定量磁化率成像（QSM）在肾结石中的应用：一种离体MRI体模研究

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Quantitative Susceptibility Mapping of Kidney Stones: An Ex Vivo MRI Phantom Study

　　

目的：利用定量磁化率成像（QSM）在MRI中基于磁化率可视化并表征五种最常见肾结石类型。 方法：构建三个水基琼脂体模，共纳入53枚不同类型和大小的离体肾结石。在1.5 T和3 T场强下采用七种不同MRI多回波梯度回波（GRE）序列进行扫描，每种采集重复三次。重建磁化率图并计算各肾结石的平均磁化率值（相对于琼脂凝胶归一化）。针对五种最常见类型——碳酸磷灰石（CaP）、草酸钙（CaOx）、尿酸（UA）、胱氨酸（CY）和磷酸铵镁（ST），考察不同序列参数及场强的影响。 结果：所有受检肾结石均通过QSM可靠可视化为抗磁性（diamagnetic）。各结石的平均磁化率值及标准差具有良好的重测重复性。对于直径大于3.0 mm（占全部结石66%）的五种主要类型结石，在两种场强下的多次采集中平均磁化率值高度一致。总体平均磁化率值（±标准差SD）分别为：碳酸磷灰石?1.25±0.16 ppm、草酸钙?1.08±0.13 ppm、尿酸?0.94±0.17 ppm、胱氨酸?1.32±0.16 ppm、磷酸铵镁?1.28±0.28 ppm。 结论：数据表明，QSM适用于可靠显示肾结石，并可利用MRI区分五种最常见肾结石组成中的特定类型。这为临床实践中疑似尿石症的在体成像迈出了关键一步。

论文解读：《定量磁化率成像（QSM）在肾结石中的应用：一种离体MRI体模研究》

一、研究背景与意义

尿石症（urolithiasis）指肾脏内形成固体结石，可引发肾绞痛及感染、急性肾衰竭等并发症。目前临床金标准为非增强腹部CT，灵敏度与特异度近100%，但存在电离辐射风险，对青少年、孕妇及复发患者不利。超声无辐射但敏感度有限，尤其对结石定位与大小判定不足。常规MRI因结石快速信号衰减常表现为信号缺失而难以识别。

定量磁化率成像（Quantitative Susceptibility Mapping, QSM）是一种从多回波梯度回波（Gradient Echo, GRE）相位数据重建组织磁化率分布的MRI后处理技术，已在脑出血、钙化显示中证明价值。近期也有个案显示QSM可显示较大肾结石，但不同化学类型能否被区分、在不同场强与序列下的稳定性尚不清楚。鉴于尿石症患者常合并慢性肾病（Chronic Kidney Disease, CKD），且部分类型（如胱氨酸、鹿角形磷酸铵镁结石）更易损伤肾功能，建立一种可同时评估软组织继发改变且无辐射的结石成像方法具有重要临床意义。本研究由研究人员开展离体肾结石QSM体模实验，旨在验证QSM对五种主要化学类型结石的可视化能力与定量一致性，为后续在体研究奠基。论文发表于《Magnetic Resonance in Medicine》。

二、主要关键技术方法概括

研究人员收集32例患者的53枚离体肾结石，经红外光谱化学分析确认组成，最终纳入五种主要类型：碳酸磷灰石（CaP, n=3）、草酸钙（CaOx, n=14）、尿酸（UA, n=12）、胱氨酸（CY, n=5）、磷酸铵镁（ST, n=8），其余为混合结石。构建三个圆柱形水基琼脂（2 wt.% Agar-Agar + 0.5 wt.% NaCl）体模，分四层浇筑，将结石密封于层间以模拟体内水环境，避免气泡干扰。

在1.5 T（Magnetom Sola）与3 T（Magnetom Vida）扫描仪上，使用16通道踝关节线圈，采用多回波3D GRE（VIBE）序列采集幅值与相位数据。设置七种参数组合（3TE/4TE/5TE，不同翻转角FA、带宽BW、体素大小），每种采集重复三次。利用SEPIA工具箱（MATLAB）进行相位解包（ROMEO）、背景场去除（投影到偶极子场PDF法）及磁化率重建（Morphology-Enabled Dipole Inversion, MEDI+0）。手动在首回波幅值图上勾画各结石感兴趣体积（Volume of Interest, VOI），计算平均磁化率并归一化至对应体模琼脂介质。重点分析直径≥3.0 mm结石以避免部分容积效应，通过重复测量计算重测重复系数（Repeatability Coefficient, RC），并做组间统计检验（Kruskal-Wallis/Dunn或Welch ANOVA/Games-Howell）。

