雙能量CT在評(píng)估椎體骨密度中的應(yīng)用進(jìn)展

高琬俞 朱新進(jìn)

【摘要】 骨密度是度量人體骨骼骨量的一個(gè)重要標(biāo)志，骨質(zhì)疏松是最常見(jiàn)的代謝性骨骼疾病，骨密度的降低與骨質(zhì)疏松直接相關(guān)；影像學(xué)檢查對(duì)高危患者的椎體骨密度進(jìn)行篩查及準(zhǔn)確定量評(píng)估有重要意義。雙能量CT是在高低能量水平下物質(zhì)的不同衰減來(lái)表征不同成分，與傳統(tǒng)CT相比其主要優(yōu)勢(shì)在于可利用多參數(shù)成像提供額外有關(guān)骨骼組織成分等信息。本文就骨密度常用檢查方法、雙能量CT成像原理及雙能量CT在椎體骨密度中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

【關(guān)鍵詞】 椎體骨密度 骨質(zhì)疏松 雙能量CT 骨髓脂肪組織

[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

骨質(zhì)疏松和骨量減少是與年齡增長(zhǎng)相關(guān)的常見(jiàn)骨骼疾病之一，多見(jiàn)于絕經(jīng)后女性和老年男性。據(jù)報(bào)道2006年我國(guó)骨質(zhì)疏松癥患者近7 000萬(wàn)，骨量減少者已超過(guò)2億人，雖然缺乏新近流行病學(xué)數(shù)據(jù)，但我國(guó)是世界上老年人口絕對(duì)數(shù)最大的國(guó)家，預(yù)計(jì)患病率呈顯著上升趨勢(shì)，骨質(zhì)疏松癥已成為一個(gè)較大的公共健康問(wèn)題[1-2]。骨質(zhì)疏松的特征是骨量降低，骨組織退化和骨強(qiáng)度受損及骨折風(fēng)險(xiǎn)增加[1，3]，而椎體骨折是骨質(zhì)疏松癥繼發(fā)骨折中最常見(jiàn)的一種。WHO建議對(duì)高危患者進(jìn)行骨密度影像學(xué)篩查，骨密度（bone mineral density，BMD）的準(zhǔn)確評(píng)估有助于預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生，同時(shí)也方便臨床醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前評(píng)估和術(shù)后以及用藥后療效評(píng)估。

近年來(lái)，隨著雙能量CT技術(shù)的不斷發(fā)展，它的各種應(yīng)用和后處理技術(shù)已被廣泛在臨床中實(shí)施，具體在骨骼系統(tǒng)中，它能額外提供有關(guān)骨骼組織成分等信息，比傳統(tǒng)CT單純顯示骨窗和軟組織窗進(jìn)行觀察有更大的優(yōu)勢(shì)，為椎體骨密度成分分析及定量測(cè)量開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

1 椎體骨密度解剖

脊柱是人體的中軸骨之一，為重要的承重部位。從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，椎體主要由骨質(zhì)、骨髓和骨膜構(gòu)成。骨質(zhì)中最主要成分是羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP），也是骨密度的主要構(gòu)成。椎體中骨質(zhì)分為骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)，其中骨松質(zhì)的代謝轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)高于骨皮質(zhì)[4]，骨質(zhì)疏松早期骨量減低主要發(fā)生在骨松質(zhì)，所以測(cè)量骨密度時(shí)單獨(dú)測(cè)量骨松質(zhì)更為準(zhǔn)確。

骨髓微環(huán)境是由多能肌肉骨骼干細(xì)胞和造血祖細(xì)胞及其衍生的細(xì)胞類(lèi)型組成異質(zhì)性生態(tài)位，被血管竇包圍而填充在松質(zhì)骨小梁中。在這些祖細(xì)胞中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞、成脂肪細(xì)胞、成肌細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞等，以支持骨骼發(fā)育及成年期的組織穩(wěn)態(tài)、再生和修復(fù)[5]。隨著年齡增長(zhǎng)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨能力減弱，骨形成減少，骨髓脂肪細(xì)胞堆積增多，骨折風(fēng)險(xiǎn)增加，這就是骨質(zhì)疏松的發(fā)生機(jī)制之一[6]。

