排尿期膀胱生物力学无创评估方法的可行性研究：基于尿流动力学MRI

《Bioengineering》：Feasibility Study on Non-Invasive Methods for Bladder Biomechanics During Voiding Using Uro-Dynamic MRI

　　

背景：尿流动力学MRI是一种用于评估/分析膀胱收缩的非侵入性方案。区域化解剖学测量和多变量线性回归模型（MVLRM）被用于建立评估膀胱收缩的方法学。
方法：在这项探索性研究中，5名健康受试者和6名下尿路症状（LUTS）患者接受了排尿期间的尿流动力学MRI检查。在排尿的每个时间点对膀胱进行分割。记录体积（V）和表面积（SA），从而得出尿流率()和球形度指数()曲线。追踪区域化解剖学测量值并与进行线性相关分析，同时使用MVLRM将国际前列腺症状评分（IPSS）中的症状评分进行关联分析。
结果：健康受试者的收缩与表现出高度线性相关性；而在LUTS患者中观察到相反的情况。在80%的健康受试者和50%的LUTS患者中，的发生时间与在两个时间点内相吻合。MVLRM识别出、横向长度和前后向长度作为LUTS诊断和尿频的相关因素。
结论：该方法学揭示了排尿期间膀胱收缩独特的双相模式，并显示了症状行为与解剖学测量之间的关联。这项探索性研究展示了一种全面的方法学，能够无创地量化患者排尿期间特异性的膀胱收缩模式，从而为医生提供针对特定症状治疗的相关信息。

【研究背景与动机】
下尿路症状（LUTS）是影响中老年男性群体生活质量的常见健康问题，超过50%的50岁以上男性受此困扰，常表现为尿流减弱和膀胱排空受损，临床上多将其归因于前列腺梗阻。长期以来，良性前列腺增生（BPH）一直被视为LUTS的主要诱因，但近期研究揭示，膀胱收缩力受损，即膀胱活动低下（UAB），也是关键的致病因素。当前，评估下尿路的常规方法如尿动力学研究（UDS）具有侵入性，通常需要放置导尿管，这会导致尿道部分阻塞，且仅能提供单点压力测量和二维荧光透视图像，缺乏动态解剖学信息，难以全面表征膀胱收缩力学。由于对膀胱收缩机制的理解存在空白，LUTS患者的临床护理面临挑战。为了无创且全面地评估排尿过程中的膀胱生物力学特征，研究人员开展了这项探索性研究，旨在利用尿流动力学MRI技术建立一种非侵入性的方法学基线，量化患者特异性的膀胱收缩模式，并比较健康人群与LUTS患者的区域化收缩差异及与症状评分的关联。该研究为理解膀胱排尿力学提供了新视角，其成果发表在《Bioengineering》期刊上。

【关键技术方法】
研究招募了5名健康男性和6名LUTS男性患者（18-80岁，经机构审查委员会批准且符合HIPAA规范）。样本在3T MRI扫描仪内以仰卧位完成扫描，采用3D DISCO序列获取排尿期动态体积图像。图像经MIMICS软件半自动分割生成3D渲染模型以记录体积（V）和表面积（SA），并计算尿流率()和球形度指数()。研究人员追踪了以耻骨联合（PS）和输尿管插入部为参考点的11项区域化解剖学测量值，结合快速傅里叶变换（FFT）进行频率分解，并构建多变量线性回归模型（MVLRM）关联解剖数据与国际前列腺症状评分（IPSS）。

【研究结果】
图像分割：
通过Uro-Dynamic MRI成像协议与分析工作流，研究成功提取了排尿期膀胱的生物力学信息。阅读者间变异性（IRV）研究显示，在不同阅读者对和的测量中，偏倚接近0，且绝对误差在5%至8%之间，验证了该方法的高重现性。数据表明，所有受试者的膀胱收缩均呈现典型的双相行为：在第一阶段增加直至达到（最大球形度指数时间点），随后在第二阶段减小直至排尿结束。LUTS患者的整体低于健康受试者。在80%的健康受试者和50%的LUTS患者中，的发生时间与（最大尿流率时间点）在两个时间步长内重合。变形图显示健康受试者的膀胱位移大于LUTS患者。

基于解剖学测量的膀胱形状分析：
研究人员量化了排尿期间的区域收缩和膀胱旋转。当将排尿视为双相事件评估时，解剖学测量与的相关性显著提升。在健康受试者中，第一阶段收缩使膀胱趋于球形；第二阶段，各项解剖测量值的收敛于0.8至0.9之间，表明各区域对尿流的贡献相似，呈现对称收缩。相比之下，LUTS患者虽表现出双相收缩模式，但其区域化贡献在两阶段中均未收敛，表明存在不对称收缩现象，且整体尺寸变化不足。

基于频率分解的旋转与收缩：
对LAN、CAS和CAA角度进行频率分解后，健康受试者展现出稀疏的旋转频率分布（3至6转/分钟）和多个主收缩峰（2至8次收缩/分钟），与既往超声观察到的微动范围一致，表明膀胱壁收缩活跃，且前壁收缩（CAA）与膀胱旋转（LAN）之间存在同步性。LUTS患者则表现为低频低振幅的旋转模式和单一主导频率，提示其收缩幅度较小或存在收缩失败现象。

多变量线性模型：
研究人员构建了普通最小二乘法（OLS）模型以映射解剖学测量与诊断及IPSS症状的关系。在点构建的模型显示，诊断、尿频和尿流无力模型相关性最高（>0.95），LAN和是重要的显著变量。在点构建的模型同样在诊断、IPSS等方面表现优异，且归一化时间等变量作用显著。整体而言，基于点数据的模型具有更高的相关性系数。

【讨论与结论总结】
在讨论部分，研究人员指出，相较于具有侵入性且受限的UDS，该非侵入性框架能够评估可能被UDS判定为无效的低容量排尿，并通过Uro-Dynamic MRI提供高重现性的动态三维信息。研究首次报告了膀胱收缩的双相模式，其中作为形状转变点，作为功能代表，两者的重合或错位有助于区分健康与LUTS人群。变形图直观揭示了LUTS患者排尿时的不对称收缩和运动减退区域。多变量模型成功将复杂的生物力学分析与临床症状联系起来，在点建立的模型表现更优，表明该时间点可能有助于区分不同类型的LUTS。
最后，研究人员得出结论，本研究证明了基于MRI的尿流动力学在健康受试者和LUTS患者中的可行性，为下尿路生物力学评估奠定了基础。这种非侵入性的评估框架补充了当前临床标准的动态解剖学信息，能够帮助医生在LUTS的诊断和治疗中获取新视角。该方法揭示了排尿时膀胱收缩的双相特性及区域化收缩特征，其输出的3D模型还可用于计算流体动力学（CFD）模拟，以获取如壁面剪切应力等UDS无法计算的指标。尽管存在处理时间长及样本队列小等局限性，未来工作将把该方法应用于更大、更多样化的临床队列中，以进一步验证其临床应用潜力。