時間-空間標記反轉脈沖技術在腎臟皮髓質分離中的應用及時間參數(shù)優(yōu)化

張 雙，郭曉山，雷 鷹，羅來龍，許敏豐，王少彬

[1.貴州醫(yī)科大學醫(yī)學影像學院,貴州 貴陽 550004；2.貴州醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院影像科，貴州 貴陽 550004；3.東芝醫(yī)療系統(tǒng)(中國)磁共振臨床應用部，4.研發(fā)中心，北京 100015]

時間-空間標記反轉脈沖技術在腎臟皮髓質分離中的應用及時間參數(shù)優(yōu)化

張 雙1，郭曉山2*，雷 鷹2，羅來龍3，許敏豐4，王少彬4

[1.貴州醫(yī)科大學醫(yī)學影像學院,貴州 貴陽 550004；2.貴州醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院影像科，貴州 貴陽 550004；3.東芝醫(yī)療系統(tǒng)(中國)磁共振臨床應用部，4.研發(fā)中心，北京 100015]

目的 探討磁共振時間—空間雙重標記反轉脈沖(T-SLIP)技術在腎臟皮髓質分離中的應用及顯示腎臟皮髓質分離最佳的黑血翻轉時間(BBTI)。方法 選擇健康志愿者60名，采用結合T-SLIP脈沖的穩(wěn)態(tài)自由進動序列(SSFP)行上腹部掃描。采用6個BBTI值(800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms)進行冠狀位T-SLIP SSFP序列掃描。采用4分法分析圖像質量，并通過圖像訓練算法自動分割腎臟皮髓質區(qū)域，分別計算皮髓質的信號強度(SI)，獲得不同BBTI值時腎臟皮髓質的相對信號強度比(SIR)，獲得最佳BBTI值。結果 BBTI值為1 200 ms時，圖像質量的評分最高。不同BBTI值時，SIR差異有統(tǒng)計學意義(P=0.013)，當BBTI為1 200 ms時，SIR值最大，腎皮髓質間SI對比最明顯。結論 T-SLIP技術可在不使用對比劑的情況下清晰顯示腎臟皮髓質，當BBTI值為1 200 ms時皮髓質分離顯示最好。

腎皮質；腎髓質；磁共振成像；時間—空間雙重標記反轉脈沖；黑血反轉時間

近年來，慢性腎病(chronic kidney disease, CKD)患者的發(fā)病率及患病率呈上升趨向，但多數(shù)CKD患者早期癥狀不明顯，起病隱匿，就診時腎功能已明顯下降。因此對CKD的早期準確診斷和評估尤為重要。研究[1-3]報道腎皮質厚度與腎功能密切相關，臨床可用腎皮質厚度間接反映腎臟濾過功能，作為評價腎臟濾過功能的一種補充方法。時間—空間雙重標記反轉脈沖(time-spatial labeling inversion pulse, T-SLIP)技術為新興的非增強MR成像技術，設定最佳黑血反轉時間(black blood inversion time, BBTI)是T-SLIP技術成功的關鍵。有報道[4]顯示T-SLIP技術可較好地分離腎皮質、髓質，且無需對比劑，適用于慢性腎臟病患者，但國內鮮見報道。本研究旨在探討T-SLIP技術應用于腎臟皮髓質分離中的可行性及顯示腎臟皮髓質分離的最佳BBTI。

1 資料與方法

1.1一般資料 2016年3月—8月間于我院招募60名健康志愿者，其中男20名，女40名，年齡17～71歲，平均(41.1±16.2)歲。志愿者均未服用腎臟損害藥物、無腎臟疾病、腎臟占位等，且無MR檢查禁忌證。本研究經(jīng)貴州醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院倫理委員會批準，所有受檢者均簽署知情同意書。

1.2儀器與方法 采用Toshiba Vantage Elan 1.5T MR掃描儀，體部相控陣線圈。受檢者取仰臥位，兩臂上舉抱頭，檢查前均進行呼吸訓練，囑受檢者盡量保持較均勻的呼吸節(jié)律。采用呼吸門控進行呼氣末觸發(fā)采集信號。先行冠狀位穩(wěn)態(tài)自由進動序列(SSFP)定位序列掃描，后聯(lián)合T-SLIP技術進行掃描。T-SLIP掃描定位見圖1，T-SLIP區(qū)包括雙腎整個區(qū)域，行單塊多層連續(xù)掃描，層厚8 mm，矩陣256×256；采集次數(shù)1；PE 2，TR 5.0 ms，TE 2.6 ms，BBTI采用800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms；FOV按體型而定。

