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临床研究
Dixon-MRI和BOLD-MRI对成年男性代谢综合征早期肾损伤的定量对比研究
钟俏玲 李师思 陈焱君 丁有斌 张晓东

Cite this article as: Zhong QL, Li SS, Chen YJ, et al. Quantitative comparative study of Dixon-MRI and BOLD-MRI on early renal injury in adult male with metabolic syndrome[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 16-21.本文引用格式:钟俏玲, 李师思, 陈焱君, 等. Dixon-MRI和BOLD-MRI对成年男性代谢综合征早期肾损伤的定量对比研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 16-21. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.004.


[摘要] 目的 比较Dixon-MRI和血氧水平依赖磁共振成像(blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging,BOLD-MRI)定量参数对成年男性代谢综合征(metabolic syndrome,MetS)早期肾损伤的诊断价值。材料与方法 前瞻性纳入42例成年男性志愿者,年龄(33.88±8.30)岁,行肾脏Dixon-MRI和BOLD-MRI检查,记录身高、体质量、腰围、臀围及血压等基本信息,测定血清学指标、计算肾小球滤过率(estimate glomerular filtration rate,eGFR)。根据是否存在MetS,分为MetS组(24例)和非MetS组(18例)。测量肾脏皮质、髓质的脂肪分数(fat fraction,FF)和表观自旋-自旋弛豫率(apparent relaxation rate,R2*),分析组间差异,探讨肾脏脂肪分数(fat fraction,FF)、R2*、eGFR、血清肌酐(serum creatinine,Scr)及胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment 2-IR,HOMA2-IR)间的相关性以及比较Dixon-MRI和BOLD-MRI定量指标在轻度肾损伤中的诊断效能。结果 MetS组肾脏皮质FF值(4.21%±0.79%)显著高于非MetS组(2.51%±0.75%),P<0.001;MetS组肾髓质R2*值(27.02±1.38 s-1)显著低于非MetS组(31.29±1.17 s-1),P=0.008,但两组间肾髓质FF值和皮质R2*值差异无统计学意义(P>0.05)。校正年龄后,两组间肾皮质FF值及髓质R2*值仍具有统计学意义(P值分别为<0.001及0.035)。校正年龄后,肾脏皮质FF值与eGFR呈负相关(r=-0.37,P=0.017),与Scr、HOMA2-IR呈正相关(r=0.39,P=0.012;r=0.34,P=0.026),肾脏髓质R2*值与eGFR、Scr无相关性(r=-0.25,P=0.119;r=0.27,P=0.086)。肾皮质FF鉴别肾功能正常和轻度肾功能损伤的曲线下面积(area under the cure,AUC)、敏感度和特异度分别为82.7%、85.7%和71.4%。髓质R2*鉴别肾功能正常和轻度肾功能损伤的AUC、敏感度和特异度分别为74.2%、50.0%和89.3%。结论 Dixon-MRI和BOLD-MRI均可无创定量检测MetS相关潜在或早期肾损伤,但是肾皮质FF或许更具有评估MetS相关潜在或早期肾损伤的潜力。
[Abstract] Objective To compare the diagnostic value of Dixon-MRI and blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging (BOLD-MRI) in the early renal injury of adult males with metabolic syndrome.Materials and Methods Forty-two adult male volunteers (age 33.88±8.30) were enrolled prospectively. Renal Dixon-MRI and BOLD-MRI examinations were performed in all patients. The height, weight, waist circumference, hip circumference, and blood pressure were recorded. Serological indicators were determined and the glomerular filtration rate (eGFR) was calculated. According to the presence of metabolic syndrome (MetS), patients were divided into MetS group (n=24) and non-MetS group (n=18). The fat fraction (FF) and apparent relaxation rate (R2*) of renal cortex and medulla were measured, and the differences between groups were compared. The correlations between FF, R2*, eGFR, serum creatinine (Scr) and homeostasis model assessment 2-IR (HOMA2-IR) were further analyzed. Then compared the diagnostic efficacy of Dixon-MRI and BOLD-MRI in mild renal injury.Results The fat fraction (FF) values of renal cortex in MetS group were significantly higher than that in non-MetS group, P<0.001. The R2* values of the renal medulla in the MetS group (27.02±1.38 s-1) were significantly lower than that in the non-MetS group (31.29±1.17 s-1), P=0.008, but there were no statistically significant differences in FF values of renal medulla and R2* values of cortex between the two groups (P>0.05). After adjusting for age, the FF values of renal cortex and the R2* values of medulla were still statistically significant between two groups (P<0.001 and 0.035, respectively), while the FF values of renal cortex were negatively correlated with eGFR (r=-0.37, P=0.017), and positively correlated with Scr and HOMA2-IR (r=0.39, P=0.012; r=0.34, P=0.026), while the R2* values of renal medulla were not correlated with eGFR and Scr (r=-0.25, P=0.119; r=0.27, P=0.086). The area under the curve (AUC), sensitivity, and specificity of cortical FF in differentiating normal renal function from mild renal function injury were 82.7%, 85.7%, and 71.4%, respectively. The AUC, sensitivity, and specificity of medullary R2* in differentiating normal renal function from mild renal function injury were 74.2%, 50.0%, and 89.3%, respectively.Conclusions Dixon-MRI and BOLD-MRI can noninvasively and quantitatively detect MetS-related potential or early renal injury, but Dixon-MRI has more potential to evaluate Mets-related potential or early renal injury than BOLD-MRI.
[关键词] Dixon;血氧水平依赖磁共振成像;代谢综合征;肾损伤
[Keywords] Dixon;blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging;metabolic syndrome;kidney injury

