正常肾脏在不同场强下体素不相干运动MRI研究

李标达， 刘欣， 陈小燕， 鲁可， 伍筱梅， 李新春， 蒙秋华

传统的磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用单指数模型在两个b值的基础上计算ADC值来反映组织中水分子的扩散能力[1]。其不足之处是没有考虑微循环灌注以及水分子扩散方向等因素的作用[2-3]。1986年Le Bihan等[4]提出体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM) 扩散加权成像这一概念，获得的定量指标可反映实质器官组织的真实扩散以及微循环灌注状态，对微循环病变的临床早期诊断和治疗有一定意义[4]。肾脏是血流灌注极为丰富的腹部实质性器官，很多疾病如糖尿病肾病或肾小球肾炎等在疾病早期即可能导致肾脏的微循环发生病变，最终可导致肾功能不全，严重危害人类健康。IVIM-DWI能否在这类疾病的早期检测出微循环病变，无创性地动态监测肾功能的受损情况，为临床诊治提供依据，近几年来已成为研究的热点。

目前，国内外研究中对肾脏进行IVIM-DWI检查时均仅限于单一场强条件下。但是，不同的研究中采用的磁共振设备及场强不完全相同，得出的量化结论是否能通用，同一患者在相同序列参数、不同场强下获得的肾脏IVIM-DWI参数是否有差异，这直接影响到是否能建立统一可行的量化标准，目前尚未有相关研究报道。笔者采用不同场强(1.5T和3.0T)磁共振仪分别对同一组志愿者进行肾脏IVIM-DWI扫描，对获得的定量参数进行对比分析，旨在为肾脏疾病IVIM-DWI的相关研究提供依据。

材料与方法

1.病例资料

招募30例健康成人志愿者行IVIM-DWI检查。其中，男13例，女17例，年龄20～54岁，平均(28.8±9.01)岁。所有志愿者了解实验内容并签署知情同意书。纳入标准：无肾病、糖尿病和高血压病史，血清肌酐和尿素氮浓度在正常范围内，经超声和MRI等影像学检查证实无肾脏器质性病变。

2.IVIM-DWI扫描方法

所有志愿者检查前禁食超过3h，嘱其在扫描过程中呼吸频率和幅度尽量保持均匀和平稳。使用分别使用Philips Intera 1.5T和Achieva 3.0T磁共振机对所有受试者进行常规T2WI和IVIM-DWI扫描检查，两种场强条件下相同的序列的扫描参数保持一致。IVIM-DWI扫描采用并行采集技术(parallel acquisition techniques，PAT)单次激发EPI序列，取10个b值(0、10、30、50、80、100、200、400、600、800和1000 s/mm2)，同时在X、Y、Z轴三个方向上施加敏感梯度脉冲，扫描参数：TR 4000 ms，TE 39.3～68.1 ms，激励次数4，矩阵128×128，视野38 cm×38 cm ，层厚5.0 mm，间隔1.0 mm，PAT 2， 扫描范围覆盖双肾。

实验实施过程中所有受试者的MRI扫描由一位操作者完成，尽可能避免个体差异等因素的干扰，与此同时，每位受试者在两台MR机上进行扫描的时间间隔不超过24 h，尽量保持身体状态一致。

3.图像分析和数据测量

将DWI图像在Philips工作站采用IVIM后处理软件进行分析，分别重建出灌注参数D、D*和f的伪彩图(图1)。D为纯扩散系数(diffusion coefficient，ADC)，代表真实水分子扩散；D*值为假性扩散系数(diffusion coefficient from the perfusion compartment，ADCp)，是一种与微循环灌注相关的扩散系数；f值为灌注分数(perfusion fraction，FP)，代表微循环灌注如血液及肾小管内液体的流动在信号衰减中所占的比重。

