功能MRI在儿童肾脏疾病诊断中的研究进展

闫喆 陈丽华 沈文 王春祥

肾脏疾病是临床常见病，已逐渐呈现出低龄化趋势。肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）下降可引起不同程度的肾功能损害，同时伴发贫血、营养不良、肾性骨病等，继而增加了心脑血管等其他系统疾病的发生率。儿童肾脏疾病越来越受到重视，若不能在早期及时有效地控制疾病发展，功能性肾单位将不断减少，导致肾功能持续下降，最终可能发展为终末期肾病（end-stage renal disease，ESRD）。影像学检查旨在明确肾脏结构是否存在异常，且越来越多的影像技术可反映出肾脏的功能信息，已广泛用于各类肾脏疾病的诊断和治疗后随访。既往评估肾功能的临床检测方法包括检测血清生化指标（如肌酐等）、同位素示踪检测GFR等，但存在早期敏感性较低等不足；影像学方法如超声、CT尿路成像（CT urography,CTU）和静脉肾盂造影等，主要反映肾脏形态学改变，能提供的肾脏功能信息有限。近年常用于肾脏疾病的功能MRI（functional MRI，fMRI）技术无需引入对比剂，通过肾脏水分子扩散、肾血流量及组织氧含量等变化即可反映肾脏的病生理过程及肾功能变化，提供比临床生化指标更早期、准确的肾功能评估[1]。本文就儿童肾脏疾病fMRI的研究进展进行综述，结合儿童肾脏的生理解剖特点，介绍常用fMRI技术在儿童各类肾脏疾病中的研究现状和临床应用价值。

1 儿童肾脏的生理解剖特点

胚胎时期的肾脏已具有皮髓质结构，肾单位总量于36周胎龄时基本确定[2]，其结构和分布与成人无明显差异。但新生儿期的肾小球及肾小管功能尚未完全成熟，球-管失衡表现尤其明显；出生后肾脏功能还在持续完善，2岁左右可接近成人水平[3]。儿童肾脏的生理特点与成人无异，血流量大且流速快，肾动脉形成的双重毛细血管网使微循环灌注丰富；肾皮髓质不同结构间解剖和功能的差异造成两者间氧分压出现梯度差，肾髓质对于氧耗变化较皮质更为敏感。肾小球生成原尿及肾小管分泌重吸收的功能使得肾脏水分子运动活跃，肾髓质由放射状排列的肾小管髓袢、集合管等组成而皮质结构排列无规律性，皮髓质结构排列的不同使其在水分子不同运动方向上的扩散程度存在差异。另外，肾脏位于腹膜后区，位置相对固定且受呼吸运动、肠道蠕动的影响均较小，儿童期肾脏已具备应用多模态fMRI的结构基础。儿童处于生长发育期，肾脏结构及生理机制逐渐成熟，2岁内的功能变化尤为显著。儿童GFR的计算公式明确了其大小与年龄等因素有关[4-5]，提示fMRI参数随年龄增长可能发生变化，可进一步探寻年龄相关的肾脏微小结构的功能变化特点。

2 常用的儿童肾脏fMRI技术

2.1 扩散成像 扩散加权成像（DWI）能够从分子水平无创性反映正常及病理状态下肾组织中水分子的扩散程度及其变化，并得到表观扩散系数（ADC）。DWI单指数模型通过2个不同的扩散敏感梯度因子（b值）来实现图像采集，基于水分子高斯运动进行定量分析。体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）通过测量纯扩散系数D值、伪扩散系数D*值和灌注分数f值，可进一步真实反映水分子的扩散程度，无需使用外源性对比剂来获取肾脏的灌注信息。肾脏中水分子扩散运动快速，精细的技术拟合使得IVIM应用于肾脏的可重复性较好[6-7]。相较于DWI，扩散张量成像（DTI）能从多个方向量化组织内水分子扩散的各向异性，肾髓质内放射状排列的小管结构决定了其各向异性分数（fractional anisotropy,FA）值与皮质存在差异。扩散张量纤维束示踪成像（diffusion tensor tractography,DTT）可直观显示出放射状排列的纤维束[8-9]。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging,DKI）是DTI技术的延伸，用于反映体内水分子非高斯分布扩散的运动状态，其定量参数平均扩散系数（mean diffusivity,MD）和平均峰度（mean kurtosis,MK）能更准确地评估真实的水分子扩散情况，尤其适用于肾髓质这种结构复杂且水分子扩散具有明显方向性的区域[10-11]。单指数DWI和IVIM在儿童肾脏疾病中的应用相对更加广泛，其参数设置与成人无异。DTI和DKI的相关研究仍处于初探阶段，特别是DKI可能与其高b值有关[12]，需进一步优化扫描参数以助于新技术的开展。