钟俏玲    李师思    陈焱君    丁有斌    张晓东 *  

南方医科大学第三附属医院影像科(广东省骨科研究院),广州 510630

张晓东,E-mail:ddautumn@126.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金 81801653
收稿日期:2021-08-16
接受日期:2021-12-29
中图分类号:R445.2  R692 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.004
本文引用格式:钟俏玲, 李师思, 陈焱君, 等. Dixon-MRI和BOLD-MRI对成年男性代谢综合征早期肾损伤的定量对比研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 16-21. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.004

       代谢综合征(metabolic syndrome,MetS)是以胰岛素抵抗为核心,包括中枢型肥胖、空腹血糖升高、血压升高和血脂异常的一组复杂代谢紊乱症候群[1]。许多研究表明MetS与慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)风险增加有关。既往动物实验研究表明,早期MetS猪肾组织出现脂质的异常沉积,进而损害肾功能[2]。肾脏中的血脂异常和过多的营养物质会损害线粒体功能,从而影响肾的氧合,导致肾脏细胞的损伤[2, 3]。一旦CKD发展为终末期肾脏病(endstage renal disease,ESRD),患者只能依靠肾脏替代治疗来维持生命。终末期肾病不仅严重危害患者的健康,同时给患者家庭带来巨大的经济负担[4]。而肾小球在CKD的早期阶段即CKD 1期和CKD 2期尚未发生不可逆损伤。因此早期检测肾脏结构或功能改变,尽早进行临床干预,可有效防止肾功能进一步损伤甚至扭转肾功能[5, 6]

       目前常用的无创评估肾脏损伤的方法如血清肌酐(serum creatinine,Scr)、蛋白尿和超声等,存在检测灵敏度低、不能评估潜在肾脏疾病病理特征等缺点。尽管肾活检是目前临床实践中唯一评估肾脏损伤微结构的方法,但其具有侵入性、可重复性低以及不能常规取样髓质等缺点[7, 8]

       磁共振成像作为非侵入性、可重复性高的体内成像方法,已被广泛应用于肾脏疾病的研究中。Dixon-MRI被证实可无创定量测量肾脏脂肪含量,具有评估2型糖尿病早期肾损害的潜力。血氧水平依赖磁共振成像(blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging,BOLD-MRI)可用于检测一系列肾脏疾病引起的细微改变[9, 10, 11]。已有研究使用BOLD-MRI监测到早期MetS猪肾髓质存在缺氧改变。但是,先前的研究从未比较过这两种技术在评估MetS引起的早期肾损伤方面的效果。因此,本研究旨在比较Dixon-MRI和BOLD-MRI定量参数在评估MetS引起的早期肾损伤能力,为早期MetS肾脏损伤提供客观有效的无创定量检测指标。

