椎體CT值篩查骨質(zhì)疏松及預(yù)測(cè)骨折的研究進(jìn)展

劉姣姣 于希越 秦健*

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科，山東 泰安 271000 2.新疆醫(yī)科大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830011

骨質(zhì)疏松主要表現(xiàn)為骨量減少，骨質(zhì)微環(huán)境改變。骨質(zhì)疏松(osteoporosis，OP)分為原發(fā)性和繼發(fā)性。原發(fā)性O(shè)P包括絕經(jīng)后OP、老年OP及特發(fā)性O(shè)P，而繼發(fā)性主要是各種影響骨代謝疾病、藥物及激素導(dǎo)致的[1]。任何年齡段人群均可患骨質(zhì)疏松，但好發(fā)于絕經(jīng)后女性及50歲以上的男性[2]。目前，測(cè)量骨密度及診斷骨質(zhì)疏松的篩查工作開(kāi)展尚不充分，約超過(guò)一半的骨折人群未接受過(guò)骨密度篩查，因此，早期診斷骨質(zhì)疏松并及時(shí)改善骨質(zhì)狀況是全球亟待解決的問(wèn)題。筆者通過(guò)對(duì)椎體CT值評(píng)估骨密度進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，總結(jié)椎體CT值以及常規(guī)CT結(jié)合人工智能輔助診斷骨質(zhì)疏松及預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折的方法。

1 骨質(zhì)疏松的診斷

骨質(zhì)疏松診斷依據(jù)骨密度，骨密度即指單位體積或面積內(nèi)所含的骨量。目前多種檢查技術(shù)可測(cè)量骨密度，使用較多的是雙能X射線骨密度儀(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)和定量CT(quantitative computed tomography，QCT)。

1.1 DXA

DXA是一種對(duì)腰椎和髖關(guān)節(jié)等部位二維測(cè)量骨密度的檢查技術(shù)。WHO認(rèn)為DXA是有效的評(píng)價(jià)人體骨密度的手段，曾經(jīng)一度被認(rèn)為是評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2018年版中國(guó)指南[3]提出DXA測(cè)量的中軸骨或橈骨遠(yuǎn)端1/3骨密度對(duì)骨質(zhì)疏松癥的診斷標(biāo)準(zhǔn)是T值≤-2.5 SD，主要適用于≥65歲女性和≥70歲男性。DXA操作簡(jiǎn)單、輻射劑量小、費(fèi)用低、成像時(shí)間短[4]；但當(dāng)合并退行性變時(shí)，由于腹主動(dòng)脈鈣化、骨質(zhì)退變、骨折或終板變性等原因可能會(huì)使骨密度增加，造成假陰性導(dǎo)致漏診。

1.2 QCT

QCT是在CT的設(shè)備上，應(yīng)用已知密度的體模和對(duì)應(yīng)的測(cè)量分析軟件測(cè)量骨密度的方法。目前QCT也常常被用來(lái)測(cè)量BMD及診斷骨質(zhì)疏松。2018年版中國(guó)指南[3]表明QCT診斷標(biāo)準(zhǔn)為低于80 mg/cc為骨質(zhì)疏松，80～120 mg/cc為骨量減少，高于120 mg/cc為骨量正常。QCT是三維成像，可以避免骨質(zhì)增生、鈣化及骨皮質(zhì)等影響，比DXA準(zhǔn)確性更高，但其輻射劑量大、價(jià)格高、操作較DXA復(fù)雜而尚未廣泛進(jìn)行臨床應(yīng)用。

2 常規(guī)CT評(píng)估骨密度的方法

近年來(lái)CT應(yīng)用逐漸增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年要進(jìn)行8000萬(wàn)次的CT掃描[5]。常用的CT值測(cè)量部位主要是椎體軸位CT圖像，在椎體中部松質(zhì)骨內(nèi)放置盡可能大的ROI，避開(kāi)骨皮質(zhì)及椎體靜脈叢等[6]；或者取椎體3個(gè)層面平均值：分別為上終板下方、椎體中部、下終板上方[7]；或者在矢狀位重建CT圖像上椎體前部放置盡可能大的橢圓形ROI[8]。研究發(fā)現(xiàn)在冠、矢、軸三平面，CT值在個(gè)體內(nèi)沒(méi)有顯著差異[9]，軸位比矢狀位CT值僅高2 HU[10]。不同研究者選擇目標(biāo)椎體各不相同，Kim等[11]選擇了T4、T7、T10及L1椎體；Zou等[12]及Lee等[13]選擇多個(gè)腰椎椎體，但大多數(shù)研究都選擇L1椎體測(cè)量，因?yàn)長(zhǎng)1為第一個(gè)非肋骨承載椎體，CT檢查覆蓋率大，與其他椎體相比較少發(fā)生退行性變化[14]。但選擇哪個(gè)節(jié)段椎體診斷性最好目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步研究查找最佳鑒別和篩查骨質(zhì)疏松的節(jié)段椎體。

