第3代双源双能量CT虚拟去钙技术检测胸腰椎骨髓水肿的临床研究

王林，陈佳佳，龚沈初，崔志明，阮席武，保国锋，徐冠华，孙郁雨

(1.南通大学第二附属医院 影像科，江苏 南通 226001； 2.南通大学第二附属医院 脊柱外科，江苏 南通 226001)

随着我国经济建设高速发展和人口老龄化程度的日益严重，脊柱骨折的发生率逐年增高[1- 2]，其中以胸腰段脊柱骨折最为多见[3]。胸腰椎单纯压缩性骨折在X线平片或CT上表现为椎体呈楔形变而无骨折线[4]，临床多依靠MR或ECT来判断该类骨折为新鲜骨折或陈旧性骨折。然而，MR和ECT由于检查时间较长、费用较高，均存在一定的局限性。本研究主要评估第3代双源双能量CT(DECT)对胸腰椎外伤患者椎体骨髓水肿的检测能力，以期为临床区分新鲜或陈旧性骨折提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

经南通大学第二附属医院科学研究伦理委员会批准，前瞻性地将2017年2月至2017年3月间24例胸腰椎外伤患者纳入研究，其中男性患者6例，女性患者18例，年龄22～92岁，平均64.81岁。所有患者均签署知情同意书。采集入组患者胸椎或腰椎的DECT和MR影像，既往行椎体内金属固定术或经皮椎体成形术、椎体肿瘤、甲状腺或甲状旁腺功能亢进、近期服用影响骨质代谢水平药物、存在MR检查禁忌证、MR图像不能满足诊断需要患者的椎体均被排除在外。所有患者均经过脊柱外科医师进行临床查体，通过筛选最终共147个胸腰椎椎体纳入研究，患者外伤至完成CT和MR检查的时间窗不超过2 d。

1.2 CT扫描及后处理

使用西门子第3代DECT(SOMATOM Definition Force,Siemens Healthcare,Erlangen,Germany)采集患者胸腰椎图像，根据患者受伤及疼痛部位确定扫描范围。使用Syngo Via CT后处理工作站(版本VB10)Dual- Energy选项卡中的Bone Marrow软件对图像进行处理分析。由1名高年资脊柱外科医师和1名高年资影像科医师(观察者A、B)分别独立进行观察评估，按以下标准分别对CT、MR图像进行主观评分(VS)和定量测量，若结果不一致，与另外2名具有高级职称的脊柱外科医师和影像科医师(观察者C、D)共同讨论后得出一致结果。同理MR图像主观评分和定量测量由1名脊柱外科医师和1名影像科医师(观察者E、F)分别独立进行观察评估。VS标准：1分为正常椎体，椎体高度正常，骨皮质连续，椎体内未见骨髓水肿；2分为陈旧性压缩性骨折，椎体前缘变短呈楔形，椎体内未见明显骨髓水肿；3分为椎体骨挫伤，椎体高度正常，骨皮质连续，椎体内见骨髓水肿；4分为新鲜骨折，椎体呈楔形或骨皮质断裂，椎体内见骨髓水肿。对于评分为1～2分的椎体，在正中矢状位图像上进行定量测量，手工沿椎体外缘勾勒感兴趣区(region of interest,ROI)，记录软件自动给出的虚拟去钙后的CT值(VNCa)和混合能量图像(混合比0.5)的常规CT值(regular CT value,rCT)；对于评分为3～4分的椎体，在矢状位上骨髓水肿最明显的层面进行测量，沿水肿区边缘手工勾勒ROI并记录相同的测量参数。观察者A、B对患者MR检查结果并不知情。

1.3 MR扫描

使用西门子3.0- T Verio MR扫描仪(Siemens Healthcare,Erlangen,Germany)采集患者胸椎或腰椎图像，按临床要求确定扫描范围。扫描序列包括矢状位FS- T2WI和T1WI序列。由前述观察者C、D在Syngo MR workplace工作站中按前述VS标准独立对MR图像进行评分，评分不一致时进行协商，以协商的最终结果作为判断椎体有无骨髓水肿的“金标准”。观察者E、F依据“金标准”在同一工作站中进行定量测量：对于MR评分为1～2分的椎体，在正中矢状位T1WI图像上手工沿椎体外缘勾勒ROI，记录椎体的信号强度(SIvertebra)；对MR评分3～4分的椎体，参照矢状位FS- T2WI选择骨髓水肿最明显的层面，在相应的T1WI图像上沿水肿区边缘手工勾勒ROI，记录其SIvertebra；参照FS- T2WI选择一个未发生退变的椎间盘，在正中矢状位的T1WI图像上沿其边缘手工勾勒ROI，测量其信号强度(SIdisk)，按以下公式计算椎体和椎间盘信号强度的比值(vertebra to discs ratio,VDR)，VDR=SIvertebra/SIdisk。观察者E、F对患者CT检查结果并不知情。

