双能CT虚拟去钙技术评估骨髓损伤的应用研究

涂　宁，文　之，李洁兰，杨　昊，刘　博，唐　鹏，周　洁，吴光耀

（1.武汉大学中南医院a医学影像科，b检验科，c干部保健处，湖北武汉430071；2.西门子中国有限公司，上海201318）



双能CT虚拟去钙技术评估骨髓损伤的应用研究

涂宁1a，文之1a，李洁兰1a，杨昊1a，刘博2，唐鹏1b，周洁1c，吴光耀1a

［摘要］目的：探讨双能CT（dual energy CT，DECT）在评估骨髓损伤中的应用价值。方法：收集11例病史完整的急性关节损伤患者的MRI和DECT资料。由2位副高级职称的骨关节系统影像科医师（Z和X）采用双盲法对DECT虚拟去钙图像进行评级（4级法），以骨髓水肿作为骨髓损伤的图像指标，参照MRI平扫（含抑脂T2WI）图像，评级一致后纳入统计分析。结果：在11例中，纳入统计253个区域。将1级定为阳性，阅片人Z判定DECT图像对骨髓水肿诊断灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为73.3%、93.8%、83.30%、89.2%，准确度为87.8%，K＝0.681；阅片人X判定相应各值为67.9%、90.9%、76.8%、86.4%，准确度为83.8%，K＝0.607。将1级和2级定为阳性，阅片人Z相应各值为55.7%、90.6%、83.1%、71.0%、74.7%，K＝0.475；阅片人X相应各值为52.2%、88.4%、78.9%、68.9%、71.9%，K＝0.418。测量各分区CT值，差异均有统计学意义（均P＜0.05）。使用CT值绘制ROC曲线，若将1级图像定为阳性，则胫骨上段及股骨下段AUC值分别为0.883和0.941。若将1级和2级图像定为阳性，则胫骨上段及股骨下段AUC值分别为0.786和0.943。结论：DECT虚拟去钙技术可去除骨中的钙质，直观显示骨髓水肿，提示骨髓损伤；CT值可作为骨髓水肿程度的定量参数。

［关键词］双能CT；虚拟去钙；骨髓水肿；磁共振成像

Study on assessment of bone marrow lesions by dual-energy computed tomography

TU Ning，WEN Zhi，LI Jielan，YANG Hao，LIU Bo，TANG Peng，ZHOU Jie，WU Guangyao. Medical Imaging Department，Zhongnan Hospital of Wuhan University，Wuhan，430071，China.

［Abstract］Objective：To study the dual-energy CT（DECT）value in estimation of bone marrow lesions. Methods：11 patients with acute joint injuries were gathered，who were performed both magnetic resonance imaging（including T2WI with fat suppres sion sequence）and DECT scan. Two senior osteoarticular radiology doctors（Z and X）analyzed DECT images with virtual non-calcium in double-blind way（according to 4 grade criterion），and compared with MRI images，using bone marrow edema as the image performance of bone marrow lesions. Statistical analysis included in the agreement cases. Results：In 11 patients，total 253 areas were included in the statistics. As grade I was positive，the sensitivity，specificity，positive predictive value，negative predictive value from doctor Z defined the bone marrow edema in the DECT images with virtual non-calcium were 73.3%，93.8%，83.30%，89.2%respectively and accuracy was 87.8%，K＝0.681. From doctor X，those were respectively 67.9%，90.9%，76.8%，86.4%and accuracy was 83.8%，K＝0.607. As grade I and II were positive，from doctor Z，those were respectively 55.7%，90.6%，83.1%，71.0%，and accuracy was 74.7%，K＝0.475. From doctor X，those were respectively 52.2%，88.4%，78.9%，68.9%，71.9%，respectively，K＝0.418. Analysis of CT values showed great significance between edema group and non-edema group （P＜0.001）. With ROC curve drawn，as I grade was positive，tibia partition AUC value was 0.883；femur partition AUC value was 0.941. As grade I and II were positive，the tibia partition AUC value of 0.786；femur partition AUC value of 0.943. Conclusion：DECT with virtual non-calcium can remove bone calcium，display macroscopic bone marrow，and indicate bone marrow injury. CT value may be used as a quantitative parameter of bone marrow edema.

