全消化道MRI检查：个体内变异性与检查时长评估

引言

胃肠（GI）动力是指推动、处理并最终将食物、液体和气体排出消化道的复杂协调性肌肉收缩[1, 2]。这些功能受损称为胃肠动力障碍，通常严重致残，是糖尿病、贲门失弛缓症、多发性硬化和克罗恩病等一系列疾病的常见并发症，并常导致便秘、腹泻、失禁、疼痛、腹胀、恶心和早饱等使人衰弱的症状。症状通常为非特异性，与临床发现相关性差，诊断仍具有挑战性[2–4]。胃肠动力的测量尚无金标准[4]。当前的诊断方式——如内镜、食管/胃十二指肠/肛门测压、闪烁显像和放射性不透光标记物传输测量——可能具有侵入性、令人不适、需要专业知识或缺乏标准化[4–6]。

胃肠动力障碍常累及多个胃肠节段；因此，一种能够在单次检查中全面、无创且标准化地评估所有胃肠节段动态生理学的模式是可取的。磁共振成像（MRI）可提供对整个胃肠道的髙空间分辨率、无辐射且无创的评估[7]。胃肠道成像的一般挑战包括管腔内气体、器官运动和呼吸所致的伪影。MRI能有效地在一次检查中检测整个胃肠道的动力和生理异常[8, 9]。然而，尽管具有潜力，其临床实施受到缺乏标准化、后处理和判读的可变性、可用性受限以及采集和分析时间长导致成本增加的制约[7]。因此，由于MRI技术的快速发展，需要新的、具有临床相关性和有效的方案来阐明和促进临床使用。基于既往研究试验的汇总结果，本研究提出一种单一的全消化道MRI检查，包括胃肠参数的个体化测量，具有临床相关性且后勤可行[10–12]。该检查在一次持续不到两小时的MRI扫描会话中，对胃肠道大部分部位的体积、内容和动力进行高度详细的评估。本研究旨在：（1）分别评估胃、小肠和结肠的MRI评估体积以及胃半排空时间、小肠动力和全肠道传输胶囊评分的日间个体内可重复性；（2）提出一种缩短的MRI扫描检查，减少在扫描仪中花费的时间，使临床使用和实施更加可及和适用；（3）通过两个临床病例，展示该MRI检查在研究环境之外、另外两家医院中临床实施的可行性。

材料与方法

数据收集与伦理批准

数据来自在丹麦进行的五项不同研究，如表1所示。三项研究是先前发表的临床试验，在奥尔堡大学医院进行，并获得北丹麦地区健康研究伦理委员会批准（N-20200102 和 N-20190020）以及临床试验信息系统 EudraCT 编号 2022-500108-23-00。[10–12] 一项研究是在奥胡斯大学医院进行的正在进行的临床试验，并获得中丹麦地区健康研究伦理委员会批准（1-10-72-369-21）。一项研究是在蒂斯特德医院进行的当地质量保证项目（ID：K2022-023）。所有研究均从所有参与者处获得了书面知情同意。

MRI 研究

这些 MRI 研究具有不同的终点，因为各研究的主要目的不同。尽管如此，MRI 检查通常包括相同类型的测量：对不同节段内容物、体积和运动的全消化道评估。

所有研究的参与者均在早晨扫描，至少禁食6小时、禁水2小时。在测试餐前后获取胃、小肠和结肠的图像。MRI 方案概览见表1。具体 MRI 扫描参数见补充材料表 S1.1、表 S1.2 和表 S1.3。本文包括以下 MRI 衍生指标：胃半排空时间、胃内容物体积、小肠体积、小肠运动指数、结肠体积（总体积和节段体积）以及全肠道传输标记胶囊（位置评分）。

