双能量CT在评估椎体骨密度中的应用进展

高琬俞 朱新进

【摘要】 骨密度是度量人体骨骼骨量的一个重要标志，骨质疏松是最常见的代谢性骨骼疾病，骨密度的降低与骨质疏松直接相关；影像学检查对高危患者的椎体骨密度进行筛查及准确定量评估有重要意义。双能量CT是在高低能量水平下物质的不同衰减来表征不同成分，与传统CT相比其主要优势在于可利用多参数成像提供额外有关骨骼组织成分等信息。本文就骨密度常用检查方法、双能量CT成像原理及双能量CT在椎體骨密度中的应用进展予以综述。

【关键词】 椎体骨密度 骨质疏松 双能量CT 骨髓脂肪组织

[Abstract] Bone mineral density is an important measure of bone mass in the human skeleton.Osteoporosis is the most common metabolic bone disease. Decreased bone mineral density is directly related to osteoporosis. Imaging is important for screening and accurate quantitative assessment of vertebral bone density in high-risk patients. Dual-energy CT is used to characterize different components by different attenuation of substances at high and low energy levels. The main advantage over conventional CT is that multi-parametric imaging can be used to provide extra information about bone tissue composition and so on. This article reviews the common methods of bone density examination， the principle of dual-energy CT imaging， and the progress of the application of dual-energy CT in vertebral bone density.

[Key words] Vertebral bone mineral density Osteoporosis Dual-energy CT Marrow adipose tissue

First-author's address： Guangdong Medical University Graduate School， Zhanjiang 524000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2023.14.042

骨质疏松和骨量减少是与年龄增长相关的常见骨骼疾病之一，多见于绝经后女性和老年男性。据报道2006年我国骨质疏松症患者近7 000万，骨量减少者已超过2亿人，虽然缺乏新近流行病学数据，但我国是世界上老年人口绝对数最大的国家，预计患病率呈显著上升趋势，骨质疏松症已成为一个较大的公共健康问题[1-2]。骨质疏松的特征是骨量降低，骨组织退化和骨强度受损及骨折风险增加[1，3]，而椎体骨折是骨质疏松症继发骨折中最常见的一种。WHO建议对高危患者进行骨密度影像学筛查，骨密度（bone mineral density，BMD）的准确评估有助于预测骨质疏松性骨折的发生，同时也方便临床医生进行术前评估和术后以及用药后疗效评估。

近年来，随着双能量CT技术的不断发展，它的各种应用和后处理技术已被广泛在临床中实施，具体在骨骼系统中，它能额外提供有关骨骼组织成分等信息，比传统CT单纯显示骨窗和软组织窗进行观察有更大的优势，为椎体骨密度成分分析及定量测量开辟了新的领域。

1 椎体骨密度解剖

脊柱是人体的中轴骨之一，为重要的承重部位。从结构上说，椎体主要由骨质、骨髓和骨膜构成。骨质中最主要成分是羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP），也是骨密度的主要构成。椎体中骨质分为骨皮质和骨松质，其中骨松质的代谢转换率远高于骨皮质[4]，骨质疏松早期骨量减低主要发生在骨松质，所以测量骨密度时单独测量骨松质更为准确。

骨髓微环境是由多能肌肉骨骼干细胞和造血祖细胞及其衍生的细胞类型组成异质性生态位，被血管窦包围而填充在松质骨小梁中。在这些祖细胞中，骨髓间充质干细胞可分化为成骨细胞、成脂肪细胞、成肌细胞和成软骨细胞等，以支持骨骼发育及成年期的组织稳态、再生和修复[5]。随着年龄增长，骨髓间充质干细胞的成骨能力减弱，骨形成减少，骨髓脂肪细胞堆积增多，骨折风险增加，这就是骨质疏松的发生机制之一[6]。

