多帶寬DTI-IVIM技術評估腎移植術后早期移植腎功能受損的價值

陳麗華 董璐 任濤 謝雙雙 付迎欣 王振 沈文 張雪寧

腎移植手術可以使終末期腎病病人擺脫長久透析的痛苦，改善生存質量[1]。腎移植術后早期移植腎功能的無創評價及監測直接影響病人的治療及預后。多種功能MRI（fMRI）技術已用于評價移植腎功能及移植腎術后并發癥，包括擴散張量成像（DTI）、體素內不相干運動（IVIM）等[2]。DTI可以獲得腎臟水分子擴散幅度和方向的功能信息，分別用表觀擴散系數（ADC）和各向異性分數（FA）表示。而IVIM采用雙指數模型，通過采集一系列高、中、低b值影像，將組織內單純的水分子擴散以及微循環灌注引起的假擴散分開來，更精確地描述組織微結構和功能信息。Hueper等[3]聯合DTI及多b值DWI技術對64例不同腎功能移植腎進行評價，結合病理穿刺結果，顯示移植腎功能不良病人髓質ADC值及FA值明顯減低，且與腎功能及纖維化程度顯著相關。但即使聯合并行采集技術，同時完成DTI和IVIM成像，掃描時間至少需要十幾分鐘，甚至更長，而對于術后早期移植腎病人，手術疼痛等原因使得配合度下降，容易出現影像偽影等，使其臨床應用受到一定限制[4-5]。

多帶寬 DTI-IVIM （multiband DTI-IVIM）fMRI聯合DTI和IVIM技術，利用同時多層（simultaneous multi-slice,SMS）采集技術，一次脈沖激發可同時采集多個層面圖像，大大縮短了掃描時間，同時可減少偽影并提高影像分辨力[6-7]。該技術已用于心臟、肝臟、腎臟等體部的初步研究，目前對于評價移植腎功能的可行性尚需進一步研究。本文通過對腎移植術后早期不同功能移植腎進行multiband DTI-IVIM成像，探討其評估移植腎功能的價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 前瞻性收集2016年9月—2019年2月于天津市第一中心醫院首次行同種異體腎移植手術的病人92例，男64例，女28例，年齡18～65歲，平均年齡（37.0±10.6）歲。納入標準：①首次行同種異體腎移植術后2～4周；②病人術后接受強的松＋驍悉/米芙＋FK506/環孢素的免疫抑制治療。排除標準：①超聲檢查提示移植腎出血、梗死、移植腎動脈狹窄、移植腎靜脈血栓等外科并發癥者。②MRI檢查禁忌。記錄所有病人接受MRI檢查當日肌酐，根據簡化腎臟病膳食改善（modification of diet in renal disease,MDRD）公式獲得估算的腎小球濾過率（estimated glomerular filtration rate，eGFR）：eGFR=186×[SCr]-1.154×[年齡]-0.203×0.742 （女性）（對于男性病人，上述公式中的0.742改為1.000）[8]。依據eGFR值進行分組：組 1，eGFR≥60 mL/（min·1.73 m2），45 例，年齡 18～65 歲； 組 2，30 mL/（min·1.73 m2）≤eGFR＜60 mL/（min·1.73 m2），27 例，年齡 19～57 歲； 組 3，eGFR＜30 mL/（min·1.73 m2），20 例， 年齡 18～53 歲。本研究經醫院倫理委員會批準，所有受試者檢查前均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法 采用西門子3.0 T MAGNETOM Trio Tim超導MR掃描設備，16通道體部相控矩陣線圈。掃描范圍從肋弓下緣至恥骨聯合下緣。掃描序列包括MRI常規掃描及multiband DTI-IVIM成像。常規掃描包括橫斷面T2WI（TR/TE=2 000 ms/78 ms，層厚 2.5 mm，層數 60，FOV 380 mm×285 mm），冠狀面 T2WI（TR/TE=1 500 ms/98 ms；層厚 5.5 mm；層數20；FOV 380 mm×380 mm）快速自旋回波序列掃描。multiband DTI-IVIM成像采用平面回波成像序列結合SMS技術，采用10個b值（分別為0、10、30、50、80、120、200、400、600、800 s/mm2）。 擴散敏感梯度脈沖在12個非共線性方向上施加，掃描參數：TR/TE=2 300 ms/88 ms，層厚1.8 mm，層間距0，共30層；體素大小1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm，矩陣 320×320，FOV 230 mm×230 mm，帶寬 1 502 Hz，加速因子2，掃描時間4 min20 s。采用自由呼吸，總掃描時間8～11 min。

