任 濤 陳麗華 沈 文

動脈自旋標記MRI技術在腎臟疾病中的研究進展

任 濤 陳麗華 沈 文*

動脈自旋標記（ASL）MRI是將動脈血質子作為內源性示蹤劑，無創(chuàng)性地觀測血流灌注情況的MR檢查技術，可以提供相應血流動力學信息，為臨床治療和科研提供一種新方法。目前腎臟ASL MRI的臨床研究不斷增多，主要見于腎動脈狹窄、急性腎損傷、腎臟實質性腫塊以及移植腎等的研究。就腎臟ASL MRI的基本原理及其在腎臟疾病診斷中的研究進展予以綜述。

腎臟；動脈自旋標記；磁共振成像；原理；功能成像

Int J Med Radiol，2015，38（3）：237-241

腎臟是維持機體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的最重要器官之一，機體代謝終產物和多余的水分均經其排泄，對維持機體水、電解質動態(tài)平衡十分重要。腎臟疾病可以造成腎功能不同程度的損害，通過監(jiān)測腎功能的變化可以評價疾病程度，指導臨床治療及判斷預后。目前臨床常用的無創(chuàng)性監(jiān)測和評價腎功能的檢查方法很多，包括生化學檢查如血清肌酐（serum creatinine，SCr）的測定、超聲、核素顯像、CT、靜脈尿路造影以及常規(guī)MRI等，但均存在一定的不足[1]。腎臟血流灌注豐富，腎臟疾病多有血供的改變，而動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）MRI可以反映組織的血流灌注情況，從而了解組織的血供情況，獲得其他檢查無法提供的信息。ASL MRI是將動脈血中的自由水質子作為內源性示蹤劑，能夠快速、安全、無創(chuàng)、定量測量感興趣器官的灌注水平[2-3]，已廣泛應用于顱腦血管灌注成像[4-6]。隨著MR技術的發(fā)展，ASL MRI在腎臟疾病診斷中的應用也逐漸增多，本文對其基本原理及在腎臟疾病診斷中的應用進行綜述。

1 ASL MRI的基本原理與成像序列

1.1 原理 ASL是一種無創(chuàng)性的灌注測量技術，它利用動脈血中的自由水質子作為內源性示蹤劑，在興趣區(qū)上游通過射頻脈沖 （pulsed radiofrequency，RF）標記動脈血中水質子，經過一個從標記區(qū)到興趣區(qū)的反轉時間（inversion time，TI）后，標記水與組織水進行交換，引起組織T1值或磁化率的變化，采集得到標記影像；然后采集對照影像，將對照影像與標記影像相減獲得灌注影像，影像的信號強度與灌注強度成正比[7-8]。

1.2 ASL MRI成像序列 流入的動脈血可以被連續(xù)或間斷標記，根據質子標記方法的不同，ASL分為3類[7]：①連續(xù)動脈自旋標記（continuous arterial spin labeling，CASL）；②脈沖動脈自旋標記（pulsed arterial spin labeling，PASL）；③假連續(xù)動脈自旋標記（pseudo-continuous arterial spin labeling，pCASL）。CASL采用持續(xù)的梯度反轉標記血流，標記更為充分，但對硬件的要求較高 （如磁場梯度及線圈技術），較難在臨床設備上實現，目前多用于腦功能分析；而腎臟灌注成像多采用PASL中的血流敏感交替反轉恢復 (flow-sensitive alternating inversion recovery，FAIR)序列聯合其他數據采集技術[9-12]。

2 腎臟ASL MR成像序列

FAIR標記的方法是利用選層的反轉恢復脈沖對成像層面進行射頻激發(fā)，即同層標記、同層掃描，使其產生與掃描層面內的質子不同的相位，起到標記動脈血的效果。在采集標記影像時應用非選擇性反轉恢復脈沖和層面選擇梯度，而在采集對照影像時采用選擇性反轉恢復脈沖。經過合理的TI，反轉血流被未反轉的新鮮血流完全代替而流出成像層面，此時采集標記影像，再與未標記的影像相減即得到動脈血流入掃描層面的灌注信息，經過影像后處理可獲得僅有血流灌注信息的功能影像，從而起到內源性示蹤劑的作用[13]。

