雙能量CT物質(zhì)分離技術(shù)在椎體骨髓水腫中的應(yīng)用

陳 盛，朱新進(jìn)（通信作者），李康倩

（1廣東醫(yī)科大學(xué)研究生院 廣東 湛江 524000）

（2佛山市第二人民醫(yī)院影像中心 廣東 佛山 528000）

脊柱具有保護(hù)內(nèi)臟、支持軀干、保護(hù)脊髓和進(jìn)行運(yùn)動的功能。同時(shí)脊柱作為中軸骨，承受著身體重量，容易發(fā)生壓縮性骨折，特別是有骨質(zhì)疏松基礎(chǔ)的老年人。隨著人口老齡化，骨質(zhì)疏松性椎體（OVCF）壓縮性骨折患病率將不斷上升，中國2010年用于治療OVCF的醫(yī)療費(fèi)用約100億美元（1美元約為人民幣6.5元）；預(yù)計(jì)到2035年，每年支出費(fèi)用將達(dá)到約170億美元；而到2050年預(yù)計(jì)醫(yī)療費(fèi)用支出將高達(dá)約220億美元，對于急性與陳舊性骨折的準(zhǔn)確鑒別，可充分指導(dǎo)臨床選擇治療方案，精準(zhǔn)、及時(shí)的臨床診療可有效降低并發(fā)癥及致殘率，減輕社會及個(gè)人經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。MRI是目前診斷脊柱急性壓縮性骨折的金標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生新鮮骨折的椎體在磁共振中表現(xiàn)為片狀長T1長T2的異常信號以及T1WI低信號的骨折線，T2WI脂肪抑制序列可以敏感地反映骨髓水腫，發(fā)現(xiàn)輕微的隱匿性骨折[2]，同時(shí)還能反映周圍軟組織病變。但是因?yàn)闄z查時(shí)間長，屬于密閉空間，檢查噪聲強(qiáng)，不適用于急診以及幽閉恐懼癥、佩戴心臟起搏器等患者，限制了其臨床應(yīng)用價(jià)值。常規(guī)CT只能觀察椎體的形態(tài)，可以清晰顯示骨折線，但是對于隱匿性骨折、骨髓水腫不敏感，區(qū)分新鮮與陳舊性骨折的能力較弱。雙能量CT具備常規(guī)CT掃描時(shí)間短的優(yōu)勢，同時(shí)也能通過物質(zhì)分離技術(shù)將椎體中的骨質(zhì)去除，實(shí)現(xiàn)骨髓成像。

1 雙能量CT及其物質(zhì)分離技術(shù)原理

1.1 雙能量CT

CT圖像是物質(zhì)對X線吸收的反映，常規(guī)CT的X線是混合能量，由于混合能量的X線通過物體后高能量X線比例大于低能量X線比例，產(chǎn)生硬化效應(yīng)和平均效應(yīng)，因此常規(guī)CT的值無法區(qū)分物質(zhì)。雙能量CT的概念在20世紀(jì)70年代就已提出，鑒于當(dāng)時(shí)成像技術(shù)的限制，其臨床應(yīng)用沉寂多年，近20年隨著技術(shù)的突破雙能量CT臨床應(yīng)用越來越廣泛。雙能量CT的X線是多種能量組成的，可以獲取相同物質(zhì)在不同能量X線中的衰減變化，利用同一物質(zhì)不同能量X線的衰減變化可以區(qū)分和量化物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)功能成像和參數(shù)成像[3]。