2 骨密度的常規(guī)檢查方法

根據(jù)目前世界衛(wèi)生組織指南，雙能X射線吸收儀（dual-emission X-ray absorptiometry，DXA）是評(píng)估骨密度的金標(biāo)準(zhǔn)。盡管DXA現(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用，但描述該方法各種缺陷的文獻(xiàn)并不缺乏，因?yàn)樗拿娣e骨密度（area bone mineral density，aBMD）是基于二維投影面積測(cè)量，即將骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)及椎體附件測(cè)量值相加，其測(cè)量結(jié)果易受到周?chē)浗M織、腹主動(dòng)脈鈣化、韌帶鈣化或者脊柱退行性改變等影響[7]。鑒于骨質(zhì)疏松的患病率在伴有退行性改變的老年人中更高，DXA的測(cè)量結(jié)果會(huì)限制其敏感度和特異度。再者DXA中對(duì)骨質(zhì)疏松癥有重要診斷價(jià)值的T評(píng)分不適合作為識(shí)別高骨折風(fēng)險(xiǎn)患者的唯一因素，因?yàn)榛加泻筒换加泄琴|(zhì)疏松癥的受試者的DXA衍生BMD范圍可能產(chǎn)生重疊[8]。

常規(guī)單能量CT也被用于骨密度測(cè)量，Perrier-Cornet等[9]發(fā)現(xiàn)其測(cè)量結(jié)果與DXA中T值密切相關(guān)。作為一種軸位斷層掃描，它不像DXA那樣容易受到皮質(zhì)骨大小或成分變化的影響。然而，因易受線束硬化偽影和患者骨髓脂肪的存在的影響，這也會(huì)使測(cè)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術(shù)之一，其允許單獨(dú)評(píng)估骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)，是真正的體積骨密度（volumetric bone mineral density，vBMD）測(cè)量，已被作為測(cè)量骨密度的重要補(bǔ)充替代方式之一。有研究表明與DXA相比，QCT在腰椎骨密度的測(cè)量結(jié)果更為精準(zhǔn)[11]；但不足之處在于其工作原理不允許對(duì)椎體中的骨量和脂肪骨髓物質(zhì)分化，只是純粹反映骨小梁測(cè)量，而年長(zhǎng)者椎體內(nèi)逐漸紅骨髓黃骨髓化，所以結(jié)果會(huì)使測(cè)量值偏低[12]；且以往傳統(tǒng)專(zhuān)用QCT需要額外的體模置于受檢者下方與之同時(shí)掃描，對(duì)于骨密度的機(jī)會(huì)性篩查使用中較為不便。

現(xiàn)階段MRI多用于椎體骨髓水腫的檢查，而在骨密度的應(yīng)用多使用T1加權(quán)、基于化學(xué)位移編碼的水-脂肪MRI（CSE-MRI）定量技術(shù)等來(lái)測(cè)定椎體骨髓脂肪含量[13]。磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）能夠?qū)θ梭w代謝和生化指標(biāo)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)評(píng)估，為骨密度中脂肪含量的測(cè)量提供新方式[14]。但由于信噪比的限制，MRI對(duì)描述骨小梁微結(jié)構(gòu)的高分辨率成像一直存在挑戰(zhàn)性，而且其昂貴的檢查價(jià)格和較長(zhǎng)的檢查時(shí)間使其目前受限于作為椎體骨折后骨髓水腫的診斷工具而非早期測(cè)量骨密度篩查工具。

3 雙能量CT成像原理

雙能量CT（dual-energy CT，DECT）最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，主要分為雙能減影和能譜成像兩個(gè)范疇發(fā)展，前者可由兩種掃描方法實(shí)行：一種是單個(gè)球管進(jìn)行高低電壓的兩次順序掃描成像，另一種是由雙個(gè)X射線球管和兩個(gè)互成90°的相應(yīng)匹配探測(cè)器組成的雙源雙能掃描（西門(mén)子醫(yī)療）；后者也可分為：一是快速千伏開(kāi)關(guān)（GE醫(yī)療）技術(shù)，即在球管每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中快速切換兩種電壓獲得成像數(shù)據(jù)，二是雙層探測(cè)器技術(shù)（飛利浦醫(yī)療），它掃描同時(shí)通過(guò)表層收集低能數(shù)據(jù)，深層收集高能數(shù)據(jù)成像。上述各成像的掃描方法和物理學(xué)原理有所不同，但皆能在同一解剖位置獲取兩個(gè)具有獨(dú)立峰值千伏（kVp）的數(shù)據(jù)集，通常為80 kVp和140 kVp，繼而進(jìn)行物質(zhì)分離成像技術(shù)和單能量成像這兩個(gè)方面為主的多參數(shù)成像。