1.3 圖像后處理及測量 將原始數據傳送至MITK-Diffusion 軟件（2014.10.02 版，www.mitk.org），經擬合運算生成相應的FA圖、ADC圖、單純擴散系數（ADCslow）圖、微循環灌注系數（ADCfast）圖和灌注分數（f）圖。 利用 MRIcron 軟件（12/2012 版本）在 b0圖上繪制興趣區（ROI），在腎臟皮、髓質連續3個層面的上、中、下極分別手動勾畫6個ROI（皮、髓質各18個ROI），注意避開腎盂和腎門區血管、血腫、囊腫， 皮、 髓質 ROI面積分別為 4～15 mm2、5～25 mm2（圖1）。然后將ROI復制到各參數圖，由2名影像診斷醫師（分別具有5年及10年工作經驗）對皮、髓質FA 值、ADC 值、ADCslow值、ADCfast值及 f值行盲法測量各1次并記錄。

圖1 ROI勾畫方法

1.4 統計學分析 采用SPSS 21.0統計學軟件進行分析。符合正態分布的計量資料以均數±標準差（x±s）表示，計數資料以例表示。組間一般資料比較，計數資料采用卡方檢驗，計量資料采用單因素方差分析。采用組內相關系數（ICC）比較2名測量者測得的腎皮髓質MR參數的一致性，ICC＜0.40提示一致性差，0.40≤ICC＜0.75一致性中等，ICC≥0.75提示一致性好。對一致性中等以上的參數計算平均值，并進一步分析。對計量資料進行Kolmogorov-Smirnov正態分布檢驗。采用配對樣本t檢驗比較各組內皮髓質各參數值差異；采用單因素方差分析比較不同組間皮髓質各參數值差異，組間兩兩比較采用最小顯著差值法。采用Pearson相關分析研究移植腎皮髓質各參數值與eGFR的相關性、皮髓質FA值與其他各參數值的相關性，r＜0.3為弱相關，0.3≤r＜0.7為中度相關，0.7≤r＜1.0為強相關。 采用 Medcalc 12.4.0統計軟件進行ROC曲線分析并計算曲線下面積（AUC），分析各參數值對不同組別的鑒別診斷價值。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料比較 3組的性別、年齡間差異無統計學意義（P＞0.05）；術后時間和eGFR間差異有統計學意義（P＜0.05），見表 1。

表1 3組間一般臨床資料比較

2.2 測量者間一致性分析 2名測量者對腎臟皮髓質的FA值、ADC值及髓質f值測量的一致性較好；對腎臟皮髓質的ADCslow值、ADCfast值及皮質f值測量的一致性中等，詳見表2。

表2 2名測量者測得的皮髓質MR參數的一致性

2.3 各組皮髓質MR參數的比較 組1中，腎皮質ADC 值、ADCslow值、ADCfast值和 f值均高于髓質，FA值低于髓質（均P＜0.05）。組2中，腎皮質ADC值高于髓質，FA值低于髓質（均P＜0.05）；余者差異均無統計學意義（均P＞0.05）。組3中，腎皮質ADC值、f值高于髓質，FA值低于髓質（均P＜0.05）；余者差異均無統計學意義（均P＞0.05）。詳見表3-5。

2.4 各組間皮髓質MR參數的比較 組1、2、3間皮髓質ADC值、髓質ADCslow、髓質FA值呈遞減趨勢，組間兩兩比較差異均有統計學意義（均P＜0.05）。組1的皮質f值、皮質ADCslow高于組2和組3（均P＜0.05）。組1的皮質ADCfast值、髓質f值明顯大于組3（均 P＜0.05）。3組間皮質 FA 值、髓質 ADCfast值差異均無統計學意義（均 P＞0.05），詳見表 6、7。

2.5 相關性分析 移植腎皮質ADC值、ADCslow值、ADCfast值、f值，髓質 ADC 值、ADCslow值、FA 值，均與eGFR呈中度正相關 （r分別為0.455、0.534、0.333、0.356、0.565、0.410、0.707， 均 P＜0.05）， 余參數與eGFR間無明顯相關性（均P＞0.05）。皮質ADC值、ADCslow值，髓質ADC值、ADCslow值、f值均與髓質FA值呈中度正相關 （r分別為 0.354、0.484、0.526、0.452、0.335，均 P＜0.05），而與皮質 FA 值無明顯相關性（均 P＞0.05）。