目前應(yīng)用比較成熟的雙能量CT有以下三種：①GE公司為代表的能譜CT，使用單球管高低電壓瞬時(shí)切換技術(shù)，可連續(xù)快速切換球管電壓（80/140 kV），探測器是特殊的寶石材料，可保證兩次采集數(shù)據(jù)的速度和時(shí)間分辨率。②西門子公司為代表的雙源CT，采用兩組互相垂直的球管及探測器，通過能譜純化技術(shù)可減少高低能量X線的重疊。③飛利浦公司為代表的雙側(cè)探測器CT，深層探測器接收高能量X線，表層探測器接收低能量X線，達(dá)到同源、同向、同時(shí)的目的。雙能量CT常用的參數(shù)包括：單能量成像、物質(zhì)分離技術(shù)、能譜曲線、有效原子序數(shù)等。

1.2 物質(zhì)分離技術(shù)

由雙能量成像原理可知任何物質(zhì)都能通過兩種物質(zhì)的衰減曲線產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)來表達(dá)，經(jīng)過高低電壓掃描的X線衰減圖像可以表達(dá)為兩種物質(zhì)的密度圖，這個(gè)過程稱為物質(zhì)分離，分離后的物質(zhì)密度圖像中每一個(gè)體素反映相應(yīng)物質(zhì)密度信息[4]。目前在骨髓成像中常用的基物質(zhì)對①鈣/水：物質(zhì)分離技術(shù)中最常用的一對基物質(zhì)對，通過識別并去除原始骨質(zhì)的鈣成分衰減，特異度地顯示自由水的衰減程度。②HAP/水：近年來提出的基物質(zhì)對，椎體中骨質(zhì)成分主要是羥基磷灰石（HAP)，去除羥基磷灰石比去除鈣質(zhì)能將骨質(zhì)去得更徹底，圖像質(zhì)量也更好。

2 物質(zhì)分離技術(shù)在骨髓水腫中的應(yīng)用

2.1 水-鈣基物質(zhì)對

成人骨髓以黃骨髓為主，發(fā)生急性壓縮性骨折后，細(xì)胞外間隙出血以及組織間液的滲出導(dǎo)致自由水含量增多，雙能量CT的物質(zhì)分離技術(shù)去除椎體高密度骨質(zhì)影響后，骨髓水腫、出血的CT值較正常骨髓升高。在有關(guān)骨髓水腫的雙能量CT研究中，物質(zhì)分離技術(shù)中的水（鈣）基物質(zhì)對的報(bào)道居多。Wang等[5]證明在椎體骨質(zhì)硬化低于50%情況下，虛擬去鈣技術(shù)后處理獲得的彩色融合圖可以很好地顯示椎體壓縮性骨折的骨髓水腫，且通過定量測定發(fā)現(xiàn)骨髓水腫與無骨髓水腫的椎體平均CT值有明顯差異（閱片者1骨髓水腫-83.51±53.44 HU/無骨髓水腫-140.03±53.95 HU，閱片者2骨髓水腫-85.35±46.07/無骨髓水腫-149.94±48.91 HU）。研究表明椎體內(nèi)的積氣和骨質(zhì)硬化降低了虛擬去鈣圖上的CT值，椎體內(nèi)骨質(zhì)硬化程度及積氣程度越高，假陰性比例越高。Petritsch等[6]對22個(gè)病人的37個(gè)壓縮性骨折椎體分別進(jìn)行MRI與雙能量CT掃描，對比兩種設(shè)備的結(jié)果，進(jìn)一步證明虛擬去鈣圖像的視覺和定量分析對評估椎體壓縮骨折的外傷性骨髓水腫有很好的診斷效能，視覺定性分析總體敏感度為64.0%，特異度為99.3%，準(zhǔn)確率為93.9%，陽性預(yù)測值為94.1%，陰性預(yù)測值為93.8%，定量分析閾值為-47 HU的總體敏感度為92.0%，特異度為82.6%，準(zhǔn)確率為84.0%，陽性預(yù)測值為48.9%，陰性預(yù)測值為98.3%。Jeong等[7]對比31例急診中脊柱外傷患者的MRI和雙能量CT結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩位診斷醫(yī)師在虛擬去鈣彩色融合圖中發(fā)現(xiàn)骨髓損傷的敏感度分別為83.3%和76.7%，準(zhǔn)確率分別為97.2%和95.8%，表明骨髓成像視覺分析診斷椎體骨髓損傷敏感度低，但準(zhǔn)確性也能滿足急診的需求。Kaup等[8]以MRI為參考標(biāo)準(zhǔn)，與常規(guī)CT相比，雙能量CT采用虛擬去鈣技術(shù)可提高醫(yī)生診斷新鮮骨折準(zhǔn)確率。低年資醫(yī)生常規(guī)CT的準(zhǔn)確率為61%，使用虛擬非鈣CT的準(zhǔn)確率為83%；高年資醫(yī)生的準(zhǔn)確率由從81%提高到95%，并接近MRI的準(zhǔn)確率。Wang等[9]將MRI的椎體骨髓水腫分為三級（0級：正常骨髓，2級：輕微骨髓水腫，3級：明顯骨髓水腫），發(fā)現(xiàn)虛擬去鈣技術(shù)的彩色編碼圖視覺分析診斷效能與MRI骨髓水腫程度相關(guān)，當(dāng)骨髓為2級明顯水腫時(shí)，視覺分析出現(xiàn)3例假陰性，4例假陽性，當(dāng)骨髓為輕微水腫/明顯水腫時(shí)，視覺分析出現(xiàn)5例假陰性，7例假陽性。

