双能量CT成像在脊柱转移瘤中的研究进展

徐驰杰 邓小毅 崔磊

骨转移瘤是骨骼系统发病率最高的恶性肿瘤，近年其发病率不断上升。脊柱是骨转移瘤最常见的发病部位，约一半的癌症病人会发生脊柱转移[1]，严重影响病人的预后与生存质量。目前，骨活检是确诊脊柱转移瘤的金标准，但病灶取材困难。X线平片、CT、MRI、核素骨显像以及正电子发射体层成像(PET)/CT是检查脊柱转移瘤最主要的影像方法。X线平片对脊柱转移瘤的敏感性较低；MRI软组织分辨力高，是脊柱转移瘤常用的检查方法之一，但其禁忌证较多、扫描时间较长，部分病人难以完成检查，临床应用受到一定限制；PET/CT可用于脊柱转移瘤的早期诊断，但由于费用昂贵，一般不作为临床常规检查手段。常规CT扫描可较好地显示骨质破坏，是检查脊柱转移瘤最常用的方法之一，但其对肿瘤细胞髓腔内骨髓浸润的敏感性不高，容易遗漏一些隐匿性病变。近年出现的双能量CT能有效地识别并量化脊柱病理状态下的异常组织成分，包括骨髓病变，因此可广泛用于骨骼肌肉系统病变的诊断，尤其对脊柱转移瘤有独特的优势。本文对双能量CT成像原理、主要成像方法及在脊柱转移瘤中的应用进展进行综述。

1 双能量CT成像原理及方法

双能量CT扫描设备主要包括单源双能、双源双能和双层探测器3种类型，均是通过不同的CT硬件平台来实现双能量CT成像，是利用不同物质在高低能量下X线衰减的不同而获得不同的能量数据。其中双源双能量CT成像应用最多，常简称双能量CT成像，它通过2套互相垂直的球管发出高、低2种不同能量射线进行同步螺旋扫描，由探测器采集数据，获取不同组织成分在不同能量下的物质衰减特征，从而对组织进行识别及定性、定量分析[2]。目前，双能量CT成像诊断脊柱转移瘤的方法主要包括骨髓水肿成像、虚拟单能量成像和骨-碘物质分离成像。

1.1 骨髓水肿成像 脊柱转移瘤绝大部分是血行转移，主要累及骨髓并引起破骨或成骨活动增加。正常椎体由骨组织、红骨髓、黄骨髓3种成分组成，而脊柱转移瘤内肿瘤细胞在转移过程中会浸润并取代正常的骨组织，椎体内恶性组织成分的血管通透性及含水量增加而脂肪成分降低，导致骨髓水肿。双能量CT成像通过收集2个不同能级的CT数据集对物质的混合成分进行分解，根据物质原子量及电子密度、X线束不同程度的吸收和衰减以及特征性双能量指数，通过颜色编码区分不同物质的化学成分[3-5]。基于这一原理，Pache等[6]研究认为双能量三物质分解技术可以分离椎体内骨组织、红骨髓及黄骨髓3种物质，并提出将骨组织、红骨髓、黄骨髓的体积分数分别代表骨组织（B）、软组织（S）及脂肪（F），正常骨髓（q）=F/（S+F）。 当脂肪与软组织的体积比恒定，且不受骨组织含量的影响，q值恒定；当椎体骨髓成分被肿瘤组织替代导致比例发生变化时，q值也发生变化。同时双能量CT成像通过虚拟去钙（virtual noncalcium,VNCa）技术将骨中钙成分去除以提供更好的骨髓水肿影像，并利用后处理软件进行彩色编码，提供更好的病灶可视化影像。

1.2 虚拟单能量成像 双能量CT虚拟单能量成像可以提供不同物质在不同能级下的CT值及能量曲线特征，为虚拟单能量曲线在脊柱转移瘤中的应用提供了依据。虚拟单能量成像反映的是X线的能量衰减，在不同的能级下物质能量变化构成能量曲线。能量曲线X轴表示虚拟单能量不同能级水平，Y轴表示病灶在不同能级上对应的CT值，将坐标轴内A、B不同能级处CT值连线，计算病灶椎体的能量曲线斜率（K）＝ （CTA－CTB）/B-A，其中 CTA和 CTB分别代表相应能级的CT值。当椎体内成分发生改变时，椎体内不同理化、病理成分在虚拟单能量成像上呈现不同的CT值和特征性能量曲线。