2 骨密度的常规检查方法

根据目前世界卫生组织指南，双能X射线吸收仪（dual-emission X-ray absorptiometry，DXA）是评估骨密度的金标准。尽管DXA现如今已广泛应用，但描述该方法各种缺陷的文献并不缺乏，因为它的面积骨密度（area bone mineral density，aBMD）是基于二维投影面积测量，即将骨皮质、骨松质及椎体附件测量值相加，其测量结果易受到周围软组织、腹主动脉钙化、韧带钙化或者脊柱退行性改变等影响[7]。鉴于骨质疏松的患病率在伴有退行性改变的老年人中更高，DXA的测量结果会限制其敏感度和特异度。再者DXA中对骨质疏松症有重要诊断价值的T评分不适合作为识别高骨折风险患者的唯一因素，因为患有和不患有骨质疏松症的受试者的DXA衍生BMD范围可能产生重叠[8]。

常规单能量CT也被用于骨密度测量，Perrier-Cornet等[9]发现其测量结果与DXA中T值密切相关。作为一种轴位断层扫描，它不像DXA那样容易受到皮质骨大小或成分变化的影响。然而，因易受线束硬化伪影和患者骨髓脂肪的存在的影响，这也会使测量的骨密度值偏低[10]。

定量CT（quantitative computed tomography，QCT）是肌肉骨骼成像中最早的定量成像技术之一，其允许单独评估骨皮质和骨松质，是真正的体积骨密度（volumetric bone mineral density，vBMD）测量，已被作为测量骨密度的重要补充替代方式之一。有研究表明与DXA相比，QCT在腰椎骨密度的测量结果更为精准[11]；但不足之处在于其工作原理不允许对椎体中的骨量和脂肪骨髓物质分化，只是纯粹反映骨小梁测量，而年长者椎体内逐渐红骨髓黄骨髓化，所以结果会使测量值偏低[12]；且以往传统专用QCT需要额外的体模置于受检者下方与之同时扫描，对于骨密度的机会性筛查使用中较为不便。

现阶段MRI多用于椎体骨髓水肿的检查，而在骨密度的应用多使用T1加权、基于化学位移编码的水-脂肪MRI（CSE-MRI）定量技术等来测定椎体骨髓脂肪含量[13]。磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）能够对人体代谢和生化指标进行无创评估，为骨密度中脂肪含量的测量提供新方式[14]。但由于信噪比的限制，MRI对描述骨小梁微结构的高分辨率成像一直存在挑战性，而且其昂贵的检查价格和较长的检查时间使其目前受限于作为椎体骨折后骨髓水肿的诊断工具而非早期测量骨密度筛查工具。

3 双能量CT成像原理

双能量CT（dual-energy CT，DECT）最早出现在20世纪70年代，主要分为双能减影和能谱成像两个范畴发展，前者可由两种扫描方法实行：一种是单个球管进行高低电压的两次顺序扫描成像，另一种是由双个X射线球管和两个互成90°的相应匹配探测器组成的双源双能扫描（西门子医疗）；后者也可分为：一是快速千伏开关（GE医疗）技术，即在球管每次旋转过程中快速切换两种电压获得成像数据，二是双层探测器技术（飞利浦医疗），它扫描同时通过表层收集低能数据，深层收集高能数据成像。上述各成像的扫描方法和物理学原理有所不同，但皆能在同一解剖位置获取两个具有独立峰值千伏（kVp）的数据集，通常为80 kVp和140 kVp，继而进行物质分离成像技术和单能量成像这两个方面为主的多参数成像。

3.1 物质分离成像技术 DECT高能和低能光束之间的衰减差异是识别不同组织成分的基础[15]，其目的是为了突出显示或減去其中一种材料，不同类型的双能量CT具体可简分为三材料分解与两种材料分解两种技术。在脊柱成像中常用的虚拟去钙（virtual noncalcium，VNCa）技术就是基于三材料分解算法，它通过算法估算DECT数据集上的钙含量并从图像中减去从而突出显示可能被钙覆盖的解剖信息；虚拟去羟基磷灰石（virtual nonhydroxyapatite，VNHAP）技术也是同一原理。两种材料分解算法即基物质对成像，是通过快速切换电压实现，在该分析中根据两种不同材料各自原子序数和质量衰减系数生成基物质对图像，要求此两种材料的原子序数存在显著差异以利于分离，例如钙和水等。物质分离后图像既可显示为灰度图像，也可为彩色编码伪彩图像，从而加大不同密度间的可辨别性。