1.3圖像評分 隨機抽取6名志愿者，以左腎為觀察對象，由3名經(jīng)驗豐富的MR醫(yī)師對腎臟皮髓質分離的圖像質量進行盲法評分。評分標準[5]：1分，圖像質量差，皮髓質分離模糊；2分，圖像質量一般，可識別皮髓質；3分，圖像質量良好，腎臟皮髓質分離尚清；4分，圖像質量優(yōu)秀，腎臟皮髓質分離清晰。

圖1 T-SLIP掃描定位示意圖 (灰粗線方框為信號采集區(qū)；白粗線方框為T-SLIP區(qū))

1.4圖像分離和相對信號強度比(signal intensity ratio, SIR)的計算 將目標腎臟圖像作為訓練集，通過形狀回歸算法[6]訓練獲取腎臟輪廓的分割模型。將不同BBTI值(800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms)獲得的腎臟圖像輸入該形狀回歸模型，分割整個腎臟，后經(jīng)局部水平集算法優(yōu)化腎臟分割結果，最后自動行腎臟皮質髓質分離，獲得腎臟皮質和髓質區(qū)，分別計算皮質區(qū)信號強度(SIcortex)和髓質區(qū)信號強度(SImedulla)，最后計算不同BBTI皮髓質的平均SIR：SIR=SIcortex/SImedulla。

2 結果

BBTI值為800 ms或1 800 ms時，皮質和髓質的信號差異不大，整體圖像模糊；當BBTI值為1 000、 1 200 ms時，圖像質量良好，腎皮質、髓質之間的信號形成鮮明的對比，分離尚清晰，其中BBTI值為1 200 ms的圖像質量最好，可清晰顯示腎臟皮質、髓質，皮髓質分離清晰；BBTI值為1 400、1 600 ms時，圖像質量一般，腎皮質、髓質之間的對比度逐漸下降，皮髓質分離不清晰。不同BBTI值腎皮髓質分離圖像見圖2。

圖2 志愿者女，22歲，不同BBTI值的皮髓質分離掃描圖像 A.BBTI為800 ms; B.BBTI為1 000 ms; C.BBTI為1 200 ms; D.BBTI為1 400 ms; E.BBTI為1 600 ms; F.BBTI為1 800 ms

3名醫(yī)師對不同BBTI值掃描圖像的評分差異無統(tǒng)計學意義(k=0.659，P>0.05)。BBTI值為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms時，圖像質量的秩和分別為2.94、8.14、9.47、6.28、3.72和3.25。圖像質量由低到高的BBTI值排序為800、1 800、1 600、1 400、1 000、1 200 ms。當BBTI值為1 200 ms時，圖像質量評分最高，但是同質量分集結果表明BBTI值為1 200 ms和1 000 ms的圖像質量差異無統(tǒng)計學意義(P=0.943)。

BBTI值為800、1 200、1 800 ms時，皮髓質自動分割圖像見圖3。不同BBTI值時，均能完成皮髓質的分離，BBTI值為1 200 ms時，皮髓質分界最為清晰，BBTI為800 ms和1 800 ms時，皮質和髓質的邊界不清，有信號模糊混淆的部位。

圖3 不同BBTI組皮髓質計算機自動分離結果，左側為腎皮質，右側為腎髓質 A. BBTI為800 ms; B. BBTI為1 200 ms; C.BBTI為1 800 ms

不同BBTI值時SIR差異有統(tǒng)計學意義(P=0.013)。BBTI值為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms時，SIR分別為1.62±0.31、1.64±0.32、1.68±0.25、1.61±0.20、1.58±0.21和1.52±0.15，BBTI值為1 200 ms和1 800 ms時，SIR差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，余兩兩比較差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。

3 討論

3.1T-SLIP技術應用于腎皮髓分離的成像原理 T-SLIP技術無需使用對比劑，可提供生理狀態(tài)下的血流信息，反映血流灌注變化[7]。不僅可一次檢查完成腎動脈的掃描，還可通過采用合適的BBTI完成對腎臟皮髓質分界，皮質厚度的測量可有效判斷腎功能損害情況。T-SLIP成像原理：對選定的腎臟區(qū)域施加一個連續(xù)的反轉脈沖TI，將區(qū)域內組織進行翻轉，經(jīng)BBTI后皮髓質組織由于T1值的不同，組織恢復呈明顯差異，從而可分離腎皮髓質。

