体素内不相干运动参数值评价正常儿童肾脏皮髓质差异

邢春华，万红燕，陈静雯，赵丽萍，华妙强，吴晴，陈宏伟，徐蒙莱，姜新宇

[1.南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院) 医学影像科，江苏 南京 210006； 2.无锡市儿童医院医学影像科，江苏 无锡 214023； 3.无锡市儿童医院 肾内科，江苏 无锡 214023]



·论 著·

体素内不相干运动参数值评价正常儿童肾脏皮髓质差异

邢春华1，万红燕2，陈静雯2，赵丽萍3，华妙强2，吴晴3，陈宏伟2，徐蒙莱2，姜新宇2

[1.南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院) 医学影像科，江苏 南京 210006； 2.无锡市儿童医院医学影像科，江苏 无锡 214023； 3.无锡市儿童医院 肾内科，江苏 无锡 214023]

目的:探讨体素内不相干运动(IVIM)相关参数值在正常儿童肾脏皮髓质之间的差异，为儿童肾脏病变在磁共振(MR)IVIM- DWI成像时提供正常参考值。方法:28例健康志愿者均行中腹部常规MRI平扫和IVIM- DWI检查，b值取0、50、100、150、200、400、600 s·mm-2。将扫描原始图像导入IVIM后处理软件，对左、右侧肾皮质及髓质分别划取3个像素大小为10～15的ROI，测量皮髓质血流量(BF)、体素内真性水分子扩散(D)、体素内微循环灌注(D*)、灌注分数(f)值，取3次的平均值。采用独立样本t检验评价IVIM各参数在皮髓质之间的差异；采用ROC曲线分析BF、D、D*、f值区分差异的效能。结果:28例正常儿童肾脏中：皮髓质BF值分别为(3.47±0.35)×10-3、(3.28±0.23)×10-3mm2·s-1；D值分别为(2.70±0.13)×10-3、(2.12±0.31)×10-3mm2·s-1,D*值分别为(15.06±1.10)×10-3、(14.23±0.73)×10-3mm2·s-1；f值分别为(26.13±4.07)%和(32.11±3.50)%。肾脏皮质D、D*值明显高于髓质，而肾脏皮质的f值则低于髓质，差异均具有统计学意义(P=0.000、0.027、0.001)。肾脏皮、髓质BF值差异无统计学意义(P=0.109)。ROC分析得到BF、D、D*、f值曲线下面积分别为0.622、0.954、0.760、0.872(P=0.270、0.000、0.019、0.001)。结论:IVIM相关参数D、D*、f值在肾脏皮髓质中存在显著差异，其中D值区分差异的能力最强；而BF值在肾脏皮髓质之间的差异无统计学意义。

体素内不相干运动； 磁共振成像； 儿童； 肾脏

近年来，儿童肾脏病的发病率逐渐上升。肾活检是目前临床诊断的金标准，因其有创且短期内难以做到多次评价肾脏病理状态，常不易被患儿及其家长接受。如何能够无创监测肾脏病理生理功能的变化是儿童肾科医生关注的课题。肾脏的磁共振成像(MRI)检查已经广泛应用于临床，体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)扩散成像理论[1]即多b值的扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)[2]能够无创区分组织内单纯水分子运动的真性扩散及微循环血液灌注形成的假性扩散，因此其在肾脏中的潜在应用价值有可能超越常规的DWI和表观扩散系数(ADC)。目前，已有研究采用体素内不相干运动扩散加权成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM- DWI)评估正常成人肾脏皮髓质血流情况[1，3]，然而未见关于儿童肾脏的研究。本研究试图通过IVIM- DWI来研究肾脏的水分子扩散特点及微循环灌注特性，为儿童肾脏病变提供体素内真性水分子扩散(pure molecular- based diffusion coefficient，D)、体素内微循环灌注(pseudo diffusion coefficient of perfusion，D*)、灌注分数(perfusion fraction，f)及血流量(blood flow，BF)的正常参考对照值，为进一步研究儿童肾脏疾病的病理生理状态打下基础。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2013年6月至2015年12月在无锡市儿童医院接受中腹部常规磁共振(MR)平扫和IVIM序列检查的儿童，且符合以下条件：(1) 无MR检查禁忌证，自愿接受检查，并由其监护人签署知情同意书；(2) 无泌尿系统疾病家族史，无可能影响肾功能的疾病(如肾炎、青少年糖尿病等)；(3) 研究前1个月内尿常规检查、与肾功能相关血液学检查及肾脏影像学检查均无异常发现；(4) 研究前1个月内未服用影响肾血流、耗氧量的药物；(5) IVIM成像序列参数一致，且采集所得MR图像清晰，可用于观察、诊断及后处理；(6) 研究对象年龄≤14岁。