表3 組1皮髓質間MR參數比較

表4 組2皮髓質間MR參數比較

表5 組3皮髓質間MR參數比較

表6 3組間腎皮質的MR參數比較

表7 3組間腎髓質的MR參數比較

2.6 ROC曲線分析

2.6.1 組1與組2比較 腎皮髓質ADC、ADCslow、皮質f、髓質FA值的AUC差異均有統計學意義 （均P＜0.05），其中髓質FA值的AUC為0.855，診斷效能較高。DTI參數（髓質FA值、皮髓質ADC值）、IVIM參數（皮髓質 ADC、皮髓質 ADCslow、皮質f值）及聯合DTI＋IVIM參數對2組進行評價的AUC分別為0.909、0.834、0.954，聯合 DTI-IVIM 參數的診斷效能最高，見表 8、9 和圖 2A、3A。

2.6.2 組2與組3比較 皮髓質ADC、髓質ADCslow以及髓質FA值的AUC差異均有統計學意義（均P＜0.05），髓質FA值具有較高的診斷效能，AUC為0.831。DTI參數（髓質 FA 值、皮髓質ADC值）、IVIM參數（皮髓質 ADC、髓質 ADCslow）及聯合 DTI＋IVIM參數進行評價的AUC分別為0.831、0.746、0.885，聯合DTI-IVIM診斷效能最高 （見表10、11和圖2B、3B）。

2.6.3 組1與組3比較 皮髓質ADC、ADCslow、f值及皮質ADCfast、髓質FA值的AUC差異均有統計學意義（均P＜0.05），髓質FA值具有較高的診斷效能，AUC為 0.983。DTI（髓質 FA值、皮髓質 ADC值）、IVIM聯合參數（皮髓質 ADC、ADCslow、f及皮質 ADCfast）及聯合DTI＋IVIM參數的診斷效能均較高，AUC分別為 1.000、0.993、1.000。 見表 12、圖 2C、2D、3C。

表8 移植腎皮髓質MR參數鑒別組1和組2的ROC曲線分析

表9 DTI參數、IVIM參數及聯合DTI＋IVIM參數鑒別組1和組2的ROC曲線分析

表10 移植腎皮髓質MR參數鑒別組2和組3的ROC曲線分析

表11 DTI參數、IVIM參數及聯合DTI＋IVIM參數鑒別組2和組3的ROC曲線分析

表12 移植腎皮髓質MR參數鑒別組1和組3的ROC曲線分析

圖2 移植腎皮髓質各參數值鑒別組1和組2、組2和組3、組1和組3的ROC曲線。

圖3 ROC曲線分析。A圖，DTI、IVIM及聯合 DTI＋IVIM鑒別組1和組 2的ROC曲線；B圖，DTI、IVIM及聯合DTI＋IVIM鑒別組2和組3的ROC曲線。C圖，DTI、IVIM及兩者聯合鑒別組1和組3的ROC曲線。

3 討論

3.1 multiband DTI-IVIM評價移植腎功能的可行性 隨著手術技術、免疫抑制劑及術后監測手段的不斷改進，移植腎術后并發癥發生率逐漸下降，但仍有部分病人面臨移植腎功能受損乃至失功的風險[9]。引起移植腎功能損傷的因素較多，包括手術、排異反應、藥物毒性、感染等，其中供腎在移植過程中經歷的缺血、再灌注是導致其損傷的固有原因。這些因素會引起腎臟炎性細胞浸潤、間質水腫、腎小管上皮缺血壞死、腎小球炎等，均會引起移植腎皮髓質血流灌注減低、水分子運動受限[10]。MR擴散成像（包括DTI、IVIM等）可無創評價移植腎臟病生理狀態下組織間的水分子交換信息。multiband DTI-IVIM采用雞尾酒并行采集技術（controlled aliasing in parallel imagingresultsin higher acceleration，CAIPIRINHA）及特殊的K空間填充，同一時間對多個層面同時激發，可縮短掃描時間，且能提供良好的影像質量，在腎臟的初步研究中得到了證實[11]。Boss等[12]對肝臟和胰腺同時多層多b值MRI研究證實了其在體部的可行性，并認為加速因子為2時可同時保證掃描時間、影像質量及ADC值測量的準確性。本研究加速因子采用2，multiband DTI-IVIM技術在不影響影像質量并縮短了掃描時間的同時獲得了組織單純水分子擴散、微循環引起的擴散以及水分子的擴散幅度和方向信息。本研究結果顯示移植腎皮髓質ADC值、皮髓質ADCslow值、皮質ADCfast值、皮質f值及髓質FA值與eGFR呈中度正相關，提示上述參數能夠一定程度反映移植腎功能，進一步說明DTI及IVIMMRI評價移植腎功能的可行性。

