磁共振DKI评估慢性肾脏病肾功能价值的初步研究

冒炜, 丁玉芹, 曾蒙苏, 傅彩霞, 丁小强, 周建军

慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)是指患者肾功能受损时间≥3个月，包括肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)正常或不正常的肾脏病理损伤、血尿或尿液成分异常以及影像学表现异常，或不明原因的GFR下降(<60 mL/min/1.73m2)大于3个月。CKD持续发展可引起慢性肾功能不全[1]。CKD已经成为全球性的社会公共健康问题之一，发病率逐年增加，近年来，我国的CKD发病率已经达到10.8%[2]。早期诊断CKD及精确评估肾功能损害程度对延缓CKD进展为终末期肾病具有重要意义[3]。临床评价肾功能常用的指标是通过血清学方法测量GFR，准确测量GFR对于明确CKD的分期、评估肾功能状态、评价治疗效果及调整治疗方案都具有重要的意义。已有研究证实磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)可用于评估CKD患者的肾功能[4-5]，而扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)在DWI的基础上采用非高斯扩散模型，峰度参数能反映水分子扩散非高斯位移偏离理想高斯分布的程度，从而更敏感地反映组织的微观结构和病理生理改变[6]，对肾脏磁共振功能成像的研究更有优势。本研究中，笔者旨在探讨DKI在评估CKD患者肾功能方面的临床应用价值。

材料与方法

1.临床资料

复旦大学附属中山医院伦理委员会批准了本研究，所有参与者检查前签署了知情同意书。

慢性肾脏病组：根据以下标准前瞻性将2019年12月-2020年12月在本院就诊的CKD患者纳入研究。纳入标准：⑴符合CKD的临床诊断标准[7]；⑵无MRI检查禁忌证；⑶无其它器官或系统的严重疾病；⑷肾脏超声检查显示无严重肾萎缩；⑸ MRI图像质量达到诊断要求。排除标准：⑴MRI图像质量未达到图像分析要求者；⑵因幽闭恐惧症或腹水等原因无法配合磁共振检查的患者；⑶存在影响肾脏DKI图像分析的疾病，如肾多发囊肿、肾肿瘤等。最终将70例CKD患者纳入本研究，男38例，女32例；年龄16～76岁，平均(49±15)岁。记录所有CKD患者MRI检查当日的血清肌酐(SCr)值，根据简化肾脏病饮食改善公式(modification of diet in renal disease，MDRD)计算估算肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)[8]：

eGFR=186×SCr-1.154×年龄-0.203×0.742(女性) (1)

肾脏病患者生存质量指导(kidney disease outcomes quality initiative，K-DOQI)中CKD的分期标准：1期，eGFR >90 mL/(min·1.73m2)；2期，eGFR 60～89 mL/(min·1.73m2)；3期，eGFR 30～59 mL/(min·1.73m2)；4期，eGFR 15～29 mL/(min·1.73m2)；5期，eGFR<15 mL/(min·1.73m2)[9]。根据此分期标准，将本研究中的CKD患者分为2个亚组：轻度肾损害组为eGFR≥60 mL/(min·1.73m2)，包括1期19例、2期25例；中重度肾损害组为eGFR<60 mL/(min·1.73m2)，包括3期19例、4期5例和5期2例。

对照组：招募20例健康志愿者纳入对照组，男11例，女9例；年龄26～72岁，平均(41±16)岁。所有志愿者既往无肾脏相关疾病史和高血压、糖尿病、系统性红斑狼疮等可能影响肾功能的病史，近期未服用肾毒性药物，血清肌酐和尿素氮均在正常值范围内，双肾影像学检查无阳性发现。