3.2腎皮髓分離的方法及臨床意義 臨床評估腎功能常用腎小球濾過率(glomerular filtration rate, GFR)。影響GFR的主要因素為濾過膜面積，而影響濾過膜面積大小的主要因素是正常腎小球數(shù)量[8]，而腎皮質主要由腎小球組成，因此腎臟皮質的厚度與容積的變化與GFR的變化也必然存在一定的關系[9]。因此臨床可用腎皮質厚度反映腎臟濾過功能，但影像學測量腎皮質厚度的前提是分離腎皮髓質。

目前影像學分離腎皮髓質的方法中，彩色多普勒超聲成像具有無創(chuàng)、無輻射、方便、價廉等優(yōu)點，但應用于晚期慢性腎臟病患者，腎皮髓質界限模糊不清，且特異度和準確率較低[10]。多層螺旋CT增強掃描可分離腎皮髓質，但輻射劑量較大，且在檢查過程中需使用含碘對比劑，有進一步加重患者腎功能不全的風險[11]。非對比增強MRI顯示腎皮質、髓質信號間的差異甚小，腎皮髓質分離模糊，尤其對于腎功能不全者。對比增強MRI雖然無輻射，但使用的含釓對比劑會導致腎功能不全患者出現(xiàn)腎源性系統(tǒng)纖維化(nephrogenic systemic fibrosis, NSF)的風險以及會出現(xiàn)過敏反應[12]。

3.3T-SLIP技術分離腎皮髓質的可行性 國外已有研究[13]將T-SLIP應用于慢性腎臟病腎臟皮髓質的分離，但是國內鮮見報道。本研究采用不同的BBTI值進行無對比劑增強SSFP掃描，定性分析圖像質量并定量分析皮髓質SIR，旨在探討該技術應用于正常成人腎皮髓質分離的可行性，并獲得最佳翻轉時間。

有研究[5]顯示正常腎皮髓質分離的最佳BBTI值為1 000～1 300 ms；但當出現(xiàn)腎功能不全時，T1值增加，因而最適BBTI值延長，為1 400或1 500 ms。本研究設定BBTI值為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ms，圖像質量均良好，提示T-SLIP技術可在不使用對比劑的情況下顯示清楚腎皮髓質。

在1.5T MR掃描中，正常腎皮質的T1值約(966±58) ms，腎髓質的T1值約(1 412±58)ms[14]。當BBTI為1 200 ms時，在標記區(qū)內施加選擇性反轉恢復脈沖對縱向磁化矢量進行反轉時，短T1值使腎皮質在縱向磁化矢量恢復，呈高信號，而腎髓質尚未恢復，呈低信號。此時腎皮質信號和腎髓質的信號形成良好對比，從而可很好地分離腎皮髓質。但當T1值超過1 400 ms時，腎髓質的縱向磁化矢量逐漸恢復，信號逐漸增高，腎皮質和髓質之間的對比度逐漸下降。本研究定量結果顯示BBTI為1 200 ms時，SIR最大，且BBTI值為1 200 ms和 1 800 ms時，SIR差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；定性結果顯示，在BBTI為1 200 ms時，圖像質量評分最高，但同質量分集結果表明1 200 ms和1 000 ms的圖像質量相同。提示BBTI取值為1 000、1 200 ms時，圖像質量的評分基本一致，可作為最佳的BBTI值。

3.4局限性 首先，志愿者較少，今后將加大樣本量。其次，未考慮受檢者年齡、體質量、身高是否影響最佳BBTI值，將在后期研究中繼續(xù)探討。另外，研究對象為正常志愿者，未對慢病腎臟病患者進行研究，T-SLIP能否分離慢性腎臟病患者的皮髓質待進一步研究。

綜上所述，T-SLIP技術作為一種安全、無創(chuàng)、無需使用對比劑的影像學檢查方法，可很好地分離正常人腎皮髓質，且最佳BBTI為1 200 ms，此時成像質量最佳，腎臟皮髓質之間的信號差異最明顯，腎臟皮髓質分離清晰。

[1] Beland MD, Walle NL, Machan JT, et al. Renal cortical thickness measured at ultrasound: Is it better than renal length as an indicator of renal function in chronic kidney disease? AJR Am J Roentgenol, 2010,195(2):146-149.

[2] 閆淑麗,邱劍,鄧章基,等.螺旋CT多平面重組圖像測量腎皮質體積的研究.影像診斷與介入放射學,2013,22(3):193-195.

[3] Cansu A,Kupeli A, Kul S, et al. Evaluation of the relationship between renal function and renal volume-vascular indices using 3D power Doppler ultrasound. Eur J Radiol, 2014,83(7):1080-1085.