［Key words］Dual energy computed tomography；Virtual non-calcium；Bone marrow edema；Magnetic resonance imaging

骨髓损伤是指各种原因引起的急性或慢性骨髓结构变化，与松质骨骨小梁骨折、出血及骨髓水肿等有关，不伴邻近骨质或覆盖关节软骨实质性破坏［1］。骨髓损伤较隐匿，早期诊断和治疗困难，限制或停止骨髓活动，可预防并发症发生［2］。目前MRI是诊断骨髓损伤较敏感的方法［3］，多表现为骨髓水肿（bone marrow edema），T1WI呈低信号，抑脂T2WI呈高信号［4］。在临床工作中，受医疗条件、禁忌证等限制，MRI检查难以成为关节损伤的常规检查方法。目前CT是公认观察骨质损伤的有效检查方法［5］，但由于骨质密度高，成人骨髓多为脂肪成分，损伤时密度虽有所升高，但仍大大低于骨质密度，常规CT难以评估骨髓情况。双能CT（dual energy CT，DECT）通过一次性扫描获得2种能量数据，基于不同物质双能指数不同进行物质分离，能有效分离骨组织中骨质、红骨髓及脂肪等成分，选择性地去除钙值（即矿物质），获得清楚骨髓图像。目前，Pache等［6-9］已成功使用DECT虚拟去钙技术（virtual noncalcium subtraction，VNC）评估创伤性骨髓水肿。本文旨在探讨DECT在定性及定量评估骨髓水肿中的应用价值。

1　资料与方法

1.1一般资料收集11例病史完整的急性关节损伤患者，其中男5例，女6例；年龄20～77岁，平均48.5岁；9例为外伤性损伤，2例为非外伤性损伤；8例膝关节损伤，2例肩关节损伤，1例踝关节损伤。所有患者行相应部位DECT扫描，MRI检查在DECT检查1 d后进行。排除标准：①≥80岁或≤18岁，孕妇或MRI禁忌证者；②关节内固定或外固定术后；③MRI伪影较大者；④MRI检查与DECT检查间隔时间超过1周者。

1.2仪器与方法

1.2.1MRI扫描采用Siemens Magnetom TIM trio 3.0 T MRI仪，膝关节、肩关节、踝关节及GP Flex包裹相控阵线圈，所有患者常规行矢状位、冠状位及轴位的T1WI、T2WI及T2WI抑脂序列扫描。根据不同部位，选用合适TR与TE，层厚3.0 mm。

1.2.2DECT扫描采用Siemens Somatom Definition DECT。扫描参数：A球管，140 kV，55 mA；B球管，80 kV，234 mA；准直器宽度0.6 mm，螺距0.7，重建层厚2.0mm。将DECT数据传入Syngo Multimodality VE36A工作站，选择DECT后处理模式，VNC，获得去除钙质后的图像，调整虚拟平扫参数，并选用默认伪彩图（Gray Scale 8 bit）甲状旁腺伪彩图（Para Thyroid 8 bit）辅助观察骨髓损伤情况，以MRI显示骨髓水肿为参考指标。

1.3图像分析以骨髓水肿作为骨髓损伤评估指标。由2位副高级职称的骨关节系统影像科医师（Z 和X）采用双盲法对DECT VNC图像进行评级，参照MRI平扫图像，评级一致后纳入统计分析。DECT 及MRI 4级法：1级，有明显病变；2级，可能有病变；3级，可能无病变；4级，无病变。

将膝关节图像按股骨下段、胫骨上段六等分，髌骨与腓骨小头四等分分区（图1）；将肩关节按肱骨头六等分分区，肱骨上端、锁骨、肩胛骨各四等分分区；踝关节按距骨、跟骨、足舟骨、骰骨、楔骨六等分区，跖骨三等分分区，趾骨不算在内。

图1　以膝关节为例，解剖分区及标号顺序示意图　图1　a轴位股骨下段分区示意图　图1　b轴位胫骨上段分区示意图　图1　c轴位腓骨小头分区示意图　图1　d冠状位髌骨分区示意图

1.4统计学方法应用Excel 2013详细统计DECT 及MRI的阅片结果，评估2位DECT阅片人结果灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确度等。并绘制ROC曲线，记录曲线下面积（area under curve，AUC）。应用SPSS 19.0软件对2位阅片人与MRI阅片结果行Kappa检验，检测其一致性。此外，测量胫骨下段及股骨上段对应区域所得的CT值，对水肿及非水肿区CT值行t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1DECT图像分析11例纳入统计253个区域（膝关节160个区域，肩关节36个区域，踝关节57个区域）（图2）。MRI显示骨髓水肿78个区域（膝关节42个，肩关节21个，足关节15个），阴性的有175个区域。将1级定为阳性，DECT去钙质图像对骨髓水肿诊断情况见表1。将1级和2级定为阳性，DECT去钙质图像对骨髓水肿诊断情况见表2。阅片人Z和X对DECT和MRI阅片结果均表现出良好的一致性。

