磁共振扩散峰度成像在人体肾脏的应用

程仲元，冯友珍，叶耀江，胡俊娇，蔡香然

磁共振成像作为一种无创性、无电离辐射及可重复性强的检查方法，被越来越多的应用到人体疾病诊断及功能评价等方面。扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)、磁共振灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI)和体素内相位不相干运动(intravoxel incoherent motion imaging，IVIM)扩散加权成像等磁共振功能成像技术在肾脏的应用日益增多，并展现出良好的应用前景[1-3]。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是近年来发展的一种新兴磁共振扩散成像技术，不仅能够反映出生物组织非高斯分布的水分子扩散运动情况，而且还能够提供组织微观结构变化的信息。DKI最初应用于中枢神经系统[4]，并展现出良好的应用前景[5]。近年来随着磁共振硬件及软件的不断发展和更新，DKI在腹部应用逐渐增多，目前主要集中在前列腺[6-8]、肝脏[9-10]的研究，在肾脏的应用仍处于探索阶段，国内外仅见少量文献报道[11-13]。本研究拟应用MRI-DKI序列对健康志愿者肾脏进行检查，评估其在肾脏应用的可行性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

收集2016年3月至2017年2月在我院招募的健康男性志愿者35例。纳入标准：(1)20周岁≤年龄≤45周岁；(2)无肾脏器质性病变、感染等；(3)无其他系统疾病，如恶性肿瘤、血液病、放化疗病史等；(4)无其他影响肾功能的疾病如高血压、糖尿病、高尿酸血症及肾病综合征。排除标准：(1)肾脏内有较大(＞2 cm)或较多(超过3个)单纯性肾囊肿；(2)泌尿系结石(多发结石或结石＞2 cm)或其他病变者；(3)图像扫描伪影严重，影响图像观察的。本研究通过我院伦理委员会的批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

1.2.1 扫描设备及扫描前准备

采用 GE HD 3.0 T Discovery MR750 USA超导型扫描仪，8通道体部线圈，将扫描原始数据导入DKE软件进行校正处理后行数据测量。所有受检者扫描前禁食4 h，检查前2 h内进水不超过350 ml。检查前进行呼吸训练，屏气扫描。扫描采取仰卧位，足先进，并在中腹部安放呼吸带。

1.2.2 扫描序列及参数

扫描参数设定如下：常规冠状位T1WI、T2WI扫描；冠状位DKI成像：采用SE/EPI序列，TR 3000～5500 ms，TE 58.9 ms，层厚4.0 mm，层间隔0.4 mm，FOV 38.0 cm×30.4 cm，带宽250 kHz，矩阵128×128，NEX为2，平均采集时间约：7 min 30 s。采用呼吸触发扫描，两侧肾脏获得11～13层冠状位图像，每层获得三个不同b值(0、500 s/mm2，1000 s/mm2；图1)和30个方向扩散敏感梯度的图像。

1.3 图像后处理、测量及数据分析

由2名有3年以上腹部影像诊断的医师单独对双肾的T1WI、T2WI以及b=1000 s/mm2的DWI图像进行评估，评估内容主要包括：(1)肾脏有无占位性病变，如肾多发囊肿、错构瘤等；(2)肾盂肾盏有无结石、积水扩张及梗阻征象等。两人独立完成DKI数据的测量，意见不同时由商议之后的结果决定。

将DKI原始数据导出经图像校正(DKE)，使用image-J工具测量数据。由于各向异性分数(fractional anisotropy，FA)图中肾皮质、髓质分界最为清楚，故选取其放置感兴趣区(region of interest，ROI)(图2)。在放置ROI时，以T2WI图像作为参考，尽量选取冠状位近肾门层面，同时尽量避开血管、肾盂和肾脏边缘。在肾皮、髓质(上、中、下极)分别放好ROI后(图2A)，再匹配到平均扩散峰度(mean kurtosis，MK)、轴向峰度(axial kurtosis，Ka)、径向峰度(radial kurtosis，Kr)、平均扩散系数(mean diffusion，MD)、轴向扩散张量(axial diffusion，Da)及垂直扩散张量(radial diffusion，Dr)图像(图2B～H)，获得皮、髓质相应参数，取平均值。皮质、髓质ROI大小均为22～40 mm2，皮、髓质中每个ROI大小完全一致。

