑脂序列、IVIM序列、DKI序列。IVIM-DWI成像采用自由呼吸下单次激发平面回波成像(single shot-echo planar imaging，SS-EPI)序列，b值取0、25、50、80、150、300、500、800 s/mm2[3,11,12]，扩散敏感梯度场施加在3个正交方向上，以肾门水平为中心行冠状面扫描。DKI成像采用自由呼吸下单次激发平面回波(SS-EPI)序列，b值取0、500、1000、1500、2000、2500 s/mm2，扩散模式使用3D对角模式(3D diagonal)，以肾门水平为中心行冠状面扫描。各序列具体扫描参数见表1。

3.图像处理及数据测量

IVIM序列的ADC图在扫描后自动生成；经过手动调用西门子Aera MR工作站的IVIM后处理软件运算获得扩散相关系数Dslow图，微循环灌注相关系数Dfast图和灌注分数fp图。将DKI图像经西门子公司后处理软件(Siemens MR Body Diffusion Toolbox V1.2.0)处理，生成平均扩散系数MD图和平均峰度MK图。

所有图像数据测量均在Siemens 1.5T Aera MR工作站上进行。在IVIM-ADC图、Dfast图、Dslow图、fp图以及DKI-MD图、MK图上选择近肾门水平作为测量层面，以同层面冠状面T2WI、冠状面抑脂T1WI序列图像作为肾脏皮髓质分布参考，在各个参数图像上双肾上极、中极、下极的皮质、髓质区域手动划取感兴趣区(region of interest，ROI)，尽量避开伪影和肾窦的影响。皮质和髓质的ROI均为依照轮廓勾画的不规则区域，皮质ROI大小为18～30 px，髓质ROI大小为10～15 px，为了保证不同图像的双肾ROI放置在同一位置，采取复制、粘贴的方法(图1)。每个参数图都得到左右侧、皮髓质、上中下极12组数据，所有参数由同一名放射科医师测量，间隔1周后以同种方法测量第2次。

4.统计学分析

结 果

1.IVIM和DKI序列图像表现

正常肾脏IVIM序列的ADC图、fp图和DKI序列的MD图、MK图质量较好，伪影较少，肾脏轮廓显示清楚，ADC图、fp图和MD图可以大致分清皮质和髓质；Dslow图和MK图肾脏轮廓显示清楚，但皮髓质分界欠清；Dfast图信噪比低，肾脏轮廓及皮髓分界均显示欠佳(图1)。

图1 a～e为双肾皮髓质IVIM和DKI各参数值的测定方法和图像表现。a) 常规T2WI，该序列显示肾脏皮髓质清楚，可作为其他序列皮髓质区分的参考，在该图双肾上中下极的皮髓质分别放置ROI并复制到其他图像，以保持一致性; b) ADC图可大致分清肾脏皮质和髓质; c) Dslow图肾脏皮质和髓质显示欠清； d) Dfast图信噪比较低，肾脏轮廓及皮髓分界均显示欠佳; e) fp图可大致分清肾脏皮质和髓质； f) DKI成像的MD图，图质量较好，伪影较少，肾脏轮廓显示清楚；g) DKI成像的MK图像质量较好，伪影较少，但肾脏皮髓质分界显示欠清。

2.IVIM和DKI参数测量稳定性分析

对IVIM和DKI序列每个参数图的左右侧、皮髓质、上中下极12组数据前后两次测量值进行组内相关系数分析，评价各参数测量的稳定性(表2)。IVIM序列的ADC值、Dslow值、fp值和DKI序列的MD值、MK值前后两次测量总体一致性较好(ICC中位值分别为0.751、0.671、0.710、0.670、0.675)，提示测量稳定性较好；Dfast值前后两次测量总体一致性一般(ICC中位值为0.598)，提示测量稳定性一般。

表2 IVIM和DKI各参数前后两次测量组内相关系数(ICC)