MRI 测量

没有任何单一临床序列能够以足够详细的程度同时评估运动性和结构参数。本研究中评估的 MRI 测量是在一次 MRI 检查中使用五个独立 MRI 扫描序列获得的，这些序列分别用于量化：（1）胃体积和半排空时间，（2）小肠体积和运动性，（3）结肠节段体积，以及（4）全肠道传输标记胶囊。具体测量包括胃和小肠的禁食及餐后体积，以及结肠总体积和节段体积的禁食体积和标记胶囊位置。

胃内容物体积和半排空时间

胃图像使用静态 T2 加权扫描在多个时间点重复进行。包含液体/固体内容的胃内容物体积使用自定义分析框架（MATLAB v.R2019b，MathWorks，Natick，MA，USA）手动分割。胃腔内高信号强度区域被解释为液体内容物，而位于胃前部的低强度区域被分类为气体。气体体积未纳入任何计算。0分钟扫描时胃内容物体积半排空时间点（T50）使用在线分析工具计算（apps.menne-biomed.de/gastempt/）[13]。所有 T50 计算均对每项纳入研究以单批次计算进行估算。

小肠体积和运动性

小肠图像采用动态CINE扫描获取，该扫描可随时间捕捉肠道运动。获得5层20秒动态冠状位图像。每次屏气获得一层图像。数据在在线平台Entrolytics（Motilent，Ford，英国）上进行分析。使用画笔工具勾画小肠，分割体积代表小肠体积。GIQuant™（Motilent，Ford，英国）算法为每次动态扫描生成运动图[14]。每次扫描时间点报告小肠运动指数、GIQuant评分和勾画的小肠体积。运动指数为任意单位，数值越高代表运动越多，数值越低代表运动越少；然而，该方法无法获得收缩方向。

结肠节段体积

结肠图像采用冠状位T2加权图像获取。这些图像用于分析结肠总容积和节段容积（升结肠、横结肠、降结肠和乙状结肠/直肠）。图像使用MATLAB（v.R2019b，MathWorks，Natick，MA，美国）中的半自动分析框架进行分析。[15] 分割体积包括粪便内容和气体。

全肠道传输标记胶囊

标记胶囊图像采用冠状位DIXON LAVA-Flex序列获取，单次屏气采集时间为20秒。在预定MRI扫描前24小时吞服三粒MRI标记胶囊[10, 16]。胶囊尺寸为21.5 mm x 8.3 mm，由两个半壳组成，材料为医用级聚醚醚酮树脂KETRON PEEK-1000自然色。这些特定研究中的胶囊为手工填充，填充液为MRI对比液（钆特醇279.3 mg/ml，Prohance®，Bracco International B.V.，阿姆斯特丹，荷兰）与自来水按1:10混合，以确保高成像对比度[17]。

胶囊在胃肠道中的位置采用Chaddock等[16]提出的量表进行评级。评级量表如下：小肠：7，升结肠近端：6，升结肠远端：5，横结肠近端：4，横结肠远端：3；降结肠：2，乙状结肠和直肠：1，排出：0。分析中报告三粒胶囊的平均位置评分。标记胶囊评估仅纳入Mark等[10]研究中的20名参与者。

受试者内可重复性子研究

在40名健康志愿者（HV）中利用两项交叉临床试验获得的汇总基线数据研究了MRI测量的生理变异，每项试验包括20名HV，受试者在任何干预开始前的两个基线日接受扫描[10, 11]。受试者在空腹状态以及进食285千卡餐（由三根格兰诺拉麦片棒和400 ml自来水组成）后0、15和45分钟接受MRI检查。MRI测量包括胃半排空时间、小肠运动指数、全肠道传输胶囊（仅在其中一项试验中进行）以及胃、小肠和结肠的体积测量。

检查时长子研究

在46名糖尿病受试者和40名健康志愿者（HV）中，研究了扫描时间点数量对胃半排空时间计算的影响。该研究的数值此前已有报道[12]。原始获得的数据集使用在摄入300 kcal、200 ml蛋白质奶昔（Nutridrik，Nutricia A/S，Lillerød，丹麦）与200 ml自来水混合后0 min、15 min、75 min、90 min和105 min时间点获得的胃内容物体积来计算胃半排空时间。使用86次MRI检查研究了胃体积估计的准确性，其中胃半排空时间仅使用前三个（0、15和75 min）餐后扫描时间点进行估计。