1.4 实验室检查

所有受试对象于MRI检查完成前2 d内完成尿肌酐水平检测，测量前避免剧烈运动、发热、应激、药物以及尿路感染等。

1.5 统计学分析

使用SPSS 22.0统计软件包进行统计学处理，P＜0.05有统计学意义。(1) 2名观察者间DKI参数结果，采用组内相关系数(ICC)进行一致性检验，其中0＜ICC＜0.40：一致性差；0.40＜ICC＜0.75：一致性较好；ICC＞0.75：一致性好。(2)左、右肾脏皮髓质相应DKI各参数的比较，采用配对t检验；(3)右肾皮质与髓质DKI测量值比较，采用配对t检验。

2 结果

2.1 临床信息

图1 b值分别为同一志愿者同一层面三个不同b值原始图，b值分别为0 (A)、500 s/mm2 (B)、1000 s/mm2 (C)Fig. 1 The original DKI images with b=0 (A), 500 s/mm2 (b), and 1000 s/mm2 (C).

图2 为图1志愿者肾脏DKI功能伪彩图；在FA伪彩图上，肾皮质与髓质ROI放置图(A)；DKI伪彩图(B～H)。A：肾皮质、髓质ROI放置图；B：MK伪彩图；C：Ka伪彩图；D：Kr伪彩图；E：FA伪彩图；F：MD伪彩图；G：Da伪彩图；H：Dr伪彩图Fig. 2 Examples for regions of interest (ROIs) of the renal cortex (oval circle) and medulla (round circle), shown on the FA image, were defined manually in the coronal plane (A). The DKI derived parametric maps of the kidney were showed on B—H. The pictures in Figure 1 and Figure 2 were from the same volunteer. A:ROI placement maps of renal cortex and medulla. B: MK pseudo-color map. C: Ka pseudo-color map. D: Kr pseudo-color map. E: FA pseudo-color map. F: MD pseudo-color map. G: Da pseudo-color map. H: Dr pseudo-color map.

表1 2名观察者峰度参数、扩散参数各测量值ICC及95%CITab. 1 The ICCs of two observers on kurtosis and diffusion parameters

表2 左右肾皮质和髓质DKI峰度参数比较(x±s)Tab. 2 The comparison of DKI kurtosis parameters between left and right renal cortex or medulla (x±s)

表3 左、右肾皮质和髓质DKI扩散参数比较(x±s)Tab. 3 The comparison of DKI diffusion parameters between left and right renal cortex or medulla (x±s)

根据纳入和排除标准，排除5例志愿者图像，其中肾多发囊肿2例，图像严重运动伪影2例，肾脏多发结石1例，最终纳入本研究健康志愿者30例，年龄范围24～44岁，平均年龄(32.37±5.73)岁；体重指数(body mass index，BMI) 25.62±3.32。

2.2 DKI伪彩图特征

随着b值的增高，图像信噪比降低(图1)。DKI伪彩图由暖色到冷色代表相应量化值依次减低。

2.3 观察者间测量数据的一致性检验

两位观察者峰度参数、扩散参数各测量值ICC及95%CI如表1所示，ICC所处范围为0.912～0.973，0.935～0.969，均＞0.750，一致性较好。

2.4 左肾与右肾的DKI各参数的比较

左、右肾脏皮质和髓质DKI峰度参数(MK值，Ka值及Kr值)及扩散参数(FA、MD、Da及Dr)值均无统计学差异(P＞0.05)(表2，3)。

2.5 肾皮质、髓质DKI各参数的比较

考虑到右侧肾脏受心脏大血管及膈肌运动影响较小，同时本研究三组受检者左、右肾脏皮、髓质间参数均无统计学差异，因此采用右侧肾脏皮质、髓质所测DKI参数值进行比较。肾皮质MK值、Ka值及Kr值均高于肾髓质，相应参数两两比较均有统计学差异，P值分别为0.003、0.001、0.018。肾皮质FA值及Da低于肾髓质，而MD值及Da值高于髓质，相应参数两两比较均有统计学差异，P值分别为0.000、0.000、0.017、0.000。

