四维DCE MRI评估大鼠缺血性肾脏结构及功能损伤的实验研究

杨朝武 ，何光武，王 娟

（1.上海市第一人民医院宝山分院放射科，上海 200940；2.上海市宝山区杨行镇社区卫生服务中心，上海 200940）

四维动态磁共振增强 （4D Dynamic contrastenhancement MRI，4D DCE MRI）作为磁共振功能成像的一种，能提供多个定量血管功能参数：对比剂容积转换常数（Ktrans）、血管外细胞外间隙容积比（Ve）、 速率常数 （Kep）、ST-T 曲线下最大面积（iAUC），Ktrans反映低分子量钆螯合物透过血管向血管外间隙的扩散常数，Ve反映组织内血管外细胞外间隙容积比，Kep为Ktrans/Ve比值，iAUC则可以定量分析组织区信号时间曲线的动态变化，通过4D DCE-MRI定量分析Gd-DTPA在血管与组织微环境的交换变化，结合ST-T曲线评估肾功能具有一定价值，目前相关研究较少。

本研究采用西门子3.0T磁共振扫描仪，采用大鼠肾动脉狭窄模型及Gd-DTPA小剂量灌注方法，利用工作站Tissue 4D软件处理图像，计算肾脏组织血管功能参数（Ktrans、Ve、Kep、iAUC），与 SPECT肾显像肾小球滤过率 （Glomerular filtration rate，GFR）及组织病理学结果对照，探讨4D DCE-MRI用于评估肾脏结构及功能损害的价值。

1 材料与方法

1.1 实验对象一般资料

对大鼠的所有处置符合中国相关法规，并遵守中国实验动物保护和安乐死规定。选取24只雄性SD大鼠，每只重350～450 g，腹腔注射氯胺酮麻醉（100 mg/kg体重），消毒后，腹部左旁纵向切口，游离左肾动脉、肾静脉、神经和结缔组织，选取一根丝线（3-0）环绕肾动脉注意不要损坏周围血管，然后用一个针头（21～23G）以角度为“L”放在左肾动脉水平，用丝线结扎肾动脉及针头，抽出针头造成左肾动脉轻中度狭窄。在手术过程中，暴露的组织用等渗盐水浸泡过的纱布覆盖且用等渗盐水防止手术区域组织脱水，右肾和右肾动脉不作处理，依次缝合腹膜、肌肉和皮肤，大鼠苏醒后，放回笼中继续饲养2～4周。每只大鼠均行MR平扫、DCE-MRI及99mTc-DTPA SPECT肾显像检查。所有检查完成后对大鼠施行安乐死，解剖大鼠双侧肾脏并进行病理学检查。

1.2 影像学资料

1.2.1 4D DCE-MRI数据计算

使用3.0T磁共振扫描仪（Verio，西门子医疗解决方案，德国），小动物专用线圈，25℃室温扫描，扫描详细参数列于表1。大鼠麻醉后呼吸平稳，无抽搐后平稳放入小动物专用线圈，大鼠俯卧位，身体长轴与线圈长轴平行，位于线圈中心，扫描过程中对大鼠注意保暖。注入造影剂前先扫描32幅薄层图像（包括 T1-vibe-冠状位，5°及 15°翻转角）。 DCE-MRI扫描分两步，第一步，Vibe T1WI翻转角5°及15°图像作为掩膜图像；第二步，尾静脉按0.2 mmol/kg体重注入事先以0.9%生理盐水6倍稀释的造影剂钆特醇（ProHance，Bracco诊断，北京，中国），注射速度2 mL/min，注入造影剂后接着用1.2 mL生理盐水冲洗静脉导管，将残留静脉导管内造影剂推入，确保造影剂剂量准确。然后持续扫描5.25分钟（连续35组扫描，每组20幅图像），大鼠呼吸平稳状态下采集图像。使用西门子工作站Tissue 4D软件，手工精确绘制感兴趣区（ROI），避开肾窦脂肪及血管，包括肾皮质、肾髓质及肾盂，分别测量Ktrans、Ve、Kep 及 i-AUC值，并绘制ST-T曲线。