最终，共计28例正常儿童符合所有入组标准而纳入此项研究。入组儿童男15例，女13例，年龄3～14岁，平均7.6岁。

1.2 检查方法

28例均行中腹部常规MRI平扫和IVIM序列检查。采用德国Siemens Magnetom Aera1.5 T MR扫描仪，体部相控阵线圈。采取头先进仰卧位，检查前接受均匀呼吸训练。扫描范围中腹部，包括全肾脏。所有序列均加呼吸导航技术控制呼吸伪影。常规MRI平扫序列和参数：(1) 横断面梯度回波T1WI序列：TR 245.00 ms，TE 4.87、2.37 ms，反转角(FA)70°，层厚5.0 mm，层间距1.0 mm，FOV 330 mm×396 mm，矩阵320×175；(2) 冠状面半傅立叶采集单次激发快速T2WI序列：TR 1 400.00 ms，TE 92.00 ms，FA 180°，层厚5.0 mm，层间距1.0 mm，FOV 400 mm×400 mm，矩阵256×256；(3) 横断面快速自旋回波T2WI序列：TR 3 954.00 ms，TE 98.00 ms，FA 160°，层厚5.0 mm，层间距1.0 mm，FOV 330 mm×330 mm，矩阵384×202。DWI检查：采用SE平面回波成像序列，b值为0、50、100、150、200、400、600 s·mm-2，TR 4 500.00 ms，TE 66.00 ms，FA 90°，层厚5.0 mm，层间距1.0 mm，FOV 317 mm×380 mm，矩阵192×134，扫描获得DWI及ADC图。总扫描时间共约12 min。

1.3 MR图像后处理

IVIM图像后处理采用德国Siemens Ivim Main软件。IVIM序列所得MR图像以DICOM格式存储，采用软件进行计算分析，生成代表BF、D*、D、f参数的伪彩图像。图像经保存后导入MR后处理工作站，观察肾脏皮髓质的信号、边界等，对其进行定量测定。

MRI图像分析及ROI选取由1名具有10年以上腹部MRI影像诊断经验的医师完成。以相同扫描角度横断面脂肪抑制T1WI图像为背景参考，在参数BF、D、D*、f图像上远离肾门侧层面对左、右侧肾皮质和髓质分别划取3个像素大小为10～15的ROI，大小0.5～1 cm2，为保证ROI位置相同，采取复制、粘贴的方法求取平均值作为每侧肾脏皮质及髓质的IVIM参数值。因靠近肾门侧层面有血管通过，血管搏动可能导致邻近肾组织失相位，影响测量数值造成一定程度的误差。

1.4 统计学处理

所有数据采用SPSS 19.0软件包进行统计分析。计量数据以均数±标准差表示，采用独立样本t检验比较IVIM相关参数值在肾脏皮髓质中的差异；采用ROC曲线分析参数值评估差异的能力。均以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 正常儿童肾脏MRI表现

28例正常儿童肾脏MR影像学表现：由于肾脏皮髓质含水量差异，T1WI肾皮质信号稍高于髓质，多数于双肾后缘及左侧缘见低信号化学位移伪影，预饱和脂肪抑制T1WI皮髓质信号强度差异表现得更为明显；T2WI、DWI肾皮髓质信号强度相似，难以分辨，均表现为稍高信号影，其中T2WI常见髓质信号强度稍高于皮质，而DWI多示皮质信号略高。

2.2 正常儿童肾脏IVIM参数值

28例正常儿童肾脏经IVIM序列检查后，后处理产生BF、D*、D、f参数图。在T1WI、BF、D*、D、f参数图上取感兴趣区(图1)，测得左右侧肾皮质之间、肾髓质之间IVIM参数值差异均无统计学意义(P>0.05)，因此研究将左、右肾数据合并，取测量平均值作为正常肾脏皮质及髓质的参数值，结果见表1。肾脏皮质D、D*值明显高于髓质，而肾脏髓质的f值则高于皮质，差异均具有统计学意义(P=0.000、0.027、0.001)。肾脏皮质及髓质BF值差异无统计学意义(P=0.109)。ROC分析得到D、D*、f值曲线下面积分别为0.954、0.760、0.872，且差异存在统计学意义(P=0.000、0.019、0.001)，其中，D值区分差异的能力最高。

3 讨 论

3.1 IVIM原理

DWI作为一种无创反映活体水平分子无规则热运动状况的成像方法，成像主要依赖于水分子运动[4]，因此DWI图像影像对比主要取决于组织间表观扩散[5]，ADC值可以量化评估组织平均扩散，体现组织细胞微观水平的病理生理改变。研究多将其应用于肿瘤检测、鉴别肿瘤及非肿瘤组织、预测疾病治疗疗效等。然而由于DWI图像上信号衰减同时包括真性水分子扩散和毛细血管网中随机血流微循环灌注，后者使扩散影像中含假扩散信息，从而ADC值反映的信息不尽真实，这种现象被称为IVIM[1]。