FAIR序列聯合較多的數據采集技術是真實穩(wěn)態(tài)進動快速成像 （true fast image with steady-state precession，true FISP）序列（Siemens公司）[10,14-18]，GE公司稱之為FIESTA（fast imaging employing steadystate acquisition）序列[9]，其所有的梯度是均勻、平衡的，灌注信號來源于血管內處于穩(wěn)態(tài)的低速血流。在RF激勵時施加頻率編碼梯度場和層面選擇梯度場可引起流速補償，不會改變沿頻率編碼和層面選擇方向以恒定速率自旋的質子相位，主要聚焦在橫向磁化上，所以信號清晰且飽和效應小。此外，該序列回波時間短，減少了信號的丟失，獲得的影像信噪比（signal to noise ratio，SNR）高，磁敏感偽影小，并且對局部磁場不均勻性較不敏感，相位方向上的空間分辨力高。與平面回波 （echo planar imaging，EPI）-FAIR序列[19]相比，FAIR true FISP序列具有更高的空間分辨力及較小的影像畸變。Kiefer等[10]報道FAIR true FISP序列的灌注影像顯示腎皮質的灌注水平高，而顯示髓質的灌注水平低，且對腎臟灌注水平的評估具有穩(wěn)定作用。有研究[20]顯示，應用交替射頻脈沖的信號標記技術（signal targeting with alternating radiofrequency，STAR）聯合快速小角度激發(fā)（fast low angle shot,FLASH）序列（激發(fā)角度α=4°）采集信號，可以減少偽影。也有研究者[21-23]應用pCASL研究腎臟疾病，其原理是限制了RF的持續(xù)時間，使CASL接近于應用幾個RF的ASL。

3 腎臟ASL MRI的應用

3.1 正常腎臟ASL MRI的可行性 腎臟是富血供器官，靜息狀態(tài)下成人腎臟的血流灌注占心輸出量的20%～25%，但腎實質不同部位的血供不均，其中約94%的血流供應腎皮質，剩余約6%的血流供應髓質。腎臟的這些生理特點決定著它的灌注特點，即皮質高灌注，而髓質灌注水平低于皮質。然而，各項研究測得的灌注水平有所不同，腎皮質腎血流量（renal blood flow,RBF）為197～427 mL/（min·100 g）[3,12,23-27]，腎髓質RBF為85～126 mL/（min·100 g）[12,23-24,26]。這可能與研究中所使用的MR設備類型、ASL序列、參數設置、后處理技術以及是否在采集平面內包含大血管血液等流動質子密切相關[19,26]。

一項動物實驗研究顯示，ASL MRI測量的腎臟灌注水平與熒光微球體測量的灌注水平具有很好的相關性，表明無創(chuàng)性的ASL MRI技術可以反映腎臟的生理變化[13]。Artz等[24]通過對24名腎功能穩(wěn)定的健康志愿者進行FAIR-ASL研究，結果表明，在不同檢查日期或同一天的不同時間，皮質的血流灌注水平沒有發(fā)生明顯變化，表明皮質的生理情況沒有發(fā)生變異，具有很好的可重復性。另外，有研究者[23]應用pCASL進行研究，表明髓質的灌注測量亦具有可重復性，但是其受到低SNR、低對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)的影響，重復性不如皮質好。而Cutajar等[3]的研究表明，ASL在短期和長期內對于腎皮質及腎實質灌注水平測量均具有可重復性。Gillis等[25]的研究也證實ASL MRI可重復性測量腎臟灌注，意味著ASL能夠可靠地縱向評估腎臟血流灌注水平，進而評估腎功能情況。