2.2 血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）成像BOLD以脱氧血红蛋白作为内源性对比剂来反映组织内局部氧饱和水平，其定量参数表观弛豫率（R2*）与脱氧血红蛋白密切相关。多个研究[1，13-14]证实BOLD可准确敏感地探测肾脏的氧合变化，目前主要用于评估儿童肾脏缺血性病变。BOLD定量测量的准确性与扫描条件有一定关系，屏气扫描可有效去除呼吸运动伪影，因此现阶段儿童肾脏的BOLD研究主要应用于能够自主配合的患儿。

2.3 灌注成像MR灌注成像包括对比增强灌注及动脉自旋标记（arterial spin labeling,ASL）技术。对比增强灌注可能引起肾病患儿发生肾纤维化，因而临床应用受到限制。ASL以动脉血中能自由扩散的水分子作为内源性示踪剂，能量化分析肾皮质血流量，反映组织的微血管分布及局部血流灌注情况[15]，可应用于儿童急性肾损伤[16]。但ASL的影像信噪比相对较低，射频系统的稳定性和可重复性尚有待提高，且儿童呼吸频率更快、肠道蠕动显著更易产生运动伪影，因而目前在儿童肾脏功能评估方面的应用很少。

3 fMRI在儿童肾脏疾病中的应用

3.1 肾脏发育异常 近年来，应用fMRI评价胎儿及儿童肾脏发育异常已成为研究热点。泌尿生殖系统畸形在胎儿期十分常见，以肾脏畸形最为多见，当肾脏畸形合并孕妇羊水过少时可影响胎肺的发育，进而直接决定妊娠结果[17-18]。产前MRI对此具有很高的临床诊断价值，可评估胎儿泌尿系统及其他系统的发育异常[19]。先天性肾脏和尿路畸形（congenital abnormalities of the kidney and urinary,CAKUT）作为儿童早发性肾脏病最常见的一组病因，占产前畸形的30%[20]。CAKUT以先天性泌尿解剖学异常为临床特征，表型多样，部分患儿发病隐匿可进展至ESRD，尽早干预可明显降低肾功能的损害程度。陈等[21]分析了84例CAKUT胎儿及97例正常胎儿肾脏的DWI影像，探讨ADC值和体积在CAKUT胎儿肾脏评估中的作用，发现正常胎儿肾脏ADC值随胎龄增加而减小，体积随胎龄增加而增大；而CAKUT胎儿患侧肾脏ADC值与正常对照存在差异，可能是由于胎儿肾脏体积较小，空间分辨力较低，测得的数值是整体肾脏的ADC值，与实际ADC值存在一定误差。在关于婴幼儿梗阻性肾积水肾功能评估的研究中，李等[22]提出积水肾ADC值与GFR间呈正相关，证实常规MRI序列联合DWI有利于提供肾脏的功能信息。CAKUT多发生于一侧肾脏，早期健侧肾会发挥代偿作用，因此可掩盖肾功能减低，所以对分肾功能的有效评估至关重要。田等[23]采用IVIM模型评价34例CAKUT患儿分肾功能的可行性，发现D*值、f值在肾功能不同受损时有差异，认为IVIM在早期评价CAKUT患儿分肾功能中具有一定潜能。Otero等[24]对16例肾盂输尿管连接部梗阻患儿及102例正常儿童肾脏的DTI研究发现，病例组的FA值显著低于正常组，ADC值高于正常组，提示FA值和ADC值可反映有无肾实质的损害。Suraj等[25]将6例常染色体隐性多囊肾（autosomal recessive polycystic kidney disease,ARPKD）与8例年龄与之匹配的健康儿童行肾脏DTI对照研究，病例组FA值较正常组降低，DTT显示患肾髓质内管道结构正常的放射状纤维束消失。