3.正常肾脏左右侧以及同侧不同部位IVIM、DKI各参数间差异分析

IVIM和DKI各参数在双侧上中下极的测量值间均没有统计学差异，P值为0.058～0.954(表3)。IVIM、DKI各参数在同侧上中下极的测量值间亦均没有统计学差异，P值为0.171～0.995(表4)。

表3 IVIM、DKI各参数在双侧肾脏皮髓质上中下极的测量值分析

表4 IVIM、DKI各参数在同侧肾脏皮髓质上中下极的测量值分析

4.正常肾脏皮质、髓质IVIM、DKI各参数均值及比较结果

由于正常肾脏左右侧以及同侧不同部位IVIM和DKI各参数间不存在统计学差异，故将IVIM和DKI各参数测量值分别取平均值作为双肾整体的代表。正常肾脏皮质、髓质IVIM和DKI各参数均值及比较结果见表5。正常肾脏皮髓质间的ADC值、Dslow值差异具有统计学意义(P<0.05)，且皮质高于髓质；肾髓质的Dfast值、fp值略高于肾皮质，但差异不具有统计学意义。正常肾脏皮髓质间的MD值、MK值具有统计学差异(P<0.05)，肾皮质的MD值高于肾髓质，肾皮质的MK值低于肾髓质。

讨 论

fMRI不仅可以反映肾脏形态学特征，而且无需外源对比剂就能提供扩散、灌注、血氧供应等分肾功能信息。既往肾脏fMRI研究主要集中在血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)成像[13]和扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)[14]。近年，IVIM-DWI和DKI成为腹部磁共振成像的研究热门，并在肾脏成像中有所应用。IVIM成像可量化分离DWI图像中扩散和灌注两种运动成分，从分子水平为研究活体病变提供了一种检测手段，具有十分重要的临床价值。1999年，Yamada[15]首次报道了正常肾实质IVIM成像的ADC值、Dslow值和fp值，ADC值显著高于真性扩散系数Dslow值，提示常规DWI成像ADC值高估了肾脏水分子的真实扩散状况。Bane等[16]的研究表明肾脏皮质和髓质的ADC值、Dfast值、fp值存在差异，认为将皮髓质IVIM参数分开测量有利于更加准确了解肾脏不同部位的生理学特点及病理改变。本研究正常肾脏IVIM检查所得各参数图像基本可以区分皮质与髓质，并分别测量了皮髓质的ADC值、Dfast值、Dslow值和fp值。统计结果表明双侧肾脏、同侧肾脏不同部位的IVIM参数无差异，肾脏皮髓质Dfast、Dslow和fp值与Filli等[11]研究结果大致相仿，而ADC值、Dfast值、Dslow值则低于Sigmund等[17]的研究。正常肾脏皮髓质IVIM各参数对比结果表明，皮质ADC值、Dslow值均高于髓质且具有统计学意义，皮髓质fp值无明显差异，与Sigmund的报道相符；原因可能是肾髓质主要由呈放射状规律排列的小管构成，水分子的扩散运动受限，且肾皮质毛细血管微循环灌注高于肾髓质，因此皮质的ADC值、Dslow值高于肾髓质。本研究中虽然皮髓质Dfast值没有统计学差异，但髓质Dfast值略高于皮质，与髓质肾小管袢内液体高流量和水分子转运活跃的生理学特点相符。多数相关文献[12，16，17]的IVIM灌注参数(Dfast值、fp值)差异较大，推测主要与其测量的稳定性不高有关。本研究中同一测量者前后两次测得的IVIM各参数ICC值表明ADC值、Dslow值、fp值测量稳定性好，Dfast测量稳定性一般，与Sigmund[17]的结果相仿。低b值(b≤100s/mm2)的灌注相关参数图像信噪比偏低，会导致测量数值有较大标准差且组间测量一致性欠佳。有文献[2，16]研究表明Dfast×fp这一参数较单一Dfast值、fp值有更高的测量准确性，可替代增强检查作为造影剂慎用患者肾脏灌注水平的评价指标。Koh等[12]提出IVIM参数值大小及其准确性与b值数目及分布、参数拟合的数学模型、图像数据分析的应用软件有关，但磁场强度的影响在该文献中并未提及。b值数量增多会延长检查时间，兼顾临床应用的可行性，IVIM检查取6～8个b值即能满足要求，但为保证准确计算灌注参数，低b值(≤200s/mm2)至少需要设置4个[12]。