3 椎體松質(zhì)骨CT值診斷骨質(zhì)疏松的價(jià)值

研究證明常規(guī)CT測(cè)量的椎體松質(zhì)骨的CT值與DXA及QCT結(jié)果顯著相關(guān)[8,15-17]，且CT值與QCT結(jié)果相關(guān)性比DXA更好[18]，因此椎體CT值的變化可以反映骨量的變化，可作為骨密度的初步篩查工具。已有相關(guān)研究證明與骨質(zhì)疏松相匹配的CT值的范圍及變化趨勢(shì)，同時(shí)也有部分研究提出了不同的診斷閾值及診斷效能：Jang等[14]對(duì)20374次CT檢查中發(fā)現(xiàn)L1 CT值隨年齡增長(zhǎng)呈線性下降，平均每年下降2.5 HU。Pickhardt等[19]對(duì)1867例行CT和DXA檢查患者的L1椎體測(cè)量CT值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L1椎體CT值≤160 HU敏感度為90%，CT值≤110 HU特異性度90%，CT值≤135 HU敏感度和特異度均較高。但目前關(guān)于L1椎體診斷骨質(zhì)疏松的閾值各不相同(表1)，考慮可能是由于CT機(jī)型、種族、年齡等的影響。

表1 各項(xiàng)研究診斷骨質(zhì)疏松的界值及效能Table 1 The thresholds and efficacy of various studies in the diagnosis of osteoporosis

4 椎體CT值預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折的應(yīng)用

4.1 骨質(zhì)疏松性骨折診斷及分級(jí)、預(yù)測(cè)工具

骨質(zhì)疏松性骨折是指在沒(méi)有明顯外力時(shí)或輕微外力即發(fā)生的骨折；椎體脆性骨折約占各種骨質(zhì)疏松性骨折的50%，可導(dǎo)致殘疾、脊柱畸形甚至死亡[23]。由于各國(guó)老年人口比例不同，骨折發(fā)生率各不相同[24-25]，目前骨質(zhì)疏松性骨折分級(jí)及分型主要包括Genant半定量法、歐洲骨質(zhì)疏松脊柱研究組分型、Heini分型及胸腰段椎體骨質(zhì)疏松性骨折的嚴(yán)重程度分型等[26]。主要使用Genant半定量法進(jìn)行分級(jí)，此方法最初用于X線攝影，但目前也可適用于CT矢狀面評(píng)估。此法主要分為4級(jí)：0級(jí)為正常；1級(jí)為輕度，即在原來(lái)椎體高度上壓縮20%～25%；2級(jí)為中度，即在原來(lái)椎體高度上壓縮25%～40%；3級(jí)為重度，即在原椎體高度上壓縮>40%。目前存在多種骨折預(yù)測(cè)工具，主要包括FRAX、QFracture 評(píng)估工具、Garvan骨折預(yù)測(cè)工具等[27]，其中FRAX應(yīng)用最多。

4.2 椎體CT值預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折的價(jià)值

椎體CT值是骨質(zhì)疏松性骨折的重要標(biāo)志，發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折患者的椎體CT值明顯低于無(wú)骨折患者[28]，且椎體CT值越低，患者發(fā)生多個(gè)椎體骨折的可能性越大[21]。Lee等[29]提出常規(guī)CT矢狀面評(píng)估椎體骨折和骨小梁骨密度能夠快速有效的機(jī)會(huì)性篩查脆性骨折高危患者。然而，目前對(duì)于CT值篩查骨質(zhì)疏松性骨折的閾值研究尚不充足：Graffy等[30]及Lee等[31]回顧了1966例65歲以上L1椎體CT值，發(fā)現(xiàn)中-重度骨折患者顯著低于非骨折患者(70.2 HU vs.132.3 HU)，L1椎體為90 HU可能是確定骨質(zhì)疏松性椎體骨折風(fēng)險(xiǎn)的最佳閾值。Zou等[12]對(duì)年齡和性別匹配的骨折組和對(duì)照組各77例患者研究發(fā)現(xiàn)，L1椎體CT值為60 HU和100 HU時(shí)診斷骨折分別有高達(dá)90%的特異度或高達(dá)90%的敏感度。目前關(guān)于預(yù)測(cè)骨折的椎體CT值結(jié)果各不相同(表2)，尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究。

