应用能谱CT分析退行性腰椎皮质羟基磷灰石和钙含量

马欢，罗嗣频，傅菲，邓欣，万业达

1.天津医科大学 研究生院，天津 300202；2.天津市天津医院 放射一科，天津 300202

引言

近年来，腰椎退行性改变是引起中老年人腰腿疼痛的一种常见病和多发病，且随着年龄的增长发病率普遍增加[1]。腰椎退行性改变的典型表现之一是椎体皮质增厚，唇样骨赘及骨桥形成[2]。但是目前对于腰椎退行性骨关节病的认识仍有很多不足，本研究利用能谱CT中羟基磷灰石（水）[HAP（water）]和钙（水）[Ca（water）]基物质对分别对含有骨赘的退行性椎体皮质中的HAP含量和Ca含量进行评估，从而为腰椎退行性变的发病机制提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

收集2020年9月至2021年1月于天津医院行腰椎CT平扫的患者78例，其中男34例，女44例，年龄50～79岁，平均（64.66±6.43）岁，共129个椎体。根据年龄分为3组：组1：50～59岁，21例，共29个椎体；组2：60～69岁，36例，共67个椎体；组3：70～79岁，21例，共33个椎体。根据性别进行分组，男，44例，63个椎体；女，34例，66个椎体。所有患者均签署知情同意书。纳入标准：① 因腰疼、腿疼、下肢麻木等原因来医院就诊，并行腰椎CT平扫的病人；② 椎体前缘有且仅有一个骨赘的椎体。排除标准：① 有骨坏死、骨感染、强直性脊柱炎、腰椎骨折、腰椎结核、椎体及椎管肿瘤、腰椎行内固定的病人；② 椎体前缘有两个骨赘的椎体；③ 年龄小于50岁。

1.2 设备与方法

采用GE Revolution ES CT进行能谱（Gemstone Spectral Imaging，GSI）扫描。扫描过程中选取GSI腰椎协议，扫描范围：腰1至骶1，扫描方向：由上至下进行扫描。扫描参数：管电压采用GSI模式，利用高（140 kV）、低（80 kV）电压瞬时切换获得能谱数据；管电流采用自动管电流模式（GSI assist），200～485 mA；噪声指数：9.0；采用螺旋扫描方式，转速为0.5 s/r，螺距为0.992：1；探测器宽度80 mm；层厚5 mm；层间隔5 mm；前置自适应迭代算法：40%。重建参数：74 keV单能量图像；层厚与层间距均为0.625 mm；后置自适应迭代算法：50%。

1.3 图像后处理及分析

扫描完成后，将重建出的能谱数据推至AW4.7工作站。使用GSI viewer生成HAP（water）和Ca（water）基物质图像。由一名高年资放射科医师（具有10年以上诊断经验）在HAP（water）和Ca（water）基物质图像中椎体的正中矢状面上，分别在椎体前缘皮质、椎体上缘皮质、椎体下缘皮质和后缘皮质绘制兴趣区（Region of Interests，ROI）并进行测量，详见图1。将椎体的前缘、上缘和下缘平分为三部分，并在每个部分的中间位置放置1个面积为1 mm2的ROI，椎体后缘中间部分由于有血管及神经存在，将其等分为三份后，只在上部和下部的中间位置放置1个面积为1 mm2的ROI，并分别记录各个ROI下的HAP密度值和Ca密度值，计算出椎体各边缘皮质ROI下的平均值。比较椎体各边缘、不同年龄段和不同性别间测量值的差异。

图1 椎体四个边缘皮质ROI勾画方法

1.4 统计学方法

采用SPSS 26.0进行统计学分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验评估计量资料的正态性，符合正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示。采用单因素方差分析比较椎体四个边缘皮质的HAP和Ca密度值差异是否有统计学意义，以及不同年龄段椎体四个边缘皮质的HAP和Ca密度值差异是否有统计学意义，进一步两两进行比较采用LSD-t检验。使用独立样本t检验比较不同性别中椎体四个边缘皮质的HAP和Ca密度值差异是否有统计学意义。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 椎体皮质HAP和Ca含量的比较

椎体四个边缘皮质进行比较，椎体上缘和椎体下缘的HAP和Ca密度值差异无统计学意义，其余两两比较差异均有统计学意义（P<0.001）。HAP和Ca密度值由高到低依次为椎体前缘、椎体上缘和椎体下缘、椎体后缘（表1）。

表1 椎体皮质HAP和Ca含量的比较

2.2 不同年龄段椎体皮质HAP含量的比较

不同年龄段椎体四个边缘皮质进行比较，仅组2与组3椎体上缘皮质的HAP含量有差异（P=0.009），其余差异均无统计学意义（表2）。

表2 不同年龄段椎体皮质HAP的比较

2.3 不同年龄段椎体皮质Ca含量的比较

不同年龄段椎体四个边缘皮质进行比较，仅组2与组3椎体上缘皮质的Ca含量有差异，其余差异均无统计学意义（表3）。

表3 不同年龄段椎体皮质Ca的比较

2.4 不同性别间椎体皮质HAP含量的比较

不同性别间椎体四个边缘皮质进行比较，前缘和下缘的HAP密度值在男女之间有差异，其余差异均无统计学意义，详见表4。

表4 不同性别间椎体皮质HAP的比较

2.5 不同性别间椎体皮质Ca含量的比较

不同性别间椎体四个边缘皮质进行比较，前缘和下缘的Ca密度值在男女之间有差异，其余差异均无统计学意义（表5）。

表5 不同性别间椎体皮质Ca的比较

3 讨论

腰椎退行性病变的检查以影像学为主，手段主要有X线平片、多层螺旋CT和MRI等[3-4]。其中，对于描述脊柱的形态学特征，多层螺旋CT可以很好地完成。但是越来越多研究是定量分析研究，能谱CT可以提供较常规CT的更多参数来评价病变，尤其是在骨骼肌肉系统中[5-7]。

