賈慧茹 JIA Huiru

張 翼 ZHANG Yi

劉 樂 LIU Le

吳煥煥 WU Huanhuan

韓 偉 HAN Wei

高 瑋 GAO Wei

孫浩然 SUN Haoran

擴散加權(quán)成像單指數(shù)和雙指數(shù)模型評估單側(cè)輸尿管梗阻大鼠腎臟擴散及微灌注變化

賈慧茹 JIA Huiru

張 翼 ZHANG Yi

劉 樂 LIU Le

吳煥煥 WU Huanhuan

韓 偉 HAN Wei

高 瑋 GAO Wei

孫浩然 SUN Haoran

目的探討擴散加權(quán)成像（DWI）單指數(shù)和雙指數(shù)模型評估大鼠單側(cè)輸尿管梗阻（UUO）后腎臟擴散改變及微灌注改變的能力，為早期診斷及治療梗阻性腎病提供依據(jù)。材料與方法21只大鼠按照隨機數(shù)字表法平均分為7組，除對照組外，其余6組大鼠結(jié)扎左側(cè)輸尿管建立UUO模型。對照組與UUO大鼠分別于術(shù)前及UUO后6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、7 d行雙腎多b值DWI檢查獲得ADC圖，b值取0、20、40、60、80、100、140、180、240、300、500、1000、1500 s/mm2，并利用雙指數(shù)模型計算灌注分數(shù)f圖及純擴散系數(shù)D圖，分析UUO后不同時間點患腎、健腎及對照組間腎皮、髓質(zhì)ADC值、f值和D值的變化。結(jié)果UUO后各時間點患腎皮、髓質(zhì)ADC值均顯著低于健腎（t=－9.809～－3.666、－8.703～－5.843, P＜0.01），UUO后3 d患腎皮質(zhì)ADC值低于對照組（t=2.236, P＜0.05）；UUO后6 h、12 h、1 d、3 d健腎皮、髓質(zhì)ADC值均高于對照組（t=－10.030～－2.724, P＜0.05）?；寄I皮質(zhì)f值均低于對照組及健腎（t=2.553～7.984、－6.418～－2.519, P＜0.05）；患腎髓質(zhì)f值均低于健腎（t=－6.245～－3.408, P＜0.01），但患腎髓質(zhì)f值僅UUO后12 h和7 d低于對照組（t=2.264、2.453, P＜0.05）。UUO后6 h、12 h、1 d、2 d、7 d患腎皮質(zhì)D值均高于對照組（t=－7.638～－3.007, P＜0.05），髓質(zhì)D值UUO后2 d開始持續(xù)高于對照組及健腎（t=－4.069～－3.040、2.799～3.079, P＜0.05），但健腎髓質(zhì)D值與對照組無顯著差異，健腎皮質(zhì)D值僅UUO后1 d、3 d、7 d高于對照組（t=－2.898、－2.462、－2.628, P＜0.05）。結(jié)論 雙指數(shù)模型較單指數(shù)模型更好地評估梗阻性腎病腎實質(zhì)擴散的改變，并可以反映腎皮質(zhì)的微灌注變化。

