雙能量CT成像在脊柱轉(zhuǎn)移瘤中的研究進(jìn)展

徐馳杰 鄧小毅 崔磊

骨轉(zhuǎn)移瘤是骨骼系統(tǒng)發(fā)病率最高的惡性腫瘤，近年其發(fā)病率不斷上升。脊柱是骨轉(zhuǎn)移瘤最常見(jiàn)的發(fā)病部位，約一半的癌癥病人會(huì)發(fā)生脊柱轉(zhuǎn)移[1]，嚴(yán)重影響病人的預(yù)后與生存質(zhì)量。目前，骨活檢是確診脊柱轉(zhuǎn)移瘤的金標(biāo)準(zhǔn)，但病灶取材困難。X線平片、CT、MRI、核素骨顯像以及正電子發(fā)射體層成像(PET)/CT是檢查脊柱轉(zhuǎn)移瘤最主要的影像方法。X線平片對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤的敏感性較低；MRI軟組織分辨力高，是脊柱轉(zhuǎn)移瘤常用的檢查方法之一，但其禁忌證較多、掃描時(shí)間較長(zhǎng)，部分病人難以完成檢查，臨床應(yīng)用受到一定限制；PET/CT可用于脊柱轉(zhuǎn)移瘤的早期診斷，但由于費(fèi)用昂貴，一般不作為臨床常規(guī)檢查手段。常規(guī)CT掃描可較好地顯示骨質(zhì)破壞，是檢查脊柱轉(zhuǎn)移瘤最常用的方法之一，但其對(duì)腫瘤細(xì)胞髓腔內(nèi)骨髓浸潤(rùn)的敏感性不高，容易遺漏一些隱匿性病變。近年出現(xiàn)的雙能量CT能有效地識(shí)別并量化脊柱病理狀態(tài)下的異常組織成分，包括骨髓病變，因此可廣泛用于骨骼肌肉系統(tǒng)病變的診斷，尤其對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)雙能量CT成像原理、主要成像方法及在脊柱轉(zhuǎn)移瘤中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 雙能量CT成像原理及方法

雙能量CT掃描設(shè)備主要包括單源雙能、雙源雙能和雙層探測(cè)器3種類型，均是通過(guò)不同的CT硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙能量CT成像，是利用不同物質(zhì)在高低能量下X線衰減的不同而獲得不同的能量數(shù)據(jù)。其中雙源雙能量CT成像應(yīng)用最多，常簡(jiǎn)稱雙能量CT成像，它通過(guò)2套互相垂直的球管發(fā)出高、低2種不同能量射線進(jìn)行同步螺旋掃描，由探測(cè)器采集數(shù)據(jù)，獲取不同組織成分在不同能量下的物質(zhì)衰減特征，從而對(duì)組織進(jìn)行識(shí)別及定性、定量分析[2]。目前，雙能量CT成像診斷脊柱轉(zhuǎn)移瘤的方法主要包括骨髓水腫成像、虛擬單能量成像和骨-碘物質(zhì)分離成像。

1.1 骨髓水腫成像 脊柱轉(zhuǎn)移瘤絕大部分是血行轉(zhuǎn)移，主要累及骨髓并引起破骨或成骨活動(dòng)增加。正常椎體由骨組織、紅骨髓、黃骨髓3種成分組成，而脊柱轉(zhuǎn)移瘤內(nèi)腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)浸潤(rùn)并取代正常的骨組織，椎體內(nèi)惡性組織成分的血管通透性及含水量增加而脂肪成分降低，導(dǎo)致骨髓水腫。雙能量CT成像通過(guò)收集2個(gè)不同能級(jí)的CT數(shù)據(jù)集對(duì)物質(zhì)的混合成分進(jìn)行分解，根據(jù)物質(zhì)原子量及電子密度、X線束不同程度的吸收和衰減以及特征性雙能量指數(shù)，通過(guò)顏色編碼區(qū)分不同物質(zhì)的化學(xué)成分[3-5]?；谶@一原理，Pache等[6]研究認(rèn)為雙能量三物質(zhì)分解技術(shù)可以分離椎體內(nèi)骨組織、紅骨髓及黃骨髓3種物質(zhì)，并提出將骨組織、紅骨髓、黃骨髓的體積分?jǐn)?shù)分別代表骨組織（B）、軟組織（S）及脂肪（F），正常骨髓（q）=F/（S+F）。 當(dāng)脂肪與軟組織的體積比恒定，且不受骨組織含量的影響，q值恒定；當(dāng)椎體骨髓成分被腫瘤組織替代導(dǎo)致比例發(fā)生變化時(shí)，q值也發(fā)生變化。同時(shí)雙能量CT成像通過(guò)虛擬去鈣（virtual noncalcium,VNCa）技術(shù)將骨中鈣成分去除以提供更好的骨髓水腫影像，并利用后處理軟件進(jìn)行彩色編碼，提供更好的病灶可視化影像。