1.3 骨-碘物质分离成像 肿瘤血管的生成在肿瘤生长和转移中起着重要作用，肿瘤成分内血管通透性高导致肿瘤组织明显强化，而CT强化程度通常受到碘浓度和血管内、外间隙交换扩散的影响。双能量CT可以将骨和碘分离并重建骨-碘图用于脊柱转移瘤的定性及定量分析。骨-碘物质分离成像较常规CT能更直观地反映病灶组织内的碘浓度差异，更敏感地显示细微强化病灶，并通过量化分析评估病灶内血供情况[7]。利用骨-碘分离专用分析软件，通过绘制散点图进行骨、碘物质参数分离，建立阈值图并进行彩色编码叠加，从而将脊柱转移瘤可视化。

2 双能量CT成像在脊柱转移瘤中的应用

双能量CT骨髓水肿成像可以优化脊柱转移瘤的显示，提高诊断的敏感性、特异性及准确性。虚拟单能量成像、骨-碘分离成像有助于鉴别脊柱良、恶性肿瘤及其他骨性病变（如施莫尔结节、骨岛、多发性骨髓瘤）。

2.1 评估骨髓水肿 骨髓水肿成像利用VNCa技术去除椎体内钙质成分，通过骨髓伪彩图、灰阶图及三维重组影像评估脊柱转移瘤椎体内骨髓水肿，从而提高病灶检出率及诊断准确性。章等[8]对37例脊柱外伤及腰背部疼痛病人进行双能量CT骨髓水肿成像扫描，结果发现不同对比物质相对比值（relative contrast material ratio,RCMR，即同一物质在不同能量下CT值的比值）可以作为双能量CT骨髓水肿成像的重要重建参数，且当RCMR为1.75时诊断椎体骨髓水肿的效能较高，其敏感度、特异度及准确度分别为85.11%、96.60%、94.47%。赵等[9]研究发现，双能量VNCa技术对骨髓水肿的诊断具有较高的诊断敏感度（75%）、特异度（88.4%）和准确度（77.6%），而且认为椎体VNCa CT值的差异对诊断骨髓水肿有意义。因脊柱转移瘤中椎体的水含量、骨含量与正常椎体均不同，可以对脊柱转移瘤椎体VNCa CT值进行定量分析。一些研究[10-12]也证实了有无骨髓水肿的椎体之间VNCa CT值差异有统计学意义。但由于物质能量衰减技术可能存在失真，从而导致双能量VNCa CT测量值会存在一定误差[13]，因此VNCa技术对脊柱转移瘤定量分析的应用价值有待前瞻性大样本、多中心研究进一步证实。

2.2 提高诊断效能 近年国内外已有研究证实双能量骨髓水肿成像、虚拟单能量成像及骨-碘物质分离成像对提高脊柱转移瘤诊断效能具有一定价值。Issa等[14]对18例病人227个骨转移瘤进行双能量骨髓水肿成像，并与常规CT进行比较，结果发现骨髓水肿成像对骨转移瘤诊断的敏感度为92.8%，常规CT为80.2%，特异度分别为98.4%和95.8%，表明骨髓水肿成像可提高骨转移瘤的诊断效能。Kosmala等[15]对34例多发性骨髓瘤病人的骨髓水肿成像进行分析，发现其评估病灶椎体肿瘤浸润程度的敏感度、特异度及准确度分别为91.3%、90.9%、91.2%。Thomas等[16]对已确诊为多发性骨髓瘤的病人进行双能量CT、常规CT及MRI检查，结果显示骨髓水肿成像对多发性骨髓瘤内骨髓浸润的检测敏感度达75%。Lee等[17]对54例恶性肿瘤骨转移病人进行骨-碘分离成像，以99Tcm-亚甲基二膦酸盐图像作为参照，结果显示骨-碘分离成像对骨转移瘤的检出率高达92.3%，表明双能量CT骨-碘分离成像有利于骨转移瘤的筛查与检测。周等[18]利用骨-碘物质分离成像技术对骨转移瘤病人的碘、骨皮质和骨髓质进行分离，研究发现该技术有利于提高骨转移瘤的检出率。随着双能量新技术的不断发展，研究者也不断探讨其他双能量技术对脊柱转移瘤的应用价值。Huang等[19]结合腰椎骨转移瘤病人的影像结果与初步临床实验分析，发现羟基磷灰石-水物质分解双能CT较常规CT对于检测骨转移瘤的敏感度更高（94%和77.1%）且伪影更小，特别是对于微小的等密度肿瘤，但尚需更多临床研究进一步证实。此外，虚拟单能量成像还可以降低图像噪声、减少射束硬化伪影，从而提供更高的信噪比和最佳单能量水平[20-21]。Yue等[22]对35例肺癌病人共124个成骨性转移瘤的椎体进行分析，结果显示在70 keV时获得的虚拟单能量影像具有最低的影像噪声、最高的信噪比，表明不同能级的虚拟单能量成像显示转移瘤的清晰程度不同，选择最佳能量优化影像可以更好地检测出脊柱转移瘤。