表1 大鼠肾脏DCE-MRI扫描参数

1.2.299mTc-DTPA肾显像GFR计算

每只大鼠，DCE-MRI扫描后间隔16～20小时行SPECT扫描，尾静脉弹丸式注入2 mCi（74 MBq）99mTc-DTPA （Tc-99m喷替酸；Mallinckrodt公司，黑兹尔伍德，美国），然后1.5 mL生理盐水冲洗导管，连续扫描15分钟。选取冠状位动态图像，窗宽20%、能峰 140 keV、矩阵 128×28，像素大小 4.3 mm。显像前，将显像注射剂置于探头前方支架上，长径垂直探头面计数，用完后同样条件对用毕注射器再进行计数，两者相减得注入总记数率。最初1.5分钟每3秒采集一帧图像，后13.5分钟每6秒采集一帧图像，设备自带软件计算GFR。

1.3 统计学方法

采用SPSS 16.0软件进行统计分析，DCE-MRI基 于 Tissue 4D 软 件 得 出 Ktrans、Ve、Kep、iAUC，SPECT扫描得出GFR值，数据列于表2，相关性采用Spearman相关分析，所有P值均为双侧检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肾损害组织病理学结果

选取肾上极、下极，中部肾门水平3个ROI组织，10×10倍显微镜下观察各区域肾小球及肾小管损害并计数，根据损伤肾小球和肾小管比率取平均值后分为四度：①严重（n=13），>50%；②中度（n=8），≤50%且>10%；③轻度（n=11），≤10%且>0%；④正常（n=16），0%（表 2）。

2.2 4D DCE-MRI肾皮质、髓质 Ktrans、Kep、Ve、iAUC并与SPECT肾显像GFR比较结果

表2显示，GFR与肾皮质、髓质Ktrans及iAUC有明显相关性，与髓质Ve、Kep也有明显相关性；然而，GFR与皮质Ve、Kep没有相关性。当ROI选在皮质或髓质时，Ktrans和iAUC用于评价受损肾功能具有很好的可靠性。

表2 4D DCE-MRI定量参数 Ktrans、Kep、Ve、iAUC与 SPECT肾显像 GFR 比较

2.3 4D DCE-MRI肾皮质、髓质、肾盂ST-T曲线与SPECT肾显像比较结果

如图1所示，通过制作大鼠左肾动脉轻度狭窄模型，造成大鼠左肾轻度组织损伤及功能损害，SPECT肾显像（图1a）显示大鼠两肾99mTc-DTPA不对称摄取并且左肾摄取和排泄均延迟，左肾GFR计算值为41.6 mL/min，约为右肾GFR值50.4%，但对于解剖结构显示不佳；基于MRI高软组织分辨率，DCE-MRI图像显示左肾体积萎缩，左肾下极显示低灌注（图1b）且增强早期几乎不强化（图1c）而晚期延迟强化 （图1d），DCE-MRI可清楚显示左肾下极局灶性缺血损伤；解剖大鼠发现左肾下极缺血坏死灶，镜下病理通过对损伤肾小球、肾小管计数，确认损伤程度，所有的MRI异常信号与肾脏样本（图1e）及病理学表现高度一致（图1f），相比SPECT显像，DCE-MRI能更好的显示肾组织局灶性损伤。

如图2所示（图2与图1为同一只大鼠），通过MRI Tissue 4D软件分析，我们制作了该大鼠双肾皮、髓质及肾盂时间-信号强度曲线（ST-T曲线），发现左肾皮质灌注明显低于右肾，髓质灌注略低于右肾，肾盂排泄方面，左肾盂造影剂峰值高于右肾，而下降速度慢于右肾，曲线下面积更大，表明左肾盂排泄功能减低（图2a和2b）；SPECT肾图曲线显示，左肾示踪剂摄取低于右肾，显示左肾功能受损 （图2c），DCE-MRI图像表现与SPECT肾显像一致。

图1 SPECT肾显像（图 1a）显示大鼠两肾99mTc-DTPA不对称摄取；DCE-MRI显示左肾体积萎缩，左肾下极的MRI图像显示低灌注 （图1b），增强早期几乎不强化 （图1c），晚期（图 1d）强化；病理学图片（图 1f）。

Figure 1. The SPECT renal imaging(Figure 1a)shows the asymmetrical uptake of99mTc-DTPA.DCE-MRI shows atrophy of left kidney volume and the lower pole of left kidney is low perfusion(Figure 1b)which is not strengthened in earlier stage (Figure 1c)and reversed in later stage(Figure 1d).Pathological imaging(Figure 1f).