3.2 移植腎各組內及組間參數的比較 本研究結果顯示各組移植腎皮質FA值均低于髓質，皮質ADC值明顯高于髓質，且組1移植腎皮質ADCslow明顯高于髓質，與健康腎臟及之前研究結果[13-14]一致。該結果與腎臟特殊解剖結構有關，由于組成腎髓質的腎小管、直小血管呈放射狀排列，使得其水分子擴散各向異性明顯而水分子運動受限；組成皮質的腎小體近似球形、近曲小管及遠曲小管迂曲成團，其水分子擴散各向異性不如髓質明顯，但皮質血供占腎臟血管的94%，皮質灌注較髓質豐富，水分子擴散較髓質自由。而在移植腎功能輕中度受損時（組2），皮髓質間ADCslow值差異消失，可能提示移植腎功能損壞時皮髓質不同程度受損。組1皮質ADCfast值、f值明顯大于髓質，組2皮髓質間差異均消失，組3的f值皮質明顯大于髓質；而組間比較發現組1和組2皮質Δf值大于髓質Δf值，組2和組3皮質Δf值小于髓質Δf值，提示皮髓質灌注均不同程度減低，輕度腎功能減低時皮質灌注改變為著，重度腎功能減低時髓質灌注改變為著，可能與移植腎功能不同程度損害時其毛細血管受損、缺氧、血流灌注分布發生變化等有關；且皮質f值較ADCfast值更敏感地反映血流灌注改變。

各組皮髓質ADC值、皮髓質ADCslow、髓質FA值隨著移植腎功能減低呈遞減趨勢，提示移植腎功能受損時，腎小球及小管上皮均不同程度受損，使得移植腎皮髓質水分子擴散程度及灌注均減低，同時微循環灌注引起的擴散ADCfast值、灌注分數f值呈減低趨勢，與Eisenberger等[4]發現出現急性排異反應（acuterejection,AR）的病人皮髓質f值減低結論一致。Xie等[15]對40例功能不同程度受損的移植腎進行小視野IVIM成像，結果顯示皮質總ADC（ADCT）值及f值隨著功能減低呈下降趨勢，但功能嚴重受損組ADCT值及皮質f值低于輕度受損組，而皮質單純擴散系數（ADCD）值差異無統計學意義，認為可能與功能受損時移植腎間質纖維化有關，其灌注減低較擴散改變明顯。而本研究顯示功能嚴重受損組皮質ADC值明顯低于輕中度受損組，皮質ADCslow值、f值低于輕度受損組，與中度受損組差異無統計學意義，提示功能受損時移植腎灌注及擴散減低同時發生，可能與Xie等[15]研究嚴重受損組樣本量較?。▋H8例）及功能受損病因不同有關，該研究為移植腎術后1~42個月病人，而本研究均為術后早期，慢性腎臟疾病主要表現為間質纖維化[16]，而移植術后早期并發癥主要引起腎臟炎性細胞浸潤、間質水腫、腎小管上皮細胞變性、缺血壞死等。Liu等[17]利用多b值DWI對移植腎功能正常者與經穿刺病理證實AR和急性腎小管壞死（acute tubular necrosis,ATN）病人進行研究，發現AR和ATN病人腎皮髓質ADC值顯著減低。髓質FA值與皮髓質ADC值、皮髓質ADCslow值及髓質f值呈中度正相關，進一步提示了移植腎功能受損時，其水分子擴散受限及灌注減低同時發生，各參數可提供互補信息但不能替代。各參數中以髓質FA診斷效能較高，且聯合DTI及IVIM參數對移植腎功能進行評價的診斷效能最高。

3.3 本研究的局限性 首先，本研究分組采用eGFR作為依據，缺乏金標準。其次，導致移植腎功能不良的原因較多，缺乏功能受損的病因及病理類型，且術后時間不一，結果可能會有一定的偏倚。multiband DTI-IVIM采用同時多層技術可以縮短掃描時間，但由于移植腎病人術后疼痛等原因，難以耐受長時間固定體位，故未行DTI、IVIM單獨掃描比較掃描時間、影像及參數值。

3.4 小結 移植腎功能受損時，移植腎皮髓質灌注減低及皮髓質水分子擴散受限同時存在。multiband DTI-IVIM能夠同時提供了DTI及IVIM信息，可無創、定量評估移植腎功能并對不同程度腎功能損傷的鑒別提供了影像診斷依據，對臨床有一定價值。