3.2 虚拟单能量成像 DECT从高低电压集中获得的CT图像接受预定义算法生成不同千电子伏特（kilo electronvolt，keV）的单能量图像，通常包括40～200 keV范围下的单能量图像。该应用远超传统CT技术获得的平均keV水平范围，可调节不同keV提供不同图像对比度[16]。所有主要的DECT制造商都已经证明，低keV水平下通过虚拟单能量成像可以改善软组织对比度的衰减，高keV水平下可以减少高衰减材料（如金属）产生的伪影。

能谱曲线是DECT采集数据集以不同单能量为横坐标，CT值为纵坐标，该物质在不同虚拟单能量下的衰减值（即CT值）各点连接而成的曲线，因不同物质的衰减系数各有不同，从物理学角度来说不同物质都有特定的能谱曲线；而不同的能谱曲线也能推测物质的化学构成。

4 双能量CT在椎体骨密度中的应用

DECT的出世广泛扩展了传统CT的临床应用，单在椎体骨方面，早在1988年Nickoloff等[17]应用DECT测量骨矿物质时就介绍了一个小梁骨包括胶原基质、HAP、水、红骨髓及脂肪组织五种主要物质的生物物理模型。现如今不仅可在一次DECT扫描中获得腰椎常规CT影像特征，而且可利用物质分离成像技术及虚拟单能量成像技术等图像后处理对椎体骨密度的进行定量测量；此外CT的断层成像使它可单独测量骨松质而避免了骨皮质和周围组织造成影响，提高了测量骨密度的准确性。

4.1 定量测量椎体骨密度 近年来不少实验团队将DECT与其他骨密度测量方法进行了对比研究，从体外模型到人体内椎体都有涉及。Wesarg等[18]基于29具尸体标本局部力测量结果，对比了DECT和DXA定量测量局部骨密度发现两者均有很强的相关性且前者的相关性更高；Koch等[12]扫描一个欧洲腰椎体模，其由三个不同HAP浓度的腰椎等效物组成，发现使用DECT物质分离技术评估此模型的骨密度比QCT具有更高的诊断准确性；以上实验均说明了DECT评估骨密度的可行性。另有一研究团队对40例患者的160个腰椎进行非模型的活体研究发现基于DECT和DXA测量的BMD值之间缺乏相关性，但研究者认为此研究结果是在预期之内且基于DECT测量BMD值是可行的，原因在于DECT测量局限于骨松质的真实骨密度而非DXA测量的整个椎体aBMD[19]。Zhou等[20]利用快速千伏开关CT中的基物质对成像技术测量128例患者的L1、L2椎体骨小梁中的平均HAP（Water）、HAP（Fat）、Ca（Water）及Ca（Fat）密度，与椎体相应的QCT骨密度测量值对比发现两者存在很强的相关性，且HAP（Fat）与Ca（Fat）密度测量结果对QCT衍生的BMD值显示出最佳的预测能量，这与前述脊柱的成分中多由HAP与骨髓脂肪细胞组成是相符的。

骨密度的良好評估是为了监测和避免骨质疏松的发生，对于DECT衍生的骨密度预测骨质疏松方面，刘斋等[21]发现骨质疏松组患者的能谱曲线显著低于非骨质疏松组，分析其原因认为与骨质疏松的患者椎体骨矿物质减少，射线透过人体的衰减值降低，测量出来的CT值下降有关；所以可认为能谱曲线对描述椎体骨量情况较为准确。文献[22]对92例患者进行为期两年的研究观察发现使用DECT（胶原基质、HAP、水和脂肪）材料分解后处理软件对各患者L1椎体进行vBMD测量，当临界值为93.70 mg/cm3时预测骨质疏松相关性骨折敏感度达85.45%，特异度达89.19%，从而说明DECT物质分离衍生的骨密度可以预测高危患者骨折风险。更有Wichmann等[23]发现椎体实行内固定术后进行DECT扫描检查骨密度与椎弓根螺钉拔出力之间直接存在良好的线性关系，可以预测椎弓根螺钉的稳定性，从而更好地对稳定脊柱的实施干预措施。

