能谱 CT 在骨科的研究现状与展望

程晓光 闫东 周凤云

CT 检查是骨科常用的检查之一，在各种骨科疾病的诊疗中具有重要作用。近年来 CT 机的扫描速度更快，探测器更宽，剂量更低，使得 CT 的临床应用更加普及。多数 CT 使用的球管产生的是混合能量的射线，当 X 线穿过被检组织时会被组织吸收而发生衰减，测量 CT 值可以反映组织的密度。但人体组织的组成成分是复杂的和混合的，所以常规的 CT 就不能区分人体物质的组成和成分。现在 CT 发展的一个进展是能谱 CT 或双能量 CT。

能谱 CT 是利用物质在不同 X 射线能量下产生的不同的吸收来提供比常规 CT 更多的影像信息的 CT 技术[1]。能谱 CT 的成像技术使 CT 设备从形态学检查设备逐渐演变成为形态结合功能和组织成分分析的仪器设备。能谱 CT 自 2010 年应用于临床以来，就引来很多学者都对其进行了相关研究，目前能谱 CT 在肿瘤及血管方面研究的最多，而骨与肌、肝肾相关的研究相对较少。关于骨与肌方面的研究主要是金属植入物后去除金属伪影、评估骨密度、骨肿瘤的相关鉴别与诊断、痛风结节的检出与定性以及软组织病变相关的诊断等。能谱 CT 的多参数成像更加全面地反映被检组织的特性以及功能状态，从而在诊断骨与肌相关疾病中提供了更加准确、全面的诊断。另外，能谱 CT 由于是单球管瞬时切换技术以及迭代重建技术，所以照射患者的辐射剂量相对于常规 CT 也会更少[2]。因此，越来越多的医院将能谱 CT 应用于临床中。笔者从能谱 CT 的物理基础，总结其在骨与肌系统疾病中的应用现状，并基于能谱 CT 成像优势展望其在骨与肌系统中的前景和潜力。

一、能谱 CT 的介绍

1. 能谱 CT 的发展及原理：1895 年伦琴发现 X 线以来，CT 的发展大致分成 5 代。每一代的出现，都为临床带来了技术进步，而发展到能谱 CT 的时候，更是为临床带来了新的体验以及解决了更多的问题。

在 CT 成像的系统中，高速运转的电子流撞击靶物质发生韧致辐射而产生 X 射线，不同能级的 X 射线穿过物体时会进行相应的衰减，根据物质对 X 线的吸收便可进行成像。

能谱 CT 早在 20 世纪 70 年代，就已经提及，只是因为当时的条件并不支持该理论[3]，直到 20 世纪 80 年代，开始进行相关的物理研究，2009 年能谱 CT 技术成熟，2010 年初步投入使用[4]。目前实现能谱 CT 不同能量的方式有以下几种：一是以飞利浦的 IQON CT 为代表的采用双层探测器的方式获得高低能量的射线；二是以西门子双源 CT 为代表的采用不同 kVp 的二个 X 线球管实现；再就是以 GE Revolution CT 为代表的采用单源瞬时 kVp 切换技术。这些 CT 都可以同时采集到高低能量的信息，可以后处理得到不同 keV 的多个单能量图像，并进行各种分析处理。

2. 能谱 CT 的优势：

( 1) 物质分离：在能谱 CT 成像中，任何物质或者组织的吸收系数都可以转换成任意组合(基物质对) 的吸收系数，并且不影响其衰减效应，将高、低两种能量扫描得到的 X 线衰减图像表达为两种物质的密度图，这个过程便是物质分离[5]。一般选择基物质对的原则是选择衰减差异较大的两种物质，分离出来的图像能够得到特异性的显示。目前，常用的基物质对为碘和水、钙和水、钙和碘等。碘(水) 图主要反映增强后组织有无强化和强化的程度，钙(水) 图主要反映是否有含钙的结节存在，碘 / 钙图主要区分高密度物质的主要成分为对比剂或者钙化，尿酸 / 钙图主要明确是否有尿酸盐结晶的异常沉积以区分真假痛风[6]。临床上，可根据诊断目的进行选择合适的基物质对，通过物质分离技术可以提高病灶的检出率[5]，鉴别真假痛风，去除血管钙化来评估血管的狭窄程度，减少扫描时的辐射剂量。

