双能量CT虚拟去钙成像评估腰椎间盘退变

骆伊丽，王俊华，张 皓，岳梦颖，鲁忠燕，孙碧霞

(1.兰州大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730099；2.兰州大学第一医院放射科，甘肃 兰州 730013)

慢性腰痛病因中，腰椎间盘退变(intervertebral disc degeneration, IDD)占39%[1]。常规CT成像评估骨性结构具有独特优势，但软组织分辨率较低，无法评估早期IDD。双能量CT(dual energy CT, DECT)物质分离技术已用于多个领域，其中虚拟去钙(virtual non-calcium, VNCa)技术可反映骨组织中含水量变化，已用于研究骨髓病变[2-8]，但定量分析退变椎间盘脱水程度的相关研究较少。本研究分析DECT-VNCa成像评估腰椎间盘(含腰-骶椎间盘)IDD的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2016年1月—2020年10月37例于兰州大学第一医院因腰痛接受腰椎DECT和MR检查患者，男19例，女18例，年龄7～80岁，中位年龄62岁；排除DECT与MR检查间隔超过2周、脊柱严重侧弯、急性腰部创伤、感染、类风湿性疾病、代谢性骨病、近期接受腰部手术患者及图像质量不佳者。

1.2 仪器与方法

1.2.1 DECT 采用Siemens双源128层CT机行DECT。嘱患者仰卧，扫描范围自第12胸椎上缘至第1骶椎下缘，管电压100 kV/Sn 140 kV，管电流280 mAs/216 mAs，采用实时动态曝光剂量调节模式，准直器32 mm×0.6 mm，螺距0.7，转速0.5 s/r，获得100 kVp、Sn 140 kVp图像和M=0.5的线性融合图像(相当于常规CT)，层厚1 mm，层间距1 mm。于Siemens后处理工作站进行后处理，设置钙斜率为1.71，脂肪-110/-87 HU(100/140 kVp)，软组织55/51 HU(100/140 kVp)，其余为默认值，获得VNCa灰度图像；再经彩色编码设置(低能：spectrum；高能：grayscale),窗宽及窗位分别为120 HU、75 HU，获得VNCa彩色编码图像。

1.2.2 MR检查 采用Siemens 3.0 T MR仪，配备8通道脊柱线圈。嘱患者仰卧，头先进，采集矢状位T2WI，TR 3 300～3 700 ms，TE 89 ms，FOV 300 mm×300 mm，矩阵320×320，层厚4 mm，层间距4.8 mm。

1.3 图像分析 由分别具有23年、25年骨骼肌肉系统影像学诊断经验的主任医师各1名根据改良Pfirrmann分级(modified Pfirrmann grade, mPG)标准[9]对矢状位T2WI所示椎间盘进行分级，意见不一致时经讨论决定。mPG分级共分为1～8级，将5～8级归为5级及以上；MRI或CT显示椎间盘高度低于5 mm、存在真空现象、积液或钙化时，剔除该椎间盘。

选择轴位常规CT和VNCa灰度图上椎间盘最大层面，由1名具有3年骨骼肌肉系统影像学诊断经验且经过培训的住院医师以双盲法于髓核区域(椎间盘中央3/5，其横径、前后径分别为椎间盘横径、前后径的3/5)放置椭圆形ROI，尽量避开纤维环及邻近骨皮质，测量其CT值(图1)，测量3次，若测量结果相差大于5 HU，则重新测量，取平均值进行分析。

图1 于常规轴位CT上测量腰椎椎间盘髓核CT值示意图(白圈为ROI)

由上述2名主任医师根据正中矢状位VNCa彩色编码图所示椎间盘髓核与纤维环的衰减程度进行视觉分型，定性评估IDD：Ⅰ型，中央明显衰减；Ⅱ型，中央轻度衰减；Ⅲ型，均匀低衰减，见图2。意见不一致时经商榷决定。

图2 矢状位VNCa彩色编码图像示腰椎间盘视觉分型 A.Ⅰ型，椎间盘中央明显衰减(颜色浅，整体为绿色)； B.Ⅱ型，椎间盘中央轻度衰减(颜色稍深，整体为黄色)； C.Ⅲ型，整个椎间盘均匀低衰减(颜色深，整体偏红色)

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示，采用单因素方差分析行多组间比较，两两比较采用LSD法。采用Kruskal-WallisH检验分析不同VNCa视觉分型椎间盘间mPG分级差异，以Spearman秩相关分析常规CT和VNCa图像上髓核CT值、VNCa视觉分型与mPG的相关性。采用Kappa检验分析2名医师评估椎间盘mPG分级和VNCa视觉分型的一致性，K>0.8为一致性好，0.60

2 结果

37例患者共185个腰椎间盘，剔除13个出现真空现象、4个高度低于5 mm椎间盘，纳入共168个腰椎间盘。

2名医师评估腰椎间盘mPG分级(k=0.634，P<0.001)及VNCa视觉分型的一致性均好(k=0.804，P<0.001)。168个腰椎间盘中，12个mPG 1级、39个2级、47个3级、50个4级、20个5级；51个VNCa视觉分型Ⅰ型、51个Ⅱ型、66个Ⅲ型。

