能量CT定量測量骨密度和骨髓脂肪的研究現(xiàn)狀

周鳳云 耿健 程曉光*

1. 陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712083

2. 北京積水潭醫(yī)院放射科,北京 100035

隨著全球老年人群比例的增多,社會(huì)上針對老年性疾病的支出大幅提升[1]。骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種常見的骨骼代謝疾病,也是常見的老年性疾病之一,其特征是骨量低和骨微結(jié)構(gòu)惡化,常見于絕經(jīng)后婦女和老年男性[2]。OP被稱為靜悄悄的疾病,其在早期階段幾乎不會(huì)出現(xiàn)引起患者適當(dāng)關(guān)注的臨床表現(xiàn)[3],這為骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防帶來了很大的困難。既往臨床都是通過評估患者的骨密度(bone mineral density, BMD)來輔助臨床醫(yī)生診斷OP。但是有研究表明,在嚴(yán)重的OP患者中,骨髓脂肪組織占股骨頸組織體積的一半以上,骨體積分?jǐn)?shù)僅為30 %左右,骨髓脂肪組織幾乎取代了所有的骨小梁[4]。因此,使用影像學(xué)手段定量評估BMD和骨髓脂肪 (bone marrow fat, BMF)對臨床上提前預(yù)防以及篩查骨質(zhì)疏松十分重要。隨著時(shí)代發(fā)展,評估BMD和BMF技術(shù)的精確度正在逐漸提高。能量CT作為一種新的影像學(xué)手段,在臨床和科研上的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。近幾年來,能量CT對于BMD和BMF定量分析的可行性也引發(fā)了廣大研究者的探索。因此,本文將綜述能量CT對BMD和BMF定量分析的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,尋求潛在的發(fā)展方向和趨勢。

1 當(dāng)前量化BMD和BMF的方法及缺陷

世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)表明雙能 X 線骨密度儀(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)為定量BMD的金標(biāo)準(zhǔn),其輻射和成本較低,但是該設(shè)備在中國的裝機(jī)量較低,遠(yuǎn)不能滿足日益增長的需求[5-7]。另外,根據(jù)專家共識(shí),DXA測量BMD受體重、骨質(zhì)增生、脊柱側(cè)凸等因素的干擾,降低了面積BMD測量的準(zhǔn)確性[8]。定量計(jì)算機(jī)斷層(quantitative computed tomography,QCT)是測量BMD的另一個(gè)方式,基于三維成像方式的它可以定量骨小梁體積BMD,精確度較DXA高,缺點(diǎn)是測量的BMD會(huì)受到骨髓脂肪的影響,可能造成BMD低估[5,9]。

目前,磁共振技術(shù)定量骨髓脂肪已經(jīng)被廣泛認(rèn)可,其中質(zhì)子磁共振波譜(1H-MRS)被廣泛認(rèn)為是定量分析BMF的金標(biāo)準(zhǔn),但是該技術(shù)對掃描技術(shù)要求嚴(yán)格,操作流程復(fù)雜,分析慢,采集的視野較小,對于脂肪的空間分辨率分析也有所欠缺[4-5,10]。近年來,隨著Dixon技術(shù)的不斷發(fā)展,將此技術(shù)用于定量脂肪也越來越普遍[11]。該技術(shù)對脂肪的空間覆蓋率良好,可以實(shí)現(xiàn)脂肪的空間分布分析,但是對于骨髓脂肪成分定量分析有一定的困難[10,12]。與MRS相比,Dixon技術(shù)操作簡單、分析較快、分辨率高,因此在臨床上便于普及[13]。但是磁共振技術(shù)無法定量BMD,對于OP患者,需要進(jìn)行額外的BMD檢查,而能量CT相對于磁共振技術(shù)的優(yōu)勢在于既可以定量BMF又可以定量BMD[5,11],其有助于合理利用醫(yī)療資源以及幫助患者減少醫(yī)療費(fèi)用 。