2.MRI检查方法

磁共振检查使用Siemens Magnetom Aera 1.5T MR扫描仪和18通道腹部相控阵表面线圈。所有受检者行磁共振常规序列和DKI检查，检查前要求受试者禁食、禁水至少4 h，并嘱其保持均匀的呼吸幅度和频率。常规MRI序列：⑴半傅立叶采集单次激发快速自旋回波序列冠状面T2WI，TR 1400.00 ms，TE 92.00 ms，层厚5.0 mm，层距1.0 mm,带宽698 Hz，视野380 mm×380 mm；⑵脂肪抑制容积内插屏气扫描序列冠状面、横轴面T1WI，TR 4.36 ms，TE 2.00 ms，层厚5.0 mm，层距1.0 mm，带宽400 Hz，视野380 mm×380 mm。DKI采用单次激发自旋平面回波成像(single shot echo planar imaging，SS-EPI)序列，以肾门水平为中心，自由呼吸状态下行冠状面扫描，扫描参数：TR 7300.00 ms，TE 66.00 ms，层厚5.0 mm，带宽1698 Hz，视野380 mm×380 mm，b=0、500、1000、1500、2000和2500 s/mm2。

3.图像后处理和分析

在不知晓受试者临床资料的前提下，由2位经验丰富的放射科医师进行数据的采集、处理及分析，并且评估两者测量结果的一致性，然后取2位医师测量结果的平均值用于后续的统计学分析。使用专用后处理软件Siemens Body Diffusion Toolbox完成DKI原始图像的后处理及数据测量。根据非高斯扩散模型及公式(1)计算生成平均扩散系数(mean diffusivity，MD)图和平均峰度(mean kurtosis，MK)图：

S(b)=S0·exp (-b·D+b2·D2·K/6)

(2)

其中，S(b)为在设定b值的DKI图像上的信号强度，S0为b=0 s/mm2图像上的信号强度，D为扩散系数，K为峰度。

MD反映的是水分子整体的扩散水平，MK反映的是水分子扩散非高斯位移偏离理想高斯分布的程度。我们将右肾作为测量的靶器官，这是因为左肾受呼吸运动及心脏大血管搏动的影响更大[10]。以抑脂T1WI和T2WI冠状面图像为参考，确定肾脏皮质和髓质的分布，避开肾窦组织及伪影，在近肾门水平层面的DKI图像(b=0 s/mm2)上，分别于肾脏的上极、中极和下极的皮质和髓质手动勾画1个感兴趣区(region of interest，ROI)，共6个ROI(皮质3个和髓质3个)，每个ROI的面积大于5个像素，然后将ROI复制到相同层面的MD和MK图上，测量肾、皮髓质的MD和MK值。

4.统计学分析

统计学分析使用SPSS 22.0和MedCalc 15.8软件。计量资料以均数±标准差的形式表示。各组受试者肾脏皮质和髓质的DKI参数值的比较采用配对样本t检验，采用单因素方差分析比较3组受试者肾脏皮质和髓质DKI参数值的差异，进一步采用LSD法进行组间两两比较。CKD患者肾脏皮质和髓质DKI参数值与eGFR之间相关性的评估采用Pearson相关性分析，|r|<0.3为低度相关，0.3≤|r|<0.7 为中度相关，0.7≤|r|<1.0为高度相关。采用ROC曲线评估DKI参数值对轻度组与中重度肾损害组及轻度肾损害组与对照组的鉴别诊断效能。对2位医师测量结果一致性的评估采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)，ICC值>0.75为一致性好。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

本研究中所有受试者获得了质量较好的DKI图像，肾脏形态正常，肾皮质和髓质显示清晰(图1)。

图1 对照组受试者的DKI参数图，显示肾脏形态正常，肾皮质和髓质显示清晰。a)平均扩散系数图；b)平均峰度图。

1.两位医师测量结果的一致性

两位医师测量的肾脏皮质和髓质的MD和MK值的一致性均较好。测量的皮质MD及MK值的ICC值分别为0.914(95%CI：0.872～0.943)和0.970(95%CI：0.955～0.980)，测量的髓质MD及MK值的ICC值分别为0.911(95%CI：0.868～0.941)和0.916(95%CI：0.875～0.944)。

2.DKI参数值的测量结果及比较

对照组、轻度肾损害组及中重度肾损害组的肾皮质和髓质MD和MK值及组间比较结果见表1。三组的肾皮质MD值均明显高于肾髓质，而肾髓质的MK值均高于肾皮质，差异均有统计学意义(P<0.05)。三组之间肾皮质和髓质的MD值的差异均有统计学意义(F=45.729，P<0.01；F=32.345，P<0.01)；三组之间肾皮质和髓质的MK值的差异均有统计学意义(F=61.414，P<0.01；F=52.588，P<0.01)。进一步组间两两比较，对照组与轻度肾损害组之间，轻度肾损害组与中重度肾损害组之间，对照组与中重度肾损害组之间，肾皮质和髓质的MD和MK值的差异均有统计学意义(P<0.05)。

