动态增强MRI测量猪单侧肾功能不全模型肾小球滤过率

叶 露，李 琼，李 宏，董 峰，刘桂彬，王 亮，李峰坦，孙浩然*

Gd-DTPA是广泛使用的细胞外MR对比剂，无肾毒性，可自由通过肾小球滤过膜，并且不被肾小管重吸收与排泄，和SPECT 肾动态显像示踪剂99Tcm-DTPA 具有非常相似的药代动力学。近年来，国外学者成功利用肾脏Gd-DTPA多期动态增强MR检查描绘MR肾图(MR renography，MRR)测量肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)[1]。

以往绝大多数研究在1.5 T MR机上完成，而目前3.0 T MR机应用更加广泛，后者配合多通道体部相控阵线圈使成像速度较1.5 T快30%以上，图像信噪比提高50%，且可减少增强检查所需对比剂剂量[2]。再者，大多数MRR研究使用常规剂量Gd-DTPA，此时由于T2*效应，肾髓质和集合系统内信号强度与对比剂浓度不符合线性关系[3]。文献报道的研究对象绝大多数为健康志愿者和肾缺血患者或肾缺血动物模型，对于肾积水肾脏的MRR研究相对不足[4]，目前尚无肾积水MRR动物模型研究报道。

笔者通过外科手术建立猪单侧肾动脉狭窄和单侧肾积水模型，在3.0 T MR上使用0.04 mmol/kg Gd-DTPA (常规剂量0.1 mmol/kg的2/5)进行多期动态增强MR检查，利用Patlak曲线法计算猪单侧肾功能不全肾脏及正常肾脏GFR，并与99Tcm-DTPA动态核素肾图得到GFR结果相比较，分析其一致性。

1 材料与方法

1.1 动物模型的建立

本研究通过本院医学伦理委员会审查。采用10只由中国农业大学育种的体质量20～25 kg的雄性中华实验猪来建立动物模型。其中5只猪利用腰大肌悬吊法建立左侧上尿路不全梗阻模型，麻醉满意后测量体重，静脉滴注氯氨酮配合维库溴铵维持麻醉，心电监护，气管插管接呼吸机，取静脉血测量红细胞压积。取左侧肋缘下切口，游离左侧输尿管，将左侧输尿管与腰大肌外缘缝合，使其悬吊成角，见近端输尿管扩张则提示输尿管不全梗阻模型成功。另外5只猪通过肾动脉结扎法建立左侧肾动脉狭窄模型：手术准备过程同腰大肌悬吊法；取左侧肋缘下切口，游离左侧肾动脉、肾静脉，取一根直径1.5 mm铜丝将左侧肾动脉靠近主动脉侧用丝线环扎；观察到左肾实质颜色变白，然后将铜丝抽出，观察到左肾实质颜色逐渐恢复，则肾动脉狭窄模型建立完毕。

1.2 双肾小剂量Gd-DTPA 动态增强MR检查

建立静脉通道，在磁共振扫描间使用气囊人工辅助呼吸，静脉持续滴入氯氨酮、维库溴铵和生理盐水维持麻醉。全部检查在3.0 T (GE公司，HDx，密尔沃基，美国)机器上完成，使用体部相控阵线圈，定位扫描后，首先行常规序列扫描，然后进行MRU和相位对比法MRA。自猪耳静脉弹丸注射0.04 mmol/kg 的Gd-DTPA (马根维显，0.5 mol/L，拜耳先灵公司，德国)，流率3.0 ml/s，注毕用10 ml生理盐水冲管。分别于注药0、3、6、9、12、15、21、30、45 s使用3D 肝脏加速容积采集序列(liver acceleration volume acquisition,LAVA)行冠状面双肾区Gd-DTPA动态增强扫描。扫描参数TR 4.7 ms，TE 1.9 ms，TI 5.0 ms，反转角15°，矩阵256×256，FOV 30 cm×30 cm，带宽100 kHz，层厚4 mm，共16 层，每次采集时间3.0 s，图像采集时暂停辅助呼吸。

1.3 SPECT 动态核素肾图检查

每次MR扫描结束，立即使用GEMENI 700型SPECT机(GE公司，密尔沃基，美国)，行99Tcm-DTPA 动态核素肾图检查。经耳静脉弹丸注射5 mCi(370 MBq)的99Tcm-DTPA 和2 ml生理盐水洗液，在注药后90 s内每3 s采集1次，得到像素大小为4.3 mm×4.3 mm的腹盆部图像，而后每分钟采集直至注射后20 min；使用MPR型SPECT专用肾小球滤过率处理软件(RENAL-ACQ)，根据实验动物身长、体重等信息，由2名经验丰富的ECT诊断医师进行处理，获得双肾GFR。

