肾结石导致的急性单侧输尿管梗阻较常见，全世界发生率为5%～15%^[1]，梗阻如不能及时解除，终将导致肾积水、肾功能损害，甚至肾衰。目前侵袭性动物实验发现肾内氧含量与肾功能活动相关^[2]。另有学者认为肾髓质结构氧代谢的改变是触发急性肾衰的原因^[3]，因此监测单侧肾脏氧含量改变对早期急性肾衰的诊断具有极大的临床意义。本文利用血氧水平依赖功能MRI (blood oxygen level-dependent function MRI, BOLD-fMRI)对急性单侧输尿管梗阻大鼠肾血氧水平改变进行评估，并探讨其病理生理学机制及临床应用价值。

1　材料与方法

1.1　实验动物

       16只健康（Sprague Dawley, SD）大鼠（购自大连医科大学动物实验中心），体重为（336.6±14.5） g，所有大鼠MR扫描前禁食水12 h，麻药为10％水合氯醛，按照3.4 ml/100 g体重腹腔注射麻醉，其中3只因麻醉意外死亡出组，实验过程中严格遵守动物伦理学条例及规定。

1.2　手术操作

       行无菌手术，大鼠取右侧卧位，选取手术区域，去毛，碘伏常规消毒两遍，沿脊柱左侧弧形切口，仔细游离左肾及左输尿管上端，在输尿管肾盂结合部下约1 cm处将输尿管与一根长约1 cm、内径为0.2 cm的无菌塑料管用1号手术线紧密捆绑，致输尿管上段完全梗阻，还原肾及输尿管后缝合。解除梗阻时沿缝合线开腹，用手术刀在塑料管侧将结扎线划开，取出塑料管，使闭合的输尿管恢复通畅，还原后缝合。其间大鼠需补充0.2~0.3 ml水合氯醛1~2次。

1.3　MR扫描序列及参数

       采用GE signa 3.0 T HD xt MRI超导型扫描仪，HD Wrise Array upper线圈，大鼠采取仰卧位，四肢固定头先进。分别在梗阻前、梗阻后1小时及解除梗阻后1小时进行三次常规MR轴位T2序列及冠状位BOLD序列扫描。T2序列参数：采用FRFSE序列，TR=2740 ms，TE=80 ms，层厚＝2.0 mm，层间隔＝0.2 mm，FOV= 7.0 cm，带宽＝41.67 kHz，矩阵＝256×192，NEX= 1.0，采集时间为3 min。BOLD参数如下：采用MFGRE序列，TR= 150 ms，TE＝2.6 ms，层厚为3.0 mm，层间隔0.3 mm，FOV=10.0 cm，带宽为62.5，矩阵＝224×192 ，NEX ＝1.0，采集时间为16 s，每侧肾脏获得3层冠状位图像，每层获得8张不同TE时间（2.5, 4.7, 6.9, 9.2, 11.4, 13.6, 15.8, 18.0 ms） R2^*图像及伪彩图像。

1.4　图像后处理

       扫描完成后将所有MR原始数据输入GE ADW4.4工作站，然后使用Functool软件生成BOLD图像，选取近肾门水平的层面测量数据，分别在皮质、髓质放置4个ROI进行R2^*值测量并记录，每个ROI大小为2~3 mm2，且不少于5个像素。测量选择的层面无变形及伪影，并尽量避开多回波图像有明显位移的层面。

1.5　图像观察及分析

1.5.1　T2图像的观察

       观察T2加权像上梗阻前组、梗阻后组及解除组双肾皮髓质的信号强度变化、皮髓质分界是否清晰。①观察双肾皮、髓质信号改变　分别测量三组大鼠双肾皮质、髓质（肾门水平）信号强度及噪声标准差，计算皮、髓质的信噪比(SNR＝所测部位的信号强度／噪声标准差)，并进行组间对比分析。②观察双肾皮髓质分界，分别观察三组大鼠双肾皮髓质分界是否清晰，边缘是否锐利。