1.4 统计学处理

使用SPSS 22.0和MedCalc 15.8统计软件进行统计学分析。使用Mann- WhitneyU检验比较骨髓水肿和无骨髓水肿椎体各CT测量值间的差异。使用Pearson检验和线性回归分析各CT测量参数与VDR间的关系。使用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC曲线)分析CT测量参数对骨髓水肿的检测能力，进一步的两两比较采用U检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 椎体骨髓水肿的VS

共分析了147个椎体(胸8～腰5)，其中男性椎体35个，女性椎体112个；对照“金标准”，有骨髓水肿的椎体21个(胸8～腰5椎体骨髓水肿的个数依次为：0、0、1、3、4、7、2、2、2、0个)，无骨髓水肿椎体126个。CTVS 1～4分椎体个数依次为99、18、11、19个；MR评分1～4分椎体个数依次为111、15、1、20个。

2.2 椎体骨髓水肿的定量测量

骨髓水肿和无骨髓水肿椎体的CT测量结果见表1。骨髓水肿椎体的VNCa和rCT均高于无骨髓水肿者，差异有统计学意义(均为P=0.00)。

表1 椎体骨髓水肿测量结果 Hu

注：以标准差/均数×100%计算变异系数(coefficient of variation,CV)

椎体VNCa、rCT均与VDR呈显著相关(r依次为-0.51、-0.40，均P=0.00)，线性回归分析显示VNCa、rCT与VDR值间存在线性关系(t依次为-7.08、-5.24，均P=0.00)。见图1。

均P=0.00；中心直线代表简单线性回归直线，两侧虚线代表回归直线95%置信区间

图1VNCa、rCT与VDR呈显著正相关

VS和定量测量检测骨髓水肿的敏感性(sensibility,Se)、特异性(specificity,Sp)、准确性(accuracy,Ac)、阳性预测值(positive predictive value,+PV)、阴性预测值(negative predictive value,-PV)、ROC曲线下面积(area under the curve,AUC)、95%置信区间(confidence interval,CI)。VS、VNCa、rCT对骨髓水肿均具有诊断价值。进一步两两比较结果结合AUC显示，VS、VNCa对骨髓水肿的检测能力优于rCT，其差异有统计学意义(P=0.04、0.00)，而VS、VNCa对骨髓水肿的检测能力无显著差异(P=0.68)。选择检测能力较高的两项参数进行叠加，叠加后的结果为“且”或“或”的关系(依次标记为VS+VNCa、VS/VNCa)，再次使用ROC曲线分析VS、VNCa、VS+VNCa、VS/VNCa对骨髓水肿的检测能力，分析结果显示前述4项测量参数对骨髓水肿均有诊断价值,其差异无统计学意义(P=0.10～0.74)。见表2、图2。

表2VS、定量测量对椎体骨髓水肿的检测能力

cutoff值Se/%Sp/%Ac/%+PV/%-PV/%AUC95%CIVNCa>-30．285．7193．6581．9369．2397．520．910．85～0．95rCT>131．785．7158．7362．0525．7196．100．720．64～0．79VS>195．2477．7881．9255．1795．760．930．87～0．96VS+VNCa>080．9596．8353．0112．2396．830．890．83～0．94VS/VNCa>0100．0074．6083．1339．62100．000．870．81～0．92

图2各CT测量参数和参数组合对骨髓水肿检测能力的ROC曲线图

2.3 辐射剂量

使用第3代DECT对本组病例进行胸腰椎双能量扫描的容积剂量指数(volume computed tomography dose index,CTDIvol)为6.0 mGy(4.2～9.9 mGy)，剂量长度乘积(dose length product)为227.8 mGy·cm(137.8～457.9 mGy·cm)。