上述研究均表明虛擬去鈣技術(shù)的視覺分析法與磁共振的T2WI壓脂序列比較，特異度兩者相近，敏感度相對較低，原因可能是高低能級之間的重疊程度較高，因?yàn)殡S著能譜能級重疊程度的降低，雙能量CT的物質(zhì)分解能力增強(qiáng)，因此增加高低能級之間的距離可以提高診斷骨髓水腫的靈敏度[10]。此外也可以引入定量分析提高敏感度，定量分析的參數(shù)-CT值各個(gè)研究的結(jié)果有所不同，這可能是由于他們使用了不同的掃描協(xié)議、不同的千伏設(shè)置和不同的后處理算法，也可能與研究目標(biāo)患者年齡差異、研究椎體的層面差異、患者身體狀況有關(guān)。古凌靜等[11]探究了椎體層面差異對診斷骨髓水腫的影響，他們認(rèn)為虛擬去鈣圖中胸椎骨髓水腫出現(xiàn)假陽性可能性更高，原因可能是胸椎體骨髓中的紅骨髓含量較腰椎高，并且紅骨髓的衰減值與骨髓水腫、出血的衰減值接近。因此在虛擬去鈣的彩色融合圖中，椎體的色階是由上往下逐漸變淺，CT值也是由上往下逐漸降低。當(dāng)一個(gè)椎體的CT值較上一個(gè)椎體的CT值高時(shí)，有可能存在骨髓水腫。因此趙承勇等[12]提出了聯(lián)合CT差值和CT值定量分析骨髓水腫，降低年齡差異身體狀況及不同椎體層面對閾值的影響，發(fā)現(xiàn)虛擬去鈣技術(shù)測定的目標(biāo)椎體CT值高于1.6 HU，與相鄰椎體CT差值高于29.3 HU時(shí)診斷骨髓水腫的準(zhǔn)確性更高。

物質(zhì)分離技術(shù)的定量分析除了CT值，還可以用基物質(zhì)密度值表示，Akisato等[13]同樣以MRI為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過虛擬去鈣技術(shù)進(jìn)行視覺分析和定量分析，與上述研究不同的是定量分析參數(shù)使用水密度值，假設(shè)水（鈣）密度圖是不受鈣影響的，每個(gè)體素代表著水的相對含量，以mg/cm3為單位，得出結(jié)論骨髓水腫椎體的水（鈣）相對含量為（1057.1±29.7）mg/cm3和無骨髓水腫椎體的水（鈣）相對含量為（998.1±16.6）mg/cm3，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此可見水（鈣）相對含量在骨髓水腫的定量分析中具有一定的準(zhǔn)確性，基物質(zhì)密度值使得定量分析更具體化，實(shí)現(xiàn)由CT值到物質(zhì)相對含量的改變。