1.5.2　BOLD图像的观察

       观察BOLD原始图像及伪彩图上双肾皮髓质解剖结构的显示情况，伪彩图颜色越深代表R2^*值越低，含氧量相对越高，颜色越浅代表R2^*值越高，含氧量越低（见图1）。对比分析梗阻前组双肾间及皮髓质之间R2^*值、分别比较梗阻前、梗阻后组及解除组患侧肾皮、髓质及健侧肾皮、髓质之间R2^*值是否有差异。

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图1  1A为BOLD图像，可见双肾皮髓质分界清晰，白三角所在区域为皮质区，黑三角所在区域为髓质区；1B为BOLD伪彩图像，可更直观观察双肾不同结构氧含量的不同，肾皮质区颜色较深，髓质区颜色较浅
Fig 1  1A: The bold image, showing a clear delineation of renal cortex and medulla, white triangular region is cortex, medulla region where the black triangle area; 1B: the bold pseudo-color image can be observed renal oxygen different levels, the deeper color is renal cortex, medulla in lighter color.

1.5.3　BOLD图像与T2图像的结合分析

       (1)通过BOLD图像计算R2^*变化率来表示梗阻前后大鼠患肾髓质R2^*值的变化幅度（R2^*变化率＝梗阻前患侧肾髓质R2^*值/梗阻后患肾髓质R2^*值）。

       (2)通过测量T2像上三组患侧肾盂最宽处宽度计算肾盂扩张率来表示梗阻情况(肾盂扩张率＝梗阻后患侧肾盂宽度／梗阻前患侧肾盂宽度)，计算肾盂恢复率来表示恢复情况(肾盂恢复率＝解除后患侧肾盂宽度／梗阻前患侧肾盂宽度)。肾盂扩张率越大代表梗阻程度越重，肾盂恢复率越接近1代表恢复的越好，将13只大鼠的肾盂扩张率按从小到大排列并画出相应曲线图，斜率最大的数值定议为分界值，来划分轻度梗阻及重度梗阻。肾盂恢复率也同样以此方法来界定，划分出缓解组与未缓解组。肾盂扩张率≤1.22为轻度扩张，肾盂扩张率>1.22为重度扩张。肾盂恢复率肾盂恢复率≤1.10为缓解组，恢复率>1.10为未缓解组。并分析轻度梗阻与重度梗阻与R2^*变化率的关系，缓解组及未缓解组与患侧肾梗阻程度及R2^*变化率的关系。

1.6　统计学分析

       采用SPSS13.0统计软件。比较梗阻前组双肾间及皮髓质之间R2^*值、分别比较梗阻前、梗阻后组及解除组患侧肾皮、髓质及健侧肾皮、髓质之间R2^*值、分别比较T2WI像上三组间双肾皮、髓质信噪比，均采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义，对比分析中计量资料采用均数±标准差。

2　结果

2.1　T2WI图像观察与对比分析

2.1.1　梗阻前组

       T2WI像上均可清晰显示肾脏轮廓，皮质、髓质结构分界及集合系统形态，最外层稍低信号为皮质，中间稍高信号为髓质，肾盂显示为明显高信号（图2A），左右肾髓质信噪比均明显高于左右肾皮质信噪比，P<0.05，而左肾与右肾之间信噪比差异无统计学意义（见表1）。

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图2  2A：对照组双肾轮廓清晰，皮、髓质分界清晰，双肾皮、髓质信号强度分别一致；2B：梗阻后组患侧（左）肾体积增大，皮、髓分界欠清，患肾皮、髓质信号均有所增高，肾盂积水扩张；2C：解除梗阻后组患侧肾皮、髓质分界清晰，信号较对照组基本一致，肾盂积水扩张程度明显减轻.
Figure 2  2A: Control group, a clear outline of both kidneys, cortex and medulla has a clear demarcation, they has the same signal intensity; 2B: Obstruction group ipsilateral kidney volume increased, the boundaries of cortex and medulla become less clear,the signal has increased, hydronephrosis; 2C: The lift obstruction group ipsilateral renal cortex and medulla boundaries become clearly, consistent signal than the cortrol group,the expansion of the renal pelvis significantly reduced.