1 材料与方法

       本研究经过南方医科大学第三附属医院医学伦理委员会批准,批准文号:201708011。于2017年7月至2019年6月在南方医科大学第三附属医院招募了24名成年男性MetS患者和18名非MetS的患者进行肾脏MRI检查。所有受试者均知晓本研究的具体内容以及MRI检查存在的风险,并签署了书面知情同意书。在进行MRI检查前记录研究对象年龄、性别、身高、体质量、腰围及臀围,计算体质量指数(body mass index,BMI)、腰臀围的比值和腰围身高比。所有研究对象在安静休息5 min后再进行血压测量,记录收缩压和舒张压。禁食10 h后,在服用任何药物之前采集血液样本,测量受试者总胆固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白、肾小球滤过率(estimate glomerular filtration rate,eGFR)、Scr、空腹血糖、空腹血清胰岛素和胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment 2-IR,HOMA2-IR)等指标。

1.1 研究人群

       根据2013版CDS MetS诊断标准,MetS可定义为至少满足以下标准中的三个:(1)男性腰围≥90 cm,女性腰围≥80 cm;(2)收缩压≥130 mmHg (1 mmHg=0.1333 kPa)和/或舒张压≥85 mmHg,或使用任何降压药;(3)空腹血糖≥5.5 mmol/L,或使用任何抗糖尿病药;(4)甘油三酸酯水平≥1.7 mmol/L,或使用任何降低甘油三酸酯的试剂;(5)男性高密度脂蛋白(high density liptein cholesterol,HDL-C)水平<1.0 mmol/L,女性<1.3 mmol/L或使用任何药物改善HDL-c水平[12]

       MetS组纳入标准:(1)年龄18~70岁的男性;(2)肾功能正常至中度损伤[eGFR>60 mL·min-1·(1.73 m2)-1];(3)满足2013版CDS MetS诊断标准中的其中三项。排除标准:(1)患有肾脏炎症、占位等肾脏脏器疾病;(2)有肾脏外伤史、手术史等;(3) MR图像存在严重伪影;(4)幽闭恐惧症。

       非MetS组纳入标准:(1)年龄18~70岁的男性;(2) eGFR>90 mL·min-1·(1.73 m2)-1;(3)不满足2013版CDS MetS诊断标准中的其中三项。排除标准:(1)患有肾脏炎症、占位等肾脏脏器疾病;(2)有肾脏外伤史、手术史等;(3) MR图像存在严重伪影;(4)幽闭恐惧症。

1.2 MRI检查

       在3.0 T MR系统(Philips,Achieva)上用腹部线圈采集肾脏冠位T2WI、Dixon-MRI和BOLD-MRI数据。所有受试者均采用仰卧位检查。冠位mDixon -Quant序列用于肾脏的脂肪定量,扫描参数如下:重复时间(TR)=5.6 ms,回波时间(TE)=0.97 ms、回波间隔(△TE)=0.7 ms,回波个数=4,翻转角=3°,矩阵大小=144×144×30,体素大小=2.5 mm×2.5 mm×6.0 mm,扫描时间=15 s。冠位BOLD-MRI序列扫描参数如下:TR=16.5 ms,TE=1.2 ms,△TE =0.9 ms,回波个数=16,矩阵大小=176×176,体素大小=2.0 mm×2.0 mm,层厚=5.0 mm,扫描时间=2 min 45 s。

1.3 成像分析

       由具备两年以上肾脏MRI研究经验的放射科中级医师在Dixon-MRI和BOLD-MRI图像上进行感兴趣区(region of interest,ROI)的勾画。

       使用ITK-SNAP看图软件对BOLD-MRI数据算得的肾表观自旋-自旋弛豫率(apparent relaxation rate,R2*)图进行ROI勾画。一侧肾脏共画12个ROI,分别选择在经肾门及其上下层面的皮质、髓质区域,放置ROI时要尽量选择皮髓质分界清晰处(图1)。注意避开皮髓质分界模糊区域、肾脏集合系统、肾内血管、囊肿及周围组织。分别求得每个个体两侧肾脏皮质、髓质R2*的平均值。

