双能CT虚拟去钙技术对股骨头坏死的诊断价值

张玉婷，姜永宏

股骨头缺血坏死(osteonecrosis of femoral head，ONFH)好发于中青年人，其病因和发病机制复杂，至今尚未完整阐明，国内外学者提出了各种学说，如血运障碍、脂质代谢紊乱、骨内压增高、骨细胞凋亡、基因多态性和免疫因素等[1-6]。目前证明ONFH与酒精、创伤以及过量服用激素、凝血功能异常等因素密切相关，可能是多种因素共同作用的结果[7-8]。ONFH是骨科领域常见的难治性疾病，其病程进展快，如不及时治疗可能致残[9]。因此准确诊断和治疗具有至关重要的意义。本研究以MRI作为参照标准，比较常规CT、双能CT虚拟去钙技术(virtual non-calcium technique，VNCa)对ONFH的诊断价值。笔者查阅文献，目前国内外尚未见开展此类研究的报道。

材料与方法

1.一般资料

将2019年1月-2019年4月本院收治的临床怀疑89例ONFH患者纳入分析，其中1例因重度肥胖无法行双能CT检查、2例因安装有心脏起搏器无法行MRI检查而被剔除。最终纳入86例受试者共172个髋关节(股骨头坏死120个，正常股骨头52个)。其中，男49 例，女32例，年龄26～62 岁，中位年龄45岁。患者行CT及MRI检查的时间间隔不超过2天。本研究经我院伦理委员会批准，所有患者签署了知情同意书。

2.CT扫描及图像分析

使用Siemens Somatom Definition Flash双能CT机，采集患者双侧髋关节图像，患者取仰卧位，扫描范围自髋臼顶部至股骨小转子水平，扫描参数：100 kV/Sn140 kV，自动管电流(参考值260 mAs/200 mAs),螺距0.6，准直宽度0.6 mm×32。重建层厚1.0 mm，层间距0.75 mm。重建双能量CT图像及混合能量0.5线性融合图像作为常规CT(regular CT，rCT )图像，并三维重组出冠状面图像，在冠状面图像上进行分析。使用Syngo Via CT后处理工作站(VB10)，选择Dual-Energy 选项卡中Bone Marrow软件对图像进行后处理。

由2位影像科医师(阅片者1和2)在不知道MRI检查结果及临床症状的情况下独立对rCT图像进行主观评分，然后对rCT与VNCa融合图像进行主观评分，计分规则：星芒状结构模糊记1分，局限性骨质疏松记1分，局部骨质硬化记1分，出现线征记2分，软骨下骨断裂记2分，股骨头关节面塌陷记2分，囊变记1分，髋关节间隙狭窄记1分，VNCa图像上出现异常区域(以蓝紫色作为正常骨髓腔背景，绿色代表异常)记2分，总计3分或3分以上者诊断为ONFH(图1a～b，2a～b)。

在VNCa图像上在病变显示最清晰的层面勾画ROI，记录软件自动生成的CTVNCa和rCT值，未见股骨头病变时则测量与病变侧ROI对应的对侧镜像位置髓腔的CTVNCa及rCT值，双侧正常股骨头内ROI的勾画选取冠状面图像上股骨头最大层面上骺线上缘位置，应尽量避免股骨头骨皮质及皮质下2 mm以内的骨髓腔。ROI为圆形，大小0.4～0.5 cm2。

3.MRI扫描及图像分析

使用Siemens Verio 3.0T磁共振检查仪和体部线圈。患者取仰卧位，常规行双髋关节横轴面及冠状面扫描，扫描序列和参数：SE序列冠状面STIR T2WI(TR 4200 ms，TE 56 ms)、冠状面T1WI(TR 880 ms，TE 20 ms)和横轴面T1WI(TR 440 ms，TE 13 ms)；层厚3.5 mm，层距1.5 mm，矩阵320×288，视野16 cm×16 cm。双能CT及MRI检查时间间隔不超过2天。由两位高年资影像医师独立评估MRI图像，意见不一致时，由第3位影像医师共同讨论得出一致结果。参考2016版成人股骨头坏死临床诊疗指南[7,10]，MRI上诊断ONFH的标准为T1WI上股骨头内可见单线征或T2WI上股骨头内可见双线征(图1c～d，2c～d)。