1.4 描绘MRR

在ADW4.4工作站(GE公司，密尔沃基，美国)上描绘各组冠状面图像上肾皮质感兴趣区(region of interest,ROI)轮廓，排除肾髓质、集合系统及肾囊肿等与GFR无关的结构，描绘ROI后由2名有经验的放射科医师审核(图1A，B)；测量每层图像上肾皮质面积和平均信号强度；将每层肾皮质ROI面积乘以平均信号强度，再乘以其层厚，乘积加权求和即得到全肾皮质的体积和总信号强度；主动脉ROI位置选择为腹主动脉相当于肾上极水平(肾动脉上20 mm)，分别测得主动脉增强前、后信号强度；以时间为横坐标，肾皮质总信号强度净增加值为纵坐标，绘制肾皮质时间强度曲线即MRR；同样绘制主动脉时间信号强度曲线(time density curve，TDC)。

1.5 使用Patlak 曲线法计算GFR

Patlak公式如下[5]：

式中c2为对比剂血浆清除率，K(t)是时间t 时肾皮质ROI 平均信号强度，b(t)代表主动脉的信号强度，反映主动脉内对比剂浓度，与肾血管空间对比剂总量成正比，K(t1)、K(t2)、b(t1)和b(t2)的值经测量获得，b(t)可以从时间t=0到时间t=t1或时间t=t2的积分求得。

计算GFR时，先根据肾实质MRR，使用Patlak公式计算对比剂血浆清除率c2，再经过血细胞压积(hematocrit，HCT)校正后即得到GFR，表示为GFRMR，GFRMR=c2×(1-HCT)。

根据Patlak公式，需选取并测量3个时间点即t0、t1和t2时肾皮质的信号强度，开始注药时间为t0，主动脉强化峰值时间为t1，t2则选取肾图曲线趋于平稳的时刻。

1.6 统计学分析

分别以GFRMR和GFRSPECT代表通过MRR和99Tcm-DTPA肾动态核素肾图得到的GFR。应用SPSS 17.0统计分析软件，采用Pearson线性相关分析、Bland-Altman分析和组内相关系数评价GFRMR与GFRSPECT的一致性，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 健康肾和病肾动态增强MRI表现

静脉团注对比剂后，右侧健肾肾皮质约12～15 s开始出现强化，15～18 s肾皮质明显强化，皮髓质分界清楚，24～27 s肾髓质可见强化，30～33 s后逐渐与肾皮质强化程度接近(图2A)。5侧肾动脉狭窄模型均可见左肾体积减小，肾皮质萎缩(图2B)，5例积水肾可见肾盂扩张和肾皮质萎缩(图1B)。

图1 肾脏冠状面动态增强MR图像上描绘肾皮质ROI。1A：右侧健肾，图中红色曲线内范围代表肾皮质ROI；1B：左肾积水肾脏，肾盂、肾盏扩张，肾皮质变薄，图中红色曲线内范围代表肾皮质ROI 图2 左肾动脉狭窄模型猪动态增强MRI和MRA。2A：左肾体积较对侧健肾减小，肾皮质萎缩变薄，增强早期皮髓质分界清晰。2B：MR肾动脉成像显示左肾动脉近肾门处由手术结扎形成的局限狭窄Fig.1 The region of interest of renal cortex depicted by manually segmentation on coronal dynamic contrasted MR images.1A:A right healthy kidney,the red line drawing defined the cortex ROI.1B:A left hydronephrosis kidney,there was remarkable renal pelvis dilatation and renal cortex atrophy,the red line drawing defined the cortex ROI.Fig.2 Coronal dynamic contrasted MR images and MR angiogram of left renal artery stenosis (RAS) in swine model.2A:The size of left RAS kidney was shrunken,the thickness of cortex became thinner,and there was clear boundary between cortex and medulla in early enhancement.2B:Coronal maximum intensity projection of contrast-enhanced MR angiogram of left unilateral RAS,which indicating the local stricture created by surgical operation.

