双能量计算机断层成像在骨肌系统疾病中的研究进展

刘苏卫，李昇霖，任铁柱，孙嘉晨，李政晓，周俊林

兰州大学第二医院放射科，兰州大学第二临床医学院，甘肃省医学影像重点实验室，甘肃 兰州 730030；*通信作者 周俊林 lzuzjl601@163.com

骨肌系统疾病种类繁多，分类复杂，影像学是重要诊断手段，既往骨骼肌成像的主要方式是CT和MRI，CT可提供完美的骨骼细节和快速的采集时间；MRI是软组织成像的“金标准”，但其获得图像的速度较慢并存在禁忌证。双能量计算机断层扫描（dual-energy computed tomography，DECT）[1]由于不同能量的X射线能谱可以产生不同的组织信号而广泛应用于骨肌系统疾病的诊断及研究。本文重点对DECT的原理及其在骨肌系统肿瘤性与非肿瘤性疾病中的临床应用展开综述。

1 DECT的基本原理及硬件技术

DECT的原理是当物质暴露于不同的X射线光子能量下时，光子通过康普顿散射和光电效应与人体组织相互作用，并以某种方式表现出来，其相对数量取决于组织的原子序数和入射X线光子的能量[2]。

通过扫描获得原始数据并且对其进行后处理才能生成对临床有用的图像，其中特定物质显示和特定能量显示是肌肉骨骼疾病设置中最有价值的后处理技术[3]，包含虚拟去钙（virtual noncalcium，VNCa）技术和虚拟单能量成像技术等。

2 DECT在诊断骨骼相关疾病中的临床应用

骨骼相关疾病包括骨折、骨髓炎、关节炎、骨质疏松、代谢性骨病以及良、恶性骨肿瘤等，其中隐匿性骨折、关节炎活动期等引起的骨髓水肿（bone marrow edema，BME）及良、恶性骨肿瘤的骨髓浸润等常规CT无法显示，通常只能通过MRI诊断，而DECT的兴起为以上疾病的诊断提供了新的可行的检查手段。

2.1 非肿瘤性疾病

2.1.1 创伤性疾病 骨骼相关的创伤性疾病如骨折常因骨髓出血而导致BME，而MRI作为检测BME的“金标准”，检查费用昂贵且存在一定禁忌证，对于急诊外伤患者也不适用；CT因快速采集时间和勾勒精细皮质的优点，通常是急诊创伤患者的首选检查[4]。而DECT在显示骨皮质细节的同时，更易发现BME，从而可提示临床及时制订更有益于患者的治疗方案。

Kim等[5]回顾性收集62例可疑腕骨骨折患者，利用VNCa技术，发现其诊断腕骨挫伤的准确度与MRI相当，敏感度为92.9%，特异度为94.5%；Narayanan等[6]对急性下肢创伤的研究中，对106项DECT扫描图像重建BME图，显著提高了可疑急性下肢骨折的放射学识别速度；Ghazi等[7]利用DECT检测椎体骨折BME，发现DECT对椎体BME的敏感度、特异度和曲线下面积分别为89%、96%和96%。以上研究表明DECT VNCa技术对急诊创伤性疾病的确诊和诊断速度均有较高的临床价值，但也存在局限性，如未考虑年龄、性别、体重指数和骨密度对骨髓成分可能造成的影响，并且对颜色编码的VNCa图像的设置也较难把握。

2.1.2 非创伤炎性疾病 非创伤性骨骼疾病包括类风湿性关节炎、骶髂关节炎、强直性脊柱炎以及非创伤性骨痛等，此类疾病活动期的影像诊断常通过CT显示细微骨破坏、骨质硬化等结构改变以及MRI提示BME[8]。Zuo等[9]探讨VNCa技术对股骨头坏死患者BME的诊断价值，发现以-57.2为临界值，股骨头坏死患者BME检测敏感度、特异度及准确度分别为95%、100%和98%；Foti等[10]研究59例髋关节疼痛患者，发现DECT能准确地显示非创伤性髋关节周围的BME；Jans等[11]首次应用DECT检测类风湿性关节炎，发现MRI和DECT检测BME有很好的相关性；Wu等[8]使用VNCa对47例强直性脊柱炎合并骶髂关节炎患者的BME进行研究，发现在检测骶髂关节的BME方面，DECT总体敏感度、特异度和准确度分别为90%、83%和87%。以上研究均表明DECT是检测BME的一种敏感、特异的工具，当遇到无法长时间平卧配合扫描的患者（如合并严重骨痛、高龄、精神疾病）或金属植入物术后患者时，可作为MRI的一种方便的替代方式。但DECT也存在局限性，由于关节腔软组织及少量液体的影响，无法评估皮质骨附近的BME，并且靠近硬化骨或气体时可能导致伪影。