由于在各参数的伪彩图上肾皮质与肾髓质的对比度不够高，本研究中在整个肾实质区域内选取ROI 来进行参数值的测量。由2位高年资影像医师分别进行数据测量，选取3个层面的图像(肾上极、下极及肾门水平)，在肾上下极和中部的肾实质内及在肾门水平的肾脏的前、中、后部分别勾画圆形ROI，共6组ROI，所有ROI的形状和大小完全一致。同一受试者不同场强下的各参数图像的测量层面和ROI的位置尽可能一致。参考T2WI，勾画ROI时尽可能避开肾窦组织和伪影，左、右肾各测量6次， 分别取平均值，测量出相应的D、D*和f值。

4.统计学方法

使用SPSS 16.0统计分析软件，对所有参数的测量值先进行正态分布及方差齐性检验，如符合正态分布且方差齐性，相应的参数值采用均值士标准差的形式表示，组间比较采用配对或两独立样本t检验；若参数值不符合正态分布则采用Wilcoxon秩和检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

图像质量的评估：无论是1.5T或3.0T MR机，在自由呼吸条件下采集的双肾IVIM-DWI图像，图像质量均较好，拟合度高，尤其是在双肾中部，而肾上极和下极有不同程度的呼吸运动伪影。经后处理软件重建的定量参数图中，D和f的伪彩图质量良好，皮髓质显示较清晰，而D*图上皮髓质分界不清，甚至部分层面上肾脏的轮廓较模糊。总体来说，3.0T MR获得的IVIM-DWI图像的信噪比和分辨率比1.5T MR更高。

不同场强条件下IVIM-DWI获得的双肾定量参数值及统计分析结果见表1。磁共振IVIM-DWI定量参数中，3.0T 条件下双肾实质的D值均大于1.5T条件下，双肾实质的D*值均小于1.5T条件下，组间差异均具有统计学意义(P<0.05)；3.0T条件下双肾实质的f值均大于1.5T条件下，但组间差异无统计学意义(P>0.05)。

相同场强条件下双侧肾脏IVIM-DWI定量参数值的比较见表2。IVIM-DWI定量参数中，1.5T场强下左侧肾实质的D值大于右侧肾实质，两者间的差异具有统计学意义(P<0.05)；而3.0T场强下双侧肾实质间D值的差异无统计学意义(P>0.05)。无论是1.5T或3.0T场强下，双侧肾实质的D*值或f值的差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 不同场强条件下双肾实质IVIM-DWI定量参数值的比较

表2 相同场强条件下左、右侧肾实质各项定量参数值的比较

表3 1.5T场强条件下男性组与女性组间双肾各项定量参数值的比较

表4 3.0T场强条件下男性组与女性组间双肾各项定量参数值的比较

图1 一例受试者的3.0T MR IVIM-DWI扫描数据经后处理软件重建的定量参数伪彩图。a)D图； b) D*图； c) f图。

相同场强条件下不同性别间双肾IVIM-DWI定量参数的比较见表3～4。在3.0T场强下，无论是左肾还是右肾的f值，在男性组与女性组之间的差异均具有统计学意义(P<0.05)，并且均为男性组的f值大于女性组。而1.5T场强下，男性组与女性组之间双肾f值的差异均无统计学意义(P>0.05)。而D值和D*值，无论在3.0T或者1.5T场强条件下，均未发现有性别上的差异(P>0.05)。

讨 论

1. 1.5T和3.0T磁共振的图像与效能

目前，临床上广泛使用的是1.5T和3.0T高场强磁共振仪。场强的提高，可增加图像的信噪比和空间分辨率，有效提高图像质量；随着多通道射频线圈以及并行采集技术的广泛应用，扫描时间缩短，图像上运动伪影减少，工作效率得到有效增加。高场强下有更明显的化学位移，更明显的磁敏感效应，对病变检出更敏感。总的来说，3.0T与1.5T磁共振仪相比，不仅提高了图像质量更利于小病灶的检出，而且随着化学位移效应的提高，能更敏感地检测到疾病早期组织细胞化学成分的变化[6-7]。