2.2 健康肾和病肾MRR表现

所有10侧健肾与10侧病肾MRR均呈速升后略平稳下降趋势，主动脉峰值点出现时间为注射对比剂后6～9 s，健侧肾皮质强化峰值出现在注射对比剂后9～12 s的实质期。随后皮质对比剂浓度下降，肾图曲线开始趋于稳定。左肾动脉狭窄或尿路梗阻侧肾脏强化曲线形态与右侧健肾相似，而曲线高度低于同时刻健侧肾脏，且肾皮质峰值时刻出现延迟3～6 s(图3，4)。

2.3 GFRMR与GFRSPECT结果一致性分析

全部10只猪共20侧肾脏的GFRMR平均为(39.60±12.42) ml/min(7.62～66.40 ml/min)，GFRSPECT平均为(40.72±15.27) ml/min (7.60～74.90 ml/min)；5侧肾动脉狭窄模型肾脏和5侧输尿管不全梗阻模型肾脏的GFRMR平均值分别为(31.20±15.30)和(42.76±13.80) ml/min，均低于10只猪对侧正常肾脏平均GFRMR值 (44.45±15.34) ml/min。

图3 左侧肾动脉狭窄模型的猪双肾皮质。MR肾图(MRR)及主动脉时间信号强度曲线(TDC)。左侧肾强化曲线形态与右侧健肾相似，而曲线高度低于同时刻健侧肾脏 图4 左侧肾脏积水模型猪双肾皮质MRR及主动脉时间信号强度曲线(TDC)。左侧肾脏强化曲线的强化峰值延迟，曲线高度低于同时刻健侧肾脏 图5 GFRMR 与GFRSPECT 散点图。图中实线为回归线，可见大多数数值靠近回归线；Pearson相关性分析结果显示GFRMR 与GFRSPECT 呈线性关系，Y=－0.01+1.03X (r=0.836，P=0.000)图6 GFRMR 与GFRSPECTBland-Altman分析图。图内中间横线代表GFRMR结果与GFRSPECT 结果的差值均数，而上下2条横线之间即为二者一致性的95%置信区间，图中可见所有GFRMR 与GFRSPECT 的差值均位于95%一致性区间Fig.3 Magnetic resonance renography (MRR) of bilateral renal cortex in left renal artery stenosis and time density curve (TDC) of aorta in swine model.The curve of left kidney was similar to right kidney,however,the amplitude of left kidney curve was lower than that of right kidney.Fig.4 Magnetic resonance renography(MRR) of bilateral renal cortex in left hydronephrosis kidney and time density curve(TDC) of aorta in swine model.There was a delayed enhancement peak in left kidney curve,and the amplitude was lower than that of right kidney.Fig.5 Scatter plot of GFRMR and GFRSPECT.The straight line was regression line,and most of the values were close to the regression line.Pearson’s correlation coefficient analysis showed a linear correlation between GFRMR and GFRSPECT：Y=－0.01+1.03X (r=0.836，P=0.000).Fig.6 Bland-Altman scatter plot of GFRMR and GFRSPECT.The middle horizontal line represents the mean differences between GFRMR and GFRSPECT,while the upper and lower lines represented the 95% interval of agreement respectively，the plot showed that all the differences were within the 95% consistency range.

Pearson相关性分析结果，GFRMR与GFRSPECT呈显著相关，GFRMR=－0.01＋1.03×GFRSPECT(r=0.836，P=0.000) (图5)。Bland-Altman一致性分析结果，20侧肾脏测得的GFRMR与GFRSPECT的平均差值为－1.11 ml/min，差值的标准差为8.34 ml/min；两组数值95%一致性界限位于差值均数±1.96倍差值标准差，即－1.11±1.96×8.34 ml/min之间(－17.46～15.24 ml/min)，结果所有20侧肾脏的GFRMR与GFRSPECT差值均位于95%一致性区间，提示一致性好(图6)。可靠性检验结果显示组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)为0.9508(P＜0.01)。上述3种一致性分析方法均提示GFRMR与GFRSPECT结果具有一致性。

3 讨论

3.1 MRR测量GFR原理

MRR即肾脏Gd-DTPA动态增强时，肾皮质、髓质和集合系统的TDC，反映对比剂分布和转运过程，与GFR密切相关，进一步应用合适的数学模型即可推算单侧肾GFR。2003年，Lee 等[3]应用3D 破坏性梯度回波(SPGRE)序列和低剂量对比剂获得人肾脏动态3D MRR，根据类似核素肾图的Gates 公式，利用髓质对对比剂的摄取用皮质浓度作为输入函数计算 GFR。Hackstein等[6]则应用Patlak曲线设计了不同的计算公式以计算GFR。国外相关学者提出了很多测量GFR的数学计算模型，其中Patlak曲线应用最广泛；本研究即采用Patlak公式通过MRR测量GFR，结果与肾动态核素显像测得的GFR具有很好的相关性及一致性。