表5 正常肾脏皮髓质各IVIM、DKI参数均值及比较结果

注：*差异有统计学意义。

研究正常肾脏IVIM参数指标的变化特点，有助于为研究临床病变提供基础材料。Rheinheimer[7]研究发现移植肾功能不全患者肾皮质IVIM参数值均低于健康对照组，而移植肾功能正常者肾皮质ADC值、Dslow值也低于对照组，提示移植肾存在缺血再灌注损伤及肾单位纤维化。慢性肾病IVIM成像研究显示[18]患者肾皮质ADC值、Dfast值、Dslow值以及肾髓质Dfast值、Dslow值均低于正常值，且随肾功能下降而数值减低；皮髓质fp值与肌酐清除率存在相关性[19]。Rheinheimer等[2]对肾肿瘤行IVIM检查发现肾透明细胞癌ADC值和Dslow值明显低于正常肾皮质，fp值明显升高，证明fp值具有评价肿瘤血管生成情况的潜在价值，该研究还发现病灶Dslow值、fp值与肾透明细胞癌的肿瘤分级存在正相关性。尽管肾脏IVIM灌注参数具有很大的临床价值，但其局限性在于无法进一步区分微循环的血流量与小管液水流量各自的变化情况[12，16，17]，综合多种功能成像方法(如动脉自旋标记成像)或有助于两者区分[20]。

组织微观结构的复杂(细胞异型性和血管丰富程度)会导致局部水分子扩散不符合高斯分布，在使用更高b值(1000～2000s/mm2)成像时，IVIM模型无法反映真实水分子扩散情况。为了评估水分子运动偏离高斯分布的程度，出现了扩散峰度成像模型[8]，公式为S=S0×exp(-b×D+b2×D2×K/6)。其中K值可量化偏离高斯分布的程度，K值越大代表组织微观构成越复杂，非高斯分布水分子扩散运动受限越明显；D值则是指矫正过的ADC值，代表单纯水分子扩散。由于DKI扫描时间较短，能提供比常规DWI更精确的组织扩散信息，因此在腹盆器官成像中有较大的潜在应用价值。其中，有关肝脏和前列腺疾病研究较多，然而对肾脏DKI成像进行报道的文献少见[9，10]。本研究应用1.5T MR行正常肾脏DKI检查，结果表明双侧肾脏、同侧肾脏不同部位的DKI参数无差异，肾皮髓质的MD值分别为(2.68±0.17)×10-3和(2.31±0.22)×10-3mm2/s，皮质明显高于髓质；肾皮髓质的MK值分别为0.58±0.04、0.62±0.05，髓质明显高于皮质。肾髓质结构复杂，其内肾小管和集合管排列具有明显方向性，水分子扩散受管壁等多种因素限制，因此肾髓质水分子运动偏离高斯分布更明显，使得肾髓质MK值大于皮质。Huang等[9]报道皮髓质MD值分别为3.88×10-3和2.88×10-3mm2/s，皮髓质MK值分别为0.375、0.560，本研究髓质的测量数值与该报道大致相仿。Pentang等[10]研究显示肾脏皮质MD值范围在2.91×10-3～3.60×10-3mm2/s，髓质为2.66×10-3～3.80×10-3mm2/s，皮质MK值范围为0.91～0.94，髓质为0.74～0.86，各参数值高于本研究。分析各研究间肾脏皮髓质DKI参数值差异，可能主要在于 b值选取不同。如果最大b值选取不够高，DKI成像中有较大的IVIM成分，与非高斯运动曲线拟合不良，无法真正反映组织非高斯运动特征[21,22]。研究表明[23,24]当体部DKI成像的最大b值选取范围在1500～2000s/mm2时，既能满足图像质量又能很好地拟合高b值下非高斯运动曲线。Pentang[10]研究最高b值为600s/mm2，Huang[9]的研究的最高b值为1000s/mm2，而本研究高b值有1000、1500、2000、2500s/mm2，涵盖推荐范围，故本研究所得测量值可能较前两篇文献更能真实反映正常肾脏的水分子非高斯运动特征。本研究DKI成像MD值、MK值的ICC中位值分别为0.670、0.675，一致性在较好范围，但略低于Huang[9]的研究。本研究采用自由呼吸检查方式，运动伪影的存在可能是ICC偏低的原因。正常肾脏DKI成像能显示肾脏皮髓质间的差异、反映组织微结构特征，预示其在评估移植肾功能、慢性肾病及肾肿瘤化疗后肾功能评估等方面具有潜在应用价值，值得深入研究。

