基于纹理分析的MRI 功能成像评价急性肾损伤的实验研究

丁玖乐，沙圆圆，孙笑芬，邢 伟

（苏州大学附属第三医院影像科，江苏 常州 213003）

急性肾损伤是临床常见病之一，但缺少可靠的有效评价方式。肾功能血清学指标的特异性较高，但敏感性不高（＞50%肾功能丧失）［1-2］。肾损伤过程常伴随肾组织缺氧状态［3］、水分子运动状态和组织内微结构的改变［1］，这些改变构成了MRI 功能成像的基础，使MRI 功能成像有潜力成为评价肾损伤的方法之一。血氧水平依赖成像（blood oxygen level-dependent，BOLD）和DWI 可通过不同的成像机制反映肾损伤程度［4-6］。纹理分析通过一定的图像处理技术提取图像特征，在肿瘤患者的预后、淋巴结的鉴别诊断、心肌梗死的诊断等方面均表现出较好的临床应用前景［7-9］，但缺乏在评价急性肾损伤方面的研究报道。因此，本研究采用急性肾损伤动物模型，以病理结果为金标准，采用DWI 和BOLD 成像，联合纹理分析手段，比较MRI 不同功能成像方法评价药物性急性肾损伤损伤程度的价值。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组 选择66 只健康新西兰大白兔，2～3 个月龄，体质量1.8～2.5 kg，动物合格证号：SCXK 2014-0004，在普通环境下饲养，自由进食、进水。52 只作为实验组，给予肾毒性药物硫酸庆大霉素，剂量80 mg/kg 体质量，每日1 次肌内注射；14 只作为对照组，给予生理盐水，剂量80 mg/kg 体质量，每日1 次肌内注射。实验完成后心脏注射空气处死。本研究经我院伦理委员会批准（2016 科第010 号）。

1.2 MRI 检查 2 组在给药后第2～7 天行MRI 检查，检查当天禁食、禁水。采用Siemens Verio 3.0 T MRI 成像仪，采用5%戊巴比妥钠肌肉注射（剂量1 mL/kg 体质量）麻醉，20～30 min 后达到深麻醉状态时行MRI 成像。取左侧卧位，头先进，柔性腹部线圈采集信号。将相对位置较低的左肾推移至腹壁与左侧背部肌肉间，后对左侧肾脏行横断面DWI和BOLD 成像，层厚4 mm，层距0.4 mm。其他扫描参数：DWI 序列，TR 3 000 ms，TE 100 ms，视野63 mm×178 mm，矩阵78×220，翻转角90°，激励次数4，带宽758 Hz/pixel，b 值0、50、100、200、400 和800s/mm2。BOLD 成像TR 600ms，TE 4.92、9.84、17.22、22.14、27.06、31.98 ms，视野64 mm×129 mm，矩阵96×192，翻转角30°，激励次数3，带宽330 Hz/pixel。

1.3 组织病理学分析 以肾门为中心沿肾脏短轴切厚约3 mm 组织片，制成蜡块，采用PAS 染色。急性肾损伤程度采用半定量分级：0 级，正常；1 级，病变范围＜25%；2 级，炎性细胞浸润，纤维组织中度增生，病变范围25%～50%；3 级，聚集性的炎性细胞浸润，纤维组织增生呈束状、多灶，50%＜病变范围＜75%；4 级，大量弥漫的炎性细胞浸润，纤维组织增生成片分布，病变范围≥75%。病理学分析由2 位病理科医师共同协商完成。

1.4 图像分析 由2 位（观察者1、2）具有5 年以上工作经验、对实验研究目的未知的副主任医师进行图像分析。选取肾门中心的横断面图像（1 层）。ROI 勾画采用2 种方法：①手动法，分别在皮质、外髓质选取3 个ROI，计算其均值，代表肾皮质（cortex）、髓质（medulla）对应的功能成像的参数值。②纹理分析法，在功能图上勾画肾脏实质（不含内髓）的轮廓为ROI。

纹理分析采用开源软件Ibex 分析，采用灰度共生矩阵方法计算。BOLD 成像：Gray limits 0～100，Num levels 100，步长为1 个体素；ADC 图：Gray limits 0～2 100，Num levels 100，步长为1 个体素。选用5 个经典的纹理特征：Contrast、Correlation、Energy、Entropy和Homogeneity（无计量单位）。

1.5 统计学分析 使用Prism 5 和MedCalc 软件进行统计学分析。观察者1 对所有MRI 图像进行分析；观察者2 分析随机抽取的25 只实验兔的MRI 图像，仅用于评价观察者间的可重复性。2 位观察者间的可重复性分析采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）分析，当ICC＞0.75 时表示可重复性较好。各图像特征与病理学分级的相关性行非参数Spearman 检验。具有临床应用前景的图像特征需满足以下条件：①与肾损伤病理学分级的相关性系数r＞0.3 或＜-0.3；②2 位观察者间的可重复性较好（ICC＞0.75）。采用ROC 曲线比较图像特征，分析图像特征判别肾损伤程度的诊断效能，两两比较行Z 检验。

2 结果

2.1 病理学分级 对照组14 只，肾脏病理学评价均为0 级。实验组52 只在给药后第2～7 天行肾损伤病理学分级，其中0 级14 只，1 级17 只，2 级8 只，3 级4 只，4 级9 只。由于部分肾损伤分级的样本量有限，66 只分为3 组：无肾损伤组（0 级，28 只）、轻中度肾损伤组（1～2 级，25 只）和重度肾损伤组（3～4 级，13 只）。