统计分析

使用组内相关系数（ICC）量化在两个不同时间点获取的基线MRI扫描之间的受试者内生理变异，并报告95%置信区间以评估测量可靠性。使用Bland-Altman分析进一步评估重复测量之间的一致性，该分析提供一致性界限以识别系统性偏倚和变异性。计算变异系数以表示测量之间的相对离散度。为比较从五个扫描时间点得出的胃半排空时间估计值与使用三个时间点的简化方案，使用一致性相关系数（CCC），其结合了精确度和准确度的测量以评估方法之间的一致性。所有统计分析均使用Stata（版本MP17；StataCorp LP）进行。

结果

受试者内重现性子研究

分析了MRI测量中关于胃测量、小肠测量、结肠测量和全肠道通过时间的受试者内生理和方法学变异。对40名健康受试者（10名女性，平均年龄26.1 ± 10.4岁，平均BMI 24.0 ± 3.3 kg/m2）进行了MRI检查。MRI检查在平均10.5周后重复进行（最短五周，最长24周）。重复MRI测量的重测统计量见表2，分别为空腹和餐后直接进行的第一次餐后扫描。空腹值的Bland-Altman图见图1。

其余测量（餐后15和45 min进行的扫描以及结肠节段）的描述性统计量见补充材料表S2。

胃测量

胃半排空时间表现出中等重现性，ICC为0.53 [0.31–0.74]。然而，胃内容物体积总体上表现出较差的重现性，最高ICC见于空腹扫描（0.34 [0.13–0.64]）。一名受试者在第一次访视时表现出无法解释的胃排空缓慢（45分钟扫描时距均值4.8*SD），因此将该受试者排除分析后，45分钟扫描时胃内容物体积的ICC值增至0.65 [0.40–0.80]。

小肠测量

小肠运动指数在空腹扫描时重复性最好，组内相关系数（ICC）为0.66 [0.45–0.82]，在餐后0分钟扫描时重复性最低，ICC为0.22 [0.05–0.61]。空腹时小肠体积具有中等重复性，ICC为0.61 [0.41–0.78]，而餐后重复性增加，ICC为0.80 [0.65–0.89]。其余测量结果见补充材料表S2。

结肠测量

所有结肠测量均在空腹状态下进行。总结肠体积的ICC显示中等重复性，数值为0.47 [0.23–0.72]。观察各节段测量结果，升结肠的ICC为0.48 [0.24–0.72]，横结肠为0.56 [0.34–0.75]，降结肠为0.35 [0.13–0.66]。乙状结肠体积在所有结肠节段中重复性最高，ICC为0.59 [0.37–0.78]。

全肠道通过时间

全肠道通过胶囊评分显示重复性较差，ICC为0.27 [0.04–0.76]。

检查时长子研究

使用较少数据点进行计算对胃半排空时间估计的影响见图2。当省略90和105分钟进行的扫描时间点以缩短检查时长时（图2A-B），与包含五个数据点的完整数据集相比，估计的胃半排空时间显示偏倚为-1分钟，95%一致性界限为-15和12分钟，一致性相关系数为0.97。当省略75和90分钟进行的扫描时间点时（图2C-D），估计的胃半排空时间显示偏倚为-8分钟，95%一致性界限为-22和7分钟，胃半排空时间估计之间的一致性相关系数为0.94。这表明使用缩减数据集时胃半排空时间的估计仅改变数分钟，且在这些情况下倾向于估计值增加。