3 讨论

DKI于2005由Jensen等[4]首次提出，是在扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)基础上的延伸与扩展，其特有的峰度参数，能够更加丰富地反映水分子微观结构的信息。峰度参数值的大小与感兴趣区内组织结构复杂程度成正相关[4]。

3.1 肾脏DKI b值的选择

基于高斯分布的DWI体部成像b值在800～1000 s/mm2时最佳[13-14]，但基于非高斯模型的DKI成像技术，一般需要较高b值(＞1000 s/mm2)，因此DKI在腹部的应用受到一定限制。b值是影响磁共振成像的重要因素，在DKI最大b值的选择上需要考虑多种因素的影响。b值越高，对磁共振硬件及软件要求也越高；同时也会加速组织信号衰减，使得磁共振信号强度的明显下降，图像信噪比(signal to noise ratio，SNR)随之明显降低[15-16]。

目前关于肾脏DKI的研究，仅有少量文献报道[11-13]，且均为正常人的前瞻性研究，所采用的最大b值均小于1000 s/mm2。Jensen等[4，17]、Rosenkrantz等[16]认为在DKI的最佳b值的选择应根据所研究组织的不同而又所差异，比如在正常脑组织的ADC≈1.0×10-3mm2/s，Kapp≈1，故脑组织DKI最大b值推荐选择2000 s/mm2；而肾脏ADC≈(1.5～3.0)×10-3mm2/s，因此此时DKI最大b值应小于脑组织推荐的最大b值，约为1000 s/mm2，甚至更小[17]。Pentang等[12]认为在最大b值在600～800 s/mm2范围，能够显示肾脏水分子偏离高斯扩散的状态。而huang等[11]，也认为最大b值为1000 s/mm2的DKI模型用于正常人肾脏以显示水分子非高斯分布扩散状态是可行的。此外，Quentin等[7]在前列腺DKI最高b为1000 s/mm2。综合以上各种因素考虑，本研究最终选择扫描最大b值为1000 s/mm2，三组b值分别为0、500 s/mm2、1000 s/mm2。

3.2 肾皮质和髓质的峰度参数

研究表明，峰度参数主要反映感兴趣内微观组织的复杂程度[4，17]。本研究结果显示肾皮质的MK值高于髓质，相应参数两两比较均具有统计学差异(P＜0.05)，这与Pentang等[12]、Filli等[15]研究结果一致，这可能说明肾皮质的微观组织结构比髓质更加复杂。究其原因，可能与皮质、髓质微结构特点有关：(1)肾皮质组织结构和生理功能更复杂。肾皮质主要由肾小球和少量近端小管组成；肾小球由复杂的毛细血管丛和肾小囊构成，其组织结构内又包含内皮细胞、壁层上皮细胞、基底膜、足细胞、系膜细胞及系膜基质等结构。而肾髓质主要由肾小管系统、少量间质和营养小血管构成，在整体结构上较为一致。(2)受血流灌注的影响。肾脏血流灌注丰富，但肾脏血流分布极不均匀，肾皮质血流量约占肾脏总血流量的94%。

