双能量CT物质分离技术在椎体骨髓水肿中的应用

陈 盛，朱新进（通信作者），李康倩

（1广东医科大学研究生院 广东 湛江 524000）

（2佛山市第二人民医院影像中心 广东 佛山 528000）

脊柱具有保护内脏、支持躯干、保护脊髓和进行运动的功能。同时脊柱作为中轴骨，承受着身体重量，容易发生压缩性骨折，特别是有骨质疏松基础的老年人。随着人口老龄化，骨质疏松性椎体（OVCF）压缩性骨折患病率将不断上升，中国2010年用于治疗OVCF的医疗费用约100亿美元（1美元约为人民币6.5元）；预计到2035年，每年支出费用将达到约170亿美元；而到2050年预计医疗费用支出将高达约220亿美元，对于急性与陈旧性骨折的准确鉴别，可充分指导临床选择治疗方案，精准、及时的临床诊疗可有效降低并发症及致残率，减轻社会及个人经济负担[1]。MRI是目前诊断脊柱急性压缩性骨折的金标准，发生新鲜骨折的椎体在磁共振中表现为片状长T1长T2的异常信号以及T1WI低信号的骨折线，T2WI脂肪抑制序列可以敏感地反映骨髓水肿，发现轻微的隐匿性骨折[2]，同时还能反映周围软组织病变。但是因为检查时间长，属于密闭空间，检查噪声强，不适用于急诊以及幽闭恐惧症、佩戴心脏起搏器等患者，限制了其临床应用价值。常规CT只能观察椎体的形态，可以清晰显示骨折线，但是对于隐匿性骨折、骨髓水肿不敏感，区分新鲜与陈旧性骨折的能力较弱。双能量CT具备常规CT扫描时间短的优势，同时也能通过物质分离技术将椎体中的骨质去除，实现骨髓成像。

1 双能量CT及其物质分离技术原理

1.1 双能量CT

CT图像是物质对X线吸收的反映，常规CT的X线是混合能量，由于混合能量的X线通过物体后高能量X线比例大于低能量X线比例，产生硬化效应和平均效应，因此常规CT的值无法区分物质。双能量CT的概念在20世纪70年代就已提出，鉴于当时成像技术的限制，其临床应用沉寂多年，近20年随着技术的突破双能量CT临床应用越来越广泛。双能量CT的X线是多种能量组成的，可以获取相同物质在不同能量X线中的衰减变化，利用同一物质不同能量X线的衰减变化可以区分和量化物质，实现功能成像和参数成像[3]。

目前应用比较成熟的双能量CT有以下三种：①GE公司为代表的能谱CT，使用单球管高低电压瞬时切换技术，可连续快速切换球管电压（80/140 kV），探测器是特殊的宝石材料，可保证两次采集数据的速度和时间分辨率。②西门子公司为代表的双源CT，采用两组互相垂直的球管及探测器，通过能谱纯化技术可减少高低能量X线的重叠。③飞利浦公司为代表的双侧探测器CT，深层探测器接收高能量X线，表层探测器接收低能量X线，达到同源、同向、同时的目的。双能量CT常用的参数包括：单能量成像、物质分离技术、能谱曲线、有效原子序数等。

1.2 物质分离技术

由双能量成像原理可知任何物质都能通过两种物质的衰减曲线产生相同的衰减效应来表达，经过高低电压扫描的X线衰减图像可以表达为两种物质的密度图，这个过程称为物质分离，分离后的物质密度图像中每一个体素反映相应物质密度信息[4]。目前在骨髓成像中常用的基物质对①钙/水：物质分离技术中最常用的一对基物质对，通过识别并去除原始骨质的钙成分衰减，特异度地显示自由水的衰减程度。②HAP/水：近年来提出的基物质对，椎体中骨质成分主要是羟基磷灰石（HAP)，去除羟基磷灰石比去除钙质能将骨质去得更彻底，图像质量也更好。