基于IVIM双指数模型的DWI是采用多个b值的扫描成像，通过双指数模型拟合公式，可以将组织真实扩散信息和微循环灌注信息区分开。此拟合公式为：Sb/S0=(1-f)·exp(-bD)+f·exp[-b(D+D*)]，其中S代表体素内信号强度；D值反映真实水分子扩散，称为真性扩散系数；D*值反映组织微循环灌注情况，又称为假性扩散系数；f值代表体素内微循环灌注效应占总体扩散效应的容积率。根据上述公式，由于D*值常显著高于D值若干个数量级，因此应用低b值DWI(通常指b<200 s·mm-2时)测量到的信号衰减主要反映微循环灌注；高b值DWI测量到的信号衰减主要体现水分子扩散。

3.2 IVIM成像临床意义及肾脏结构分析

肾脏作为维持活体生物组织中水电解质平衡的重要器官之一，富含血流量，占心输出量的20%～25%，同时，肾脏承担人体水转运的功能，时刻进行着水的重吸收、浓缩及稀释，一旦肾脏病变容易影响血流及水转运[6- 7]。IVIM适用于既含水分子活跃扩散运动又有血液微循环灌注的组织，已有报道将IVIM应用到肝脏、胰腺、前列腺等器官，在鉴别诊断良恶性肿瘤及评估疾病严重程度等方面皆取得了良好的效果[8- 11]。肾脏水分子扩散运动活跃、微循环灌注丰富，符合IVIM检查的生理基础。

目前，已有诸多研究采用IVIM评估正常成人肾脏皮髓质血流情况[3，12]，但是儿童毕竟不是缩小版的成人，在生理上有别于成人，故有必要进行儿童肾脏方面的研究，为进一步研究儿童肾脏疾病的病理生理状态打下基础。我们选取年龄段2～14岁正常儿童，原因为：足月新生儿单侧肾脏含85～100万肾单位，肾滤过率仅为成年人的1/4，2个月时为成人的一半，约2岁时才达到成人水平；过滤全身约20%血容量，肾脏的滤过功能直接影响水分子的扩散和血流微循环；另外，2岁之前婴幼儿肾脏体积小，从影像学上很难区分皮髓质。在我们关于儿童肾脏的研究中发现，肾脏皮质D、D*值显著高于髓质，而髓质的f值则高于皮质，其中，D值区分皮髓质差异的能力最高，究其原因可能与肾脏组织解剖结构及功能相关。

图1 A～E分别为正常儿童肾脏T1WI、BF、D、D*、f图像

Fig 1 A-E were T1WI， BF， D， D*，fimages of kidney in healthy children

表1 IVIM相关参数在肾脏皮髓质中的差异( x ± s)

Tab 1 difference of IVIM derived parameters in renal cortex and medulla( x ± s)

肾脏BF/×10-3mm2·s-1D/×10-3mm2·s-1D*/×10-3mm2·s-1f/%皮质3.47±0.352.70±0.1315.06±1.1026.13±4.07髓质3.28±0.232.12±0.3114.23±0.7332.11±3.50t值1.6686.4062.3444.165P值0.1090.0000.0270.000

D值主要反映的是活体生物组织中水分子的扩散，从解剖结构看，肾脏实质分为肾皮质和肾髓质，肾髓质位于肾实质深部，约占2/3，髓质主要由集合管、部分肾小管及小血管等管道结构组成，且规律排列成放射状，这种结构限制了水分子的扩散；而肾脏皮质主要由肾小球和部分肾小管等结构组成，放射状的小管状结构较少，水分子扩散受限不显著，因此造成髓质的D值明显低于皮质。

D*值则体现了血流微循环灌注情况。肾动脉经由腹主动脉直接分出，正常人安静时每分钟流经肾脏的血液量相当于心输出量的20%～25%，如此丰富的血流对IVIM的影响是不能忽略的。其中，肾血流量85%～90%流经皮质肾单位，流速快；另有10%～15%经髓旁肾单位入髓质，且流速较慢，肾髓质的血流灌注远小于肾皮质，流经肾皮质区的血流量大大超过肾皮质区代谢的需要量。肾脏主要功能是滤过血浆形成尿液，存在血流差异主要是为了维持皮- 髓质溶质浓度梯度差，更有利于尿液的浓缩。皮髓质血流灌注差异导致D*值的不同，与已有对肾脏MR灌注成像的研究结果[13]类似。D值区分差异的能力更高，原因可能在于肾内外髓质灌注不同，外髓部和内髓部血流量分别约为肾皮质血流量的40%和10%，ROI的选取影响了IVIM参数，导致D*区分差异的能力不如D值。