隨著時(shí)代的發(fā)展,能量CT技術(shù)不斷更新迭代,逐漸引領(lǐng)當(dāng)前CT技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)專家共識(shí),將能量CT分為單源序列掃描雙能量技術(shù)、單源雙光束能量CT、單源瞬時(shí)管電壓切換雙能量CT(寶石能譜CT)、雙源雙能量CT(雙能CT)、雙層探測器光譜CT、光子計(jì)數(shù)CT[14]。它們可以利用兩種基本物質(zhì)的X射線衰減來表示任意物質(zhì)的X射線衰減,從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離和量化,基于此方法為BMD和BMF定量分析提供了一種可靠的新方法,因此,本文就能量CT的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,旨在為后續(xù)相關(guān)研究提供一個(gè)發(fā)展方向。

2 能量CT定量BMD和BMF的研究現(xiàn)狀

2.1 雙源雙能量CT

雙源雙能量CT(dual-energy computed tomography,DECT)是在CT機(jī)架內(nèi)嵌2個(gè)相隔90 °的球管及兩個(gè)配套的探測器系統(tǒng),一個(gè)探測器覆蓋整個(gè)掃描視野(直徑50 cm),另一個(gè)探測器僅限于中心更小的視野(直徑26 cm),兩個(gè)X線球管可以以獨(dú)立的電流電壓運(yùn)行,因而實(shí)現(xiàn)雙能量數(shù)據(jù)采集。20多年前就出現(xiàn)了將早期DECT用于評估BMD的相關(guān)研究[15-16],當(dāng)時(shí)由于輻射劑量過大以及檢查費(fèi)用昂貴,所以并沒有廣泛應(yīng)用。近年來隨著DECT掃描以及重建技術(shù)的發(fā)展,已在醫(yī)院和治療中心應(yīng)用越來越普遍。

大量研究使用體?；蜃刁w標(biāo)本進(jìn)行了BMD測量,最終都證明其測量的BMD和QCT測量的BMD有較好的相關(guān)性[6,17-19]。此外,基于EDCT有相關(guān)研究表明去除椎體內(nèi)的脂肪含量可以得到更加精確的椎體BMD值。2015年Bredella等[5]對骨質(zhì)減少且肥胖的12名患者的L2進(jìn)行掃描,發(fā)現(xiàn)DECT 能同時(shí)評估BMF及 BMD,與利用MRS評估BMF得出的結(jié)果有較高的一致性。這表明DECT可以通過去除骨髓內(nèi)的脂肪,得到更加準(zhǔn)確的BMD值,為骨質(zhì)疏松預(yù)測提供了更有效的手段。該研究中DECT測得的BMD比QCT測得的BMD稍高,其原因是QCT測量的BMD包含骨髓脂肪,而導(dǎo)致BMD低估,證明骨髓脂肪含量與BMD值呈負(fù)相關(guān)。該結(jié)果與Arentsen等[20]利用20名女性尸體使用DECT和MRI對BMD以及BMF進(jìn)行定量分析得到的結(jié)果相似。Arentsen的研究表明DECT與MRI測量的BMF結(jié)果呈顯著相關(guān)(r=0.881,P<0.000 1);此外,DECT或MRI測量的BMF與校準(zhǔn)的BMD之間沒有顯著的相關(guān)性(分別為r=0.261和r=0.067,P>0.3),而與未校準(zhǔn)的體積BMD之間存在顯著的負(fù)相關(guān)(分別為r=-0.818和r=-0.86,P<0.000 1),這也表明BMF存在會(huì)造成BMD值的低估。Hui 等[21]利用DECT和磁共振水脂分離技術(shù)測量了5名卵巢切除術(shù)后患者腰椎椎體的BMD和BMF,使用組織學(xué)驗(yàn)證了兩種技術(shù)測量BMD和BMF的一致性,另外,這兩種技術(shù)測得的結(jié)果也顯示BMF與 未校準(zhǔn)的BMD 呈負(fù)相關(guān)。因此,DECT定量BMF以及對于校準(zhǔn)BMF后得到更加精確的BMD值是可行的。

2.2 單源瞬時(shí)管電壓切換技術(shù)