2 物质分离技术在骨髓水肿中的应用

2.1 水-钙基物质对

成人骨髓以黄骨髓为主，发生急性压缩性骨折后，细胞外间隙出血以及组织间液的渗出导致自由水含量增多，双能量CT的物质分离技术去除椎体高密度骨质影响后，骨髓水肿、出血的CT值较正常骨髓升高。在有关骨髓水肿的双能量CT研究中，物质分离技术中的水（钙）基物质对的报道居多。Wang等[5]证明在椎体骨质硬化低于50%情况下，虚拟去钙技术后处理获得的彩色融合图可以很好地显示椎体压缩性骨折的骨髓水肿，且通过定量测定发现骨髓水肿与无骨髓水肿的椎体平均CT值有明显差异（阅片者1骨髓水肿-83.51±53.44 HU/无骨髓水肿-140.03±53.95 HU，阅片者2骨髓水肿-85.35±46.07/无骨髓水肿-149.94±48.91 HU）。研究表明椎体内的积气和骨质硬化降低了虚拟去钙图上的CT值，椎体内骨质硬化程度及积气程度越高，假阴性比例越高。Petritsch等[6]对22个病人的37个压缩性骨折椎体分别进行MRI与双能量CT扫描，对比两种设备的结果，进一步证明虚拟去钙图像的视觉和定量分析对评估椎体压缩骨折的外伤性骨髓水肿有很好的诊断效能，视觉定性分析总体敏感度为64.0%，特异度为99.3%，准确率为93.9%，阳性预测值为94.1%，阴性预测值为93.8%，定量分析阈值为-47 HU的总体敏感度为92.0%，特异度为82.6%，准确率为84.0%，阳性预测值为48.9%，阴性预测值为98.3%。Jeong等[7]对比31例急诊中脊柱外伤患者的MRI和双能量CT结果，发现两位诊断医师在虚拟去钙彩色融合图中发现骨髓损伤的敏感度分别为83.3%和76.7%，准确率分别为97.2%和95.8%，表明骨髓成像视觉分析诊断椎体骨髓损伤敏感度低，但准确性也能满足急诊的需求。Kaup等[8]以MRI为参考标准，与常规CT相比，双能量CT采用虚拟去钙技术可提高医生诊断新鲜骨折准确率。低年资医生常规CT的准确率为61%，使用虚拟非钙CT的准确率为83%；高年资医生的准确率由从81%提高到95%，并接近MRI的准确率。Wang等[9]将MRI的椎体骨髓水肿分为三级（0级：正常骨髓，2级：轻微骨髓水肿，3级：明显骨髓水肿），发现虚拟去钙技术的彩色编码图视觉分析诊断效能与MRI骨髓水肿程度相关，当骨髓为2级明显水肿时，视觉分析出现3例假阴性，4例假阳性，当骨髓为轻微水肿/明显水肿时，视觉分析出现5例假阴性，7例假阳性。

上述研究均表明虚拟去钙技术的视觉分析法与磁共振的T2WI压脂序列比较，特异度两者相近，敏感度相对较低，原因可能是高低能级之间的重叠程度较高，因为随着能谱能级重叠程度的降低，双能量CT的物质分解能力增强，因此增加高低能级之间的距离可以提高诊断骨髓水肿的灵敏度[10]。此外也可以引入定量分析提高敏感度，定量分析的参数-CT值各个研究的结果有所不同，这可能是由于他们使用了不同的扫描协议、不同的千伏设置和不同的后处理算法，也可能与研究目标患者年龄差异、研究椎体的层面差异、患者身体状况有关。古凌静等[11]探究了椎体层面差异对诊断骨髓水肿的影响，他们认为虚拟去钙图中胸椎骨髓水肿出现假阳性可能性更高，原因可能是胸椎体骨髓中的红骨髓含量较腰椎高，并且红骨髓的衰减值与骨髓水肿、出血的衰减值接近。因此在虚拟去钙的彩色融合图中，椎体的色阶是由上往下逐渐变浅，CT值也是由上往下逐渐降低。当一个椎体的CT值较上一个椎体的CT值高时，有可能存在骨髓水肿。因此赵承勇等[12]提出了联合CT差值和CT值定量分析骨髓水肿，降低年龄差异身体状况及不同椎体层面对阈值的影响，发现虚拟去钙技术测定的目标椎体CT值高于1.6 HU，与相邻椎体CT差值高于29.3 HU时诊断骨髓水肿的准确性更高。