       肾脏Dixon-MRI原始数据传至图像后处理工作站(v.7,Philips Healthcare),获得肾脏脂肪分数(fat fraction,FF)图。结合T2WI及FF伪彩图在FF图上手工放置ROI。在每侧肾脏选取3个层面,分别是经肾门层面及其相邻的上下层面,在每个层面皮质和髓质分别勾画2个ROI,共画12个ROI (图1)。注意避开肾脏集合系统、肾内血管、囊肿及周围组织及伪影较重的区域。分别测量双肾皮质和髓质的FF值,并计算各ROI平均值作为肾脏皮质和髓质的FF值。

       采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)评估两名医师测得肾皮髓质定量指标的一致性。对一致性较好的结果,取两名医师测量结果平均值进行后续的统计分析。

图1  1A、1C、1E:38岁男性非代谢综合征患者,左肾T2WI (1A),FF伪彩图(1C)和R2*伪彩图(1E),左肾皮质R2*值和髓质R2*值分别为15.58 s-1和27.27 s-1,左肾皮质FF值和髓质FF值分别为2.45%和1.88%。1B、1D、1F:39岁男性代谢综合征患者,左肾T2WI (1B),FF伪彩图(1D)和R2*伪彩图(1F),左肾皮质R2*值和髓质R2*值分别为15.02 s-1和30.86 s-1,左肾皮质FF值和髓质FF值分别为4.02%和2.04%。
Fig. 1  1A, 1C, 1E: A 38-year-old male patient without metabolic syndrome, T2WI (1A), FF color (1C) and R2* color (1E) maps of the left kidney. R2* values of the left renal cortex and medulla were 15.58 s-1 and 27.27 s-1, respectively. The FF values of left renal cortex and medulla were 2.45% and 1.88%, respectively. 1B, 1D, 1F: A 39-year-old male patient with metabolic syndrome, T2WI (1B), FF color (1D) and R2* color (1F) maps of the left kidney. The R2* values of the left renal cortex and medulla were 15.02 s-1 and 30.86 s-1, respectively. The FF values of left renal cortex and medulla were 4.02% and 2.04%, respectively.

1.4 统计分析

       采用SPSS 22.0版统计软件分析数据,结果采用均数±标准差表示。使用ICC评估MRI定量参数观察者间的一致性。采用两样本独立t检验分析非MetS组和MetS组人口统计学、身体测量、血生化指标的组间差异。由于两组患者年龄差异有统计学意义,所以将年龄作为协变量,使用协方差分析比较两组之间皮质FF值、髓质FF值、皮质R2*值及髓质R2*值的差异,采用偏相关分析研究皮质FF值、髓质FF值、皮质R2*值及髓质R2*值与eGFR、Scr和HOMA2-IR的相关性。采用受试者工作特征(receiver-operating characteristic,ROC)曲线分析评价两种MRI技术对早期轻度肾损伤的诊断效能。结果均以P<0.05为差异有统计学差异。

2 结果

2.1 一般资料

       本研究共纳入24例MetS和18例非MetS志愿者,人口统计学和临床特征见表1。所有研究对象均为男性,年龄为(33.88±8.30)岁,两组间年龄差异具有统计学意义(P<0.001)。MetS所有组分(空腹血糖、HDL-C、甘油三酯、腰围、收缩压、舒张压)在两组间差异均具有统计学意义。除了身高以外,身体测量指标中腰围、臀围、腰臀比、腰围身高比和BMI在两组间差异均具有统计学意义(P均<0.05)。MetS组Scr和HOMA2-IR均高于非MetS组(P均<0.05),非MetS组eGFR高于MetS组[分别为(107.35±11.84) mL·min-1·(1.73 m2)-1和(88.35±20.19) mL·min-1·(1.73 m2)-1P<0.001]。

