肾脏3.0 T磁共振弥散张量成像b值等参数优化及可重复性研究

王玉婷，鄢 雄，尹芳艳，赖 力，印隆林

(四川省医学科学院·四川省人民医院放射科，四川 成都 610072)

肾脏的功能与其结构的完整性密切相关，用功能磁共振评估肾脏微观组织结构，可能早期评价引起肾脏功能受损的病理过程。弥散加权成像(DWI)是无创检测活体内水分子弥散运动的方法，弥散张量成像(DTI)是在其基础上发展起来的技术，可用各向异性分数(FA)定量评估弥散的方向性。随着平面回波成像和并行采集技术的应用，DTI在中枢系统以外的器官的应用不断扩展并成为热点。肾脏具有高灌注、高含水量和各种结构(小管、集合管、血管等)呈辐射状排列等特征，是使用DWI和DTI技术的理论基础[1，2]。与DWI相比，DTI还显示了水分子弥散运动方向性的差异，是一种值得深入研究的检查。但目前国内相关研究处于起步阶段，对扫描参数如最优b值设定等尚无较统一的规范，观察者内及观察者间的重复性数据较少。本研究探讨肾脏3.0 T磁共振DTI的最优b值及参数优化方案，观察正常肾脏DTI参数特征，评估测值的可重复性，使DTI进一步应用于检测肾脏各种疾病有据可依。

1 资料与方法

1.1 一般资料2016年6月至2017年12月我院行磁共振弥散张量成像的志愿者，纳入标准：①年龄18～80岁；②既往无高血压、糖尿病、肾脏疾病病史；③近半年内肾功能化验指标无异常，无服用有明显肾毒性的药物病史；④肾脏磁共振平扫无明显阳性发现；⑤图像质量满足诊断需求。排除标准：无近半年内肾功能检查结果；孕妇；磁共振禁忌证。经医院伦理委员会批准，所有志愿者自愿接受检查，签署知情同意书。最终纳入41例受检者，肾脏DTI图像伪影较少，组织轮廓、皮髓质分界较清晰，均满足诊断需求。其中男21例，女20例，年龄22～78岁，中位年龄55岁。中青年组(<60岁)22例，老年组(≥60岁) 19例。

1.2 方法使用Siemens MAGNETO Verio3.0 T超导型MR，采用32通道体部相控阵线圈，先行双肾常规MRI形态学检查，包括轴位T1WI，轴位T2WI及冠状位T2WI抑脂序列。双肾冠状位DTI成像采用单次激发自旋回波平面回波序列，应用并行空间采集成像技术，相关参数：TR：2200 ms，TE：70 ms，层厚：5 mm，层距：1 mm，成像范围包括双侧肾脏，相位编码方向：从左至右，带宽：2706 Hz/pixel，视野(field-of-view，FOV)：380 mm×380 mm，矩阵154×154，弥散敏感梯度方向：6个。收集的前20例受检者进行确定最优b值的预实验，分别在b值=0，200 s/mm2；0，400 s/mm2；0，600 s/mm2时各扫描一次。经统计分析后确定最优b值，在该最优b值下完成其余受检者的扫描。每组b值下扫描时间为24秒，每次扫描均在吸气末屏气时完成。

1.3 磁共振弥散张量成像图像分析扫描完成后将DTI 原始数据传送至SimensSyngo工作站，应用Nero 3D 软件对数据进行分析处理，自动生成DWI图及FA伪彩图。由两位具有5年以上工作经验、4年以上磁共振工作经验的影像专业诊断医师对图像质量进行评估，排除肾脏皮髓质分辨不清晰、难以满足诊断需求的图像，意见不一致时讨论协商至意见一致后决定。

1.3.1观察者分工 两名医师(观察者1和观察者2)分别对图像进行后处理和测量；间隔2周后，观察者1再次用相同方法对图像进行后处理和测量，以避免记忆偏倚。肾脏FA测值表示为2次平均测值(观察者1重复两次测量所得平均值，下标“2次”)及2人平均测值(观察者1第一次测量和观察者2测量所得平均值，下标“2人”)。按性别、年龄等分组分析时，使用2次平均测值。