( 2) 单能量成像：根据物质分离技术可以获得水和碘的图像，经过计算后可以得出感兴趣区(region of interest，ROI) 在各个单能量点中的 CT 值，从而可以实现 CT 单能量成像。通过 80～140 kVp 高低电压瞬时切换技术可获得 40～140 keV 间任意一个连续的单能量成像，单能量图像功能等同于实现了物体在单色 X 线源的情况下可能获得的图像[2,7]。单能量成像应用于临床后，可以解决常规 CT 出现的硬化伪影和金属伪影的问题，硬化伪影及金属伪影经过能谱 CT 独有的迭代重建技术校准后，伪影可以相对减少甚至没有，从而得到更加清晰的图像和更加准确的 CT 值。单能量成像实现了多参数成像，更有助于影像医师对于细小病灶和相似肿瘤之间的诊断与鉴别。

( 3) 能谱曲线：能谱曲线是物质的 CT 值随 X 线能量变化的曲线，常见的许多物质的能谱曲线呈现的是下降的趋势，而脂肪呈现的是上升的趋势。从能谱曲线上可以获得 40～140 keV 每个能量点的平均 CT 值和标准差，能谱曲线反映了物质的能量衰减特性，根据不同能量段 CT 值的差异可以展现病灶之间的差异，也可以用于鉴别组织的来源以及正常组织上的潜在能力。

( 4) 有效原子序数：有效是从原子序数引申发展而来的概念。有效原子序数是能谱分析中对于无机物精确分析的方法，能够直接反映 ROI 内部无机物的原子序数以及确定无机物的性质。在临床上，可用于分析和鉴别密度相似、CT 值相近的物质，从而达到物质定量化分析。

( 5) 能谱图像的分析工具：最佳对比噪声比、直方图、散点图一般是能谱图像分析常用到的工具。最佳对比噪声比通常应用于单能量成像，利用其特性可以从单能量图像中快速找到感性趣组织的最佳单能量点。直方图主要用于观察感性趣组织中体素的分布。散点图可以对组织结构和疾病进行分类，用于观察病灶内是否有强化。这 3 种不同分析技术的出现，使能谱成像更加严谨。

综上所述，能谱 CT 的这些多参数功弥补了常规 CT 的不足，也为临床诊断提供了更多的便利与解决 方案。

二、能谱 CT 在骨与肌中的研究现状

1. 骨密度的测量：骨密度的测量值可以用来评估和诊断骨质疏松，帮助骨质减少、骨折风险增高的人提前预防骨折的发生。

常规 CT 对骨质疏松的诊断主要依赖诊断医师的主观判断，并不能客观反映骨密度的变化。Cheng 等[8]研究发现，CT 值并不是评估骨密度或骨量的良好指标，并且不同厂家机器对同一密度的纯物质所测得的 CT 值差异较大。目前，WHO 将双能 X 线吸收仪(dual energy X-ray absorptiometry，DXA) 作为骨质疏松诊断的金标准[9-10]，但其是二维成像技术，无法避免 X 射线沿路组织成分对结果的影响。后期又出现了用定量 CT (quantitative computed tomography，QCT) 技术测量的体积骨密度(volumetric bone mineral density，vBMD)，其可以解决测量结果受到椎体退行性改变、侧凸以及体重的影响[11]，检测骨质疏松时较 DXA 更加敏感[12]，但是扫描的辐射较 DXA 大[13-14]。目前，DXA 和 QCT 是测量骨密度最常用的方法，但是将能谱 CT 的优势应用于骨密度的测量也将会是一种值得研究的新方法。