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表1  梗阻前组、梗阻后组及解除组双肾皮髓质T2信噪比比较
Tab 1  Compared T2 SNR of both renal cortex and medulla among three groups

2.1.2　梗阻后组

       梗阻1小时后患侧肾皮髓质信号均增高，信噪比均明显高于梗阻前患侧肾实质信噪比(P<0.05)(见表1)，皮髓质分界模糊，肾盂不同程度扩张；梗阻后健侧肾信噪比较梗阻前差异无统计学意义，解剖结构未见变化（图2B）。

2.1.3　解除组

       解除梗阻后1小时患侧肾皮、髓质信噪比低于梗阻后组患侧肾实质，高于梗阻前患侧肾实质(P>0.05) （见表1），皮髓质分界变清晰，肾盂扩张不同程度恢复。解除后健侧肾皮、髓质信噪比较梗阻前后差异无统计学意义，解剖结构未见变化（图2C）。

2.2　BOLD图像的观察与对比分析

2.2.1　BOLD图像的显示情况

       冠状位BOLD成像可显示肾脏轮廓、皮质、髓质及集合系统的解剖形态，伪彩图可以通过不同颜色带更直观的区分不同区域氧代谢的不同，肾皮质区颜色较深，髓质区颜色较浅（图2）。

2.2.2　梗阻前组大鼠左、右肾及皮髓质R2*值比较

       梗阻前组大鼠左、右肾髓质R2^*值均明显高于相应肾皮质R2^*值，P < 0.05；左肾与右肾皮质、髓质R2^*值差异无统计学意义（见表2）。

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表2  梗阻前组大鼠左、右肾及皮髓质R2^*值（Hz）比较(n=13)
Tab 2  Compared R2^* values of both renal cortex and medulla in control group (n=13)

2.2.3　梗阻前组与梗阻后组健、患侧肾及皮髓质R2*值比较

       梗阻后患肾髓质R2^*值明显低于梗阻前(P< 0.05)，皮质R2^*值与梗阻前组差异无统计学意义；梗阻后健侧肾皮质R2^*值略低于梗阻前组(P >0.05)，髓质R2^*值略高于梗阻前组(P >0.05)(见表3)。

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表3  梗阻前组、梗阻后组、解除组双肾及皮髓质R2^*值（Hz）比较
Tab 3  Compared the R2^* values of the cortex and medulla of both renal among three groups

2.2.4　梗阻前组与解除组健、患侧肾及皮髓质R2*值比较

       解除梗阻后患肾髓质R2^*值明显低于梗阻前组髓质R2^*值(P <0.05)，皮质R2^*值与梗阻前组无统计学差异；解除组健侧肾皮质R2^*值低于梗阻前组（P >0.05），髓质R2^*值高于梗阻前组(P >0.05) （见表3）。

2.2.5　解除组与梗阻后组健、患侧肾及皮、髓质R2*值比较

       解除梗阻后患侧肾髓质R2^*值明显高于梗阻后患侧肾髓质R2^*值(P<0.05)，皮质R2^*值与梗阻前组差异无统计学意义；解除组健侧肾皮质R2^*值略低于髓质R2^*值，髓质R2^*值略高于梗阻后组(P>0.05) （见表3）。

2.3　BOLD图像与T2图像的结合分析

       13只大鼠R2^*变化率、肾盂扩张率及肾盂恢复率数据列表如下（见表4）。①13只大鼠中4只为轻度梗阻，9只为重度梗阻，轻度梗阻组的R2^*变化率平均值小于重度梗阻组（见图3）。②13只大鼠中5只为缓解组，8只为未缓解组，缓解组的肾盂扩张率及R2^*变化率平均值小于未缓解组（见图4 ）。

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图3  轻度梗阻组的R2^*变化率均数小于重度梗阻组
Fig 3  The rates of R2^* changes in mild obstruction slightly less than in severe obstruction.

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图4  缓解组的肾盂扩张率及R2^*变化率平均值小于未缓解组
Fig 4  The obstruction and the R2^* changes in relief group were lower than those in no relief group.