1.3.2ROI的勾画及FA测量 选择接近肾门水平的2～3个连续层面(包括肾脏显示最大层面)作为测量层面，参照相应层面的b=0图像所示的解剖结构，避开肾脏边缘、集合系统及小囊肿，用自由曲线法分别于每侧肾脏的上、中、下极的皮质及髓质区各勾画1个ROI (图1a～图1c)，测量各ROI的FA值，分别计算皮质与髓质的FA平均值。选择肾脏显示最大层面，避开肾脏集合系统，用自由曲线法勾画出每侧肾脏总体轮廓(包括皮质和髓质)(图2a～图2c)，测得总体FA值。取双肾FA值得平均值为肾总体FA值。

图1 正常肾脏皮髓质感兴趣区勾画方法示例 a：b=0 的DWI图；b：ADC图；c：FA伪彩图。

图2 正常肾脏总体感兴趣区勾画方法示例 a：b=0 的DWI图；b：ADC图；c：FA伪彩图。

1.4 统计学方法采用SPSS 19.0软件包处理数据。计量资料以均值±标准差表示，两组间比较采用t检验，三组间比较采用方差分析。P< 0.05为差异有统计学意义。用ICC评价观察者内及观察者间的一致性及可重复性，ICC<0.4提示重复性较差，0.4≤ICC≤0.75提示重复性中等，ICC>0.75提示重复性非常好。

2 结果

2.1 弥散张量成像最优b值确定第一次测得肾脏总FA值及皮髓质FA值之差(皮髓差)见表1。三组b值下测得肾总体FA和皮髓差的差异均有统计学意义(P< 0.05)，b值=0，200 s/mm2时肾总体FA和皮髓差均为最大。

2.2 正常肾脏弥散张量成像特征对41例受检者b值=0，200 s/mm2条件下采集的数据分析，肾脏FA测值见表2。无论是2次平均测值还是2人平均测值，髓质FA值明显高于皮质(P< 0.05)，左右肾的总体FA值比较，差异无统计学意义(P> 0.05)。男性与女性的双肾总体FA值、FA皮髓差比较，差异无统计学意义(P> 0.05)。老年组与中青年组的肾脏皮质和髓质FA值比较，差异无统计学意义(P> 0.05)。见表3。

表1 三组b值条件下肾总体FA值及FA值皮髓差比较

表2 正常肾脏FA值比较

表3 不同性别、年龄组肾总体FA值及FA值皮髓差比较

2.3 FA测值的观察者内及观察者间可重复性观察者内和观察者间的FA值比较，差异无统计学意义(P> 0.05)。观察者间对肾髓质FA值的ICC最低(0.690)，观察者内和观察者间其它FA值的ICC均>0.80，具有很高的一致性和可重复性。总体看来，观察者内可重复性高于观察者间可重复性。见表4。

表4 FA值的观察者内和观察者间的差异及一致性

3 讨论

3.1 肾脏DTIb值选定及参数优化方案b值选取是弥散成像中的重要指标，b值越高，检测组织内水分子扩散运动越敏感，但信噪比越低。文献报道肾脏表观扩散系数(ADC)约为大脑实质ADC值的3倍，而脑部DTI常采用的b值为1000 s/mm2；为使肾脏达到相似的信号强度，目前国内外多数检查中选择b值为0，200～400 s/mm2[3～6]。对于DTI图像的评价，国内外较多使用皮髓质的FA值之差，皮髓差越大，提示越能显示不同结构的各向异性特征。Kataoka等对参数最优化进行了研究，以b值为0，200 s/mm2的序列为基线，比较了多种参数设定下肾脏弥散参数的皮髓质对比，得出b值为0，200或400 s/mm2为最优[7]。Lanzman等采用多组不同b值研究健康及移植肾的DTI结果，显示FA值无明显差异[8]。本研究控制其它变量，直接对比多组b的结果，显示高场强磁共振DTI检查中，使用低b值具有获得更好的皮髓质对比，推荐使用0，200 s/mm2；不同b值可能显著影响肾脏总体弥散参数的测值，随b值降低，测得FA值升高。