三、研究结果

1. 1.
   总体可视化与定量范围
   所有53枚结石在七种采集下均通过QSM显示为抗磁性（负值ppm），幅值图多无信号，局部场图在直径<3.0 mm结石中噪声较高。直径≥3.0 mm的结石（占66%）在不同序列与场强间平均磁化率一致。
2. 2.
   重测重复性与场强影响
   3 T序列的重测重复系数（RC=0.032–0.056 ppm）优于1.5 T（RC=0.084–0.139 ppm），3 T的磁化率标准差也更小。多数结石在三次重复中均值与SD稳定，个别<3.0 mm结石偏差稍大。
3. 3.
   五类主要结石的磁化率数值
   基于直径≥3.0 mm结石跨序列与重复的总体均值±SD为：胱氨酸（CY）?1.32±0.16 ppm（最抗磁）、磷酸铵镁（ST）?1.28±0.29 ppm、碳酸磷灰石（CaP）?1.25±0.16 ppm、草酸钙（CaOx）?1.08±0.13 ppm、尿酸（UA）?0.94±0.17 ppm（最不抗磁）。ST与CaP个体间变异稍大。
4. 4.
   类型间统计差异
   尿酸（UA）与胱氨酸（CY）在1.5 T（p<0.05）与3 T（p<0.05）均存在显著磁化率差异；UA与ST在1.5 T也存在显著差异。CaOx、CaP、CY、ST彼此磁化率接近，但UA相对偏离，提示QSM有潜力区分UA与其他常见类型。
5. 5.
   序列参数一致性
   不同首回波TE、ΔTE、翻转角（FA）变化对五类结石相对磁化率影响小。末回波TE过短（如3TE-Sola-1、5TE-Vida-3）使均值略偏抗磁，但不改变类型排序。仅FA差异的序列给出几乎相同结果。1.5 T与3 T跨场强趋势一致，3 T散布更小。
6. 6.
   图像表现与伪影
   重建图中结石多为均匀抗磁区，少数见内部不均匀，更常见于1.5 T，考虑为传播相位噪声而非真实成分分区。部分结石-琼脂边界出现薄层顺磁伪影（优选方向沿B₀轴），未纳入VOI故不影响定量。偶见孤立气囊顺磁点。少数非纯结石在图中似分两室，需谨慎解释。

四、讨论总结与结论翻译

研究人员讨论指出，离体QSM可稳定显示五种主流化学类型肾结石，定量值与既往少数在体/体模研究相近，差异可归因于参考组织与重建流程。直径<3.0 mm结石受部分容积效应影响磁化率趋近0 ppm，因此选取≥3.0 mm分析合理。UA最不抗磁且与CY/ST有统计差异，但各类型样本量仍有限，未来需扩大在体验证。

QSM重建在极低信号区（如骨、出血、结石）可有内伪影，本研究的PDF背景场去除与MEDI+0反演对大体素体模适用；未来在体可考虑全反演（Total Field Inversion）以提升边界表现。超短TE（UTE）可采集体内超短T₂^*的结石相位，但末回波过短会影响肾软组织磁化率精度，而本研究使用的笛卡尔多回波GRE更通用且兼容软组织评估。

体模设计通过直接包埋结石于琼脂避免容器界面，贴近体内水环境；偶尔再水合释气或微小气囊可通过全反演进一步抑制。当前限制包括：红外光谱分析破坏样本，无法二次量效；未涵盖CT阴性药源性结石（如Indinavir）及刷石（brushite）；为便利样本抽样；最终结论待在体研究确认。

本研究结论翻译如下：

本离体研究表明，QSM可在1.5 T与3 T下将草酸钙、碳酸磷灰石、尿酸、胱氨酸及磷酸铵镁五类主要肾结石可靠可视化为抗磁区域。这些主要类型的磁化率在广泛使用的多回波3D GRE序列参数下具有良好一致性及高重测重复性。通过QSM直接可靠显示约95%的肾结石，并有望区分尿酸与胱氨酸/磷酸铵镁类型，是为临床实践中建立在体尿石症MRI无辐射替代非增强CT的关键一步。