本研究纳入正常志愿者的样本量不大，故未就性别和年龄作相关性分析，有待后续研究征集更多志愿者，做进一步分析。目前，IVIM和DKI成像中自由呼吸、屏气扫描、呼吸门控等扫描方式均有涉及，不同方式对各参数值的稳定性和可重复性会有影响；扫描参数设置方面，不同b值(诸如数量、间隔、最大值等)选择对参数值也有较大影响，在将来研究中有待深入比较并逐步形成统一的优化扫描方案。

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A pilot study of IVIM and DKI on normal kidney MR

QU Li-jie,ZHOU Jian-jun,DING Yu-qin,et al.

Shanghai Institute of Medical Imaging,Department of Radiology,Zhongshan Hospital,Fudan University,Shanghai 200032,China

Objective:To evaluate the characteristic parameters of intravoxel incoherent motion (IVIM) and diffusion kurtosis imaging (DKI) on normal kidney MRI.Methods:27 healthy volunteers underwent IVIM and DKI MRI of kidneys using 1.5T scanner.Maps of apparent diffusion coefficient (ADC),pseudodiffusion coefficient (Dfast),pure diffusion coefficient (Dslow),perfusion fraction (fp),mean diffusion (MD),mean kurtosis (MK) were produced by image post processing.The IVIM and DKI parameters of renal cortex and medulla were measured.Intraclass correlation coefficient (ICC) test is adopted to check the consistency.The differences of upper,middle and lower poles were compared with analysis of variance (ANOVA).The differences between left and right kidneys,between the cortex and medulla were compared with matched-pairst-test.Results:Among the values of the same measurer at different time,ADC,Dslow,fp,MD and MK showed better measuring consistency in IVIM sequence,while Dfastshowed moderate measuring consistency.There were no statistically significant differences of all parameters between IVIM and DKI for measuing kidneys.ADC、Dslowvalues obtained in the cortex were significantly higher than those in the medulla (t=7.072,P<0.05;t=10.057,P<0.05).There were no significant differences between the values of cortex and medulla in Dfastand fp(P>0.05).In DKI parametes,MD value of the medulla was lower than that of the cortex (t=10.268,P<0.05),whereas MK value of the medulla were higher than that of the cortex (t=-10.228,P<0.05).Conclusion:Some functional parameters of IVIM and DKI can reveal the difference between the cortex and medulla of the kidney,which can reflect the kidney function and provide potential value in the assessment of kidney disease.The measuring results of IVIM and DKI show good consistency.

Magnetic resonance imaging; Kidney; Comp study

R322.61; R445.2

A

1000-0313(2016)10-0908-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.10.002

2016-04-04

2016-06-17)