表1  研究对象的人口统计学、身体测量和血生化指标
Tab. 1  Demography, body measurement and blood biochemical indexes of the subjects

2.2 观察者测量结果的一致性检验

       两名观察者测得的肾脏皮质、髓质FF的ICC值分别为0.85 (95% CI:0.74~0.92)和0.78 (95% CI:0.62~0.87),而肾脏皮质、髓质R2*的ICC值分别为0.80 (95% CI:0.67~0.88)和0.65 (95% CI:0.45~0.79)。

2.3 定量参数的比较

2.3.1 Dixon-MRI测量肾脏FF值

       MetS组的皮质FF值显著高于非MetS组(MetS组:4.21%±0.79%,非MetS组:2.51%±0.75%,P<0.001),两组间髓质FF值差异无统计学意义(P=0.076)。校正年龄潜在的混杂因素后,肾皮质FF值在MetS和非MetS组间差异仍然具有统计学意义(P<0.001),如表2所示。

表2  肾脏皮质和髓质FF值及R2*值在非MetS和MetS组间的比较
Tab. 2  Comparison of FF and R2* values of renal cortex and medulla between non-MetS and MetS groups

2.3.2 BOLD-MRI测量肾脏R2*值

       MetS组与非MetS组的肾髓质R2*值分别为(31.29±1.17) s-1、(27.02±1.38) s-1,两组间差异有统计学意义(P=0.008),皮质R2*值差异无统计学意义(P>0.05)。校正年龄后,两组间肾髓质R2*值差异仍有统计学意义(P=0.035),如表2所示。

2.4 相关性分析

       肾脏皮质FF值与eGFR呈负相关(r=-0.46,P=0.002),与Scr和HOMA2-IR呈正相关(r=0.45,P=0.003;r=0.38,P=0.013)。控制年龄的影响因素后,肾脏皮质FF值与eGFR的偏相关性系数降至-0.37 (P=0.017),与Scr和HOMA2-IR的偏相关性系数分别为0.39 (P=0.012)和r=0.34 (P=0.026),如表3图2所示。

       肾脏髓质R2*值与eGFR呈负相关(r=-0.32,P=0.037),与Scr呈正相关(r=0.33,P=0.036),而髓质R2*值与HOMA2-IR之间不存在相关性(P=0.053)。校正年龄因素后,髓质R2*值与eGFR、Scr之间无相关性(r=-0.25,P=0.119;r=0.27,P=0.086),如表3所示。

图2  肾皮质FF与eGFR、Scr及HOMA2-IR的相关性。
图3  ROC曲线评价Dixon-MRI和BOLD-MRI定量指标诊断轻度肾功能损伤。
Fig. 2  Correlations between FF in renal cortex and eGFR, Scr, and HOMA2-IR.
Fig. 3  ROC curve evaluation of Dixon-MRI and BOLD-MRI quantitative indicators for the diagnosis of mild renal injury.
表3  肾脏皮质FF值和髓质R2*值与eGFR、Scr和HOMA2-IR间的相关性
Tab. 3  Correlation between renal cortex FF value and medulla R2* value and eGFR, Scr and HOMA2-IR

2.5 ROC曲线分析诊断效能

       肾皮质FF鉴别肾功能正常和轻度肾功能损伤的曲线下面积(area under the curve,AUC)、敏感度和特异度分别为82.7%、85.7%和71.4%,髓质R2*鉴别肾功能正常和轻度肾功能损伤AUC、敏感度和特异度分别为74.2%、50.0%和89.3%,如图3所示。

3 讨论

       本研究使用Dixon-MRI和BOLD-MRI分别对MetS患者和非MetS患者的肾脏脂肪沉积和氧合水平进行了定量检测,结果显示eGFR正常或轻度下降的MetS患者肾脏皮质FF值和髓质R2*值均增高,但是皮质FF与肾功能相关的血生化指标具有更好的相关性,且在轻度肾损伤方面具有更高的诊断效能。我们发现与BOLD-MR技术相比,Dixon-MRI技术或许更有可能成为监测由MetS引起早期肾损伤的有效成像工具。