寶石能譜CT(gemstone spectralimaging,GSI)是在CT機(jī)架內(nèi)嵌一套球管和探測器,以高壓發(fā)生器瞬時(shí)kVp切換技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)能譜成像。這種方法通過使用單一球管的高低雙能(80 kVp和140 kVp)的瞬時(shí)切換(< 0.5 ms的能量時(shí)間分辨率)產(chǎn)生時(shí)空上幾乎完全匹配的雙能數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間能譜解析。對于該技術(shù)定量分析人體BMD值已經(jīng)有相關(guān)研究基于基物質(zhì)對進(jìn)行分析證明。如Zhou等[22]回顧性分析了128名受試者的腰椎,分別測量鈣(水)、羥基磷灰石(水)、鈣(脂肪)和羥基磷灰石(脂肪)四個(gè)基物質(zhì)對的密度以及腰椎小梁骨密度,得出基物質(zhì)對和基于QCT測量的BMD有很強(qiáng)的相關(guān)性,證明了寶石能譜CT評估BMD是可行的。該研究得出的結(jié)論與李倩等[23]的研究結(jié)果相似,但是李倩等研究的局限性在于只使用羥基磷灰石和脂肪兩種物質(zhì)的衰減系數(shù)間接反映BMD值,這種方式可能導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。另外類似的研究基于物質(zhì)分離法測量了松質(zhì)骨的BMD和基于QCT測量的BMD呈顯著線性相關(guān),證明快速千伏切換技術(shù)物質(zhì)分離法測定的松質(zhì)骨骨密度可用于BMD評價(jià)[24-26]。寶石能譜CT是一種新發(fā)展的BMD測量方法,可以作為治療前后監(jiān)測BMD的手段,但是缺乏人體腰椎BMF的相關(guān)研究。

2.3 雙層探測器光譜CT

雙層光譜CT(dual-layer spectral detector computed tomography,dlsCT)并不改變球管輸出,而是將探測器設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu),搭配雙重感光材料,分別接收高低能量X線光子,從而實(shí)現(xiàn)球管輸出的連續(xù)混合能級X線的高低能量的區(qū)分。該技術(shù)與雙能CT技術(shù)和GSI技術(shù)相比,在滿足“同時(shí)”“同源”“同向”能量成像的三大核心技術(shù)要求上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了常規(guī)圖像與能量圖像的“同步”生成,達(dá)到了“四同”能量成像的業(yè)界新高度。

2016年dlsCT應(yīng)用于臨床后,陸續(xù)有研究表明了dlsCT評估BMD的可行性[25,27-29]。van Hamersvelt等[30]使用兩個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的已知濃度的體模,研究證明了dlsCT與DXA和QCT對于體外BMD的定量都具有強(qiáng)線性相關(guān)性(R2=0. 970和R2=0.973,P<0.001)。同年一項(xiàng)關(guān)于椎體標(biāo)本和體模研究[31]表明使用dlsCT掃描儀獲得的光譜成像信息可以準(zhǔn)確地量化已知的鈣-羥基磷灰石濃度,dlsCT評估的骨密度值與QCT評估的骨密度值之間存在高度相關(guān)性(r=0.96 ～ 0.99,P<0.001),但是本研究并沒有考慮骨髓中脂肪含量。2019年Roski等[32]通過分析33例患者的174個(gè)椎體和體模,發(fā)現(xiàn)來自dlsCT的骨密度值與來自QCT的骨密度值之間存在較好的相關(guān)性。此外,在模擬不同程度肥胖的設(shè)置中,在椎體標(biāo)本中測量的鈣-羥基磷灰石特異性骨密度與來自QCT測量的BMD之間發(fā)現(xiàn)了高度的相關(guān)性和一致性,該研究證明兩種方式之間并不受肥胖等級的影響。DlsCT應(yīng)用于BMD的測量已經(jīng)逐漸趨向成熟化,但是這些研究都未考慮到BMF對BMD的影響,無法得到更加準(zhǔn)確的BMD值。因此,根據(jù)此問題可進(jìn)一步研究。