2.2CT值分析以MRI显示骨髓水肿区域阳性为标准，将1级图像定为阳性时，水肿区CT值为（-81.5 ±29.3）HU，非水肿区CT值为（-96.9±38.3）HU，差异有统计学意义（P＜0.05）。当1级和2级图像均定为阳性时，水肿区CT值为（-84.0±32.0）HU，非水肿区CT值为（-98.5±38.5）HU，差异有统计学意义（P＜0.05）。根据VNC处理后图像分区的CT值绘制胫骨上段及股骨下段分区的ROC曲线（图3），并记录AUC值。将1级定为阳性，则胫骨上段分区、股骨下段分区的AUC值分别为0.883、0.941；1级和2级定为阳性，则胫骨上段分区、股骨下段分区的AUC值分别为0.786、0.943。

表1　双能CT去钙质图像对骨髓水肿诊断

表2　双能CT去钙质图像对骨髓水肿诊断

3　讨论

骨关节损伤以MRI图像显示骨髓病变作为参考时，DECT对骨髓水肿诊断有良好灵敏度及较高阴性预测值。将MRI图像显示骨髓细微病变作为阳性标准时，DECT对细微病变诊断灵敏度及阴性预测值较低。部分病变在VNC后处理图像上难以辨认，而在伪彩图上能非常直观灵敏显示。胫骨上段及股骨下段CT值ROC曲线表明DECT虚拟平扫后图像可明显显示膝关节外伤性骨髓损伤CT值变化，CT值可作为评估骨髓损伤程度的定量指标。

目前MRI是诊断骨髓损伤主要影像学方法［10-11］，但并非所有骨关节损伤患者都能常规行MRI检查，由于医疗条件或MRI禁忌证的限制，X线片或CT多作为常规检查方法［12］。由于骨质密度较高，骨髓在成人中多为黄骨髓，以脂肪成分为主［13］。骨髓损伤时其密度虽升高，但仍低于骨质密度，由于骨质高密度干扰，常规CT扫描难以观察骨髓损伤情况。DECT的VNC技术可根据不同物质在不同能量水平的衰减系数不同［14］提高CT对物质的定性信息，从而分离物质中不同成分。DECT成分分离有2种、3种或多种物质分离算法，如将3种物质低能量扫描CT值设为y轴，高能量扫描CT值设为x轴，根据双能指数差，DECT可分离骨组织中的骨矿质、红骨髓及黄骨髓3种物质［15-16］，继而通过专用虚拟平扫去钙软件，可选择性获得钙质去除图像，排除骨质干扰，观察骨髓损伤情况。近年来，DECT的VNC技术已成功用于评估创伤性膝关节及踝关节急性外伤患者的骨髓水肿［6，13］，提示DECT图像评估骨髓损伤具有良好的敏感度和特异度，CT值测量可作为骨髓损伤定量的评估指标。同时认为彩色编码的VNC技术即伪彩图能更好显示骨髓CT值衰减的变化。曹建新等［17-18］的研究显示，DECT对膝关节及脊柱急性外伤患者骨髓损伤诊断具有较高的灵敏度及特异度。

CT值可直观反映相应像素灰度等级，是该部位组织密度反应。一般水的CT值为（0±10）HU，脂肪的CT值为-100～-50 HU以下。成人骨髓中多为黄骨髓，脂肪成分为主；当骨髓损伤时，骨髓水肿，脂肪内CT值可升高。本研究显示，DECT的VNC技术可为急性关节外伤或MRI禁忌证患者提供观察骨髓损伤的替代方法，同时不增加扫描时间及次数，为患者提供关节构成骨骨髓情况的三维CT图像，为临床指导预后提供参考。

总之，DECT的VNC技术可去除骨中的钙质，直观显示骨髓水肿，提示骨髓损伤；其CT值可作为骨髓水肿程度的定量参数；在观察骨髓损伤、水肿等方面有着巨大潜力。本研究存在以下不足：纳入的是入院诊疗患者，有一定选择偏倚；阅片时为主观阅片，对结果可能产生一定影响；对CT值测量为手动划取ROI，易产生误差；病例数目较少，难以取得诊断骨髓水肿标准CT值范围。

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图2　男，30岁，车祸伤，1级图像　图2　a冠状位抑脂T2WI，胫骨上段高信号　图2　b CT平扫冠状位重建，未见明显异常　图2　c VNC，对应区骨髓内高密度　图2　d VNC伪彩图（Para Thyroid 8 bit），病变范围与T2抑脂相近　图3　a 1级定为阳性，胫骨上段ROC曲线　图3　b 1级定为阳性，股骨下段ROC曲线　图3　c 1级和2级定为阳性，胫骨上段ROC曲线　图3　d 1级和2级定为阳性，股骨下段ROC曲线

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收稿日期（2015-05-16）

［通信作者］吴光耀，E-mail：wuguangy2002@163.com。

［基金项目］国家自然科学基金项目（81171315，81227902）。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0512.2016.01.001