能谱CT是利用不同物质的X线衰减来获得能谱数据，不同物质的X线衰减主要取决于光电效应和康普顿效应的相互作用，任何物质的衰减系数都可以表示为两种已知基物质的衰减系数的线性组合[8]。能谱CT基于物质的有效原子序数Z不同以及不同物质在不同X线能量下其特定的X线衰减系数产生特殊的物质图像[9]，使用两种不同能量的X射线束来获得不同的能量数据，从而实现单个体素的物质分离。已经有许多既往研究利用基物质分离技术，如肺癌，痛风结石等[10-11]。骨皮质的主要成分是无机盐和水。因此，基于能谱CT物质分离技术可以检测椎体皮质的HAP含量以及Ca含量。腰椎退行性改变目前仍然是造成中老年人腰腿疼痛的主要原因，且随着年龄的增长，椎体发生退变的机会更大[1-2]。对于检测腰椎退行性病变，本研究利用能谱CT基物质对HAP（water）和Ca（water）测量并评估椎体四个边缘皮质中的HAP密度以及Ca密度。其中分别测量并对比了患者椎体的前缘、上缘、下缘和后缘，发现它们HAP密度以及Ca密度均有明显差异（P<0.01）。能谱CT物质分离评价腰椎退行性改变椎体皮质HAP含量和Ca含量是有可行性的。

腰椎四个边缘皮质各参数的比较中发现，正常腰椎正位时，力学分布主要集中在椎体骨皮质、椎弓峡部和小关节突，这是由腰椎的结构特点决定的[12]。随着年龄的增长，椎体发生退行性改变，椎间盘的弹性开始逐渐降低，髓核失去水分导致椎间盘高度降低，对负重的弹性也减低，随之终板厚度减少纤维环不能附着于终板上，也开始变薄，失去弹性。为了保持最大的承载能力，椎间盘将其所受到的应力分散到纤维环，随后传递到椎体的终板[13]。由于椎间盘所受压应力增大，椎体所受压力也相应增加，椎体长时间压应力的改变会造成椎体代偿性增生，椎体皮质增厚。因此，随着年龄的增加，腰椎发生退行性变的患者常常伴随椎体的骨质增生性改变[12]。在椎体发生退行性改变时，脊柱结构几何形状与材料特性均会发生改变，因而影响腰椎的应力传导[14]。

本研究中将椎体四个边缘皮质的HAP含量和Ca含量进行比较，仅椎体上缘与下缘皮质的HAP含量和Ca含量差异无统计学意义，椎体前缘高于椎体上缘和下缘，椎体后缘低于椎体上缘和下缘。由此推测椎体四个边缘骨皮质HAP含量以及Ca含量不一样的原因可能是其受力不同，且椎体皮质的受力大小与骨含量有关。谭军[15]指出，根据Wolff定律，骨组织的结构符合骨组织的应力分布特点,应力大的部位骨组织的强度大,具体表现为骨含量高,骨密度大。且有研究表明，在L4椎体上表面施加垂直于椎体向下的压力后，传递到椎间盘后的Von-Mises应力，前部明显大于中后部，由此可推断椎体前柱承受的应力大于中后柱[16]。本研究中椎体前缘的皮质HAP含量以及Ca含量高于其他三个边缘，与椎体前部承受的应力大于中后柱结果一致，验证了椎体皮质的受力大小与其骨含量有关。椎体后缘骨皮质最薄，甚至在椎体中部骨皮质缺如，相当于椎体后壁静脉窦，所以椎体后缘皮质HAP含量以及Ca含量低于其他三个边缘骨皮质。椎体上缘皮质和椎体下缘皮质的HAP含量以及Ca含量没有差异，可能是由于椎体上缘和下缘受到的力没有差别。椎体的上下缘由骨性终板构成，上下终板承受来自纤维环和髓核的轴向的不均匀压力,起着分散应力的作用[15]。所以对于整个终板来说，其受力大小没有差别。

本研究中不同年龄段间椎体皮质进行比较，仅上缘中组2的HAP和Ca含量高于组3，其余差异无统计学意义。这可能是由于随着年龄的增加，椎间盘发生退变，上缘终板的受力增大，代偿性增生，骨含量增高，但终板受力大小超出其代偿能力后，其HAP和Ca含量开始减少。不同性别间椎体皮质进行比较，前缘和下缘的HAP和Ca密度值有差异，其余差异均无统计学意义。这可能是由于男性和女性的生理结构不同，导致椎体各部位受力大小也不同。

本研究存在一定局限性：① 本研究样本量相对较小，可能存在选择偏倚；② 仅对椎体前缘有且仅有一个骨赘的椎体进行了分析。

综上所述，能谱 CT 中 HAP（water）和 Ca（water）基物质对能在体内测量椎体皮质的HAP以及Ca的含量，可以为椎体皮质的定量研究提供帮助，有助于判定退行性病变程度、进一步阐明腰椎退行性变的发病机制。