3.2 腎臟病變中的應用

3.2.1 腎動脈狹窄 （renal artery stenosis，RAS） 明確腎血管疾病的程度對于臨床治療方案的選擇非常重要，尤其對于中度RAS的病人，臨床干預是很有價值的。一系列有關RAS病人腎功能損害的研究均采用外源性對比劑，但是均存在一定的風險，包括過敏反應和放射性等[28-29]。RAS病變輕重程度不同，引起腎臟灌注降低的程度亦不同，因此能否無創(chuàng)地檢測RAS的程度非常重要。有研究者[30]采用FAIR true FISP序列定量測定RAS病人及健康志愿者腎臟灌注參數，結果顯示輕、中度RAS（管腔狹窄≤70%）的灌注水平沒有發(fā)生明顯變化，但重度RAS（管腔狹窄＞70%）的灌注水平與無或輕、中度RAS病人的灌注水平間有顯著差異，且灌注水平與狹窄程度呈顯著負相關，FAIR序列所得數據與單光子發(fā)射體層成像 （single photon emission computed tomography，SPECT）所測灌注值呈高度正相關。Berr等[31]的研究表明，ASL測量血管的狹窄程度與常規(guī)血管造影測得的狹窄程度具有很好的相關性，ASL可用來篩查和隨訪腎動脈疾病。

3.2.2 急性腎損傷 （acute kidney injury,AKI） AKI是一組臨床綜合征，也稱急性腎功能衰竭是以腎臟功能的急劇喪失和代謝終產物（如尿素氮、SCr）的聚集為特征，最終導致慢性腎臟疾病、終末期腎病，甚至死亡。其主要發(fā)病機制是RBF的減少。臨床診斷AKI依據實驗室檢查指標，即SCr及尿素的沉積，但對于早期AKI，其敏感度和特異度均較低；另外，上述實驗室檢查指標不能反映出腎小球濾過率（glomerular filtration rate，GFR）的動態(tài)變化。而其他生物學標志物的研究能早期診斷AKI并反映GFR的動態(tài)變化，但它們的臨床實用性有待進一步證實[32-34]。而Dong等[12]應用ASL序列量化分析AKI病人的RBF，研究表明FAIR-單次激發(fā)快速自旋回波（FAIR-single shot fast spin echo，FAIR-SSFSE）序列可以對健康志愿者和AKI病人進行可靠的量化分析，指出AKI腎臟皮髓質的RBF均明顯降低 （P＜0．01），且AKI病人腎臟皮髓質的RBF與SCr濃度無相關性，而健康志愿者腎皮質的RBF與SCr濃度呈明顯正相關。近年有研究者[35]通過ASL動態(tài)監(jiān)測腎灌注損傷大鼠的實驗研究也表明，ASL能夠評估AKI后腎臟灌注情況，且與腎臟體積損失、腎小管損傷程度等組織學變化相關；另外，腎臟皮、髓質及全腎RBF的降低具有潛在診斷AKI的價值。因此，ASL可作為一種無創(chuàng)性的生物學標記，有助于早期診斷AKI。

3.2.3 腎臟實質性腫塊 血管的生成在腫瘤發(fā)展和惡性腫瘤的轉移中起關鍵作用，腎臟血流的測量對腎臟腫瘤的治療及預后極其重要。目前臨床診斷腫瘤性質主要依靠增強CT或者增強MRI，但是碘對比劑的腎毒性以及釓對比劑的腎源性系統(tǒng)性纖維化(nephrogenic systemic fibrosis，NSF)的風險限制了其在腎功能損害病人中的應用[36-37]。Pedrosa等[38]對腎功能損害病人腎臟腫塊血管評估的研究認為，富血供腎臟腫塊的信號比乏血供腫塊（比如出血性囊腫）的要高，在ASL MR影像上更容易辨別富血供的腎臟腫塊血流；而當灌注水平低于噪聲貢獻水平的3個標準差時，乏血供腫塊的血流不易被檢測出來。該研究表明，腎功能受損病人用ASL MRI檢測腎臟腫塊血流是可行的，可以用來提示腫瘤。而ASL MRI對于乏血供腫塊的診斷價值較低，是與其對低血流的檢測敏感性低有關。另外，Lanzman等[21]對42例有腎實質腫塊病人進行ASL MRI檢查，分析檢測腎臟灌注水平與病理結果的相關性，表明ASL MRI可在灌注水平上區(qū)分和診斷不同病理類型的腎臟腫塊。腎嗜酸性細胞瘤的灌注水平比腎細胞癌(renal cell carcinoma，RCC)（乳頭型 RCC、嫌色RCC、未分類型RCC）的高，而乳頭型RCC的灌注水平低于其他亞型的RCC（透明RCC、嫌色RCC、未分類型RCC）和腎嗜酸性細胞瘤。相關動物實驗[39]也證實，腎臟ASL MRI可提供有關RCC腫瘤活性的相關信息，采用ASL MRI分析治療前后RBF的變化，有助于對療效進行早期評估，并且可以預測遠期的治療效果。表明腎臟ASL MRI對RCC的診斷和療效評估有重要的臨床價值。