本组研究结果显示，在其它扫描参数相同、自由呼吸状态下进行双肾IVIM-DWI扫描，1.5T和3.0T场强条件下均可获得拟合度较高的图像。而且，3.0T场强下对运动位移更为敏感[7-8]，获得的DWI图像质量并不比1.5T的好。无论是3.0T还是1.5T MR机，IVIM-DWI图像上双肾上极或下极水平的部分层面上存在伪影，可能是由于上极紧邻肺底或下极毗邻肠管(受肠内容物的影响)，组织差异造成的磁敏感伪影[9]，同时也不能排除是呼吸运动或毗邻肠管的蠕动所致。如扫描时采用呼吸门控、检查前进行充分的肠道准备，可能有助于此伪影的改善，但扫描时间成倍增加，肠道准备可能增加患者的不适感，限制了其临床应用。

2.关于感兴趣区的选择

在既往肾脏DWI相关研究中，对ROI的选取方法较为一致，均采用在肾上极、下极和肾门水平多点测量取平均值，本文旨在为IVIM-DWI的临床应用提供实践依据，故测量方法保持与其他学者一致。本组研究中经飞利浦公司提供的IVIM转换软件处理后的IVIM图像上肾脏的皮髓质分界不清，勾画ROI时难以准确判断皮髓质结构(图1)。笔者分析原因：因b值越高图像信噪比越低，图像越容易变形或失真[10]。而在本研究中行IVIM-DWI扫描时共选取了11个b值，其中高b值的构成比例较大。这一不足有可能影响对定量参数值的测量，尤其是当肾脏体积相对较小或合并有肾萎缩、肾积水或肾实质变薄等情况时。故笔者分别在双肾上极、下极和肾门水平于肾实质内勾画圆形ROI，尽可能避开肾盏结构及伪影[11]，来测量D、D*和f值。

3. 1.5T与3.0T IVIM参数的比较

随着场强的提高，图像分辨率和信噪比也相应提高，然而IVIM-DWI的研究结论是否随之受到影响呢，各大医院磁共振机的场强不同，相同扫描参数行IVIM-DWI时在不同场强磁共振扫描仪间的结论是否一致或具有同步性，这些问题尚未明确。本组研究结果显示，双肾IVIM-DWI获得的定量参数中，在3.0T场强条件下左肾和右肾实质的D值均高于1.5T(P<0.05)。Cui等[12]在研究肝脏不同场强条件下IVIM-DWI参数的稳定性中，发现D值的可重复性较高，场强的差异对D值的影响不大，与本文的结果间存在差异。笔者分析可能有以下几个原因：(1)IVIM理论计算公式为Sb/S0=(1-f)e-bD+f×e-bD*，其中Sb代表取某个b值(b≠0)时的信号强度，S0代表b=0s/mm2时的信号强度，D值和D*值受梯度磁场的影响。从IVIM的理论公式可知，D值与D*值受场强的影响，故3.0T MR获得的D值和D*值与1.5T MR存在差异。(2)IVIM-DWI检查中，b值的选取也至关重要。b值即扩散敏感梯度因子(gradient factor)，其计算公式为：

b=γ2G2δ2(Δ-δ/3)

(1)

γ、δ、G和Δ分别代表所施加的梯度磁场的磁旋比、持续时间、磁场强度及间隔时间 ，可见b值也受磁场强度的影响。(3)由于肾脏及肝脏的解剖功能上的差异所致。肾脏主要功能是通过体内大量液体及代谢物的重吸收及排泄，维持体内水、电解质及酸碱平衡，因此肾脏组织内存在广泛而活跃的水分子扩散运动，而肝脏作为人体解毒和产热的实质器官，相对肾脏而言，肝脏内部水分子扩散运动甚小。3.0T高场强磁共振仪的梯度磁场的强度及切换率也比1.5T高，对水分子扩散运动的检测越敏感[13]，所以，3.0T MRI获得的D值较1.5T MRI的D值高；此外，b值越高对水分子扩散运动越敏感，更接近真实水分子的扩散运动，本研究中IVIM-DWI扫描中选择的b值以高b值为主，而Cui等[12]的研究中选择了16个b值，但仅有4个b值≥200s/mm2，b值的选择也是重要原因之一。(4) 3.0T MR获得的左、右肾实质的D*值均低于1.5T MR(P<0.05)。3.0T MR对于水分子扩散运动更为敏感，然而在反映灌注功能的D*值上却是3.0T MR较1.5T MR低。多篇文献报道皮质与髓质间各项IVIM定量参数的差异有统计学意义[14-15]。ROI选取区域内皮、髓质所占比例对测量D*值有一定影响，也可能是因为D*值稳定性低的原因[16]。笔者认为，高场强MRI对肾脏水分子扩散运动以及微循环灌注更为敏感，随着场强的增高，肾脏排泄与重吸收过程对D*反映灌注功能的干扰降低，从而导致3.0T MR获得的D*值较1.5T小。而1.5T及3.0T MR的场强差异对f值的测量并没有显著影响(P>0.05)。