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表4  13只大鼠R2^*变化率、肾盂扩张率及肾盂恢复率数据列表(n=13)
Tab 4  13 rats R2^* values rate of change,the expansion rate of the renal pelvis and renal pelvis recovery rate data list

3　讨论

       多种原因的肾脏疾病均可以导致肾脏不同区域氧含量改变。有学者认为髓质的氧供和消耗的不平衡在缺血、对比剂、内源和外源性肾毒素等引起的急性肾功能衰竭中发挥作用，可以说肾髓质结构氧代谢的改变是触发急性肾衰的原因^[3]。因此探测肾脏的氧含量有助于了解肾脏不同区域氧代谢情况，早期发现单侧肾脏局部血氧水平改变，为临床早期诊断、治疗及预后评估提供新的辅助方法。以往对肾内不同区域氧分压的测量多利用微电极等有创性手段进行，但不能用于人类研究。而BOLD-fMRI技术作为磁共振功能成像的一种，具有空间分辨率较高、无电离辐射、无创、在显示解剖结构的同时又可以提供组织功能方面信息等优势。目前，利用BOLD-fMRI技术对高血压肾病、糖尿病肾病、肾动脉硬化及对比剂肾病等疾病的研究^[4,5,6]已经初步开展，而对急性单侧输尿管梗阻时肾脏氧代谢改变的研究国内尚无报道。

       BOLD是内源性对比剂灌注成像的一种，基于血红蛋白氧饱和水平的改变而成像。氧合血红蛋白具有抗磁性，而脱氧血红蛋白具有顺磁性。脱氧血红蛋白可形成一个小的磁场，引起质子的自旋去相位，导致R2^*缩短或R2^*增加。对于肾BOLD MRI而言，R2^*常用于定量评价氧含量的改变。R2^* (=1/ T2^*)的比率与组织脱氧血红蛋白的含量密切相关，BOLD MRI R2^*的改变可以被解释为组织氧分压（PaO2）的改变，因此随脱氧血红蛋白含量增加，T2^*降低, R2^*值会逐渐升高。即高的R2^*值代表组织氧含量较低，而低的R2^*值则代表组织氧含量较高。

       动物实验及临床实验均证实了BOLD-fMRI技术能够可靠地反映肾髓质氧合状态的变化^{[7, 8]}，并具有可行性及较好的可重复性，能够用来进行肾脏功能成像的实验研究^[9]。

       本组研究发现T2WI能够清晰显示肾脏轮廓、肾皮质、髓质结构分界及集合系统形态。梗阻前组中左右肾皮髓质信噪比无明显差异，说明双肾信号均匀。梗阻后1小时患侧肾皮、髓质信噪比明显增高，皮、髓质分界略模糊，可能由于肾盂积水，肾盂压力增高，进而肾小管压增高，肾小球有效滤过压减小，肾皮髓质代谢减慢，细胞水肿，导致T2弛豫时间延长，信号强度增高。解除梗阻后1小时，患侧肾皮、髓质信噪比低于梗阻后组患侧肾实质，高于梗阻前患侧肾实质，皮髓质分界变清晰，表明肾功能正在逐步恢复。

       本实验选择冠状位BOLD成像便于在同一层面显示双侧肾脏轮廓及解剖结构，13只大鼠BOLD图像均能显示双肾轮廓、皮质、髓质结构及分界，外髓及内髓边界不清。因此我们将R2^*的测量部分放置于皮质及髓质。Jensen等^[10]学者研究发现肾髓质的氧张量在梗阻的30 min后会下降60%，在不解除梗阻的情况下这种氧张量的改变会一直持续3 h，因此，本组实验选择在单侧输尿管梗阻1 h后采集图像。又由于大鼠身体的耐受程度有限，本实验选择在解除梗阻后1 h再次采集图像。