表1 各组受试者之间肾皮质和髓质MD和MK值的比较

3.DKI参数值与eGFR的相关性

CKD患者肾皮质和髓质的MD值均与eGFR呈中度正相关(r=0.684，P<0.01；r=0.451，P<0.01)；CKD患者肾皮质和髓质的MK值均与eGFR呈高度负相关(r=-0.757，P<0.01；r=-0.719，P<0.01)。

4.DKI参数值的诊断效能

皮质和髓质的MD和MK值鉴别轻度与中重度肾损害组、轻度肾损害组与对照组的诊断效能指标值见表2。轻度与中重度肾损害组的鉴别：以皮质MK值的ROC下面积最大(0.907)；皮质MD的截断值为2.51×10-3mm2/s或皮质MK的截断值为0.60时鉴别诊断的特异度最高，为95.5%；髓质MK的截断值为0.65时鉴别诊断的敏感度最高，为80.8%。

表2 DKI参数对肾功能损害的鉴别诊断效能

轻度肾损害组与对照组的鉴别：以髓质MD值的ROC下面积最大(0.851)；当髓质MK值的截断值为0.60时鉴别诊断的特异度最高，达100.0%；皮质MD的截断值2.76×10-3mm2/s或髓质MD的截断值为2.21×10-3mm2/s时鉴别诊断的敏感度最高，均为70.5%。

讨 论

CKD患者肾脏的主要病理学改变为肾小管萎缩、肾小球硬化及间质纤维化等，这些病理学变化不仅可以降低肾脏的血流灌注和含水量，还会进一步导致细胞外间隙中水分子的扩散受限，使得肾组织中水分子的扩散运动受到影响[4]。DWI可以通过评估组织内水分子扩散受限的程度来间接反映组织微观结构的改变[11]。DWI是基于体内水分子扩散运动呈高斯分布的假设，但实际上，组织微观结构是复杂的，诸如细胞间隙、细胞膜和细胞器等结构会导致组织内水分子扩散运动偏离高斯分布的模式[6]，而DKI以非高斯模型为基础，能反映组织内水分子扩散运动偏离高斯分布的程度[12]，从而能更准确地评估肾功能的改变。此外，有研究者认为当b<400 s/mm2时，DKI成像会受到体素内不相干运动效应的影响[13]。因此，本研究中我们采用的一组b值中除0 s/mm2之外，其它b值均大于400 s/mm2，从而尽量避免血流灌注对参数值测量的影响。

1.肾脏皮、髓质间DKI参数值的差异

肾脏皮质的血流灌注比肾髓质丰富，水分子扩散运动更为活跃，而且肾髓质内集合管和肾小管的排列具有显著的方向性[14]，结构比肾皮质更为复杂，肾髓质内管壁等多种因素会限制水分子的扩散运动，使得水分子扩散运动相对于高斯分布偏离地更明显，因此理论上肾皮质的MD值大于肾髓质，而肾髓质的MK值大于肾皮质。本研究结果显示，三组受试者的肾皮质MD值均高于肾髓质，而肾皮质的MK值低于肾髓质，差异均有统计学意义(P<0.01)，本研究结果与既往的研究结果基本一致[15-16]。