4.相同场强MR IVIM-DWI参数的比较

对相同场强下左肾与右肾的各项IVIM-DWI定量参数值进行比较，结果显示仅1.5T场强下左肾实质的D值[(1.60±0.14)×10-3mm2/s]要大于右肾实质的D值[(1.53±0.12)×10-3mm2/s]，差异具有统计学意义(P<0.05)。丁玉芹等[11]的研究中亦显示左、右肾的D值有差异，但是为右肾实质的D值较左肾高，与本文结果不符。丁玉芹等的研究中ROI是选取同层面左、右肾的整个肾实质，而本研究中ROI的选取方法与其有一定差异，我们采用分别在肾上、下极及肾门水平选取3个层面，在肾上下极层面各选取一个ROI，在肾门层面上在肾实质内勾画4个ROI进行测量并取其平均值。但也有可能是因本研究中样本量较少所致，尚需扩大样本量进一步验证。然而3.0T MR获得的左、右肾的D值并不存在明显差异。丁玉芹等的研究中采用的是1.5T MR机，笔者认为造成上述结果的原因是是场强不同，健康成人的左、右肾功能理应没有显著差异，是否随着场强的提高，IVIM参数测量值更为稳定，有待进一步探讨验证。本研究中1.5T MR获得的D*和f值以及3.0T MR获得的D值、D*值和f值在左、右肾之间的差异均无统计学意义(P>0.05)。

本组研究中，3.0T MR获得的f值，无论在左肾还是右肾，均为男性大于女性(P<0.05)。这一结果与丁玉芹等[11]的报道相仿。Wittsack等[17]认为f值与肾动脉血流速度呈明显正相关，正常男性在平静状态下新陈代谢明显高于女性，肾动脉血流量也显著高于女性。但本组实验中，1.5T MR 获得的f值在男性和女性组间的差异无统计学意义(P>0.05)。笔者分析可能是因为本组中男性和女性志愿者年龄较轻且身体健康，身体状态差异不大，1.5T IVIM-DWI获得的f值的敏感度尚不足以反映两者间的差异，而随着场强的增高，3.0T MR获得的f值能更准确的反映出两性之间的差异。

IVIM-DWI作为一种无需外源对比剂而能提供扩散、灌注等分肾功能信息的无创性成像技术，在临床实践中可以在疾病的早期从分子水平对病变组织进行定量分析和诊断，具有较好的应用前景。但是其获得的定量参数值的是否适用不同扫描条件仍是个很大的挑战，本研究中发现扫描参数相同的条件下1.5T和3.0T MR获得的肾实质D和D*值间的差异有统计学意义，而f值的差异无统计学意义、稳定性较高；1.5T MR IVIM-DWI获得的左、右肾的D、D*和f值的差异与3.0T MR下的结果不具有同步性，提示IVIM-DWI定量参数受到场强等因素的影响，场强不同时研究的量化结论可能不能相互通用，其可靠性和可行性需建立在相同场强及扫描参数统一的基础上。本研究也存在不足之处，主要是样本量不够大，尚需扩大样本量进行更深入的研究。