自能谱 CT 应用于临床开始，就有很多学者对其进行研究，能谱 CT 的物质分离技术以及单能成像都可以用于骨密度的测量。在骨密度相关的研究中，已经证明能谱 CT 与 DXA 以及 QCT 在测量骨密度上有很强的一致性[15]。在能谱 CT 测量骨密度的研究中，有以半椎体或人工椎体为实验材料进行测量骨密度[9,13,15]，其方法主要是测量椎体中的 HAP 的含量来代表 BMD，但是因为人体椎体的骨密度成分很多，脂肪、血液、红骨髓等成分都会影响真实骨密度，所以用此方法测量的 BMD 也不能反映人椎体 BMD 的真实值。虽然目前已经有研究发现双能 CT 和质子磁共振光谱一样可以校准骨髓脂肪，得到更加精确的骨密度值[16]。张源等[17]提出了能谱 CT 扫描参数的优化有助于提高骨密度测量的准确性。能谱 CT 的物质分离技术能评估骨中钙含量，能尽早发现骨质疏松的存在，有助于医师尽早做出较合适的治疗方案。

2. 骨关节术后检查：骨折内固定术后使用影像学检查有助于医师诊断骨折术后相关并发症，可以作出帮助患者尽早康复的治疗方案。临床上，骨关节术后置入物的常见材料有金属螺丝钉、钢丝、钢板、骨板、髓内针等[18]，但是这些材料的材质密度很高，使用常规 CT 扫描会产生严重的金属伪影，不利于术后观察置入物位置和宿主骨之间的关系。金属伪影消除的迭代算法(iterative algorithm for metal artifact reduction，iMAR) 能减少金属伪影的影像响，提高图像的质量，但是也会引入新的金属伪影。Hakvoort 等[19]研究表明双能 CT 成像通常优于 iMAR，双能 CT 金属植入物图像在 130～150 keV 间的单能图像最佳。因此，使用能谱 CT 的单能量成像、物质分离技术、散点图、直方图以及去金属伪影软件(MARs) 等相关功能可以有效去除金属伪影。有研究发现非 MAR 图像在 110 keV 图像的金属伪影是最少的，而 MAR 图像在不同能级下的计算图像伪影指数(AI) 值均低于前者[20]。因此，经过去金属伪影处理后，能够得到关节以及关节周围组织清晰的解剖结构图像。将能谱 CT 应用于骨关节术后检查，为诊断医师判断术后置入物和组织间的关系提供了很大的便利以及很大程度上减少了误诊。

3. 骨肿瘤的分析、诊断及鉴别：常规 CT 对于骨肿瘤的诊断缺乏组织密度对比，对于肿瘤内的细微病灶不容易显示。将能谱 CT 应用于鉴别和诊断骨肿瘤，可利用其单能量成像发现不同组织之间的密度差别以及其物质分离技术将细小的钙化灶突显出来，使用能谱曲线进一步可以确定病灶中物质的成分。张进等[21]研究表明能谱 CT 应用于鉴别两种相似肿瘤或者同源性肿瘤有一定的价值，袁源等[22]研究表明脊柱的感染性病变以及肿瘤使用能谱 CT 也能很好地鉴别，因此，能谱 CT 的应用能为临床相似的肿瘤疾病提供更加确切的诊断依据。

4. 痛风关节的物质定性分析、诊断及鉴别：痛风主要是由钠尿酸盐沉积造成的，多发于关节处。临床上，主要是靠检测血尿酸来诊断痛风，但是这个方法需要多次检测，对于检测结果的准确性会有一定的影 响[23-24]。随着影像检查技术不断发展，将影像学检查应用于诊断痛风是一种常见的手段，通过测量病灶的 CT 值进行鉴别类别，但是真性痛风和假性痛风两者的 CT 值十分相近，但是两者的成分完全不同，常规 CT 鉴别两者相对困难，经常会出现容积效应以及硬化伪影影响 CT 值的准确性，使用能谱 CT 的单能量成像、有效原子序数、能谱曲线可以将两者区分开来。能谱 CT 也能用于测量治疗前后尿酸盐沉积的浓度变化，测量结果可以用于评估降尿酸治疗后的疗效[25]。