2.3 鉴别诊断 双能量虚拟单能量成像能够显示不同物质在单能量能级下CT值与能量曲线特征，从而可以鉴别脊柱转移瘤与其他骨性病变。双能量骨-碘分离成像能更直观地反映不同组织内的碘浓度差异并进行量化分析，可以更敏感地显示不同组织不明显强化的病灶，从而有助于鉴别诊断。Dong等[23]对94例肺癌病人进行回顾性研究，结果显示虚拟单能量不同单能级上骨岛的CT值均明显高于成骨性转移瘤，且在110 keV虚拟单能量CT影像上能得到最佳鉴别诊断阈值，相应敏感度为93%，特异度为93.3%，能量曲线亦显示两者均随着CT值的增大而下降，且骨岛的曲线斜率要明显大于成骨性转移瘤，骨岛内成分较转移瘤更不均匀，表明虚拟单能量曲线对鉴别成骨型转移瘤和骨岛有较好的诊断效能。Zheng等[24]对102例癌症病人110个椎体低密度病灶进行回顾性分析，以MRI或者PET/CT为参考标准，结果发现在低keV时施莫尔结节的能量衰减程度明显大于溶骨型转移瘤，且在40 keV单能量CT影像上以119.57 HU作为诊断阈值时敏感度为90%，特异度为88%，表明双能量CT对于溶骨型转移瘤及施莫尔结节的鉴别诊断具有较高的准确性。张等[25]对42例肺癌脊柱骨转移瘤与多发性骨髓瘤的单能量CT值及能量曲线斜率进行比较，发现脊柱转移瘤在40～90 keV低能量区间内的CT值高于多发性骨髓瘤，且前者的能量曲线斜率明显大于后者，表明双能量CT有助于鉴别脊柱转移瘤与多发性骨髓瘤。此外，基于物质分离成像中的碘可以作为肿瘤血管活性和生存能力的生物学标志，通过双能量CT后处理软件对碘含量进行定量分析，可以鉴别脊柱转移瘤或其他骨性病变。Yuan等[26]应用双能量物质分离成像对脊柱良、恶性肿瘤进行鉴别，结果显示脊柱恶性肿瘤的碘浓度高于良性肿瘤。

3 局限性与小结

双能量CT成像对于脊柱转移瘤的应用尚有以下不足：①目前研究中的样本量均较少，缺乏大样本多中心研究对其进行证实。②未对脊柱转移瘤类型进行区分，不同病理类型的脊柱转移瘤在双能量CT影像上的表现仍有待进一步研究明确。③双能量后处理技术仍需进一步完善，特别是显示轻微骨髓水肿或强化不明显的病灶。

综上所述，双能量CT的骨髓水肿成像、虚拟单能量成像及骨-碘物质分离成像技术对脊柱转移瘤均具有较好的应用价值。骨髓水肿成像利用VNCa技术可以评估脊柱转移瘤椎体内的骨髓。虚拟单能量成像利用不同能级下CT值及能量曲线特征有助于鉴别脊柱转移瘤及其他骨性病变（骨岛、施莫尔结节及多发性骨髓瘤）。骨-碘物质分离成像利用物质分离技术能更直观地显示转移瘤内血供情况，提高脊柱转移瘤的检出率。随着后处理技术的不断发展与成熟，双能量CT成像对脊柱转移瘤的诊断将显示出更大优势，更有助于临床决策治疗及改善病人预后。