3.2 利用Patlak曲线计算GFR

Patlak曲线(也称Rutland-Patlak曲线)为两室模型，将肾脏看做2个独立空间(肾血管空间和肾小管空间)，假设对比剂在组织中短暂停留，则理论上计算中，对比剂自肾血管空间向肾小管空间流出的速率即代表GFR[6]。该模型优点是只需计算组织TDC的最大斜率和测量主动脉的强化峰值，测量数据量小，误差因素少，计算简单，扫描时间短，临床实用性强。此过程忽略了对比剂在肾小管空间的流出及肾血管空间的漏出，而通过测定其在这2个空间内的清除率来计算GFR。该模型的不足是只考虑对比剂自腹主动脉流向肾血管空间及肾血管空间流向肾小管空间的过程，而没有考虑其从肾小管空间的流出以及对比剂自肾血管空间的漏出，可能导致其GFR值的高估[7]。根据本研究结果，采用Patlak公式获得的GFR与参考标准非常接近，其原因可能为本组20侧肾脏中包括5个肾积水肾脏，而积水肾脏的集合系统压力增高，因此对比剂流出减少，同时肾小管空间增大，从而降低了对比剂自肾血管空间的漏出。

3.3 3.0T MR机小剂量Gd-DTPA动态增强检查的优势

大多数关于MRR的研究报道使用常规剂量Gd-DTPA进行增强检查[4,6,8-9]，此时由于T2*效应，肾髓质信号强度与对比剂浓度的线性关系产生干扰[3]。因此，为避免高浓度时对比剂产生的T2*效应，注射剂量应在满足图像对比的条件下尽量减少[8]。目前，各研究小组低剂量对比剂的选择范围在0.01～0.05 mmol/kg之间[9]。 本研究中使用低至0.04 mmol/kg的 Gd-DTPA(常规剂量0.1 mmol/kg的2/5)获得满意的增强影像，在3.0 T MR机上使用体部相控阵线圈进行LAVA序列动态增强MR检查，在时间分辨率为3.0 s的条件下得到了对比清晰的冠状面256×256矩阵全肾强化图像，可准确描绘肾皮质轮廓而用于ROI测量。

3.4 MRR肾皮质ROI的选取

肾小球的滤过主要发生在肾皮质，因此理论上应当将肾皮质作为ROI，但是选择皮质则无法满足Patlak曲线关于采样期间无对比剂离开ROI的假设，所以目前使用全肾实质及肾皮质数据计算GFR均有报道[10-12]。Annet等[10]证明以肾皮质作为ROI获得GFR结果更接近参考值。Bokacheva等[11]分别使用全肾实质及肾皮质作为ROI使用Patlak曲线计算GFR，结果显示以皮质为ROI计算结果较肾实质偏低。de Priester等[12]也对肾脏的皮质、髓质分别进行肾图研究，并认为主要原因是皮质组织内含有的血管结构较多，而髓质组织内含有的小管结构较多，使用皮质做为ROI计算，反映对比剂由肾血管空间流向肾小管空间的速率可能更接近核素肾图结果。

3.5 Patlak曲线时间点的选取

Hackstein等[13]选取注药后40～100 s测量肾实质数据，获得的GFR值与参考值具有高度相关性。本研究中，笔者发现皮质在注药后约10 s即达到强化峰值，在注药后21～40 s，肾图曲线趋于平稳，适合于利用Patlak曲线计算GFR。该表现与健康志愿者和肾动脉狭窄患者研究结果不同[14]，峰值时间明显缩短，这可能与动物和人相比具有较快的代谢率和相对较大的心搏量有关。

3.6 本研究局限性

(1)本实验所需GFR参考值采用99Tcm-DTPA肾动态显像方法测量，其GFR计算公式适用于成年人，对于本次实验动物尚无特定适用公式，结果可能存在偏差。(2)MR信号强度与对比剂浓度间的关系比较复杂，这主要是由于图像信号强度受磁敏感及肾脏对对比剂的浓集现象较明显，目前文献报道关于信号强度的换算方法均存在一定局限，本实验前期尝试采用离体模型得出信号强度与血浆及尿液中对比剂浓度之间的关系，结果显示采用相当于0.04 ml/kg的对比剂浓度时，两者间呈良好的线性相关性，此外图像信号强度还受血流影响，在大动脉上表现尤为明显。(3)本研究样本量较小，有待于在今后的工作中进一步增加样本量，丰富实验数据，提高准确性。

利用小剂量动态增强MR检查可以得到肾小球滤过率，且与99Tcm-DTPA肾动态显像测量的GFR具有较好的相关性及一致性，在评价单侧肾功能方面具有临床应用价值。

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