3.1 Dixon-MRI定量结果分析

       本研究中,Dixon-MRI检测到MetS患者处于CKD的早期阶段[eGFR>60 mL·min-1·(1.73 m2)-1]时肾实质脂肪含量增加,且主要发生在肾皮质,这与以往动物实验的基础研究结果一致[2, 3]。既往动物实验研究表明早期MetS,即使在eGFR处于超滤过期,可观察到肾脏脂肪沉积,而且会进一步损伤肾小球[3,13]。MetS所致的肾脂肪积累的机制相当复杂,目前人们对之了解甚少。未来的研究可更多地关注MetS肾脂肪毒性机制的研究。在我们的研究中,Dixon-MRI检测到MetS早期肾功能轻度损伤时皮质FF增高,这提示了肾脏皮质FF值可能是潜在反映早期肾损伤的定量影像生物标记物,准确定量检测肾脏脂质改变或许是发现潜在早期肾损伤的关键,这将可能有助于减少不可逆肾损伤的发生,降低透析的可能性和死亡风险。

3.2 BOLD-MRI定量结果分析

       本研究观察到当eGFR正常或轻度下降时,BOLD-MRI检测到髓质R2*值显著升高,但是即使eGFR降至低于60 mL·min-1·(1.73 m2)-1时,皮质R2*值仍然没有发生明显改变。在本研究中早期MetS肾脏改变主要在髓质中,这表明肾脏对MetS的易感性存在区域差异。这与既往研究报道的肾脏中髓质较皮质对缺氧损伤更敏感一致[14, 15]。MetS引起早期肾小球超滤和髓质缺氧变化与肾脏线粒体异常和功能障碍有关[2,14]。BOLD-MRI通过监测人肾脏组织氧合来反映肾组织中的脱氧血红蛋白水平,其中R2*值的增加代表着较高的脱氧血红蛋白浓度,较低的氧合[16]。可见,髓质R2*值可以反映早期肾损伤引起的肾脏缺氧情况。

3.3 Dixon-MRI和BOLD-MRI的比较

       与BOLD-MRI相比,Dixon-MRI在诊断MetS肾脏轻度肾损伤方面更具有潜力。首先,无论是否校正年龄的影响,肾脏皮质FF值都与eGFR、Scr和HOMA2-IR具有显著的相关性;而肾脏髓质R2*值在校正年龄后,与eGFR和Scr不再存在相关性。由此提示与肾髓质R2*值相比,肾皮质FF值与肾功能相关的血生化指标具有更好的相关性。以往有研究表明肾髓质R2*值与eGFR显著相关,而在本研究中,校正年龄前,肾髓质R2*值与eGFR间呈弱相关,这可能与本研究仅纳入肾功能正常及轻度受损的MetS患者有关[17, 18]。其次,在鉴别肾功能正常和轻度肾功能损伤的诊断效能方面,肾皮质FF比髓质R2*具有更高的敏感度(Dixon-MRI:85.7% vs. BOLD-MRI:50.0%)。而且肾皮质和肾髓质的R2*值容易受到很多因素的影响。水合作用状态会影响BOLD-MRI信号,在短时间内饮用较多的水会洗去R2*值的差异。饮食中盐的摄入量也会影响肾脏的R2*[19]

3.4 本研究的局限性

       本研究也存在一些局限性:第一,样本量偏少,这可能会影响研究结果的稳定性;第二,缺少病理对照分析;第三,选择eGFR来评估肾功能,不足以确定MRI生物标志物的实用性。鉴于蛋白尿是肾脏损害的标志和CKD不良结局的独立预测因子,后续研究应该将MRI测量与蛋白尿的大小和蛋白尿随时间的变化联系起来[20];第四,没有详细记录MR扫描前饮食和进水情况,这些可能会影响到肾功能和R2*值的准确评估[21];第五,缺少女性受试者群体。

       综上所述,与BOLD-MRI技术相比,Dixon-MRI能更稳定地检测出肾功能正常或轻度损伤的MetS患者的肾脏改变。在监测MetS引起的潜在或早期肾损伤方面,皮质FF或许是一种更有前景的影像生物学标记物。

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