輸尿管梗阻；磁共振成像，彌散；擴散加權(quán)成像；表觀擴散系數(shù)；腎；血液灌注；疾病模型，動物；大鼠，Sprague-Dawley

磁共振擴散加權(quán)成像（DWI）是一種無創(chuàng)性地反映活體組織內(nèi)部水分子擴散過程的檢查方法。20世紀80年代末，Le Bihan 等[1]提出體素內(nèi)不相干運動（intravoxel incoherent motion, IVIM）理論，并在表觀擴散系數(shù)（ADC）的基礎(chǔ)上使用雙指數(shù)模型獲得灌注分數(shù)f及組織純擴散系數(shù)D。急性尿路梗阻早期，腎臟通過代償機制可以維持腎的正常功能，隨后腎功能開始出現(xiàn)不可逆損傷，采用無創(chuàng)性的影像學方法發(fā)現(xiàn)和評估梗阻性腎病早期腎損害具有潛在的臨床應(yīng)用價值。盡管目前應(yīng)用ADC值評估腎臟疾病的研究很多[2-7]，但利用DWI雙指數(shù)模型評估梗阻性腎病早期腎臟的動態(tài)改變鮮有報道。本研究通過比較單指數(shù)及雙指數(shù)模型評估單側(cè)輸尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction, UUO）后大鼠腎臟微灌注及擴散改變，嘗試利用DWI表現(xiàn)評估梗阻性腎病腎臟血流灌注和腎間質(zhì)水腫、間質(zhì)纖維化的早期進展過程，為其臨床早期診斷及治療提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 21只健康雄性SD大鼠購自北京農(nóng)業(yè)大學動物中心，動物合格證號2012-0001，體重240～360 g，平均（300±56）g，周齡12～20周，按照隨機數(shù)字表法平均分為7組，每組3只，隨機抽出1組作為對照組，其余6組結(jié)扎左側(cè)輸尿管近端建立UUO模型。經(jīng)大鼠腿部肌肉注射2%戊巴比妥鈉（0.2 ml/100 g）麻醉后，對照組與模型組大鼠分別于術(shù)前及術(shù)后6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、7 d行腎臟多b值DWI-IVIM檢查。

1.2 儀器與方法 使用GE HD750 3.0T MRI儀和5.0 cm孔徑動物線圈（江蘇萬康醫(yī)療科技有限公司）。多b值DWI使用回波平面成像序列（spin echo-echo planar imaging, SE-EPI），橫軸位采集雙腎區(qū)，TR 2000 ms，TE 101.2～111.4 ms，層厚3.0 mm，間隔0.5 mm，視野8.0 cm，矩陣128×128，激勵次數(shù)2，b值取0、20、40、60、80、100、140、180、240、300、 500、1000、1500 s/mm2，擴散敏感梯度場施加在X、Y、Z軸3個方向上。

1.3 ADC值與雙指數(shù)模型參數(shù)測量 將圖像傳輸至ADW 4.3工作站，首先利用Functiontools中MADC軟件多b值法單指數(shù)模型獲得ADC圖，然后利用雙指數(shù)模型獲得灌注分數(shù)f圖和純擴散系數(shù)D圖。雙指數(shù)模型計算公式：S(b)/S(0)=(1－f)·e-bD+f·e-b·(D*+D)，其中S(b)/S(0)為施加擴散梯度場后與施加前的信號強度比，D*為假擴散系數(shù)。選擇腎門水平作為測量平面，根據(jù)DWI(b=0)圖像劃分雙腎皮、髓質(zhì)，并測量上述各參數(shù)。選擇感興趣區(qū)時盡可能準確地包括層面內(nèi)全部腎皮質(zhì)及髓質(zhì)，腎髓質(zhì)不包括擴張的腎盂。

1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 17.0軟件，不同時間點患腎與健腎計量資料比較采用配對t檢驗，模型組與對照組比較采用成組t檢驗，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 雙腎ADC值的變化 UUO后各時間點患腎皮質(zhì)和髓質(zhì)ADC值均低于健腎（t=－9.809～－3.666、－8.703～－5.843, P＜0.01），見圖1、2。UUO后患腎皮、髓質(zhì)ADC值均出現(xiàn)波動，但除患腎皮質(zhì)ADC值3 d時減低外（t=2.236, P＜0.05），其余各時間點與對照組差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；除UUO后2 d和7 d外，其余各時間點健腎皮、髓質(zhì)ADC值均高于對照組（t=－10.030～－2.724, P＜0.05），見圖2。