物质分离技术的定量分析除了CT值，还可以用基物质密度值表示，Akisato等[13]同样以MRI为参考标准，通过虚拟去钙技术进行视觉分析和定量分析，与上述研究不同的是定量分析参数使用水密度值，假设水（钙）密度图是不受钙影响的，每个体素代表着水的相对含量，以mg/cm³为单位，得出结论骨髓水肿椎体的水（钙）相对含量为（1057.1±29.7）mg/cm3和无骨髓水肿椎体的水（钙）相对含量为（998.1±16.6）mg/cm3，差异有统计学意义。由此可见水（钙）相对含量在骨髓水肿的定量分析中具有一定的准确性，基物质密度值使得定量分析更具体化，实现由CT值到物质相对含量的改变。

双能量CT诊断椎体成形术后的骨髓水肿相较于MRI是否存在优势尚无定论，有学者[14]认为MRI评估术后椎体可能优于双能量CT，虽然球囊后凸成形术后骨水泥被算法处理并从图像中减去，但是在这些椎体中只剩下很少的骨髓，因此骨髓成像变得困难，并且骨水泥和椎弓根螺钉也可能会由于射束硬化伪影而影响图像的观察。

2.2 HAP-水基物质对

近年来有学者提出使用其他的基物质对进行骨髓成像，Pan等[15]认为HAP/水作为基物质对，与钙/水基物质对相比，更接近椎体的真实成分。以MRI诊断结果为参考标准，对双能CT虚拟去HAP（VNHAP）融合伪彩图进行定性分析和定量分析，可以发现视觉评估诊断急性椎体压缩骨折的敏感度为93.33%（42/45），特异度97.14%（34/35），准确率95.00%（76/80），急性压缩骨折椎体相对水含量（1015.82±11.90）mg/cm³，高于慢性压缩骨折椎体的（996.99±9.29）mg/cm³，以椎体相对水含量为1 003.20 mg/cm³为阈值，其诊断急性椎体压缩骨折的敏感度和特异度分别为88.89%和82.86%。由此可见，HAP/水基物质对为基础的骨髓成像视觉分析与定量分析也能很好地反映椎体骨髓水肿。目前关于HAP/水诊断椎体骨髓损伤的视觉分析和定量分析报道较少，需要更多的相关研究与探索。

3 总结

物质分离技术在诊断椎体骨髓水肿的应用日渐成熟，综上所述物质分离技术的彩色融合图视觉分析的特异度高于定量分析，这对于在急诊中需要快速判断患者病情是一种很好的辅助工具，提供了一种简便高效的诊断手段，视觉分析依赖诊断医师的经验水平，经验越丰富的医师准确率越高。定量分析由于扫描协议、扫描机型的差异、后处理技术多样性、病人自身情况致使诊断阈值存在差异，但也可以可作为视觉分析的一种辅助。

美中不足的是，由于红骨髓的衰减值与椎体骨髓水肿、出血的衰减值相近，于是存在着两个问题：①年轻人的椎体红骨髓含量更多，因此骨髓成像诊断年轻人椎体骨髓损伤存在着更多的假阳性，近年来的相关研究对象都是老年人，应在未来的研究中将研究对象的年龄范围扩大。②胸椎红骨髓较腰椎多，假阳性的概率也更高。寻找新的基物质对降低红骨髓对骨髓成像质量的影响是我们未来研究的一个新方向。双源CT、双层探测器CT、宝石能谱CT成像技术虽然不同，但是都能实现物质分离技术，设备及相应后处理技术类型对于骨髓水肿诊断效能的优劣尚需要更多研究数据支持。提高双能量CT在椎体成形术后骨髓水肿的诊断效能也是我们未来的一个研究方向。