4.2 评估骨髓脂肪组织对椎体骨密度的影响 骨骼和脂肪之间有着重要的联系，骨细胞和脂肪细胞均来自骨髓中的间充质干细胞分化而成[5]。研究发现骨髓脂肪组织（marrow adipose tissue，MAT）与BMD之间存在显著负相关关系；更重要的是MAT与椎体压缩性骨折有关[13，24]。现MAT已被提议作为干细胞分化为骨和脂肪谱系的生物标记物，并作为骨骼完整性和骨折风险的标记物[25]。因此，无创定量MAT对骨密度测得具有重要的临床意义。单能CT中骨髓腔的衰减值包括小梁骨和脂肪组织，椎体的HU值越低，表明脂肪含量越高[26]，但这只是一个笼统的计算方式。为了进一步了解骨脂肪之间的关系，最好在一次检查中同时测量骨密度和MAT含量。不少研究发现，DECT可以应用物质分离技术定量测定MAT。Catano等[10]解剖了54个椎体，用单能CT和DECT分别扫描，发现单能CT骨密度结果被严重低估，但DECT可以校准MAT从而准确预测椎体衰减。Arentsen等[27]同样发现DECT校准测量MAT后获得的vBMD能准确反映松质骨含量，这也与Zhou等[20]的研究结果一致。另外有研究者用DECT检查L2腰椎MAT和1H-MRS测量结果具有很好的一致性[28]。

4.3 机会性筛查评估骨密度 在日常应用中，鉴于其他临床检查而进行CT胸部或者腹盆部的扫描范围已经包括下胸椎或腰椎，对患者同时进行骨密度的机会性筛查，有效降低辐射剂量暴露。一项利用常规腹部CT扫描检查同时排除椎体骨质疏松的研究中发现测量椎体的HU值与DXA测量的BMD有较好的相关性[29]。当然，DECT也可进行同样的机会性筛查，并利用其高低能量扫描有更多研究发现。Laugerette等[30]利用DECT中的scout定位像扫描获得的高低能量成像数据进行后处理算法，得出一个类似于DXA的aBMD用于机会性骨密度筛查分析。CT检查中一个强制部分就是scout的扫描，其实它并没有提供很多诊断信息，现方法可以增加定位像中骨质疏松的检出，不过aBMD的测量结果类似于DXA的局限性也不能忽视。另一方面，在腹盆CT扫描中不可避免需要增强扫描，Woisetschl?ger等[31]对20例患者共79个椎体进行DECT增强扫描发现平扫和静脉期的vBMD均与DXA中的骨密度存在显著相关性，但与动脉期对比则没有显著相关性；同时该团队通过对腰椎前方腹主动脉钙化和椎体骨关节炎进行量化，从而对DXA测量aBMD误差问题进行了校准，这也充分解释了Burke等[32]的类似的研究得出弱相关性的原因。

4.4 检出急性骨质疏松性椎体骨折 对于有骨量减少或者骨质疏松的患者若发生急性椎体骨折，椎体内骨小梁断裂，但骨皮质未表现出移位和断裂，不过有骨髓成分的改变如骨髓水肿、出血等。DECT可用脊柱成像方面的VNCa灰度图像和彩色编码图像易于检出骨髓水肿，弥补了常规CT不能分辨椎体新鲜或陈旧骨折的缺陷。Kaup等[33]证实，与传统CT图像相比，经验丰富及经验较少的医生应用VNCa图像使骨折的检出率均较前提高，且经验丰富的医生诊断准确性接近MRI。

5 小结

综上所述，DECT的多参数成像将CT推向功能学成像领域迈进，特别在评估椎体骨密度方面它补充和校正了以往较常使用DXA和QCT测量骨密度的缺陷，是目前较广泛且方便的定量成像技术。从物质分离技术到虚拟单能量技术，DECT在椎体组成成分的定量测量、校准MAT后的BMD、机会性筛查BMD及方便快速检出急性骨质疏松性骨折等方面体现了较高的实用价值。不过其也存在一定的局限性，关于不同厂家生产的DECT原理不尽相同，对骨密度的诊断标准共识形成有不少困难，需要更多的研究数据进行支持和推进。尽管如此，DECT在椎体骨密度定量测量方面、骨质疏松的诊断乃至椎体骨折成形术后评估测量等仍具有广阔前景。

参考文献

[1]中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会.原发性骨质疏松症诊疗指南（2017）[J].中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志，2017，10（5）：413-444.