2.2 雙腎f值的變化 UUO后各時間點患腎皮質(zhì)和髓質(zhì)f值均較健腎明顯下降（t=－6.418～－2.519, P＜0.05; t=－6.245～－3.408, P＜0.01）（圖1、3）。UUO后各時間點患腎皮質(zhì)f值較對照組明顯下降（t=2.553～7.984, P＜0.05），患腎髓質(zhì)f值僅UUO后12 h和7 d低于對照組（t=2.264、2.453, P＜0.05）（圖3）。健腎皮、髓質(zhì)f值較對照組變化均不顯著（P＞0.05），見圖3。

2.3 雙腎D值的變化 患腎髓質(zhì)D值僅UUO后2 d、3 d及7 d高于對照組及健腎（t=－4.069～－3.040、2.799～3.079, P＜0.05），見圖1、4。患腎皮質(zhì)D值除UUO后3 d外均高于對照組（t=－7.638～－3.007, P＜0.05）；健腎皮質(zhì)D值僅UUO后1 d、3 d及7 d高于對照組（t=－2.898、－2.462、－2.628, P＜0.05），健腎髓質(zhì)D值與對照組比較變化不顯著（P＞0.05），見圖4。

3 討論

急性尿路梗阻可以導致腎間質(zhì)纖維化，Chevalier等[8]報道大鼠腎纖維化于術(shù)后約1周出現(xiàn)，病理表現(xiàn)為腎小管擴張，腎間質(zhì)炎癥細胞浸潤及肌成纖維細胞增殖。功能MRI尤其是DWI對腎纖維化的評估具有潛在的應(yīng)用價值，但急性尿路梗阻后腎臟ADC值的變化存在爭議。Pedersen等[9]進行豬輸尿管梗阻腎DWI研究，發(fā)現(xiàn)急性尿路梗阻時患腎皮、髓質(zhì)ADC值下降，而慢性尿路梗阻時ADC值升高。Thoney等[7]研究發(fā)現(xiàn)，急性尿路梗阻患者僅患腎髓質(zhì)ADC值輕度升高，患腎和健腎皮、髓質(zhì)ADC值均無明顯差異。Togao等[3]觀察大鼠UUO前及術(shù)后3 d、7 d患腎皮質(zhì)ADC值，發(fā)現(xiàn)UUO后患腎皮質(zhì)ADC值明顯下降。本研究發(fā)現(xiàn)，UUO后大鼠患腎皮質(zhì)和髓質(zhì)ADC值較健側(cè)明顯減小，但與對照組相比無顯著變化，可能與選取不同b值有關(guān)。目前廣泛應(yīng)用的單指數(shù)DWI獲取的ADC值主要受組織內(nèi)水分子運動及血管內(nèi)分子運動（即灌注）的影響，Togao等[3]采用350 s/mm2以上高b值，測量ADC值受灌注的影響減小。本研究為比較單指數(shù)模型與雙指數(shù)模型的差異，采用較多低b值，12個b值中有7個低于200 s/mm2，使得患腎ADC值可能受UUO后微灌注減低的影響[10]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)健腎ADC值較對照組增高，可能與患腎腎功能下降后健腎微灌注代償性增加有關(guān)。

圖1 對照組和左腎UUO后2 d大鼠雙腎ADC圖、f圖和D圖。A、E分別為對照組和左腎UUO后2 d大鼠DWI圖像（b=0）及腎皮、髓質(zhì)ROI（紫色線）；B～D和F～H分別為與A圖和E圖同層面的ADC值、f值及D值偽彩圖；左腎皮、髓質(zhì)顯示藍色區(qū)域的ADC值分別為0.45×10-3mm2/s、0.43×10-3mm2/s，明顯低于顯示為藍綠混合區(qū)域的右腎皮、髓質(zhì)ADC值0.78×10-3mm2/s、0.72×10-3mm2/s（F），而與對照組B圖雙腎皮、髓質(zhì)平均ADC值0.58×10-3mm2/s、0.45×10-3mm2/s（B）無明顯變化；左腎皮、髓質(zhì)顯示為紅黑混合區(qū)域的f值分別為34.8%、27.2%，明顯低于顯示為紅色區(qū)域的右腎皮、髓質(zhì)f值65.9%、60.2%（G），且左腎皮質(zhì)f值明顯低于對照組雙腎皮質(zhì)平均f值63.9%（C），而右腎皮質(zhì)f值與對照組f值60.2%（C）無明顯變化；左腎髓質(zhì)顯示為黃綠混合區(qū)域的D值為1.42×10-3mm2/s，明顯高于顯示為藍色為主區(qū)域的右腎髓質(zhì)D值0.53×10-3mm2/s（H），且高于對照組雙腎髓質(zhì)D值1.25×10-3mm2/s（D）