[4] Noda Y, Ito K, Kanki A, et al. Measurement of renal cortical thickness using noncontrast-enhanced steady-state free precession MRI with spatially selective inversion recovery pulse: Association with renal function. J Magn Reson Imaging, 2015,41(6):1615-1621.

[5] Kanki A, Ito K, Tamada T, et al. Corticomedullary differentiation of the kidney: Evaluation with noncontrast-enhanced steady-state free precession (SSFP) MRI with time-spatial labeling inversion pulse (Time-SLIP). J Magn Reson Imaging, 2013,37(5):1178-1181.

[6] Sedai S, Roy P, Garnavi R. Segmentation of right ventricle in cardiac MR images using shape regression. Springer: MICCAI, 2015:1-8.

[7] 許曉嵐,黃丙倉,張宏艷,等.時間—空間標記反轉脈沖技術在慢性腎臟病分期中的初步研究.中國醫(yī)療設備，2016,31(3):70-73.

[8] 王云華,劉瑞洪,侯偉偉,等.腎臟皮質厚度、皮質容積大小與單腎功能相關性的64層SCT研究.臨床放射學雜志,2010,29(2):267-270.

[9] 吳杰,朱小云.腎臟皮質厚度與皮質期分腎功能相關性的增強CT研究.中國CT和MRI雜志,2013,11(4):72-74.

[10] Granata A, Clementi S, Londrino F, et al. Renal transplant vascular complications: The role of Doppler ultrasound. J Ultrasound, 2015,18(2):101-107.

[11] Shiragami K, Fujii Z, Sakumura T, et al. Effect of a contrast agent on long-term renal function and the efficacy of prophylactic hemodiafihration. Circulation J, 2008,72(3):427-433.

[12] Miyazaki M, Akahane M. Non-contrast enhanced MR angiography: Established techniques. J Magn Reson Imaging, 2012,35(1):1-19.

[13] Noda Y, Kanki A, Yamamoto A, et al. Age-related change in renal corticomedullary differentiation: Evaluation with noncontrastenhanced steady-state free precession (SSFP) MRI with spatially selective inversion pulse using variable inversion time. J Magn Reson Imagine, 2014,40(1):79-83.

[14] De Bazelaire CM, Duhamel GD, Rofsky NM, et al. MR imaging relaxation times of abdominal and pelvic tissues measured in vivo at 3.0 T: Preliminary results. Radiology, 2004,230(3):652-659.

Application of time-spatial labeling inversion pulse in renal corticomedullary differentiation and time parameter optimization

ZHANGShuang1,GUOXiaoshan2*,LEIYing2,LUOLailong3,XUMinfeng4,WANGShaobin4

(1.SchoolofMedicalImaging,GuizhouMedicalUniversity,Guiyang550004,China; 2.DepartmentofRadiology,CancerHospital，AffiliatedtoGuizhouMedicalUniversity,Guiyang550004,China; 3.MRIClinicalApplicationDepartment, 4.Research&DevelopmentCenter,ToshibaMedicalSystems[China],Beijing100015,China)

Objective To investigate the application value of time-spatial labeling inversion pulse (T-SLIP) in renal corticomedullary differentiaton and the best black blood inversion time (BBTI) value. Methods Totally 60 volunteers were included, who underwent abdominal MR scan with noncontrast-enhanced SSFP sequence combined with T-SLIP. All subjects were scanned with different BBTI (800, 1 000, 1 200, 1 400, 1 600, 1 800 ms) using coronary T-SLIP SSFP sequence. The images quality was evaluated using a four-point scale method. The region of renal cortex and medulla was devised automatically based on the image training algorithm. The signal intensity ratio with the different BBTI was calculated through measuring the signal intensity of the renal cortex and medulla. And the best BBTI values were analyzed. Results When BBTI was 1 200 ms, the image score was the highest. The signal intensity ratio (SIR) had statistical difference among different BBTI groups (allP<0.05), when BBTI was 1 200 ms, the SIR was the highest, and the contrast between the renal cortex and medulla was obvious. Conclusion T-SLIP technology can improve the visibility of renal corticomedullary without contrast agents. The optimal BBTI for the best corticomedullary differentiation is 1 200 ms.

Kidney cortex; Kidney medulla; Magnetic resonance imaging; Time-spatial labeling inversion pulse; Black blood inversion time

張雙(1990—)，女，湖北棗陽人，在讀碩士。研究方向：腹部影像學。E-mail: 1125123986@qq.com

郭曉山，貴州醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院影像科，550004。E-mail: 893547670@qq.com

2016-11-02

2017-03-20

10.13929/j.1003-3289.201611013

R322.61; R445.2

A

1003-3289(2017)05-0778-04