2.1.3 代谢性疾病 DECT能够分离不同的物质，如钙和尿酸、骨皮质和骨小梁，它们经过后处理技术颜色编码，并可三维重建观察，以最佳方式描述单钠尿酸盐晶体沉积。DECT诊断痛风的敏感度为90%～100%，特异度为83%～89%[12]。2015年，欧洲风湿病协会及美国风湿病学联盟均提议将DECT诊断出单钠尿酸盐作为诊断痛风的标准之一[13]。目前，DECT已经用于检测关节周围组织、肌腱、韧带、脊椎及中心血管的单钠尿酸盐晶体沉积，并且锡板滤波器的使用减少了伪影，降低了辐射剂量[14-16]。在代谢性疾病诊断中，DECT的非侵入性特质使其成为有前途的工具。

2.1.4 老年性骨质疏松 随着人口老龄化日益加剧，骨质疏松的发病率以及骨质疏松相关骨折的个人和社会经济负担也显著上升，骨质疏松相关骨折的治疗费用占总费用的2/3，但药物预防仅占1%～5%。因此，更准确、更早地识别骨质疏松症和有骨质疏松症风险的个体，对于抵消骨结构的渐进性破坏和减轻相关的社会和经济负担是必要的[17]。1994年，世界卫生组织提出将双能X射线骨密度仪作为诊断骨质疏松的“金标准”，但其只能测量局部人体重叠后的骨密度，并不能准确评估骨质疏松相关骨折的风险[18]，对骨质疏松症诊断不足的问题仍未得到解决。Gruenewald等[19]使用DECT测得腰椎体积骨密度作为评估骨质疏松相关骨折2年发生风险指标的预测价值，其敏感度为85.45%，特异度为89.19%。DECT的出现有望成为新的骨密度测量标准，但Gruenewald等[19]的研究为回顾性，纳入的患者多伴有疼痛及创伤病史对结果造成一定偏移，对不同年龄患者也未行分层管理。因此，对老年性骨质疏松症的研究还需设计更有层次、更具体的方案。

2.1.5 金属植入物术后 现代人工关节置换及金属植入术作为一种使用频率高、成功率高的手术方式，由于平片评估金属植入物的敏感度和特异度较低，而常规混合能量CT由于高度衰减的物质造成的图像伪影和失真极大地限制了图像质量[20-21]，术后机械松动、磨损及邻近部位疾病的诊断较为困难[22]。而DECT可以在不增加辐射暴露的情况下减少金属伪影，通过后处理技术产生虚拟单能量成像来减少射束硬化伪影。Bamberg等[23]使用DECT对31例植入金属物的受试者进行成像，发现图像质量和诊断价值分别提高了49%和44%，伪影密度由882 Hu降至341 Hu；Long等[24]对脊柱内固定患者进行研究，发现使用虚拟单能量成像较其他方法脊柱金属伪影去除效果更好。以上研究均证明射束硬化伪影减少可以改善各种类型的植入物和植入物周围骨以及软组织的可视化，未来可尝试以调整或降低射线剂量的方式去优化去金属伪影性能。此外，当下肢骨折并金属固定器固定的患者行造影检查时，在去除金属伪影的同时如何评估周围血供情况依然值得探究。