圖2 大鼠UUO后不同時間點患腎和健腎皮、髓質(zhì)ADC值的變化。與對照組比較，*P＜0.05，**P＜0.01

圖3 大鼠UUO后不同時間點患腎和健腎皮、髓質(zhì)f值的變化。與對照組比較，*P＜0.05，**P＜0.01

圖4 大鼠UUO后不同時間點患腎和健腎皮、髓質(zhì)D值的變化。與對照組比較，*P＜0.05，**P＜0.01

盡管高b值DWI獲得的ADC值很接近單純擴散系數(shù)，但灌注的影響因素仍難以完全消除，根據(jù)IVIM原理，在活體組織中水分子的運動包括擴散（水分子布朗運動）和微循環(huán)灌注。為更好地描述水分子的運動，許多學者提出IVIM模型，其中雙指數(shù)模型應(yīng)用最廣泛，后者可以同時獲取反映細胞間及細胞內(nèi)分子運動的純擴散系數(shù)D、反映血管內(nèi)微灌注的灌注系數(shù)D*及灌注分數(shù)f。本研究即采用了雙指數(shù)模型評估UUO后腎實質(zhì)水分子擴散和微灌注改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，UUO后患腎皮質(zhì)f值明顯下降，健腎皮質(zhì)f值升高，而患腎髓質(zhì)f值僅在部分時間點低于正常，提示f值評估腎皮質(zhì)微灌注的價值大于髓質(zhì)。UUO后患腎皮質(zhì)f值下降，反映了腎臟超早期應(yīng)激反應(yīng)致交感神經(jīng)興奮，使腎血流量減少及近端小管和腎小球內(nèi)壓上升，導致腎小球濾過率減低。本研究發(fā)現(xiàn)，UUO后健腎皮質(zhì)f值升高，UUO后健腎病理改變的研究較少，一般認為UUO后健腎血流量代償性地增加，進而腎小球濾過率增加[11]，因此f值可以反映尿路梗阻早期腎臟微灌注的變化。本研究發(fā)現(xiàn)，UUO后2 d患腎髓質(zhì)D值開始升高，而健腎髓質(zhì)D值無明顯變化；患腎皮質(zhì)D值僅在部分時間點高于正常，提示D值評估腎髓質(zhì)擴散改變的價值大于皮質(zhì)。Thoney等[7]也發(fā)現(xiàn)急性尿路梗阻后患腎髓質(zhì)D值升高，推斷與腎盂壓力增高有關(guān)，可能還與腎小管擴張及腎間質(zhì)水腫有關(guān)。UUO后患腎髓質(zhì)ADC值與對照組比較無顯著差異，而D值于UUO后2 d開始上升，提示D值能夠較敏感地反映梗阻腎的擴散改變。

本研究的局限性：①MRI采集中采用腹部加壓控制呼吸運動，而未使用呼吸門控，雙腎上極層面運動偽影和磁敏感偽影嚴重，故本研究只測量腎門水平的DWI信號，既往研究報道腎上、下極及腎門水平的擴散加權(quán)系數(shù)不同[12-14]。②由于本實驗設(shè)計時間點較多，每組樣本量較小。③f值反映的是組織內(nèi)毛細血管的豐富程度[15]，而f值除了反映組織微灌注外，還反映了腎小管內(nèi)的液體流動[16]，因此f值的病理生理意義有待進一步證實。