2.2 肾脏MRI 成像手动法测量特征的筛选及可重复性分析 随着肾损伤程度加重，T2*图上的内髓带从蓝色变成淡绿色，皮质带从绿色变成淡黄色（图1）。在手动法分析中，仅2 个参数（ADCmedulla和BOLDcortex）与肾损伤病理分级存在线性相关性（r=-0.381，P=0.002；r=0.338，P=0.002）。2 位观察者手动法测量的ADCmedulla分别为1.651×10-3mm2/s［75%置信区间（75%CI）（1.509，1.744）］和1.536×10-3mm2/s［75%CI（1.637，1.704）］，观察者间ICC=0.853；2 位观察者测量的BOLDcortex分别是44.93［75%CI（33.72，47.76）］和42.14［75%CI（34.9，45.87）］，观察者间ICC=0.791，可重复性较好。

2.3 肾脏MRI 成像纹理分析特征的筛选及可重复性分析 在ADC 的纹理特征中，仅ADCCorrelation与病理学分级的r=0.391（P=0.001），但2 位观察者测量的ADCCorrelation分别是0.578×10-3mm2/s［75%CI（0.512，0.657）］和0.589×10-3mm2/s［75%CI（0.507，0.658）］，观察者间ICC=0.593，可重复性较差。

在BOLD 成像的纹理特征中，BOLDEnergy、BOLDHomogeneity与病理学分级的r 值分别为-0.313（P=0.01）和-0.362（P=0.002）。2 位观察者测量的BOLDHomogeneity分别是0.006 9［75%CI（0.005 5，0.008 3）］和0.006 8［75%CI（0.005 4，0.009 4）］，观察者间ICC=0.853；2 位观察者测量的BOLDEnergy分别是0.381［75%CI（0.342，0.422）］和0.385［75%CI（0.355，0.426）］，观察者间ICC=0.947。

2.4 肾脏MRI 功能图像定量特征的诊断效能比较（表1）BOLDEnergy和BOLDHomogeneity均可判别无肾损伤与轻中度肾损伤（均P＜0.05），且两者差异无统计学意义（Z=0.266，P=0.790）。ADCmedulla可判别轻中度与重度肾损伤，阈值为1.547×10-3mm2/s，敏感度84.0%，特异度84.6%。

表1 肾脏MRI 功能图像特征判别肾损伤程度的诊断效能比较

3 讨论

急性肾损伤动物模型有明确的组织病理学金标准，适合用于分析肾脏MRI 功能成像在评价肾脏或肾功能损伤中的价值。在对比剂急性肾损伤动物模型的BOLD 成像研究中，对比剂可引起早期、短暂的髓质R2*增大［10］，同时尿中的中性粒细胞明胶酶相关载脂蛋白水平增高，因此髓质R2*与肾小管上皮的损伤存在一定的关联性。本研究中，BOLD 成像的定量特征与肾损伤分级存在线性相关性，再次证实使用BOLD 成像评价肾损伤的可行性。

研究表明，在缺血性急性肾损伤动物模型（0～4周）中，ADC 值较对照组降低，且与肾损伤程度和肾纤维化程度有关联，反映了急性肾损伤的急、慢性病理变化过程，如组织水肿、炎性细胞浸润、间质纤维化［11］。在对比剂急性肾损伤动物模型研究中，肾髓质ADC 值在注射1 h 后明显降低，与组织学评分、乏氧诱导因子-1α（HIF-1α）和血管内皮生长因子相关性达0.65～0.81［12］。ADC 值降低的机制复杂，在急性肾损伤的早期主要是由于细胞毒性水肿，细胞内和细胞外水分子运动均受限，但在肾纤维化时也可表现为ADC 值的降低，主要是由于组织T2值降低。

在肾血管栓塞导致的急性肾损伤动物模型中，尽管BOLD 和ADC 均能判别重度和对照组，但仅BOLD 能判别对照组与中度肾损伤［13］。在对比剂急性肾损伤动物模型研究中，采用BOLD 成像评价，与组织学评分、HIF-1α 和血管内皮生长因子等的相关性达0.74～0.84，但未进一步比较ADC 及R2*的诊断效能［12］。本研究表明，DWI 适合评价中重度的肾损伤，而BOLD 更加适合评价早期的肾损伤，体现出两者在评价肾损伤方面的优势不同。

纹理分析法ROI 的范围更大，提取的图像信息比传统方法更全面。本研究中，对肾损伤的评价，基于纹理分析的BOLD 成像表现出较传统手动法更高的价值，但基于纹理分析的ADC 图并未表现出优越性。正常肾脏ADC 图的皮髓质对比度较差，在急性肾损伤过程中，纹理特征变化也不明显，所以纹理分析挖掘ADC 图评价急性肾损伤中的价值不能显现。随着计算机计算能力的不断增加，纹理分析可能会帮助我们更好地认识疾病的发生、发展和评估治疗后的反应。

本研究的不足之处：①肾损伤可表现在组织学、细胞、甚至蛋白水平的层面上，但本研究仅采用组织病理学诊断标准；②图像纹理分析的特征较多，常被应用于建立数学模型，但本研究因样本量有限，未采用组学模型；③纹理特征与分析软件、软件参数设置及成像设备等有关，因此本研究的纹理特征尚不能直接推广到临床实践中。

总之，DWI 和BOLD 均可评价急性肾损伤的损伤程度，其中手动法测量的DWI 特征更适合判别轻中度和重度急性肾损伤；基于纹理分析法的BOLD特征则在判别无肾损伤和轻中度急性肾损伤时更具优势。

图1 不同肾损伤程度的肾脏MRI 功能成像的典型图像。随着肾损伤程度的加重，肾脏ADC 图变化不明显，在T2*图上内髓带从蓝色变成淡绿色，皮质带从绿色变成淡黄色