2.2 肿瘤 BME可以是创伤相关的骨髓出血的结果，也可以与非创伤环境中的感染、免疫环境及肿瘤等有关[25]。原发性恶性骨肿瘤除骨质破坏外，常合并邻近骨髓的浸润。如果术前未明确肿瘤邻近骨髓的浸润情况，手术范围过小，可能导致肿瘤复发；而盲目地进行过大范围的切除，可能有影响患侧肢体功能及损伤近端骺板导致骺板早闭、损伤神经及周围软组织等风险。因此，明确肿瘤邻近骨髓的浸润情况对选择合理的手术范围、提高患侧肢体的功能及延长患者生命尤为重要[26-29]。目前临床对恶性骨肿瘤截骨平面存在较多争议，DECT能否利用其优势解决该类问题值得探究。

徐蕴潮等[30]纳入27例长骨恶性骨肿瘤患者，在CT图像和DECT-VNCa图上分别评估病灶附近有无骨髓浸润，发现VNCa图像的诊断敏感度为96.30%、特异度为92.59%、阳性预测值为92.86%、阴性预测值为96.15%、准确度为94.44%；Chen等[31]利用兔胫骨肿瘤模型研究DECT在鉴别兔恶性骨肿瘤软组织浸润和周围软组织水肿中的价值，发现光谱曲线分析和碘-水浓度测定有助于鉴别骨肿瘤软组织浸润和软组织水肿；Kosmala等[32]应用VNCa技术评价DECT对多发性骨髓瘤骨髓浸润的诊断价值，以-44.9 Hu为界值，诊断骨髓浸润的敏感度为93.3%，特异度为92.4%，准确度为92.7%，阳性预测值为84.3%，阴性预测值为96.9%。以上研究表明DECT在检测骨结构损害和肿瘤骨髓浸润中具有潜在的价值，但均同时纳入了治疗和未被治疗的患者，可能忽略了放化疗等药物对肿瘤微环境的影响。此外，由于恶性骨肿瘤在手术前后常需放化疗综合治疗，临床医师常需通过多次影像检查动态监测患者对放化疗的敏感度，而使用MRI多次评估病情给患者及其家庭带来更多的心理及经济负担；与PET/CT、MRI相似，DECT也能评估疾病治疗疗效，并成为一种新的有价值的影像学工具。此外，原发性骨肿瘤的好发人群通常是儿童及青少年，如何降低射线剂量更好地评估患者病情还需进一步探究。

3 DECT在诊断软组织相关疾病中的临床应用

MRI是评估肌腱和韧带损伤的“金标准”，DECT为肌腱和韧带的可视化提供了一种新的成像方法。由于羟赖氨酸和羟脯氨酸侧链的存在[2]，DECT能够利用物质分离算法显示软组织胶原结构，如韧带和肌腱，并识别其病理情况。DECT也可能在肌腱的特征化方面发挥作用，容积再现技术可以进行解剖定位，了解肌腱与骨结构的关系，并更好地显示软组织。DECT可直观显示拇长屈肌腱、指浅屈肌腱、指深屈肌腱、跟腱、拇长伸肌腱和指长伸腱等肌腱的连续性、侧面及附着点[33]。使用胶原蛋白后处理算法，DECT可以使椎间盘的胶原蛋白可视化[34-35]。但上述研究均仅表明DECT对较大较厚的肌腱韧带显像良好，而对较薄的韧带无法显像，且忽略了射线剂量对人体带来的损害，因此DECT对肌腱韧带的评估还面临诸多挑战。

4 总结

DECT正在迅速成为骨肌系统疾病成像中的一种有价值的工具，如在骨折、类风湿性关节炎、骶髂关节炎、强直性脊柱炎、非创伤性骨痛及多发性骨髓瘤骨髓浸润的情况下检测BME，并使肌腱和韧带可视化及有助于检出痛风石；但是在减轻射线硬化伪影的同时显示周围血供情况及显示较薄的韧带等应用中依然存在局限性，在骨原发性肿瘤、骨的感染性疾病如骨髓炎及周围神经病变中也缺少相关研究。

DECT在肌肉骨骼疾病领域正在积极研究、开发，但MRI仍是目前对BME及软组织成像的最佳方式，DECT可以作为一种成本较低或有MRI禁忌证时的弥补方式，但绝不是替代；相信在未来技术的升级改造中，DECT将产生更多与MRI相媲美的临床应用。