3 能量CT定量BMD和BMF的未來趨勢

BMF定量分析有助于綜合評估 OP 骨髓微環(huán)境的變化,為臨床診治提供新的無創(chuàng)手段。相信隨著影像技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展,評估BMD以及骨髓脂肪精準(zhǔn)定量的研究將會(huì)更進(jìn)一步[33]。目前,MR、QCT、DXA等技術(shù)都無法做到同時(shí)定量BMD和BMF,而能量CT代表著CT技術(shù)的發(fā)展方向,將其同時(shí)用于定量BMD和BMF已被證明是可行的。該技術(shù)不僅操作簡單靈活,而且可以減少偽影并消除光束硬化得到更優(yōu)質(zhì)的圖像[34]。其迭代技術(shù)可以降低對患者的輻射劑量,與QCT相比并沒有顯著的差異[35],所有這些都有助于BMD以及BMF的準(zhǔn)確量化。因此,在臨床上能量CT定量分析BMD和BMF將會(huì)有較好的發(fā)展趨勢,其發(fā)展趨勢可以從現(xiàn)存的局限性進(jìn)行探究。

目前,對于BMD和BMF的定量分析的相關(guān)研究都存在以下幾個(gè)局限性:(1)BMD測量的研究大多使用尸體或者體模作為研究對象,使用尸體作為受試者的局限性在于死者前期因?yàn)椴煌膊〗邮艿闹委熆赡軙?huì)改變尸體骨髓組成,對最終結(jié)果造成一定的影響?？偟膩碚f,缺乏大樣本的活體研究;(2)骨髓成分復(fù)雜,包括紅骨髓、黃骨髓、骨礦物質(zhì)、水以及膠原基物質(zhì)等,但是大多數(shù)研究都只關(guān)注在松質(zhì)骨,因此對于BMD的測量可能會(huì)存在一定的誤差;(3)對于BMF定量分析的研究大多都采用回顧性分析,但是脂肪在骨髓中異質(zhì)性很高,變化很快,因此后期可以采用縱向研究的方法;(4)目前,尚未出現(xiàn)共同認(rèn)證且可被使用的骨髓脂肪體模,因此BMF定量分析只可在活體或者尸體標(biāo)本中進(jìn)行研究,但是在活體內(nèi)直接研究骨髓脂肪的代謝情況仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

那么,未來對于BMD的研究,可以使用先進(jìn)的能量CT技術(shù)來監(jiān)測骨髓內(nèi)復(fù)雜的組成成分的變化情況,這樣有利于觀察骨髓代謝變化。使用能量CT鑒別骨髓中除脂肪外的其他復(fù)雜成分的探究將有助于得到更加精確的BMD值。另外,能量CT在任何松質(zhì)骨部位測量骨髓脂肪的能力也可以為監(jiān)測骨髓內(nèi)變化的研究提供一個(gè)途徑,與MR相比測量面積更加靈活廣泛。能量CT對于大樣本量的研究十分有利,相比MR掃描能節(jié)約更多時(shí)間?，F(xiàn)在使用MR定量分析骨髓脂肪成分可行性的相關(guān)研究尚未出現(xiàn)較好的結(jié)果,因此,未來利用能量CT技術(shù)分析骨髓中脂肪成分也是一個(gè)值得探究的方向。

4 總結(jié)

能量CT可以通過材料分解來區(qū)分基物質(zhì)成分,達(dá)到同時(shí)定量BMD和BMF的效果,相比其它技術(shù)可以節(jié)省患者掃描時(shí)間以及減輕經(jīng)濟(jì)壓力,對于臨床上預(yù)防OP有很好的應(yīng)用價(jià)值,也能為后續(xù)研究提供客觀和科學(xué)的依據(jù),具有較大的臨床應(yīng)用價(jià)值及科研潛力。但能量CT在骨科中的使用潛能還有待挖掘,本綜述期待為后續(xù)相關(guān)研究提供一個(gè)研究方向。今后將研究與臨床實(shí)踐緊密結(jié)合,并將研究的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐,使能量CT在臨床中發(fā)揮更大的作用。