3.1 物質(zhì)分離成像技術(shù) DECT高能和低能光束之間的衰減差異是識(shí)別不同組織成分的基礎(chǔ)[15]，其目的是為了突出顯示或減去其中一種材料，不同類(lèi)型的雙能量CT具體可簡(jiǎn)分為三材料分解與兩種材料分解兩種技術(shù)。在脊柱成像中常用的虛擬去鈣（virtual noncalcium，VNCa）技術(shù)就是基于三材料分解算法，它通過(guò)算法估算DECT數(shù)據(jù)集上的鈣含量并從圖像中減去從而突出顯示可能被鈣覆蓋的解剖信息；虛擬去羥基磷灰石（virtual nonhydroxyapatite，VNHAP）技術(shù)也是同一原理。兩種材料分解算法即基物質(zhì)對(duì)成像，是通過(guò)快速切換電壓實(shí)現(xiàn)，在該分析中根據(jù)兩種不同材料各自原子序數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)生成基物質(zhì)對(duì)圖像，要求此兩種材料的原子序數(shù)存在顯著差異以利于分離，例如鈣和水等。物質(zhì)分離后圖像既可顯示為灰度圖像，也可為彩色編碼偽彩圖像，從而加大不同密度間的可辨別性。

3.2 虛擬單能量成像 DECT從高低電壓集中獲得的CT圖像接受預(yù)定義算法生成不同千電子伏特（kilo electronvolt，keV）的單能量圖像，通常包括40～200 keV范圍下的單能量圖像。該應(yīng)用遠(yuǎn)超傳統(tǒng)CT技術(shù)獲得的平均keV水平范圍，可調(diào)節(jié)不同keV提供不同圖像對(duì)比度[16]。所有主要的DECT制造商都已經(jīng)證明，低keV水平下通過(guò)虛擬單能量成像可以改善軟組織對(duì)比度的衰減，高keV水平下可以減少高衰減材料（如金屬）產(chǎn)生的偽影。

能譜曲線是DECT采集數(shù)據(jù)集以不同單能量為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)，該物質(zhì)在不同虛擬單能量下的衰減值（即CT值）各點(diǎn)連接而成的曲線，因不同物質(zhì)的衰減系數(shù)各有不同，從物理學(xué)角度來(lái)說(shuō)不同物質(zhì)都有特定的能譜曲線；而不同的能譜曲線也能推測(cè)物質(zhì)的化學(xué)構(gòu)成。

4 雙能量CT在椎體骨密度中的應(yīng)用

DECT的出世廣泛擴(kuò)展了傳統(tǒng)CT的臨床應(yīng)用，單在椎體骨方面，早在1988年Nickoloff等[17]應(yīng)用DECT測(cè)量骨礦物質(zhì)時(shí)就介紹了一個(gè)小梁骨包括膠原基質(zhì)、HAP、水、紅骨髓及脂肪組織五種主要物質(zhì)的生物物理模型。現(xiàn)如今不僅可在一次DECT掃描中獲得腰椎常規(guī)CT影像特征，而且可利用物質(zhì)分離成像技術(shù)及虛擬單能量成像技術(shù)等圖像后處理對(duì)椎體骨密度的進(jìn)行定量測(cè)量；此外CT的斷層成像使它可單獨(dú)測(cè)量骨松質(zhì)而避免了骨皮質(zhì)和周?chē)M織造成影響，提高了測(cè)量骨密度的準(zhǔn)確性。