2.1 CT值分析 常规CT中，mPG 2级与3级、4级与5级间髓核CT值差异均无统计学意义(P=0.173、0.083)，其余各级间CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)；VNCa图上，mPG各级间髓核CT值差异均有统计学意义(P均<0.001)，见表1。常规CT及VNCa图上髓核CT值与mPG间均呈正相关(r=0.504、0.745，P均<0.001)。

表1 不同mPG分级常规CT及VNCa图腰椎间盘髓核CT值比较(HU，±s)

表1 不同mPG分级常规CT及VNCa图腰椎间盘髓核CT值比较(HU，±s)

mPG分级CT值常规CTVNCa1级(n=12)63.29±7.76 68.07±5.58 2级(n=39)74.11±8.01∗77.89±9.46∗3级(n=47)75.95±4.98∗85.50±6.49∗#4级(n=50)79.82±5.47∗#☆93.33±7.59∗#☆5级及以上(n=20)82.68±3.53∗#☆102.24±10.42∗#☆▲F值23.62355.133P值<0.001<0.001

注：*：与1级比较，P<0.05；#：与2级比较，P<0.05；☆：与3级比较，P<0.05；▲：与4级比较，P<0.05

2.2 VNCa视觉分型与mPG分级的关系 VNCa视觉分型与mPG呈高度正相关(r=0.900，P<0.001)，见图3。不同VNCa视觉分型间mPG分级差异有统计学意义(P<0.001)，见表2。

图3 受检者男，37岁，IDD A.正中矢状位VNCa彩色编码图像示L1-2、L2-3、L3-4、L4-5、L5-S1分别为Ⅰ型、Ⅰ型、Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅰ型； B.正中矢状位T2WI示相应mPG分级分别为2级、2级、2级、5级及以上、2级

表2 不同VNCa视觉分型间腰椎间盘mPG分级比较(个)

3 讨论

幼儿期椎间盘髓核内含丰富水分，与纤维环分界清晰[10]。IDD始于髓核，髓核由富有弹性的胶状物质逐步纤维化，水分逐渐减少、弹性减低[10]，故本研究选取椎间盘髓核部分为ROI。MRI基于椎间盘的质子密度、水分含量和化学环境显示其形态特征，反映椎间盘退化引起的改变。正常椎间盘T2WI呈中央高信号、周围低信号，随着退变椎间盘蛋白多糖及水分含量降低，T2WI上髓核信号强度减低，髓核及纤维环间信号差异缩小[11]。目前多通过观察常规矢状位T2WI所示椎间盘信号及形态，以Pfirrmann分级或mPG分级标准评估IDD程度[9,12-13]。

DECT物质分离技术是基于不同原子序数材料在低、高千伏管电压下产生的不同光子吸收特性而成的算法，通过连接红骨髓和黄骨髓在高、低千伏管电压下的CT值而形成基线，再利用钙的特征斜率将目标体素投影至基线上[2]；随着基线逐渐接近水的CT值，钙被去除，基线体素之间的差异主要反映组织含水量。PACHE等[2]将该技术用于诊断膝关节创伤后骨挫伤；此后多项研究[3-5]证明VNCa成像可定性或定量分析创伤或炎症相关BME，亦可用于检测多发性骨髓瘤[6-8]。

相比其他软组织结构，椎间盘密度更高，VNCa图像中呈相对高密度。BOOZ等[14]认为VNCa彩色编码成像可提高椎间盘与脑脊液间的对比度，更直观地显示腰椎间盘，相比常规CT诊断腰椎间盘突出的准确性更高。SHINOHARA等[13]发现VNCa图中椎间盘髓核CT值与mPG间存在良好相关性，故VNCa成像可用于评估IDD。

本研究以MRI为参考标准，分析DECT-VNCa成像定量或定性评估腰椎IDD的可行性。本研究结果显示，VNCa成像中髓核CT值与mPG分级呈正相关(r=0.745)，即CT值随mPG增加而升高，且各mPG分级之间髓核CT值差异均有统计学意义，表明可根据VNCa图所示髓核CT值判断IDD早期髓核脱水情况。既往研究[13]认为mPG 3级与4级髓核间VNCa图中CT值差异无统计学意义；本研究中mPG 2级与3级、4级与5级及以上之间常规CT髓核CT值差异无统计学意义，其余各级间髓核CT值差异均有统计学意义，提示临床工作中可将椎间盘髓核常规CT值作为大致判断椎间盘退变与否的定量参数，可能由于ROI选取方式、样本量、主观分级或后处理软件等不同导致结果存在差异。

本研究不同VNCa视觉分型腰椎间盘之间mPG分级差异有统计学意义，且二者间呈正相关，即mPG分级越高，VNCa分型也越高。临床上常将mPG 1级椎间盘认定为正常，2、3级为轻度退变，4级为中度退变，5级及以上为重度退变，提示通过VNCa视觉分型可大致判断IDD程度，虽不及mPG精确，但VNCa重建操作简便、快速，适用于存在MR禁忌证和急诊患者。

综上所述，DECT-VNCa成像可用于评估腰椎间盘IDD。但本研究样本量较少，且椎间盘mPG分级难免受主观因素影响，有待扩大样本量进一步验证。