如图3所示，通过制作大鼠左肾动脉重度狭窄模型，造成大鼠左肾重度组织损伤及功能损害，SPECT肾显像发现大鼠左肾示踪剂99mTc-DTPA仅微量摄取，肾排泄功能严重受损，GFR为0.00mL/min，右肾摄取正常（图3a）；而DCE-MRI图像显示左肾明显萎缩（50%以上）和低灌注（图3b），皮髓质结构显示不清，肾皮质早期强化减低（图3c），髓质严重损害在增强晚期阶段延迟强化（图3d），表明整个左肾组织重度弥漫缺血损伤；SPECT肾显像ST-T曲线发现左肾盂示踪剂呈持续上升，没有下降 （图3e），表明肾盂排泄功能严重受损；镜下病理显示左肾组织重度损伤 （图3f），DCE-MRI相比SPECT肾显像能更好的显示肾解剖结构及损害程度。

图2 与图1为同一只大鼠，Tissue 4D DCE-MRI ST-T曲线（图2a，2b），SPECT 肾显像 ST-T曲线（图2c）。Figure 2. Same rat as in Figure 1.The ST-T curve of Tissue 4D DCE-MRR(Figure 2a,2b).The ST-T curve of SPECT renal imaging(Figure 2c).

图3 SPECT肾显像（图3a）显示左肾示踪剂仅微量摄取，几乎无排泄；DCE-MRI显示左肾体积萎缩和低灌注（图3b），肾皮质早期强化减低（图3c），髓质严重损害DCE晚期阶段延迟强化（图3d）；99mTc-DTPA肾显像左肾ST-T曲线 （图3e）；病理学图片（图 3f）。Figure 3. SPECT renal imaging shows that tracer in left kidney is microscale and without excretion(Figure 3a).The left kidney is atrophic and lower perfusion showed by DCE-MRI(Figure 3b).The renal cortex is lower strengthened in earlier stage(Figure 3c)and the injury of medulla is severely damaged in later stage of DCE(Figure 3d).The ST-T curve of left renal in99mTc-DTPA image(Figure 3e).Pathological imaging(Figure 3f).

3 讨论

目前，实验室指标检测是评估肾功能的常用方法[1-2]，B超、CT、SPECT等影像学方法也可以一定程度上反映肾脏形态学改变，并提供一些定量参数[3-4]。利用MRI评估肾脏形态学及功能改变近年来受到关注[5-12]。我们研究发现，4D DCE-MRI在评价肾实质损害方面有许多优点。如图1和图3显示，DCE-MRI可以清楚显示肾组织损害（萎缩或坏死），相较SPECT肾显像它是一种更好的无创性成像技术，定位更准确，对损害程度判断也更直观。同时，也可对肾脏形态学改变进行定性和定量分析，在评价肾实质损害方面有重要作用。Kaplon等[13]研究发现，在慢性梗阻性肾病中，利用CT测量患肾实质厚度，发现其与99mTc-DTPA SPECT GFR具有正相关性，可用于预测肾功能。Gandy等[14]利用增强MRI测量肾动脉狭窄患者肾皮质厚度及肾脏长径，分析其与GFR相关性，发现皮质厚度与GFR呈正相关 （r=0.74），肾脏长径与 GFR 轻度正相关（r=0.54），认为在评估肾功能方面具有价值。类似研究也证实利用肾脏形态学改变可以预测及评估肾功能。DCE-MRI软组织分辨力更高，动态增强图像选取合适的时间点可以更精确的测量肾皮质、髓质及肾脏长短径，进而预估或评价患肾功能，而SPECT肾显像图像分辨力较低，很难做到这一点[3]。