4.统计学处理

使用SPSS 22.0软件进行统计学分析。计算常规CT图像、常规CT联合VNCa图像诊断早期股骨头坏死的敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值。阅片者1、2采用同一方法评估股骨头是否出现坏死的主观评价的一致性分析采用Kappa检验。同一阅片者采用不同方法评估股骨头是否出现坏死的主观评价的一致性分析采用McNemar检验。组间测量值的比较采用McNemar检验。使用受试者工作特征(receiver operating characteristic curve，ROC)曲线分析CTVNCa值对早期股骨头坏死的诊断效能。诊断截断点选取Youden指数(敏感度+特异度-1)最大值所对应的界值。由于本研究中计量资料rCT值及CTVNCa值的数据均不符合正态分布，因此采用中位数表示，使用Mann-WhitneyU检验比较股骨头坏死和正常股骨头的rCT值及CTVNCa值间的差异。以P<0.05认为差异具有统计学意义。

图1 男，41岁，因左髋关节疼痛3月余就诊。a)rCT冠状面重组图像，左侧股骨头内可见单线征(红箭)，关节面下骨折(黑箭)，右侧股骨头轻度局限性骨质硬化(黄箭)，关节面光整；b)VNCa图像，正常髓腔呈蓝紫色，双侧ONFH区被标记为绿色(白箭)，左侧骨髓内水肿区被标记为绿色(红箭)；c)MR T1WI，双侧股骨头内可见单线征(红箭)，左侧股骨头关节面下可见骨折线(黄箭)，骨髓水肿呈低信号(绿箭)；d)MR压脂T2WI，右侧股骨头可见双线征(白箭)，左侧股骨头可见线征和软骨下骨折，骨髓水肿区呈不均匀高信号(红箭)。 图2 女，46岁，因右髋部疼痛8个月就诊。a)rCT冠状面重组图像，右侧股骨头内可见单线征(红箭)，左侧对称区域未见明显异常；b)VNCa图像，正常髓腔为蓝紫色，右侧股骨头坏死区被标记为绿色，并可见骨髓水肿区(标记为绿色，红箭)，左侧股骨头对称处未见明显异常；c)MR T1WI，右侧股骨头可见单线征(红箭)，并可见呈低信号的骨髓水肿区(黄箭)，左侧股骨头未见明显异常(白箭头)；d)MR压脂T2WI，右侧股骨头可见单线征(白箭)，骨髓水肿区呈高信号(红箭)，左侧股骨头未见明显异常(白箭头)。

结 果

阅片者1、2分别采用同一方法对股骨头是否出现坏死的判定结果的一致性均较好(单独采用rCT时Kappa=0.86，P=0.000；采用rCT联合VNCa时Kappa=0.77，P=0.000)。同一阅片者采用不同方法对股骨头坏死的判断结果的一致性较好(阅片者1：Kappa=0.66，P=0.000；阅片者2：Kappa=0.67，P=0.000)。

阅片者1和2采用rCT、rCT联合VNCa图像诊断ONFH的诊断效能见表1。结果显示，rCT联合VNCa图像诊断ONFH的敏感度、符合率和阴性预测值均有明显提高。

表1 rCT和rCT联合VNCa图像对股骨头坏死的诊断性能

图3 两位阅片者测量的CTVNCa值诊断早期股骨头坏死的ROC曲线。

两位阅片者测量的ONFH和正常股骨头的rCT和CTVNCa值及组间比较结果见表2。两位阅片者测量的坏死股骨头的CTVNCa值均显著高于正常股骨头，差异具有统计学意义(P<0.05)；而病变和正常股骨头的rCT值的差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 ONFH和正常股骨头CTVNCa和rCT值的比较 (HU)

阅片者1测量的股骨头rCT和CTVNCa值诊断ONFH的ROC曲线下面积分别为0.559(95% CI：0.472～0.645)和0.899(95% CI：0.851～0.946)；当CTVNCa截断值为-46.55 HU时，诊断ONFH的敏感度为88.3%，特异度为82.7%(图3)。

阅片者2测量的股骨头rCT和CTVNCa值诊断ONFH的ROC曲线下面积分别为0.545(95% CI：0.454～0.637)和0.879(95% CI：0.827～0.930)；当CTVNCa截断值为-42.85 HU时，诊断ONFH的敏感度为80.8%，特异度为78.8%(图3)。