缩短MRI检查的方案建议见图3。

来自奥胡斯和蒂斯特德医院的病例简介

病例1

背景

男性，69岁，C2创伤性脊髓损伤，随后不完全性四肢瘫痪六年。自受伤以来，由于严重便秘和排便困难，他每天至少在马桶上花费1.5小时，常常使他感到排空不完全。此外，他还出现食欲减退、腹部不适、腹胀和疼痛。所有不同类型的泻药（刺激性、润滑性和渗透性）均未能缓解症状。手指刺激/掏便也未成功。由于结肠较长，结肠镜检查不完整，CT结肠镜检查无病理发现。

MRI表现

结肠体积极大，达1891 ml，见图4，其中乙状结肠因粪便和气体严重扩张，占据了大部分腹部。胃半排空时间在正常范围内。餐后小肠动力增加。全肠道传输胶囊评分通过MRI前24小时吞服的三个对比胶囊进行测量，所有胶囊均位于近端结肠，表明传输时间延长。MRI表现提取自使用该特定MRI模型的一次检查（表S1.2），证明体积、内容物、动力和胃半排空时间均可在一次检查中评估。

病例2

背景

女性，49岁，餐后腹胀、肠鸣和疼痛5–7年。大量进食可诱发症状。此外，她在排便前出现肠鸣。胃镜和结肠镜正常，所有相关血液和粪便检查也正常。她符合功能性消化不良的ROME IV标准。

MRI表现

表现包括小肠内气体过多，见图5A，以及相对于患者体型而言较大的结肠总体积672 ml，见图5B。所有对比胶囊均在24小时内排出，表明传输时间正常。空腹状态下小肠动力正常，餐后阶段显著增加。胃半排空时间正常。小肠内气体过多使人怀疑小肠细菌过度生长。

讨论

本文表明，MRI测量的可重复性大多为差至中等，因此在临床实施MRI诊断动力障碍时，应考虑生理性变异。我们的观察提示，全消化道MRI方案可以缩短，使患者无需长时间留在扫描仪中。纳入患者病例是为了举例说明在两家不同医院进行全肠道MRI检查的临床可行性。

受试者内可重复性子研究

胃部测量

40名健康受试者空腹和餐后胃容积的日间受试者内变异性较高。重复胃部测量的ICC大多为差或中等，其中重复性最好的是胃半排空时间。这种变异性可能反映了胃容受和排空的复杂生理过程，其取决于多种因素，包括餐食形式（液体/固体）、体积、热量密度和宏量营养素组成（蛋白质、脂肪、纤维和碳水化合物）[18–21]。不同研究之间试验餐的差异，以及诸如胃筛分等生理现象——即当餐食液体部分与固体部分混合不充分时，液体部分会更快离开胃——也可能进一步导致测量不一致[21, 22]。此外，昼夜节律可能影响胃肠功能和动力。胃酸生成在白天增加，胰腺酶和各种糖转运体也同样随昼夜节律变化[23]。动力也是如此，胃、小肠和结肠的活动在白天均见增强。在本文分析的MRI研究方案中，受试者均在上午接受扫描，以考虑受试者内和受试者间变异性测量中的昼夜节律。

与当前研究呈现的结果不同，其他研究发现MRI评估的胃排空结果具有更好的可重复性。Fidler等人在两个不同场合检查了10名健康志愿者的胃反应（空腹状态和摄入试验餐后餐后状态的体积及体积变化）[24]。作者发现餐后受试者内变异系数< 15%，他们得出结论，用MRI测量的空腹和餐后胃体积在受试者内总体上是可重复的。Fruehauf等人在两个不同场合检查了8名健康志愿者和8名消化不良患者，分别在空腹状态和摄入液体标准餐后的餐后状态[25]，两组均观察到空腹胃体积存在显著的受试者间和受试者内变异性。Camilleri等人研究了临床上更常用的胃排空闪烁显像的变异，报告了47名患者中胃半排空时间的受试者内变异系数为24%，显示受试者内变异高于本研究的发现[26]。本研究中发现的胃内容物体积变异性可能部分反映了试验餐的组成；然而，胃排空本身具有内在变异性，难以在不同技术和研究之间一致地重现。本文中观察到的空腹状态体积的高变异性与Roelof等人最近的一项大型研究一致，该研究报告受试者内变异性高于受试者间变异[27]。