4.1 定量測(cè)量椎體骨密度 近年來(lái)不少實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將DECT與其他骨密度測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比研究，從體外模型到人體內(nèi)椎體都有涉及。Wesarg等[18]基于29具尸體標(biāo)本局部力測(cè)量結(jié)果，對(duì)比了DECT和DXA定量測(cè)量局部骨密度發(fā)現(xiàn)兩者均有很強(qiáng)的相關(guān)性且前者的相關(guān)性更高；Koch等[12]掃描一個(gè)歐洲腰椎體模，其由三個(gè)不同HAP濃度的腰椎等效物組成，發(fā)現(xiàn)使用DECT物質(zhì)分離技術(shù)評(píng)估此模型的骨密度比QCT具有更高的診斷準(zhǔn)確性；以上實(shí)驗(yàn)均說(shuō)明了DECT評(píng)估骨密度的可行性。另有一研究團(tuán)隊(duì)對(duì)40例患者的160個(gè)腰椎進(jìn)行非模型的活體研究發(fā)現(xiàn)基于DECT和DXA測(cè)量的BMD值之間缺乏相關(guān)性，但研究者認(rèn)為此研究結(jié)果是在預(yù)期之內(nèi)且基于DECT測(cè)量BMD值是可行的，原因在于DECT測(cè)量局限于骨松質(zhì)的真實(shí)骨密度而非DXA測(cè)量的整個(gè)椎體aBMD[19]。Zhou等[20]利用快速千伏開(kāi)關(guān)CT中的基物質(zhì)對(duì)成像技術(shù)測(cè)量128例患者的L1、L2椎體骨小梁中的平均HAP（Water）、HAP（Fat）、Ca（Water）及Ca（Fat）密度，與椎體相應(yīng)的QCT骨密度測(cè)量值對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者存在很強(qiáng)的相關(guān)性，且HAP（Fat）與Ca（Fat）密度測(cè)量結(jié)果對(duì)QCT衍生的BMD值顯示出最佳的預(yù)測(cè)能量，這與前述脊柱的成分中多由HAP與骨髓脂肪細(xì)胞組成是相符的。

骨密度的良好評(píng)估是為了監(jiān)測(cè)和避免骨質(zhì)疏松的發(fā)生，對(duì)于DECT衍生的骨密度預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松方面，劉齋等[21]發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組患者的能譜曲線顯著低于非骨質(zhì)疏松組，分析其原因認(rèn)為與骨質(zhì)疏松的患者椎體骨礦物質(zhì)減少，射線透過(guò)人體的衰減值降低，測(cè)量出來(lái)的CT值下降有關(guān)；所以可認(rèn)為能譜曲線對(duì)描述椎體骨量情況較為準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[22]對(duì)92例患者進(jìn)行為期兩年的研究觀察發(fā)現(xiàn)使用DECT（膠原基質(zhì)、HAP、水和脂肪）材料分解后處理軟件對(duì)各患者L1椎體進(jìn)行vBMD測(cè)量，當(dāng)臨界值為93.70 mg/cm3時(shí)預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松相關(guān)性骨折敏感度達(dá)85.45%，特異度達(dá)89.19%，從而說(shuō)明DECT物質(zhì)分離衍生的骨密度可以預(yù)測(cè)高危患者骨折風(fēng)險(xiǎn)。更有Wichmann等[23]發(fā)現(xiàn)椎體實(shí)行內(nèi)固定術(shù)后進(jìn)行DECT掃描檢查骨密度與椎弓根螺釘拔出力之間直接存在良好的線性關(guān)系，可以預(yù)測(cè)椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性，從而更好地對(duì)穩(wěn)定脊柱的實(shí)施干預(yù)措施。

4.2 評(píng)估骨髓脂肪組織對(duì)椎體骨密度的影響 骨骼和脂肪之間有著重要的聯(lián)系，骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞均來(lái)自骨髓中的間充質(zhì)干細(xì)胞分化而成[5]。研究發(fā)現(xiàn)骨髓脂肪組織（marrow adipose tissue，MAT）與BMD之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；更重要的是MAT與椎體壓縮性骨折有關(guān)[13，24]?，F(xiàn)MAT已被提議作為干細(xì)胞分化為骨和脂肪譜系的生物標(biāo)記物，并作為骨骼完整性和骨折風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)記物[25]。因此，無(wú)創(chuàng)定量MAT對(duì)骨密度測(cè)得具有重要的臨床意義。單能CT中骨髓腔的衰減值包括小梁骨和脂肪組織，椎體的HU值越低，表明脂肪含量越高[26]，但這只是一個(gè)籠統(tǒng)的計(jì)算方式。為了進(jìn)一步了解骨脂肪之間的關(guān)系，最好在一次檢查中同時(shí)測(cè)量骨密度和MAT含量。不少研究發(fā)現(xiàn)，DECT可以應(yīng)用物質(zhì)分離技術(shù)定量測(cè)定MAT。Catano等[10]解剖了54個(gè)椎體，用單能CT和DECT分別掃描，發(fā)現(xiàn)單能CT骨密度結(jié)果被嚴(yán)重低估，但DECT可以校準(zhǔn)MAT從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)椎體衰減。Arentsen等[27]同樣發(fā)現(xiàn)DECT校準(zhǔn)測(cè)量MAT后獲得的vBMD能準(zhǔn)確反映松質(zhì)骨含量，這也與Zhou等[20]的研究結(jié)果一致。另外有研究者用DECT檢查L(zhǎng)2腰椎MAT和1H-MRS測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性[28]。