總之，雙指數(shù)模型較單指數(shù)模型能夠更好地評估梗阻性腎病腎實質(zhì)擴散的改變，并可以反映腎皮質(zhì)微灌注的變化，是一種評估梗阻腎早期腎臟變化的潛在方法。

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（責任編輯 張春輝）

Diffusion and Microperfusion Changes in Rats with Unilateral Ureteral Obstruction Using Mono- and Bi-exponential Model Diffusion Weighted Imaging

PurposeTo investigate the potential of mono- and bi-exponential model diffusion weighted imaging (DWI) in evaluating kidney changes in diffusion and microperfusion in rats with unilateral ureteral obstruction (UUO).Materials and MethodsTwenty-one rats were divided into seven groups using random number table. There were one normal control group and six groups with UUO. UUO groups underwent DWI using multiple b-values (b=0, 20, 40, 60, 80, 100, 140, 180, 240, 300, 500, 1000 and 1500 s/mm2) presurgery and at 6 hours, 12 hours, 1 day, 2 days, 3 days and 7 days after surgically created UUO to obtain the ADC maps. Perfusion fraction f map and pure diffusion coeffcient D map were calculated using biexponential model. ADC, f and D values in the cortical and medullary regions were compared between diseased and contralateral kidneys at different time points.ResultsCortical and medullary ADCs in UUO kidneys were signifcantly lower than those of contralateral kidneys (t=－9.809-－3.666 and －8.703-－5.843, P＜0.01). At 3 days after surgery, cortical ADCs of UUO kidneys were lower than those of normal controls (t=2.236, P＜0.05). Cortical and medullary ADCs of contralateral kidneys were higher than those of normal controls at 6 hours, 12 hours, 1 day and 3 days after operation (t=－10.030-－2.724, P＜0.05). Compared with both normal controls and contralateral kidneys, there was significant decrease in cortical f values of UUO kidneys (t=2.553-7.984 and －6.418-－2.519, P＜0.05). The medullary f values of UUO kidneys were lower than those of contralateral kidneys (t=－6.245-－3.408, P＜0.01). This was lower than that of normal controls only at 12 hours and 7 days after surgery (t=2.264 and 2.453, P＜0.05). Cortical D values of UUO kidneys were higher than that of normal controls at 6 hours, 12 hours, 1 day, 2 days and 7 days after surgery (t=－7.638-－3.007, P＜0.05). The medullary D values of UUO kidneys were higher than those of contralateral kidneys and normal controls beginning at 2 days after surgery (t=－4.069-－3.040 and 2.799-3.079, P＜0.05). There was no significant difference in medullary D values between contralateral kidneys and normal controls. The cortical D values of contralateral kidneys were higher than those of normal controls at 1 day, 3 days and 7 days after surgery (t=－2.898, －2.462 and－2.628, P＜0.05).ConclusionBiexponential model is superior to monoexponential model in evaluating changes in parenchymal diffusion and microperfusion in obstructive nephropathy.

Ureteral obstruction; Diffusion magnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Apparent diffusion coefficient; Kidney; Hemoperfusion; Disease models, animal; Rats, sprague-dawley

天津醫(yī)科大學總醫(yī)院放射科 天津 300052

孫浩然

Department of Radiology, Tianjin Medical University General Hospital, Tianjin 300052, China

Address Correspondence to: SUN Haoran

E-mail: sunhaoran2006@hotmail.com

國家自然科學基金項目（81171316）。

R-33；R445.2

2013-12-24

修回日期：2014-04-20

中國醫(yī)學影像學雜志

2014年 第22卷 第5期：325-328

Chinese Journal of Medical Imaging

2014 Volume 22(5): 325-328

10.3969/j.issn.1005-5185.2014.05.002