表2 各項(xiàng)研究預(yù)測(cè)椎體骨質(zhì)疏松性骨折的界值及效能Table 2 The thresholds and efficacy of predicting osteoporotic vertebral fractures in various studies

5 椎體CT值的影響因素

CT值受多種因素的影響，最主要的影響因素為管電壓。CT值與管電壓之間呈顯著的負(fù)相關(guān)，Garner等[32]研究 191例接受雙能CT檢查的患者，在80、100、140 kV下發(fā)現(xiàn)CT值隨管電壓的增加而減小。目前大多數(shù)對(duì)于椎體CT值評(píng)估骨密度的研究均在120 KV的管電壓條件下，因此關(guān)注診斷骨質(zhì)疏松CT閾值時(shí)應(yīng)注意管電壓的大小。另外，不同的CT制造廠家和日常校準(zhǔn)也可能影響CT值。Budoff等[33]對(duì)5個(gè)廠家和14種CT掃描儀模型的胸部無(wú)體模骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度研究發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)為4.9%。Marinova等[9]對(duì)比3種不同CT掃描儀的T12椎體CT值發(fā)現(xiàn)存在顯著差異。另外，Jang等[14]對(duì)超過(guò)2萬(wàn)人的L1 CT值測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，在>40歲患者中靜脈注射造影劑對(duì)L1的CT值的影響可以忽略不計(jì)。

6 人工智能在常規(guī)CT預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松及骨質(zhì)疏松性骨折的應(yīng)用

人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像結(jié)合已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，目前已有研究證明AI可以在常規(guī)CT圖像上預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松及脆性骨折。Nam等[34]將術(shù)前腰椎CT值與QCT數(shù)據(jù)結(jié)合，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型僅通過(guò)測(cè)量常規(guī)CT值就可以預(yù)測(cè)T-score和骨質(zhì)疏松椎體；Krishnaraj等[35]使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從常規(guī)CT中模擬腰椎DXA評(píng)分，可以識(shí)別骨質(zhì)疏松和骨質(zhì)減少，具有很高的準(zhǔn)確率(82%)和一小部分假陽(yáng)性。Valentinitsch等[36]研究發(fā)現(xiàn)在CT圖像中基于隨機(jī)森林分類器的三維紋理特征與骨小梁骨密度特征相結(jié)合的模型可以識(shí)別骨質(zhì)量低下的易受椎體骨折影響的患者。Mookiah等[37]認(rèn)為在常規(guī)的增強(qiáng)MDCT檢查中，可以使用特定的紋理參數(shù)(能量、熵和均勻性)和支持向量機(jī)在脊柱進(jìn)行骨質(zhì)疏松篩查，結(jié)果顯示紋理特征具有較好的重復(fù)性，能夠區(qū)分健康和骨質(zhì)疏松性骨折患者，準(zhǔn)確率達(dá)83%。

另外，AI目前也應(yīng)用于其他影像圖像，例如骨密度圖像[38]、X線圖[39]及MRI圖像[40-41]上對(duì)于骨質(zhì)疏松及骨折的預(yù)測(cè)均存在價(jià)值。AI技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究特定領(lǐng)域中，具有更加專業(yè)化的特點(diǎn)，可涉及多種疾病的篩查、診斷、治療和評(píng)估，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)或模型等為臨床治療提供更加精準(zhǔn)、簡(jiǎn)便的方法。

綜上，常規(guī)CT椎體CT值可以對(duì)骨質(zhì)疏松及骨質(zhì)疏松性骨折進(jìn)行篩查，能夠反映患者的真實(shí)骨量水平及其變化，且不增加額外的費(fèi)用、輻射等；結(jié)合AI預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松及其骨折是未來(lái)具有潛力的發(fā)展方向；但應(yīng)用常規(guī)CT篩查目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且最佳篩查椎體也尚未確定，仍然需要擴(kuò)大樣本量來(lái)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)和分析。