[2] ZENG Q，LI N，WANG Q，et al.The prevalence of osteoporosis in china，a nationwide，multicenter DXA survey[J].Journal of Bone and Mineral Research，2019，34（10）：1789-1797.

[3] COMPSTON J E，MCLIUNG M R，LESLIS W D.Osteoporosis[J].Lancet（London，England），2019，393（10169）：364-376.

[4] YEH P S，LEE Y W，CHANG W H，et al.Biomechanical and tomographic differences in the microarchitecture and strength of trabecular and cortical bone in the early stage of male osteoporosis[J/OL].PLoS One，2019，14（8）：e0219718.https：//doi.org/10.1371/journal.pone.0219718.

[5] PIERCE J L，BEGUN D L，WESTENDORF J J，et al.Defining osteoblast and adipocyte lineages in the bone marrow[J].Bone，2019，118：2-7.

[6] BREDELLA M A，GILL C M，GERWECK A V，et al.Ectopic and serum lipid levels are positively associated with bone marrow fat in obesity[J].Radiology，2013，269（2）：534-541.

[7] XU X M，LI N，LI K，et al.Discordance in diagnosis of osteoporosis by quantitative computed tomography and dual-energy X-ray absorptiometry in Chinese elderly men[J].Journal of Orthopaedic Translation，2019，18（2）：59-64.

[8] GREGSON C L，ARMSTRONG D J，BOWDEN J，et al.UK clinical guideline for the prevention and treatment of osteoporosis[J].Archives of Osteoporosis，2022，17（1）：58.

[9] PERRIER-CORNET J，OMOROU A Y，FAUNY M，et al.Opportunistic screening for osteoporosis using thoraco-abdomino-pelvic CT-scan assessing the vertebral density in rheumatoid arthritis patients[J].Osteoporosis International，2019，30（6）：1215-1222.

[10] CATANO J S，SALDARRIAGA S，CHAPUT C D，et al.Dual-energy estimates of volumetric bone mineral densities in the lumbar spine using quantitative computed tomography better correlate with fracture properties when compared to single-energy BMD outcomes[J].Bone，2020，130：115100.

[11] KWON D，KIM J，LEE H，et al.Quantitative computed tomographic evaluation of bone mineral density in beagle dogs：comparison with dual-energy X-ray absorptiometry as a gold standard[J].Journal of Veterinary Medical Science，2018，80（4）：620-628.

[12] KOCH V，HOKAMP N G，ALBRECHT M H，et al.Accuracy and precision of volumetric bone mineral density assessment using dual-source dual-energy versus quantitative CT：a phantom study[J].European Radiology Experimental，2021，5（1）：43.

[13] SEBO Z L，RENDINA-RUEDY E，ABLES G P，et al.Bone marrow adiposity：basic and clinical implications[J].Endocrine Reviews，2019，40（5）：1187-1206.

[14] SOLLMANN N，LOFFLER M T，KRONTHALER S，et al.MRI-based quantitative osteoporosis imaging at the spine and femur[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging，2021，54（1）：12-35.

[15] MCCOLLOUGH C H，LENG S，YU L，et al.Dual-and multi-energy CT：principles，technical approaches，and clinical applications[J].Radiology，2015，276（3）：637-653.

[16] ALBRECHT M H，VOGL T J，MARTIN S S，et al.Review of clinical applications for virtual monoenergetic dual-energy CT[J].Radiology，2019，293（2）：260-271.