3.2 慢性肾脏病 儿童慢性肾脏病（chronic kidney disease,CKD）的病因与年龄相关，婴幼儿以梗阻性肾病、肾发育不全为主，青少年则多见于肾小球疾病和溶血尿毒综合征等[26-27]。BOLD可用于评估儿童不同临床分期的CKD，Luo等[28]通过测量37例CKD患儿肾皮、髓质的R2*值来反映其血氧代谢水平，发现4-5期CKD患儿的皮髓质R2*值均高于1-3期，且患儿皮髓质的R2*值与血清肌酐水平呈正相关，与估算肾小球滤过率（estimated glomerular filtration rate，eGFR）呈负相关。廖等[29]对60例CKD1-2期患儿、17例CKD3-5期患儿及16例正常儿童的双肾皮髓质ADC值进行组间比较，3组间ADC值差异有统计学意义；CKD患儿双肾皮髓质的ADC值均与eGFR呈线性正相关，与血清肌酐呈线性负相关，表明ADC值可作为临床判断CKD分期严重程度的参考依据。Ding等[30]基于DWI、BOLD、磁敏感加权成像（SWI）的纹理分析来评估肾功能不全病人，发现这3种技术均有助于肾功能的评估，其中BOLD和SWI的纹理特征可能更适用于评估早期肾功能不全。

3.3 肾脏感染性病变DWI可明确诊断儿童急性局灶性细菌性肾炎（acute focal bacterial nephritis,AFBN）并反映患肾受累的范围及程度，其诊断效能与MRI增强检查一致，且ADC值的量化与AFBN的病程发展密切相关[31-32]。Faletti等[33]对52例急性肾盂肾炎（acute pyelonephritis,AP）及36例肾脓肿患儿行DWI检查，证实正常肾脏、AP及脓肿病灶的平均ADC值的差异有统计学意义。Lair等[34]提出DTI技术可有效检出儿童AP的病灶，诊断效能与DWI基本一致，且明确结合呼吸触发技术可有效提高影像质量。韩等[35]应用DKI对30例急性肾小球肾炎（acute glomerulonephritis，AGN）患儿进行初步研究，病例组皮质的MD值、皮髓质的MK值均显著低于与其年龄、性别相匹配的正常对照组，并提示DKI可作为AGN患儿治疗后随访的辅助手段。

3.4 肾脏肿瘤性病变 常规MRI主要提供儿童肾脏肿瘤的形态学信息，而早期的fMRI主要是通过DWI单指数模型的ADC值、IVIM的D值等来帮助鉴别肿瘤的良恶性[36]。随着肾脏DWI临床应用的逐步深入，可进一步在术前鉴别儿童肾脏肿瘤不同的病理分型，研究[37-38]表明肾母细胞瘤实性成分的ADC值与组织病理学分型具有相关性。Rogers等[39]提出利用ADC值结合T1WI表现可识别和量化肾母细胞瘤中的坏死组织，因而可实现在无需对比增强的情况下评估肿瘤的化疗疗效。

4 儿童肾脏fMRI技术展望

目前，扩散成像、BOLD评估儿童肾脏功能的可行性已得到广泛认可。由于不同年龄儿童的呼吸特点和自主配合程度有所差异，以ASL为代表的灌注成像临床应用仍受到限制。为实现fMRI的精准定量评估，必须尽可能减少呼吸运动伪影来提高采集影像的质量。随着fMRI序列的进一步完善、后处理软件的逐渐标准化，联合应用多模态fMRI技术可提供更多有价值的诊断信息。在临床应用中应根据具体病症优化选择功能成像序列，特别对于儿童群体，需尽可能缩短扫描时间、合理配置扫描方案。

fMRI可作为全面评估儿童肾脏形态与功能的重要影像学检查方法，可重复性强，具有很大的临床应用前景。fMRI在儿童肾脏疾病中的研究仍需要进一步多中心、多方法地进行临床验证。