3.2.4 移植腎 腎移植是終末期腎病最有效的治療方法，而術后早期并發(fā)癥中急性排斥反應（acute rejection，AR）是影響移植腎存活的重要因素，AR的早期診斷和處理決定著腎移植的成敗，而AR和急性腎小管壞死（acute tubular necrosis，ATN）是腎移植術后導致移植腎少尿或無尿的最常見原因，兩者臨床鑒別困難。雖然先前已有釓對比劑增強MRI研究證實了AR和ATN的灌注特點[40]，但有引發(fā)NSF的風險，尤其對于腎功能不良的腎移植病人。另有研究應用血氧水平依賴（blood oxygen level dependent，BOLD)MRI研究AR時移植腎的血氧情況，但不能區(qū)分血氧變化是由于腎臟灌注引起還是由于組織氧耗引起[41-43]；由于存在血供的影響，單純的腎臟組織內表觀自旋-自旋弛豫率（R2*）的測定有時不能完全代表氧的生物利用度情況。還有研究者[44-45]應用擴散加權成像（diffusion－weighted imaging，DWI）、擴散張量成像（diffusion－tensor imaging，DTI）研究移植腎功能，但均不能定量測量移植腎灌注水平。因此，無創(chuàng)性地評估AR與ATN的灌注特點、鑒別不同程度移植腎功能對于腎移植術后病人非常重要，可為臨床提供更多有價值的信息。

腎臟ASL MRI評估移植腎灌注情況最初由Lanzman等[17]提出，應用 FAIR-true FISP ASL MRI對6例術后4個月內移植腎功能穩(wěn)定者、7例術后3周內腎功能良好者以及7例術后急性腎功能減退者的腎臟灌注情況進行定量評價。研究結果顯示，3組皮質平均灌注值分別為 （304．8±34．4）mL/（min· 100 g）、（296．5±44．1）mL/（min·100 g）和 （181．9± 53．4）mL/（min·100 g），表明ASL有望成為平掃即可定量分析移植腎皮質灌注的技術。此后有研究者[26]對比評估自體腎和移植腎的灌注情況，提出估計腎小球濾過率 （estimated glomerular filtration rate，eGFR）≥60 mL/（min·1．73 m2）時，移植腎皮髓質的灌注水平均比自體腎明顯減少（P＜0．05），這可能是由于血流動力學改變或者是為了防止排斥反應而使用了鈣調磷酸酶使血管收縮的效應。而當eGRF＜60 mL/（min·1．73 m2）時，移植腎髓質的灌注水平比自體腎的低（P＜0．05）；并且移植腎與自體腎的皮質灌注水平均與eGRF呈正相關，而髓質的灌注水平均與eGFR無明顯相關性。表明ASL能夠檢測移植腎的灌注水平，有望成為臨床監(jiān)測腎功能的新技術。Heusch等[15]也進行了類似研究，分析比較1．5 T和3．0 T MRI對于不同程度腎功能不全的移植腎灌注水平的影響，結果表明1．5 T和3．0 T檢測的移植腎灌注水平間差異無統(tǒng)計學意義，輕、中度腎功能不全[慢性腎臟疾病1～3級，eGFR＞30 mL/（min·1．73 m2）]的腎移植病人的皮質灌注水平比重度腎功能不全的腎移植病人[慢性腎臟疾病4～5級，eGFR≤30 mL/ (min·1．73 m2）]的皮質灌注水平高，并且與eGFR均有相關性。此外，該研究還表明，當eGRF＜15 mL/（min·1．73 m2）和16 mL/（min·1．73 m2）＜eGRF≤30 mL/（min·1．73 m2）時，移植腎皮質灌注水平均比eGRF＞30 mL/（min·1．73 m2）時的低（P＜0．05）；而當eGRF＜15 mL/（min·1．73 m2）和16 mL/（min·1．73 m2）＜eGRF≤30 mL/（min·1．73 m2）時檢測到的移植腎皮質灌注水平差異無統(tǒng)計學意義；同樣地，當31 mL/（min·1．73 m2）＜eGFR≤45 mL/（min·1．73 m2）、46 mL/(min·1．73 m2)＜eGFR≤60 mL/（min·1．73 m2）或eGFR＞60 mL/（min·1．73 m2）時，所檢測到的移植腎皮質灌注水平差異亦無統(tǒng)計學意義。這為今后研究不同程度腎功能損害的移植腎灌注水平奠定了一定的基礎。