曲丽洁等[13]、Huang等[11]认为肾髓质峰度参数(MK、Ka及Kr值)高于皮质，与本研究结果相反。扫描设备、成像方向不同可能是实验结果有所不同的原因，Pentang等[12]采用GE 3.0 T Signa EXCITE HD扫描仪，4通道体部线圈，轴位扫描；曲丽洁等[13]采用Siemens 1.5 T磁共振扫描仪进行检查，使用18通道腹部相控阵表面线圈。而本研究采用GE HD 3.0 T Discovery MR750，8通道体部线圈，冠状位扫描。另外b的数量及大小不同可能是与曲丽洁等[13]研究结果有所差异的另一个原因。曲丽洁等[13]采用6个b值，最大b值为2500 s/mm2，而本研究采用3个b值，最大b值为1000 s/mm2。

本研究结果显示皮质和髓质平均MK值分别为0.659±0.017、0.644±0.015，均小于文献报道[12]。Pentang等[12]、Filli等[15]的研究显示皮质MK值分别0.880±0.090、0.800±0.180；髓质平均MK值分别为0.750±0.140，0.790±0.210。这可能与以下因素有关：(1) b值大小以及数量不同。Pentang等[12]研究b值为0、300和600 s/mm2，Filli等[15]研究b值为0、150、300、500和800 s/mm2，而本研究b值为0、500和1000 s/mm2。b值是影响水分子扩散的重要因素，随着b值的增大，生物组织的不均匀性对组织的扩散影响增加，水分子扩散分布偏离高斯分布更加明显，更加符合DKI模型。扫描b值数量越多，所需扫描时间越长，运动伪影影响更加明显。(2)与肾脏的血流灌注、小管内液体流动有关。Thoeny等[18]认为扩散信号受肾脏血流的影响。Sigmund等[19]对正常人状态、水利尿后及使用呋塞米后进行IVIM及DTI研究发现，DWI对利尿剂引起的肾脏流量的改变敏感，并且认为扩散成像的信号与血管流量、肾小管直径、水的重吸收及管内流量的改变均有关。曲丽洁等[13]、Pentang等[12]、Filli等[15]均未对Ka值及Kr值进行报道。

3.3 肾皮质和髓质的扩散参数

本研究中肾髓质的FA值明显高于皮质并具有统计学意义，这与以往研究一致[11-12，20]。这主要与肾脏本身生理功能、解剖结构特点有关。肾脏皮质主要由肾小球和少量近端小管组成，而肾小球由复杂的毛细血管丛和肾小囊构成；髓质主要由肾小管及直小血管组成，且肾小管与直小血管平行排列，整体上呈放射状分布，这就形成了一个限制水分子运动的结构，因此肾皮质表现为各向同性，而髓质各向异性更为明显。本研究显示肾皮质的MD值高于髓质，曲丽洁等[13]、Huang等[11]、Pentang等[12]及Filli等[15]也得到同样的结论。Chandarana等[21]的研究显示肾皮质扩散相关参数明显高于肾髓质，认为这与肾脏皮质的高灌注及皮质的肾小管直径较宽有关。另外，笔者认为皮质Da值小于髓质，皮质Dr值高于髓质，而Huang等[11]研究结果显示皮质Da值、Dr值高于髓质，这可能与成像设备、扫描的方向等因素不同有关，需要进一步深入研究。曲丽洁等[13]、Pentang等[12]、Filli等[15]均未对肾皮质、髓质Da值、Dr值进行报道。

3.4 结论与不足

本研究以男性健康志愿者作为研究对象，应用呼吸触发的MR-DKI技术对肾脏进行扫描，并采用DKE软件对运动伪影进行校正，结果显示MR-DKI在肾脏的应用可行性较好。DKI不仅能够反映肾皮质、髓质水分子扩散状态差异，而且能够提供更多反应组织微观信息；其特征性参数MK值、Ka值与Kr值，能够对扩散参数做更好的补充。本研究存在以下不足：(1)纳入的志愿者年龄较小，而且均为男性，平均32～34岁左右(24～44岁)；(2)单中心研究、样本量较小，需要更大的样本量及多中心研究。

利益冲突：无。