3 讨 论

由于外伤和骨质疏松导致的椎体压缩性骨折发病率逐年增加，椎体压缩性骨折引起的疼痛导致功能丧失，严重影响患者的生活质量。若能早期发现诊断椎体压缩性骨折，及时进行外科干预，可有效降低患者死亡率[5- 6]。胸腰椎压缩性骨折为临床常见的骨折类型，该类骨折在X线平片或矢状位CT图像上多表现为椎体前缘变短呈楔形改变而无骨折线，对临床判断其为新鲜骨折或陈旧性骨折造成了困扰[7]。目前临床多依靠MR或ECT进行区分，由于骨小梁断裂、出血和水肿，新鲜椎体骨折在MR脂肪抑制T2WI或STIR序列上出现高信号的水肿区，在ECT上可出现异常浓聚。然而，这两种方法在临床实践中均存在一定的局限性：MR存在检查禁忌证；ECT骨显像需注射具有放射性的骨显像剂，存在增加患者辐射剂量的潜在风险，同时这两项检查均存在检查时间长、价格贵的缺点，患者一般需要等待较长时间进行预约检查，不利于急诊开展，给临床工作带来了很大的不便。

DECT可采用三物质分离算法来对某一特定物质进行去除或量化[8]。以椎体为例，可将其看成是由黄骨髓、红骨髓和钙按一定比例构成的混合物，由于纯钙的CT值相对于黄骨髓(CT值接近于脂肪)和红骨髓(CT值接近于软组织)而言非常高，在CT值二维图上由纯钙到黄骨髓和由纯钙到红骨髓的连线可近似看成两条平行的直线，其斜率即为钙的特征值。依据这一特征值可计算CT值二维图上的任意一点去除钙质后的CT值，由此得到虚拟去钙图像，突出显示骨折时椎体内的出血或水肿。Cao等[9]利用该技术检测膝关节外伤患者损伤区域的骨髓水肿并与MR对照，认为两者间存在很好的一致性。Kaup等[10]认为使用该技术可提高不同年资医师诊断椎体骨折的准确性，并可避免不必要的MR检查。

本研究结果显示，使用虚拟去钙技术后VS对椎体骨髓水肿具有诊断价值，其检测椎体骨髓水肿的准确性为81.9%，低于Petritsch等[11]报道的结果(93.9%)。本研究中VS与“金标准”差异最大的部分在于3分的病例，DECT椎体内可出现贯穿整个椎体的异常密度影，而在相应MR图像上未见明显水肿，使得CTVS结果与MR不符。形成该“伪影”的确切原因尚不清楚，因这一“伪影”主要出现在胸腰椎交界的区域内，推测其可能与横膈运动有关。因此，在胸腰椎交界区域诊断椎体骨髓水肿应更加慎重，需结合临床病史、症状和体征等做出综合判断。

在定量测量方面，VNCa、rCT均与反映椎体信号强度的VDR存在相关关系，骨髓水肿椎体的VNCa、rCT均高于无骨髓水肿者，其差异有统计学意义。相对于rCT，骨髓水肿和无骨髓水肿椎体的VNCa差异更大(CV：66.24%对44.78%)。正常椎体的CT值主要由骨小梁决定，本研究中入组患者的平均年龄偏大，且以女性椎体居多，可伴有椎体骨质疏松，其表现为骨小梁结构破坏、骨量丢失、椎体内脂肪浸润，椎体CT值下降[12]，在此基础上出现骨髓水肿可导致rCT较无骨髓水肿者升高，这一改变在虚拟去钙后的VNCa上更加明显。因此，尽管VNCa、rCT均具有对椎体骨髓水肿的诊断价值，VNCa的检测效能高于rCT，两者间的差异有统计学意义(P=0.00)。按VNCa>-30.2 Hu的标准，其对椎体骨髓水肿检测的敏感性为85.71%，特异性为93.65%。将定量测量指标VNCa与VS进行叠加，叠加后的结果并不能增加对骨髓水肿的检测效能。

由于本研究入组患者的扫描范围不同，使用CTDIvol评估其辐射剂量更为合适。本组病例的平均CTDIvol为6.0 mGy，较Leyla等[13]基于第2代DECT研究的辐射剂量(平均CTDIvol为15.6 mGy)下降约61.54%，辐射量大大减小，且扫描时间更短。

综上所述，第3代DECT虚拟去钙技术可用于胸腰椎外伤患者椎体骨髓水肿的检测，其可在常规CT诊断椎体骨折的基础上为临床进一步区分陈旧性或新鲜骨折提供参考依据。

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