2.CKD患者肾脏DKI参数值的变化

魏伟等[17]通过研究发现，糖尿病患者肾实质的MD值低于健康志愿者，而肾实质的MK值高于健康志愿者，差异均有统计学意义(P<0.05)。与此类似的是，我们的研究结果显示轻度、中重度肾损害组肾皮质和髓质的MD值均明显低于对照组，而MK值均明显高于对照组，差异均有统计学意义(P<0.05)。CKD患者的上述表现可能是因为肾脏所发生的一系列病理学改变所致，包括肾间质纤维化、肾小球硬化和肾小管萎缩等，不仅导致肾脏的血流灌注和含水量减少[4]，而且导致肾组织微观结构更加复杂，限制水分子扩散运动的同时也使得扩散位移偏离高斯分布的程度更显著。不仅如此，我们还发现，与轻度肾损害组相比，中重度肾损害组皮质和髓质的MD值明显减低，而MK值明显增高。Liu等[18]采用DKI评估IgA肾病肾功能时发现，中重度肾损害组肾皮质MK值明显高于轻度肾损害组，而两者肾皮质的MD值之间无明显差异。之所以上述研究结果与本研究结果存在一定的差异，我们认为可能与样本量大小、DKI参数的设置等因素有关。我们的研究在上述研究的基础上，不仅扩大了CKD患者的样本量，而且设置了对照组，同时测量了肾皮质和髓质的MD和MK值，得出的结果和结论应该更具有代表性。此外，Zhou等[15]采用DKI评估糖尿病肾病大鼠的研究发现，患有糖尿病肾病的大鼠肾皮髓质MK值明显高于健康大鼠，而肾皮髓质MD值明显低于健康大鼠。这与我们的研究结果类似。Li等[19]利用单侧输尿管结扎大鼠进行DKI评估肾纤维化的研究发现，随着肾纤维化的进展，大鼠肾皮髓质的MD值会逐渐降低。综合以上研究和我们研究的结果，似乎可以提示随着肾功能的不断衰退，水分子扩散运动的受限及扩散位移偏离高斯分布的程度会进一步加深，从而导致肾皮髓质MK值增高，MD值降低。

3.CKD肾脏eGFR与DKI参数值的关系

我们的研究发现CKD患者肾皮髓质MD值低于对照组，而肾皮髓质MK值高于对照组；并且轻度肾损害组与中重度肾损害组间肾皮髓质MD及MK值的差异均有统计学意义。Liu等[18]采用DKI评估IgA肾病肾功能时发现，肾皮质的MK值与eGFR呈高度负相关关系，与此类似的是，本研究结果显示CKD患者肾皮质和髓质的MD值与eGFR呈中度正相关关系，肾皮质和髓质的MK值与eGFR呈高度负相关关系。这些结果提示肾脏DKI可以用于评估CKD患者的肾功能。

4.DKI参数评估肾功能损害程度的诊断效能

本研究结果显示，鉴别轻度与中重度肾损害组，以肾皮质MK值的ROC下面积最大；而鉴别轻度肾损害组与对照组，以髓质MD值的ROC下面积最大。与本研究结果类似的是，Liu等[18]的研究结果亦显示肾皮质MK值鉴别轻度与重度肾小球硬化的ROC下面积最大。而魏伟等[17]通过研究发现，肾实质MK值鉴别早期糖尿病肾病患者与健康志愿者的ROC下面积最大。我们认为可能是因为他们的研究测量的是肾实质的DKI参数值，未将肾皮质和髓质分开测量，从而导致研究结果与我们的结果间存在差异。综上所述，我们的研究结果显示DKI不仅可以用来诊断轻度肾损害(早期CKD)患者，还可以用于评估CKD的分期。

5.本研究的优势和局限性

本研究的优势有以下几个方面：首先，组织微观结构的复杂性(细胞间隙、细胞膜和细胞器等)会导致组织内水分子扩散运动呈非高斯分布的模式，而传统的DWI技术是基于体内水分子扩散运动呈高斯分布的假设，所以本研究中采用的是DKI技术，较DWI能更准确地反映肾组织内水分子的扩散运动情况，本研究结果相比于以往的采用DWI评估慢性肾脏病的研究结果应该更准确[4,20-21]；其次，本研究中采用的b值中除0 s/mm2之外，其它均大于400 s/mm2，从而尽量避免了血流灌注对参数值测量的影响，相对于其它肾脏DKI的研究[22]，本研究中DKI参数的测量值应该更精确；最后，本研究中设置了健康对照组，相比于以往DKI评估肾脏病的研究[18]，本研究的结论应该更具代表性和适用性。

当然，本研究也存在局限性：首先，本研究缺少CKD患者肾脏穿刺活检的病理结果，未能研究DKI评估CKD病理分型的价值；其次，本研究的样本量不足，未能将CKD患者按1～5期进行分组研究。

综上所述，DKI可以为CKD肾功能的评估提供有价值的信息。