雙能量CT診斷椎體成形術(shù)后的骨髓水腫相較于MRI是否存在優(yōu)勢尚無定論，有學(xué)者[14]認(rèn)為MRI評估術(shù)后椎體可能優(yōu)于雙能量CT，雖然球囊后凸成形術(shù)后骨水泥被算法處理并從圖像中減去，但是在這些椎體中只剩下很少的骨髓，因此骨髓成像變得困難，并且骨水泥和椎弓根螺釘也可能會由于射束硬化偽影而影響圖像的觀察。

2.2 HAP-水基物質(zhì)對

近年來有學(xué)者提出使用其他的基物質(zhì)對進(jìn)行骨髓成像，Pan等[15]認(rèn)為HAP/水作為基物質(zhì)對，與鈣/水基物質(zhì)對相比，更接近椎體的真實(shí)成分。以MRI診斷結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，對雙能CT虛擬去HAP（VNHAP）融合偽彩圖進(jìn)行定性分析和定量分析，可以發(fā)現(xiàn)視覺評估診斷急性椎體壓縮骨折的敏感度為93.33%（42/45），特異度97.14%（34/35），準(zhǔn)確率95.00%（76/80），急性壓縮骨折椎體相對水含量（1015.82±11.90）mg/cm3，高于慢性壓縮骨折椎體的（996.99±9.29）mg/cm3，以椎體相對水含量為1 003.20 mg/cm3為閾值，其診斷急性椎體壓縮骨折的敏感度和特異度分別為88.89%和82.86%。由此可見，HAP/水基物質(zhì)對為基礎(chǔ)的骨髓成像視覺分析與定量分析也能很好地反映椎體骨髓水腫。目前關(guān)于HAP/水診斷椎體骨髓損傷的視覺分析和定量分析報(bào)道較少，需要更多的相關(guān)研究與探索。

3 總結(jié)

物質(zhì)分離技術(shù)在診斷椎體骨髓水腫的應(yīng)用日漸成熟，綜上所述物質(zhì)分離技術(shù)的彩色融合圖視覺分析的特異度高于定量分析，這對于在急診中需要快速判斷患者病情是一種很好的輔助工具，提供了一種簡便高效的診斷手段，視覺分析依賴診斷醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)水平，經(jīng)驗(yàn)越豐富的醫(yī)師準(zhǔn)確率越高。定量分析由于掃描協(xié)議、掃描機(jī)型的差異、后處理技術(shù)多樣性、病人自身情況致使診斷閾值存在差異，但也可以可作為視覺分析的一種輔助。

美中不足的是，由于紅骨髓的衰減值與椎體骨髓水腫、出血的衰減值相近，于是存在著兩個(gè)問題：①年輕人的椎體紅骨髓含量更多，因此骨髓成像診斷年輕人椎體骨髓損傷存在著更多的假陽性，近年來的相關(guān)研究對象都是老年人，應(yīng)在未來的研究中將研究對象的年齡范圍擴(kuò)大。②胸椎紅骨髓較腰椎多，假陽性的概率也更高。尋找新的基物質(zhì)對降低紅骨髓對骨髓成像質(zhì)量的影響是我們未來研究的一個(gè)新方向。雙源CT、雙層探測器CT、寶石能譜CT成像技術(shù)雖然不同，但是都能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離技術(shù)，設(shè)備及相應(yīng)后處理技術(shù)類型對于骨髓水腫診斷效能的優(yōu)劣尚需要更多研究數(shù)據(jù)支持。提高雙能量CT在椎體成形術(shù)后骨髓水腫的診斷效能也是我們未來的一個(gè)研究方向。