1.2 虛擬單能量成像 雙能量CT虛擬單能量成像可以提供不同物質(zhì)在不同能級(jí)下的CT值及能量曲線特征，為虛擬單能量曲線在脊柱轉(zhuǎn)移瘤中的應(yīng)用提供了依據(jù)。虛擬單能量成像反映的是X線的能量衰減，在不同的能級(jí)下物質(zhì)能量變化構(gòu)成能量曲線。能量曲線X軸表示虛擬單能量不同能級(jí)水平，Y軸表示病灶在不同能級(jí)上對(duì)應(yīng)的CT值，將坐標(biāo)軸內(nèi)A、B不同能級(jí)處CT值連線，計(jì)算病灶椎體的能量曲線斜率（K）＝ （CTA－CTB）/B-A，其中 CTA和 CTB分別代表相應(yīng)能級(jí)的CT值。當(dāng)椎體內(nèi)成分發(fā)生改變時(shí)，椎體內(nèi)不同理化、病理成分在虛擬單能量成像上呈現(xiàn)不同的CT值和特征性能量曲線。

1.3 骨-碘物質(zhì)分離成像 腫瘤血管的生成在腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移中起著重要作用，腫瘤成分內(nèi)血管通透性高導(dǎo)致腫瘤組織明顯強(qiáng)化，而CT強(qiáng)化程度通常受到碘濃度和血管內(nèi)、外間隙交換擴(kuò)散的影響。雙能量CT可以將骨和碘分離并重建骨-碘圖用于脊柱轉(zhuǎn)移瘤的定性及定量分析。骨-碘物質(zhì)分離成像較常規(guī)CT能更直觀地反映病灶組織內(nèi)的碘濃度差異，更敏感地顯示細(xì)微強(qiáng)化病灶，并通過(guò)量化分析評(píng)估病灶內(nèi)血供情況[7]。利用骨-碘分離專用分析軟件，通過(guò)繪制散點(diǎn)圖進(jìn)行骨、碘物質(zhì)參數(shù)分離，建立閾值圖并進(jìn)行彩色編碼疊加，從而將脊柱轉(zhuǎn)移瘤可視化。

2 雙能量CT成像在脊柱轉(zhuǎn)移瘤中的應(yīng)用

雙能量CT骨髓水腫成像可以優(yōu)化脊柱轉(zhuǎn)移瘤的顯示，提高診斷的敏感性、特異性及準(zhǔn)確性。虛擬單能量成像、骨-碘分離成像有助于鑒別脊柱良、惡性腫瘤及其他骨性病變（如施莫爾結(jié)節(jié)、骨島、多發(fā)性骨髓瘤）。

2.1 評(píng)估骨髓水腫 骨髓水腫成像利用VNCa技術(shù)去除椎體內(nèi)鈣質(zhì)成分，通過(guò)骨髓偽彩圖、灰階圖及三維重組影像評(píng)估脊柱轉(zhuǎn)移瘤椎體內(nèi)骨髓水腫，從而提高病灶檢出率及診斷準(zhǔn)確性。章等[8]對(duì)37例脊柱外傷及腰背部疼痛病人進(jìn)行雙能量CT骨髓水腫成像掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同對(duì)比物質(zhì)相對(duì)比值（relative contrast material ratio,RCMR，即同一物質(zhì)在不同能量下CT值的比值）可以作為雙能量CT骨髓水腫成像的重要重建參數(shù)，且當(dāng)RCMR為1.75時(shí)診斷椎體骨髓水腫的效能較高，其敏感度、特異度及準(zhǔn)確度分別為85.11%、96.60%、94.47%。趙等[9]研究發(fā)現(xiàn)，雙能量VNCa技術(shù)對(duì)骨髓水腫的診斷具有較高的診斷敏感度（75%）、特異度（88.4%）和準(zhǔn)確度（77.6%），而且認(rèn)為椎體VNCa CT值的差異對(duì)診斷骨髓水腫有意義。因脊柱轉(zhuǎn)移瘤中椎體的水含量、骨含量與正常椎體均不同，可以對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤椎體VNCa CT值進(jìn)行定量分析。一些研究[10-12]也證實(shí)了有無(wú)骨髓水腫的椎體之間VNCa CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但由于物質(zhì)能量衰減技術(shù)可能存在失真，從而導(dǎo)致雙能量VNCa CT測(cè)量值會(huì)存在一定誤差[13]，因此VNCa技術(shù)對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤定量分析的應(yīng)用價(jià)值有待前瞻性大樣本、多中心研究進(jìn)一步證實(shí)。