f值理论上应随着组织微循环灌注的增加而增大。此研究却出现了违背理论的结果：髓质f值高于皮质。有文献报道在脂肪肝、肝癌的IVIM- DWI研究中观察到类似矛盾的结果。Lemke等[14]在对不同TE条件下健康志愿者胰腺DWI信号衰减的研究中发现，f值依赖TE，TE越长，低b值时信号衰减越是明显，导致f值的增加；在小于血液T2值的组织中，f值对于TE的依赖性更强。IVIM理论未能计算TE对f值的影响，更适用于T2值与血液相近的组织。我们对肾脏的研究中，因肾脏与血液的T2值差异较大，IVIM参数计算时受到T2值差异影响，高估了肾髓质f值。

皮髓质BF值差异无统计学意义。BF值即血流量，在西门子公司提供的软件中由D*×f所得，反映微循环灌注情况，可能由于D*与f值差异为双向性造成BF值不稳定，另外本研究例数较少，故BF值在皮髓质之间未体现出差异，尚有待进一步研究。

总之，IVIM- DWI可作为一种新型无创性、动态评价肾脏滤过和重吸收功能的影像学方法，反映肾脏微观功能结构。本研究为临床评价肾脏功能提供了新的参考指标，也为将来进一步研究肾脏病理状态下功能改变提供参考。

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Evaluation of intravoxel incoherent motion derived parameters in differentiating renal cortex and medulla of healthy children

XING Chun- hua1，WAN Hong- yan2，CHEN Jing- wen2，ZHAO li- ping3，HUA Miao- qiang2，WU Qing3，CHEN Hong- wei2，XU Meng- lai2，JIANG Xin- yu2

(1.DepartmentofRadiology，theFirstHospitalofNanjing，NanjingMedicalUniversity，Nanjing210006，China;2.DepartmentofRadiology，WuxiChildren’sHospital，Wuxi214023，China; 3.DepartmentofNephrologyandRheumatology，WuxiChildren’sHospital，Wuxi214023，China)

Objective： To evaluate the value of intravoxel incoherent motion(IVIM)derived parameters in differentiating renal cortex and medulla of healthy children， in order to provide normal reference in renal diseases. Methods： 28 healthy volunteers underwent middle abdomen 1.5 T MR(including conventional MRI and IVIM- DWI scan sequences)， and b values were 0， 50， 100， 150， 200， 400， 600 s·mm-2. After the original images were imported into the IVIM post- processing software， the ROIs of the left and right renal cortex and medulla were each set three times. The average value of blood flow(BF)， pure molecular diffusion(D)， perfusion- based molecular diffusion(D*)， perfusion fraction(f)were measured. Using independent- samplesttest to evaluate the difference and using ROC analysis to compare the differential potential of parameters BF， D， D*，f. Results： BF values of cortex and medulla in 28 cases of healthy volunteers were(3.47±0.35)×10-3mm2·s-1and(3.28±0.23)×10-3mm2·s-1separately， D values were(2.70±0.13)×10-3mm2·s-1and(2.12±0.31)×10-3mm2·s-1， D*values were(15.06±1.10)×10-3mm2·s-1and(14.23±0.73)×10-3mm2·s-1，fvalues were(26.13±4.07)% and(32.11±3.50)%. D， D*andfvalues were significantly different in renal cortex and medulla(P=0.000， 0.027， 0.001， respectively). BF was not significantly different(P=0.109). Areas under the ROC curve for the related parameters BF， D， D*，fwere 0.622， 0.954， 0.760， 0.872(P=0.270， 0.000， 0.019， 0.001)， respectively. Conclusion: D， D*，fvalue show significant difference in renal cortex and medulla， and the differential potential of D is the highest， and BF shows poor difference in cortex and medulla．

intravoxel incoherent motion; magnetic resonance imaging; children; kidney

2016- 05- 04

2016- 08- 27

无锡市科技局研究基金项目(CSE31N1412)；无锡市卫生局面上项目(MS201426)；无锡市医管中心面上项目(YGZXM1535)

邢春华(1989-)，女，江苏启东人，住院医师，医学硕士。E- mail：xingchunhua07sh@126.com

姜新宇 E- mail：zoezoejiang@163.com

邢春华，万红燕，陈静雯，等.体素内不相干运动参数值评价正常儿童肾脏皮髓质差异[J].东南大学学报:医学版，2016，35(6)：996- 1001.

R445.2

A

1671- 6264(2016)06- 0996- 06

10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.06.035