3.2.5 腎臟其他方面的應用 腎臟ASL MRI應用在慢性腎臟疾病的研究表明，輕、中度腎功能不全病人的腎皮質及腎實質的灌注水平較腎功能良好的腎臟均減低，這對于臨床動態(tài)監(jiān)測其進展具有重要意義[11]。腎臟ASL MRI還可用于評估上尿路結石病人體外沖擊波碎石術后的RBF[20]。

4 小結

目前ASL MRI的臨床應用仍受到技術等方面的限制，如ASL影像的SNR相對較低，具有磁敏感偽影，會影響RBF值的準確性；后處理計算RBF值時反轉時間值、T1值設定尚不統(tǒng)一，也會影響RBF值的準確性；測量數據需要手工繪制興趣區(qū)，其放置位置和形狀均會使RBF值發(fā)生偏差。此外，鄰近腸管會引起質子去相位，再加上部分容積效應，也會引起RBF值的偏差。

腎移植術后AR與ATN的血流灌注水平不同，應用ASL可定量測量灌注水平的特點，理論上是可以鑒別這兩種并發(fā)癥的，而Heusch等[15]應用ASL對不同程度腎功能的移植腎灌注水平的研究中只有2例AR病人，不能進行相關統(tǒng)計學分析，因而無法得出診斷閾值。因此，研究尚待進一步深入。另外，對于腎移植術后腎功能良好的病人 [eGFR≥60 mL/（min·1．73 m2）]，移植腎皮髓質的灌注水平均比自體腎明顯減少[26]，其具體原因是腎移植術后血流動力學的改變，還是為了防止排斥反應而使用了鈣調磷酸酶從而導致血管收縮的效應，ASL可能有助于分析。

隨著MR設備的不斷發(fā)展，研究不斷深入，目前ASL MRI作為唯一無創(chuàng)、定量評估腎臟灌注水平的方法，可以評估早期腎臟損害引起的血流灌注水平，預測潛在的可逆性腎臟損害及對腎臟損害治療的反應，更敏感地監(jiān)測腎功能，在腎臟疾病的研究與臨床應用中具有廣闊的前景。

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（收稿2014－09－22）

The research progress of ASL MRI in kidney diseases

REN Tao,CHEN Lihua,SHEN Wen.Department of Radiology,Tianjin Medical University First Central Hospital Institute,Tianjin 300192

Arterial spin labeling(ASL)MRI is capable of noninvasively measuring blood flow by tagging the protons in arterial blood.It can provide hemodynamic information,and has been applied in clinical treatment and research.The clinical studies of renal ASL MRI are continuously increasing,most of them focus on the renal artery stenosis,the acute kidney injury,solid renal masses and the transplanted renal.This review summarized the basic principle of kidney ASL MRI and the study progress in the diagnosis of kidney diseases.

Kidney;Arterial spin labeling;Magnetic resonance imaging;Principle;Functional imaging

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.03.Z0306

天津醫(yī)科大學一中心臨床學院放射科，天津 300192

沈文，E-mail:shenwen66happy@163.com

*審校者