讨 论

ONFH早期治疗效果好，病变进展到晚期则可能需要行髋关节置换手术，创伤大且手术费用高昂[11]。因此尽早明确诊断对ONFH患者治疗方案的选择和预后意义重大。MRI对股骨头坏死具有很高的敏感度(93%)和特异度(91%)[10]。因此，MRI目前仍是股骨头坏死的主要检查手段。然而，MRI检查亦具有一定的局限性，价格较为昂贵、扫描时间较长，体内有金属或幽闭恐惧症患者无法进行此项检查。而CT检查具有普及率高、价格相对便宜、扫描速度快以及可以三维显示病变骨小梁的改变(密度、坏死范围以及软骨下骨折)等优势，因此对于股骨头塌陷的晚期ONFH诊断能力出色。但由于对早中期病变的检出能力有限，使得CT检查并没有被广泛用于ONFH的诊断。

双能CT技术近年来发展迅速，用于痛风结节的检出技术较为成熟，已得到临床广泛肯定[12]。双能CT可诊断脑卒中患者经血管内治疗后早期颅内出血并指导临床治疗[13]，在冠状动脉斑块的评估方面亦表现优异[14]。双能CTVNCa技术是一种极具发展前景的技术，在判断椎体陈旧性压缩骨折、检出隐匿性骨折和多发性骨髓瘤方面发挥出色[15-19]。

ONFH初期主要是细胞缺血致骨内细胞的坏死，引发炎症反应，紧邻坏死区的间充质和毛细血管明显增生，因此，可见充血、水肿和炎性细胞浸润等；随后进入修复期，出现肉芽组织增生和软骨化生，病变继续进展可出现硬度低的新生骨替代坏死骨和软骨下骨折等，最终导致股骨头的塌陷并形成骨性关节炎。rCT对于检出骨髓腔内细微骨质改变的敏感度不高，而双能CT虚拟去钙技术可采用三物质分离算法在图像上去除某一特定物质，比如钙。以成人股骨头为例，可将其看成是由大量黄骨髓(脂肪细胞)、少量红骨髓(造血组织)和钙按一定比例构成的混合物。纯含钙物质的CT值显著高于骨髓，因此在CT值二维图上由纯钙到黄骨髓和纯钙到红骨髓的连线的斜率即是可反映含钙量的特征值。基于此，可计算CT值二维图像任一点去钙后的CT值，从而得到VNCa图像，并可测量此图像上股骨头的CT值(CTVNCa)，即去除钙质后的骨髓CT值，并且可以通过一次扫描提供彩图和三维图像。正常成人股骨头以黄骨髓为主，主要成分为脂肪细胞，因此其CTVNCa值较低；而ONFH可导致骨髓腔出现充血、水肿和炎性细胞浸润，因此局部的CTVNCa值会增高，虚拟去钙图像可突出显示ONFH区域。但对于rCT而言，股骨头CT值主要由富含钙的骨小梁决定[20]，因此，其对骨髓的细微变化不敏感。本研究中，正常股骨头与坏死股骨头的CTVNCa值差异明显；而常规CT值则无明显差异。双能CT虚拟去钙图像对于股骨头硬化的部分不分析，而硬化部分可以通过观察常规CT图像进行补充，因此，常规图像和VNCa图像二者相辅相成，联合应用时诊断敏感度和阴性预测值均明显提高，从而明显提高了CT对ONFH的诊断效能。

需要指出的是，本研究中存在一些不足之处。首先，由于Bone Marrow软件自身的限制，对于所有骨皮质以及皮质下2 mm以内的骨髓腔不能正确分析，因此VNCa图像上骨皮质标记为绿色或不标记。另外，由于本研究中主要观察的是股骨近端，即富含大量黄骨髓的区域(标记为蓝紫色)，而髂骨富含红骨髓(造血组织)且髓腔形态不规则，红、黄骨髓分布不均匀，可能会出现髂骨红骨髓丰富区被异常标记绿色的情况。最后，我们发现，关节腔积液及骨髓水肿也可以被标记为绿色，其临床意义还待于进一步研究[21]。

综上所述，双能CT虚拟去钙技术对ONFH的诊断效能较高。对于存在MRI检查禁忌或无法配合MRI 检查的患者，可作为很好的替代评估手段。