[17] NICKOLOFF E L，FELDMAN F，ATHERTON J V.Bone mineral assessment：new dual-energy CT approach[J].Radiology，1988，168（1）：223-228.

[18] WESARG S，KIRSCHNER M，BECKER M，et al.Dual-energy CT-based assessment of the trabecular bone in vertebrae[J].Methods of Information in Medicine，2012，51（5）：398-405.

[19] WICHMANN J L，BOOZ C，WESARG S，et al.Dual-energy CT-based phantomless in vivo three-dimensional bone mineral density assessment of the lumbar spine[J].Radiology，2014，271（3）：778-784.

[20] ZHOU S，ZHU L，YOU T，et al.In vivo quantification of bone mineral density of lumbar vertebrae using fast kVp switching dual-energy CT：correlation with quantitative computed tomography[J].Quantitative Imaging in Medicine and Surgery，2021，11（1）：341-350.

[21]刘斋，高志梅，雷立存，等.双能CT能谱曲线及骨钙CT值对骨质疏松的诊断价值[J].中国医学影像学杂志，2020，28（4）：290-293，295.

[22] GRUENEWALD L D，KOCH V，MARTIN S S，et al.Diagnostic accuracy of quantitative dual-energy CT-based volumetric bone mineral density assessment for the prediction of osteoporosis-associated fractures[J].European Radiology，2021，32（5）：3076-3084.

[23] WICHMANN J L，BOOZ C，WESARG S，et al.Quantitative dual-energy CT for phantomless evaluation of cancellous bone mineral density of the vertebral pedicle：correlation with pedicle screw pull-out strength[J].European Radiology，2015，25（6）：1714-1720.

[24] BEEKMAN K M，VELDHUIS-VLUG A G，DEN H M，et al.

The effect of Raloxifene on bone marrow adipose tissue and bone turnover in postmenopausal women with osteoporosis[J].Bone，2019，118（1）：62-68.

[25] PATSCH J M，LI X，BAUM T，et al.Bone marrow fat composition as a novel imaging biomarker in postmenopausal women with prevalent fragility fractures[J].Journal of Bone and Mineral Research，2013，28（8）：1721-1728.

[26] SINGHAL V，BREDELLA M A.Marrow adipose tissue imaging in humans[J].Bone，2019，118：69-76.

[27] ARENTSEN L，HANSEN K E，YAGI M，et al.Use of dual-energy computed tomography to measure skeletal-wide marrow composition and cancellous bone mineral density[J].Journal of Bone and Mineral Metabolism，2017，35（4）：428-436.

[28] BREDELLA M A，DALEY S M，KALRA M K，et al.Marrow adipose tissue quantification of the lumbar spine by using Dual-energy CT and single-voxel 1H MR spectroscopy：a feasibility study[J].Radiology，2015，277（1）：230-235.

[29] LI Y L，WONG K H，LAW M W M，et al.Opportunistic screening for osteoporosis in abdominal computed tomography for Chinese population[J].Archives of Osteoporosis，2018，13（1）：76.

[30] LAUGERETTE A，SCHWAIGER B J，BROWN K，et al.DXA-equivalent quantification of bone mineral density using dual-layer spectral CT scout scans[J].European Radiology，2019，29（9）：4624-4634.

[31] WOISETSCHLAGER M，SPANGEUS A.Model for improved correlation of BMD values between abdominal routine dual energy CT data and DXA scans[J].European Journal of Radiology，2018，99（2）：76-81.

[32] BURKE C J，DIDOILAR M M，BARNHART H X，et al.The use of routine non density calibrated clinical computed tomography data as a potentially useful screening tool for identifying patients with osteoporosis[J].Clinical Cases in Mineral and Bone Metabolism，2016，13（2）：135-140.

[33] KAUP M，WICHMANN J L，SCHOLTZ J E，et al.Dual-energy CT-based display of bone marrow edema in osteoporotic vertebral compression fractures：impact on diagnostic accuracy of radiologists with varying levels of experience in correlation to MR imaging[J].Radiology，2016，280（2）：510-519.

（收稿日期：2022-11-07） （本文編辑：田婧）