胃动力受损和胃排空受损可能与相当大的症状负担相关，因为排空加速和延迟均具有临床意义。快速排空可能与营养消化不充分相关，而排空延迟通常与恶心、呕吐、腹胀、疼痛和早饱等症状相关[28, 29]。因此，评估胃参数包括容受性、体积、胃内容和动力对于胃功能受损的临床评价具有重要意义。MRI可以提供一种安全、无电离辐射、非侵入性的单次检查模式，允许同时评估这些参数。然而，汇总分析中观察到的若干胃测量指标的可重复性变异代表了一个重要局限性，在解释这些发现时应予以考虑。尽管如此，如上所述，鉴于胃生理学的复杂性，在分析和临床解释中必须考虑受试者内变异性，同时认识到未来需要进一步验证和完善MRI方案。

小肠测量

小肠动力障碍已在多种疾病中被证实和认识，如克罗恩病[30]、慢性假性肠梗阻[31]和小肠细菌过度生长[32]。因此，对小肠病理生理学和动力的可靠评估具有临床意义，但需要注意受试者内变异性、受试者间变异性和日间变异等局限性作为影响因素。

重复的小肠测量中的个体内变异显示，ICC从差到好不等，并且在餐前和餐后出现波动。有趣的是，小肠体积的ICC高于动力测量且更为一致，同样表明具有中等可靠性。这与既往关于肠道MRI可重复性/重复性的研究一致，通常显示出可接受的重复性。Menys等人的一项研究在21名健康志愿者中使用MRI探讨了小肠动力指数的可重复性[14]。所有受试者均接受甘露醇肠道准备。重复基线测量的个体内变异变异系数为4.9%，提示良好的重复性。本研究中使用餐食而非甘露醇刺激蠕动，该值为12%。De Jonge等人研究了小肠动力对试验餐的反应，并检验了MRI测量的可重复性。该研究在16名MRI前接受甘露醇准备的受试者和15名未准备受试者中进行[33]。未准备组基线空腹测量的个体内变异系数为23.7%，而本研究中为12%。未准备组的ICC从空腹扫描时的0.61（与我们在空腹状态下ICC为0.66的发现相似）到餐后状态的0.23（同样与我们在餐后ICC为0.22的发现一致）。因此，我们的结果中的可重复性得到了其他MRI研究的证实。尽管与既往其他作者发现一致的中等可重复性，但在解释结果时仍需谨慎，然而，如前所述，人体内逐日的生理变化是我们可能不得不接受的局限性。

结肠测量

我们观察到关于重复的总结肠和节段性结肠体积的个体内变异，ICC值为差到中等。在既往一项20名健康受试者的研究中，使用与本文相同的成像和分析方法，我们观察到总结肠个体内变异性的ICC值较高，为0.85，节段性结肠体积的ICC值范围为0.44至0.82[34]。Wilkinson-Smith等人研究了12名健康志愿者，得出总结肠体积的ICC值相似较高，为0.84，节段性结肠体积的ICC值范围为0.63至0.82。尽管略高于本文的结果，但其结果得到了我们前述研究的证实[35]。尽管如此，我们的结肠测量显示的个体内变异系数值低于Deiteren等人进行的闪烁显像传输研究中的发现，该研究中16名健康受试者使用24小时测量的内部变异系数为30%，11名健康受试者使用48小时测量的内部变异系数为26%[36]。

结肠体积在便秘等情况下可能受到影响。有趣的是，一些小型研究提示结肠体积可能因潜在的病理生理原因而不同[37]，而其他研究未能重现此类结果[38]。尽管如此，不同情况可能需要不同的治疗。因此，MRI的许多优势可以促进结肠特征（如体积和动力）的可视化，可能增强临床决策并帮助适当地靶向患者治疗[39]。