       文献报道与本研究均提示，正常大鼠肾脏髓质R2^*值均高于皮质R2^*值，即正常肾髓质相对于肾皮质而言处于低氧状态，这可能与髓质主要参于尿液浓缩，消耗大量氧有关^[11]。Pedersen等^[7]学者通过对12只猪单侧输尿管梗阻模型进行1.5 T BOLD成像及微电极氧含量检测的实验发现在急性梗阻的情况下，肾髓质的氧代谢改变较大，由于耗氧减少，氧供、耗关系失衡，肾髓质的氧含量相对增高，而在解除梗阻1小时后，这种表现仍然持续，但实验中并没有对健侧肾实质R2^*值进行分析，也没有对因个体差异所产生的不同程度梗阻与R2^*值之间关系进行全面的分析。Harriet等^[8]学者在对10例急性单侧输尿管结石梗阻患者进行1.5 T BOLD MRI检查的过程中发现，远端输尿管结石造成的急性单侧尿路梗阻患者髓质及髓周以及皮质的R2^*值降低，表明氧含量升高，而非梗阻侧肾脏较健康肾脏R2^*值略增高，表明具有较低的氧含量。分析其原因，急性单侧输尿管梗阻后患侧肾髓质耗氧量减少，氧含量相对升高，同时肾脏血管舒张物前列腺素产物增多，导致肾血流量增多，使肾皮髓质氧含量进一步增高，而非梗阻侧肾脏髓质氧含量有所下降，可以理解为非梗阻侧的血流灌注与肾小球滤过率较梗阻侧代偿性升高，然后肾小管滤过和重吸收升高，最终导致氧消耗的增多。但此次实验并没有做患者自身梗阻前、后及解除梗阻后健、患侧肾实质的R2^*值对比分析及解除梗阻后患肾的恢复情况的相关因素分析，并且由于实验例数少且输尿管结石梗阻的程度不同，无法进行不同程度间R2^*值的对比分析。

       本组研究发现梗阻后组患肾髓质R2^*值低于梗阻前组髓质R2^*值，说明患侧肾髓质氧含量增高，皮质R2^*值与梗阻前组皮质R2^*值差异无统计学意义。解除组患肾髓质R2^*值低于梗阻前组髓质R2^*值，但高于梗阻后组髓质R2^*值，皮质R2^*值与梗阻前组皮质R2^*值差异无统计学意义，这与以往研究结果一致，这说明急性输尿管梗阻1 h后肾髓质对血氧水平的变化较敏感，由于肾髓质耗氧量减少，血氧水平明显升高，而梗阻解除后1 h肾功能开始逐渐恢复，但要达到完全恢复可能需要更长的时间，同时也证明了BOLD信号的变化在氧含量较低的髓质更为敏感。健侧肾皮质R2^*值梗阻后较梗阻前有所降低，解除梗阻后R2^*值进一步下降，而健侧肾髓质R2^*值梗阻后较梗阻前有所升高，解除梗阻后R2^*值进一步上升。虽然数据差异无统计学意义，但健侧肾皮质R2^*值的逐渐下降及髓质R2^*值的逐渐升高，代表肾皮质氧含量的上升及髓质氧含量的下降，可能与健侧肾代偿功能有关，当一侧输尿管梗阻，肾功能急性受损时，对侧肾即启动代偿机制，表现为肾皮质血流量增多，氧含量升高，髓质尿液浓缩负荷加重，耗氧量升高，氧含量进一步降低。

       T2与BOLD结合分析表明轻度梗阻组的R2^*变化率小于重度梗阻组，说明梗阻程度越轻肾髓质氧含量变化幅度越小，梗阻程度越重肾髓质氧含量变化幅度越大。缓解组的肾盂扩张率及R2^*变化率均小于未缓解组，说明在完全梗阻时间及解除后时间一致的条件下，梗阻程度越轻恢复的越好，血氧水平变化幅度越小恢复的越好，反之亦然。

       本组实验的这些发现是基于以往对急性输尿管梗阻肾血氧水平改变研究更深层次的研究，在采用3.0 T磁共振提高信噪比保证图像质量的同时对实验数据进行全面分析，并加入了T2WI与BOLD的结合分析，更加深入地探讨了急性单侧输尿管梗阻肾血氧水平改变的病理生理学机制。

       综上所述，BOLD技术可以无创对单侧输尿管梗阻大鼠肾脏模型进行氧含量的评估，能够在清晰显示肾脏结构的同时提供肾氧含量方面信息，为早期监测肾血氧水平，预防急性梗阻所致急性肾衰提供可行的辅助手段，是一种简单、无创、具有可行性及可重复性的肾血氧水平检测方法。