4.3 機(jī)會(huì)性篩查評(píng)估骨密度 在日常應(yīng)用中，鑒于其他臨床檢查而進(jìn)行CT胸部或者腹盆部的掃描范圍已經(jīng)包括下胸椎或腰椎，對(duì)患者同時(shí)進(jìn)行骨密度的機(jī)會(huì)性篩查，有效降低輻射劑量暴露。一項(xiàng)利用常規(guī)腹部CT掃描檢查同時(shí)排除椎體骨質(zhì)疏松的研究中發(fā)現(xiàn)測(cè)量椎體的HU值與DXA測(cè)量的BMD有較好的相關(guān)性[29]。當(dāng)然，DECT也可進(jìn)行同樣的機(jī)會(huì)性篩查，并利用其高低能量掃描有更多研究發(fā)現(xiàn)。Laugerette等[30]利用DECT中的scout定位像掃描獲得的高低能量成像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理算法，得出一個(gè)類(lèi)似于DXA的aBMD用于機(jī)會(huì)性骨密度篩查分析。CT檢查中一個(gè)強(qiáng)制部分就是scout的掃描，其實(shí)它并沒(méi)有提供很多診斷信息，現(xiàn)方法可以增加定位像中骨質(zhì)疏松的檢出，不過(guò)aBMD的測(cè)量結(jié)果類(lèi)似于DXA的局限性也不能忽視。另一方面，在腹盆CT掃描中不可避免需要增強(qiáng)掃描，Woisetschl?ger等[31]對(duì)20例患者共79個(gè)椎體進(jìn)行DECT增強(qiáng)掃描發(fā)現(xiàn)平掃和靜脈期的vBMD均與DXA中的骨密度存在顯著相關(guān)性，但與動(dòng)脈期對(duì)比則沒(méi)有顯著相關(guān)性；同時(shí)該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)腰椎前方腹主動(dòng)脈鈣化和椎體骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)行量化，從而對(duì)DXA測(cè)量aBMD誤差問(wèn)題進(jìn)行了校準(zhǔn)，這也充分解釋了Burke等[32]的類(lèi)似的研究得出弱相關(guān)性的原因。

4.4 檢出急性骨質(zhì)疏松性椎體骨折 對(duì)于有骨量減少或者骨質(zhì)疏松的患者若發(fā)生急性椎體骨折，椎體內(nèi)骨小梁斷裂，但骨皮質(zhì)未表現(xiàn)出移位和斷裂，不過(guò)有骨髓成分的改變?nèi)绻撬杷[、出血等。DECT可用脊柱成像方面的VNCa灰度圖像和彩色編碼圖像易于檢出骨髓水腫，彌補(bǔ)了常規(guī)CT不能分辨椎體新鮮或陳舊骨折的缺陷。Kaup等[33]證實(shí)，與傳統(tǒng)CT圖像相比，經(jīng)驗(yàn)豐富及經(jīng)驗(yàn)較少的醫(yī)生應(yīng)用VNCa圖像使骨折的檢出率均較前提高，且經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生診斷準(zhǔn)確性接近MRI。

5 小結(jié)

綜上所述，DECT的多參數(shù)成像將CT推向功能學(xué)成像領(lǐng)域邁進(jìn)，特別在評(píng)估椎體骨密度方面它補(bǔ)充和校正了以往較常使用DXA和QCT測(cè)量骨密度的缺陷，是目前較廣泛且方便的定量成像技術(shù)。從物質(zhì)分離技術(shù)到虛擬單能量技術(shù)，DECT在椎體組成成分的定量測(cè)量、校準(zhǔn)MAT后的BMD、機(jī)會(huì)性篩查BMD及方便快速檢出急性骨質(zhì)疏松性骨折等方面體現(xiàn)了較高的實(shí)用價(jià)值。不過(guò)其也存在一定的局限性，關(guān)于不同廠家生產(chǎn)的DECT原理不盡相同，對(duì)骨密度的診斷標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)形成有不少困難，需要更多的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行支持和推進(jìn)。盡管如此，DECT在椎體骨密度定量測(cè)量方面、骨質(zhì)疏松的診斷乃至椎體骨折成形術(shù)后評(píng)估測(cè)量等仍具有廣闊前景。

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（收稿日期：2022-11-07） （本文編輯：田婧）