除b值以外，本研究考虑了多项技术参数及因素以优化扫描质量。与中枢神经系统不同，腹部DTI检查往往会受到呼吸运动、肠道蠕动等造成的运动伪影及肠道气体导致的磁敏感伪影等影响。将平面回波成像与并行采集技术联合应用可以明显加快采集速度，减少运动伪影，提高图像质量[9]。本研究中采用该技术，单组b值下采集一次DTI时间缩短至24秒，可让配合较好的受检者在单次屏气内完成。据文献报道，使用高场强3.0 T磁共振设备可以明显提高图像质量，Kido等和Notohamiprodjo等均报道3.0 T磁共振肾脏DTI的信噪比较1.5 T磁共振更优[10]。本研究受检者全部在3.0 T磁共振设备上完成扫描。FOV的选择是另一个技术因素，FOV越大，信噪比越高，伪影和变形越少，但会降低空间分辨力；FOV的选择取决于感兴趣区域的结构在解剖形态方面的要求。本研究采用了较以往DTI研究中更大的FOV(380 mm×380 mm)，伪影和变形少，与高场强一起提高图像信噪比，且纳入的检查图像对肾脏皮髓质的显示和分辨度全部达到诊断要求。

3.2 正常肾脏的弥散张量特征FA值是DTI常用参数，取值范围为0～1.0，0代表最小的各向异性，1代表最大的各向异性。文献报道正常肾脏中髓质FA值明显高于皮质，可能是由于髓质主要由肾椎体构成，微观结构排列具有更高的方向性(弥散张量示踪显示髓质为尖端指向肾门、放射状走形、紧密排列的纤维束样结构)。但报道的正常肾脏皮、髓质FA值范围区间较大，分别为0.24～0.32，0.32～0.70[11]。本研究结果与之基本一致，但测得的正常肾脏皮髓质FA值偏高。综合多项b值比较的结果，分析偏高的原因可能与采用较低b值有关。此外还可能与成像设备和扫描技术不同、受试者检查时水化状态及血流灌注状态不同有关[12]。本研究还显示，左右肾的FA值无明显差异，年龄差异、性别差异均对肾脏FA测值无明显影响，与之前的文献相印证[13]。传统DWI的单指数模型下的参数：ADC被认为同时包含真性弥散和灌注，以致既往文献中ADC的报道各有差异，有学者认为肾脏皮髓质的单指数ADC值比较意义不大，故本文暂不予讨论[14]。

3.3 观察者内和观察者间差异和一致性为评价肾脏DTI检查结果的稳定性和准确性，文献使用不同方法测量了其可重复性，大多报道可重复性较好[15]。本研究较系统性地使用t检验评估观察者内和观察者间的差异、使用ICC评估观察者内和观察者间的一致性。结果显示测量肾髓质FA值的观察者间可重复性稍差，ICC处于中等一致性的范围。其它FA测值均有很高的可重复性，ICC均高于0.8，其中观察者内对肾总体FA测值的一致性最高，ICC高达0.999。总体看来，观察者间差异大于观察者内差异，可能与不同观察者对肾脏皮髓质解剖的认识差异有关，有望通过更标准化的学习来增加共识、改进可重复性。

综上所述，肾脏3.0 T磁共振DTI可获得良好图像，能有效显示正常肾脏皮髓质的弥散张量特征，在进一步评估肾脏疾病方面具有较好的应用前景。使用低b值可获得更好的皮髓质对比。年龄、性别差异对肾脏FA测值整体影响不明显。除测量肾髓质FA值的观察者间一致性稍差、仍有改进空间之外，其它FA测值均有很高的可重复性。