2.2 提高診斷效能 近年國(guó)內(nèi)外已有研究證實(shí)雙能量骨髓水腫成像、虛擬單能量成像及骨-碘物質(zhì)分離成像對(duì)提高脊柱轉(zhuǎn)移瘤診斷效能具有一定價(jià)值。Issa等[14]對(duì)18例病人227個(gè)骨轉(zhuǎn)移瘤進(jìn)行雙能量骨髓水腫成像，并與常規(guī)CT進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨髓水腫成像對(duì)骨轉(zhuǎn)移瘤診斷的敏感度為92.8%，常規(guī)CT為80.2%，特異度分別為98.4%和95.8%，表明骨髓水腫成像可提高骨轉(zhuǎn)移瘤的診斷效能。Kosmala等[15]對(duì)34例多發(fā)性骨髓瘤病人的骨髓水腫成像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其評(píng)估病灶椎體腫瘤浸潤(rùn)程度的敏感度、特異度及準(zhǔn)確度分別為91.3%、90.9%、91.2%。Thomas等[16]對(duì)已確診為多發(fā)性骨髓瘤的病人進(jìn)行雙能量CT、常規(guī)CT及MRI檢查，結(jié)果顯示骨髓水腫成像對(duì)多發(fā)性骨髓瘤內(nèi)骨髓浸潤(rùn)的檢測(cè)敏感度達(dá)75%。Lee等[17]對(duì)54例惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移病人進(jìn)行骨-碘分離成像，以99Tcm-亞甲基二膦酸鹽圖像作為參照，結(jié)果顯示骨-碘分離成像對(duì)骨轉(zhuǎn)移瘤的檢出率高達(dá)92.3%，表明雙能量CT骨-碘分離成像有利于骨轉(zhuǎn)移瘤的篩查與檢測(cè)。周等[18]利用骨-碘物質(zhì)分離成像技術(shù)對(duì)骨轉(zhuǎn)移瘤病人的碘、骨皮質(zhì)和骨髓質(zhì)進(jìn)行分離，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有利于提高骨轉(zhuǎn)移瘤的檢出率。隨著雙能量新技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者也不斷探討其他雙能量技術(shù)對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤的應(yīng)用價(jià)值。Huang等[19]結(jié)合腰椎骨轉(zhuǎn)移瘤病人的影像結(jié)果與初步臨床實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石-水物質(zhì)分解雙能CT較常規(guī)CT對(duì)于檢測(cè)骨轉(zhuǎn)移瘤的敏感度更高（94%和77.1%）且偽影更小，特別是對(duì)于微小的等密度腫瘤，但尚需更多臨床研究進(jìn)一步證實(shí)。此外，虛擬單能量成像還可以降低圖像噪聲、減少射束硬化偽影，從而提供更高的信噪比和最佳單能量水平[20-21]。Yue等[22]對(duì)35例肺癌病人共124個(gè)成骨性轉(zhuǎn)移瘤的椎體進(jìn)行分析，結(jié)果顯示在70 keV時(shí)獲得的虛擬單能量影像具有最低的影像噪聲、最高的信噪比，表明不同能級(jí)的虛擬單能量成像顯示轉(zhuǎn)移瘤的清晰程度不同，選擇最佳能量?jī)?yōu)化影像可以更好地檢測(cè)出脊柱轉(zhuǎn)移瘤。