全肠道传输时间

MRI传输标记物评分的个体内变异高得令人惊讶。我们重复了Chaddock等人研究中使用的方法；然而，我们仅使用了三粒胶囊，而原始研究中使用了五粒胶囊[16]。如果再次重复此方法，必须承认增加更多胶囊可能会提高准确性。然而，如果传输时间没有直接的临床相关性，则检查中可以省略胶囊摄入。尽管如此，所提出的缩短MRI检查仍将具有临床价值，因为全消化道成像能够在一次单一的无创检查中对胃肠道进行全面评估。例如，在炎症性肠病中，内镜下缓解仍是参考标准；然而，某些部位的可视化，尤其是小肠，本质上受到限制，且不一定能在一次检查中实现[40, 41]。此外，在存在例如狭窄的情况下，内镜操作可能在技术上具有挑战性，并且它仍然是一种半侵入性操作，伴有患者不适[40]。因此，尽管存在局限性，MRI在某些（但并非所有）方面必然可作为合格的补充和/或替代方案。

检查时长子研究

为提高全消化道MRI的临床适用性并增加其可及性，我们希望修改检查时长，以减少患者不适、节省时间和扫描仪占用。我们仔细审查了扫描时间以省略冗余检查。我们评估了在130分钟MRI方案中降低扫描频率对胃半排空时间估算的影响。仅使用三个时间点——基线（0分钟）、餐后早期（15分钟）和较晚的一次扫描（75–105分钟）——估算的半排空时间与完整方案相比仅相差几分钟。这表明频繁扫描和晚期扫描对于可靠估算可能并非必要。虽然精确量化在研究环境中可能至关重要，但临床实践通常仅需要对胃排空正常与延迟进行二分分类。

减少扫描次数具有以下优势：通过允许扫描间休息来改善患者舒适度、减少扫描仪占用时间、降低成本以及在间隙期间检查其他患者的可能性。在核医学领域，Pelletier-Galarneau等人使用Bonta标准验证了一种缩短的闪烁显像方案，证明2小时方案在95–96%的病例中保持了诊断准确性[42, 43]。这些发现支持简化胃排空MRI检查的可行性。对于小肠动力评估，延长检查也可能包含冗余数据。我们先前在糖尿病患者中的研究表明，初始餐后反应提供的信息最为丰富[12]。这些发现得到其他研究的进一步支持，同样证明餐后不久即出现显著的动力变化[9, 33]。因此，保留早期扫描点似乎足以评估小肠动力，而允许患者在后续扫描之间离开扫描仪可能不会影响诊断质量。相比之下，结肠评估通常需要更长的检查时间。例如，在健康个体中，试验餐到达盲肠的中位时间可达225分钟[16]。因此，扫描时机应根据所研究的生理过程进行调整。

优势与局限性

本文证明了在多个医院站点使用不同扫描仪系统实施简化全消化道MRI检查的可行性，支持其超越专业研究中心的应用潜力。受试者内变异分析仅在单台扫描仪上进行，然而跨不同系统扫描将更好地评估扫描仪间变异性。各医院数据分别分析而非合并分析，这有助于减少站点特异性偏倚，但限制了统计效能。一个显著局限性是缺乏外部验证。未来多中心研究应完善方法学，强调统一图像采集和后处理技术，以提高可重复性和临床适用性。

结论

既往研究大多集中于健康个体或狭窄的患者群体，扫描方案、餐食激发和后处理技术仍存在相当大的变异性。基于不同的MRI检查方案，我们提出一种简化MRI检查，更适合未来研究，同时认识到需要简化和标准化的方法。本文证明了使用全消化道MRI在单次简化检查中评估多个胃肠道参数的可行性。尽管存在局限性，特别是MRI测量指标的高受试者内变异，我们相信该方法仍有前景，然而需要在健康志愿者中开展更大规模研究以建立规范参考值，随后可应用于各种疾病人群的临床研究。

补充信息

以下是电子补充材料的链接。

补充材料1

补充材料2