DCE-MRI序列采集时间够长，可以获得皮质期、髓质期及分泌期图像，定量参数Ktrans、Ve、Kep和iAUC可以通过西门子工作站Tissue 4D软件计算出，通过手动绘制感兴趣区（ROI），可以得到肾皮质、髓质、肾盂或病灶区的血管功能定量参数。我们研究（表2）表明，Ktrans和iAUC是评估肾功能损害的理想参数，与99mTc-DTPA SPECT肾显像GFR有很好的一致性，ROI选取肾皮质或髓质同样可靠。Ktrans下降的程度可能表明肾功能损害的不同程度，因为Ktrans反映的是低分子量的钆螯合物在毛细血管内皮细胞的扩散转运。此外，iAUC也能反映肾实质灌注和肾实质中钆螯合物的浓度进而评价肾功能损害。髓质Ve、Kep与GFR同样具有相关性，但相关程度较弱，皮质Ve、Kep与GFR无相关性，原因有待进一步研究。就定量参数而言，DCE-MRI在评价整个分肾功能损害方面较99mTc DTPA肾显像能提供更多的血管功能参数，Ktrans和iAUC价值最大，我们的研究表明，当肾小球和肾小管损伤比率大于50%时，部分肾脏GFR值接近0 mL/min，而DCE-MRI定量参数 Ktrans、Ve、Kep和 iAUC 显示尚残余少量肾功能，这点较GFR更敏感、分辨力更高、更有价值。ST-T曲线是SPECT肾显像的重要结果，反映示踪剂99mTc-DTPA在肾脏的摄取、代谢及排泄情况。4D DCE-MRI同样可以绘制双肾ST-T曲线，与SPECT肾显像ST-T曲线价值类似，但DCE-MRI借助于MRI超高软组织分辨力，解剖细节显示更清晰，通过手动精确绘制ROI，误差更小。有研究表明，随着肾功能障碍进展，相对水分子弥散肾皮质灌注降低更早更明显[15]。DCE-MRI能提供更多的肾皮质灌注信息，除了丰富的血管功能参数外，皮质ST-T曲线可直观显示皮质信号强度变化。ST-T曲线在显示肾皮、髓质血流灌注异常方面有较大价值，本研究中患肾由于血供减少，肾实质发生缺血性损害后，皮髓质ST-T曲线均表现为低灌注，如图2所示，皮质灌注下降更明显，髓质略下降，由于该例大鼠肾动脉结扎为轻度狭窄，肾脏血供减少较轻，推测可能跟肾功能损害尚不严重有关。ST-T曲线反映肾排泄功能方面也有较大价值，目前临床主要通过99mTc-DTPA SPECT肾显像肾盂ST-T曲线评估肾盂排泄功能，在本研究中，肾盂ST-T曲线可显示肾盂造影剂最大浓度及下降速度，这是判断肾排泄功能的重要参数，如图2所示，左肾肾盂ST-T曲线比较右肾可看出肾盂造影剂最大浓度更高，且下降速度更慢，曲线下面积更大，显示该肾排泄功能受损，与99mTc-DTPA SPECT肾显像结果一致。虽然有研究认为磁共振ST-T曲线信号强度变化与时间并不成线性关系，但仍然能直观显示肾脏血流及排泄的变化，辅以定量参数Ktrans及Ve变化，能较准确评估缺血性肾病的肾脏功能变化，是较为有效的方法。

综上所述，4D DCE-MRI在显示肾脏形态学改变方面更有价值，显示局部缺血性肾组织损伤方面优于99mTc DTPA SPECT 肾显像 （图 1a，1b、1c、1d）。相较SPECT肾显像GFR，4D DCE-MRI有丰富的定量参数，在反映肾皮髓质灌注方面价值较大；4D DCE-MRI也可绘制ST-T曲线，绘制误差更小，与SPECT肾显像ST-T曲线有同样价值，ST-T曲线辅以定量参数Ktrans及Ve变化，能较准确评估缺血性肾病的肾脏功能变化。然而，DCE-MRI也需使用造影剂，由于Gd-DTPA造影剂潜在肾损伤可能，其使用受到一定限制，如严重肾功能不全或造影剂过敏等，不适于4D DCE-MRI检查。低剂量 （0.1～0.2 mmol/kg）或无肾功能损害的新对比剂可以为Tissue 4D DCE-MRI使用提供更安全的方式，我们的研究使用0.2 mmol/kg低剂量，降低了肾损害风险。有研究将两组患者分别行无对比剂MRI检查及0.2 mmol/kg MRI检查，于检查后 6、24、72、168 小时分别检测GFR及实验室指标检查 （包括血肌酐、血清胱抑素C等），并未发现两组间存在差异，认为低剂量造影剂不会导致潜在肾功能损害，更多的相关研究也支持这一观点[16-18]，且一些新的无需使用造影剂的MRI新技术也在研究中[20-24]，Ebrahimi.等利用心血管磁共振（CMR）方法结合BOLD技术对肾动脉狭窄大鼠肾功能损害及心血管功能损害相关研究是这方面的积极探索[19]。