2.3 鑒別診斷 雙能量虛擬單能量成像能夠顯示不同物質(zhì)在單能量能級(jí)下CT值與能量曲線特征，從而可以鑒別脊柱轉(zhuǎn)移瘤與其他骨性病變。雙能量骨-碘分離成像能更直觀地反映不同組織內(nèi)的碘濃度差異并進(jìn)行量化分析，可以更敏感地顯示不同組織不明顯強(qiáng)化的病灶，從而有助于鑒別診斷。Dong等[23]對(duì)94例肺癌病人進(jìn)行回顧性研究，結(jié)果顯示虛擬單能量不同單能級(jí)上骨島的CT值均明顯高于成骨性轉(zhuǎn)移瘤，且在110 keV虛擬單能量CT影像上能得到最佳鑒別診斷閾值，相應(yīng)敏感度為93%，特異度為93.3%，能量曲線亦顯示兩者均隨著CT值的增大而下降，且骨島的曲線斜率要明顯大于成骨性轉(zhuǎn)移瘤，骨島內(nèi)成分較轉(zhuǎn)移瘤更不均勻，表明虛擬單能量曲線對(duì)鑒別成骨型轉(zhuǎn)移瘤和骨島有較好的診斷效能。Zheng等[24]對(duì)102例癌癥病人110個(gè)椎體低密度病灶進(jìn)行回顧性分析，以MRI或者PET/CT為參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低keV時(shí)施莫爾結(jié)節(jié)的能量衰減程度明顯大于溶骨型轉(zhuǎn)移瘤，且在40 keV單能量CT影像上以119.57 HU作為診斷閾值時(shí)敏感度為90%，特異度為88%，表明雙能量CT對(duì)于溶骨型轉(zhuǎn)移瘤及施莫爾結(jié)節(jié)的鑒別診斷具有較高的準(zhǔn)確性。張等[25]對(duì)42例肺癌脊柱骨轉(zhuǎn)移瘤與多發(fā)性骨髓瘤的單能量CT值及能量曲線斜率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)脊柱轉(zhuǎn)移瘤在40～90 keV低能量區(qū)間內(nèi)的CT值高于多發(fā)性骨髓瘤，且前者的能量曲線斜率明顯大于后者，表明雙能量CT有助于鑒別脊柱轉(zhuǎn)移瘤與多發(fā)性骨髓瘤。此外，基于物質(zhì)分離成像中的碘可以作為腫瘤血管活性和生存能力的生物學(xué)標(biāo)志，通過(guò)雙能量CT后處理軟件對(duì)碘含量進(jìn)行定量分析，可以鑒別脊柱轉(zhuǎn)移瘤或其他骨性病變。Yuan等[26]應(yīng)用雙能量物質(zhì)分離成像對(duì)脊柱良、惡性腫瘤進(jìn)行鑒別，結(jié)果顯示脊柱惡性腫瘤的碘濃度高于良性腫瘤。

3 局限性與小結(jié)

雙能量CT成像對(duì)于脊柱轉(zhuǎn)移瘤的應(yīng)用尚有以下不足：①目前研究中的樣本量均較少，缺乏大樣本多中心研究對(duì)其進(jìn)行證實(shí)。②未對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤類型進(jìn)行區(qū)分，不同病理類型的脊柱轉(zhuǎn)移瘤在雙能量CT影像上的表現(xiàn)仍有待進(jìn)一步研究明確。③雙能量后處理技術(shù)仍需進(jìn)一步完善，特別是顯示輕微骨髓水腫或強(qiáng)化不明顯的病灶。

綜上所述，雙能量CT的骨髓水腫成像、虛擬單能量成像及骨-碘物質(zhì)分離成像技術(shù)對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤均具有較好的應(yīng)用價(jià)值。骨髓水腫成像利用VNCa技術(shù)可以評(píng)估脊柱轉(zhuǎn)移瘤椎體內(nèi)的骨髓。虛擬單能量成像利用不同能級(jí)下CT值及能量曲線特征有助于鑒別脊柱轉(zhuǎn)移瘤及其他骨性病變（骨島、施莫爾結(jié)節(jié)及多發(fā)性骨髓瘤）。骨-碘物質(zhì)分離成像利用物質(zhì)分離技術(shù)能更直觀地顯示轉(zhuǎn)移瘤內(nèi)血供情況，提高脊柱轉(zhuǎn)移瘤的檢出率。隨著后處理技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，雙能量CT成像對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移瘤的診斷將顯示出更大優(yōu)勢(shì)，更有助于臨床決策治療及改善病人預(yù)后。