5. 软组织病变的诊断及分析：椎间盘突出是骨科常见的疾病之一，主要是指椎间盘的髓核突破纤维环突向椎管或周围组织。常规 CT 一般只能观察椎间盘的形态结构变化，不能对病灶的成分进行分析，另外，不典型的椎间盘突出也不容易与肿瘤的 CT 值鉴别，而能谱 CT 可以分析椎间盘突出肿块的成分，有助于微创手术定位、实时监测、治疗后的评估[26]。能谱 CT 的水(碘) 密度图可以用于明显鉴别 CT 值相近的软组织病灶。软组织肿瘤在影像学上缺乏特征表现，使用常规 CT 扫描对于软组织病变的范围显示不够理想。另外，常规 CT 成像可能会出现容积效应和硬化伪影造成 CT 值的误差，但是能谱 CT 的单能量成像便可以提高 CT 值的精确度，能谱曲线也能进一步反映病灶的成分以及病灶是否出现真实的强化。

三、展望

能谱 CT 相对于 DXA 和 QCT 来说有校准骨髓脂肪的功能，但是目前对于骨密度的相关研究中仍然没有解决其它成分对于骨密度的影响，研究表明红骨髓对骨密度也有一定的影响，但是并没有找到去除红骨髓对骨密度影响的相关方案。因此，除了脂肪，骨中其它成分造成的影响如何去除还有待进一步研究。

选取能谱 CT 的最佳单能量成像能够优化图像的质量，减少金属伪影，但是能谱 CT 在去除金属伪影方面还存在欠缺，并不是所有参数下能谱 CT 成像都能很好地去除金属伪影，目前的研究只发现能谱 CT 在特定参数下相比常规 CT 能更好地去除金属伪影。因此，可进一步了解未来能谱 CT 在任何参数下去除金属伪影的相关研究。

能谱 CT 的多参数成像能进行肿瘤分级和分期以及肿瘤早期的治疗和评估，但是对于鉴别肿瘤和正常软组织并没有权威标准，尚待进一步解决。另外，研究肿瘤分子探针对比剂使用前后能谱 CT 显示病灶的最优参数也将是一个值得探究的话题。

肌少症是一种随着年龄增加，骨骼肌质量下降，骨骼肌力量和功能减退为特征的综合性退行性病症。肌少症的出现会造成骨质疏松加重，也成为许多疾病的诱因，使老年人的生活危险性增高，是一个亟待解决的疾病，但是现在临床上并没有找到适合治疗肌少症的药物以及肌少症相关的发病机制也尚未可知[27-28]，肌少症相关的问题将成为广大学者深入研究的一个方向。目前对于准确评估肌量仍然存在争议，纯肌肉量(纯瘦肉组织) 仍然是目前难以准确测量的指标。常规 CT 以及 MRI 都不能对肌肉脂肪含量进行准确定量和有效校正。因此，对于测量肌少症都有一定的局限。目前对于肌少症常见的评估工具有 CT、MRI、DXA 以及生物阻抗(BIA)。CT 和 MRI 能较好地鉴别脂肪和软组织之间的差别，但是 MRI 成本较高，CT 对患者的辐射较大，而后两者虽然造价相对便宜以及辐射剂量小，但是不能区分细胞内外的水，容易造成水合状态下的误差[29]。因此，目前评估肌少症的相关技术都存在一定的局限性。能谱 CT 相比常规 CT 辐射较低，具有功能性和定量性评估功能，能谱 CT 也具有校准骨密度脂肪的功能，因此，将能谱 CT 应用于测量肌少症的价值有待深入 研究。

目前，能谱 CT 在临床上的应用还未达到最优化，在骨与肌方面的疾病待深入研究，能谱 CT 的各项优势用于探究肌肉脂肪校正，将有助于肌少症的评估。未来几年对能谱 CT 的深入研究能进一步解决骨与肌相关问题并为临床带来更大的便利和惊喜。

总之，能谱 CT 的多功能在临床中已经得到了广泛应用并解决了疾病影像诊断的相关问题。但是能谱 CT 的研究，还需要用更多的学者进行重复研究证实，关于能谱 CT 的功能更进一步深入研究。