宝石能谱CT在骨骼系统中的应用进展

解琪琪，史卫东，李文洲，邓亚军，任恩惠，马靖琳，谢建琴，康学文，汪静

1.兰州大学第二医院骨科，甘肃兰州730030；2.兰州大学甘肃省骨关节疾病研究重点实验室，甘肃兰州730000

前言

目前，常规CT是检出与诊断骨骼系统疾病必不可少的辅助工具，但存在不典型疾病检出容易出现漏诊或误诊的情况，随着临床需求的不断增加，开发简单、高精度的影像技术是当今临床亟待解决的问题。宝石能谱CT技术作为近年来逐渐应用于临床的多参数及多种定量分析成像方法，其应用得到越来越多的关注，该技术完美结合了CT领域高清晰度与低剂量成像的优点，能够获得准确的单能量CT值、能谱曲线、有效原子序数和基物质浓度，较传统的CT在高空间分辨率、时间分辨率的基础上增加了能量分辨率及理化性质的分辨率，实现对组织微细结构和功能状态的量化检测，极大程度提高了诊断的准确性和安全性，近年来，在肿瘤诊断鉴别、血管病变评估、肺相关疾病的诊断都取得了极大的进展，同时为骨骼系统的病变，如骨质疏松程度的诊断、关节置换术后检查、痛风结石诊断与鉴别等提供了更直接、更有效的帮助，也为骨骼系统疾病的研究开辟了新的领域。

1 宝石能谱技术

能量CT在常规CT具备高空间分辨率和时间分辨率的基础上加入了能量分辨率，强大的后处理软件系统使其在临床应用中能达到与MRI相媲美甚至在某些方面优于MRI的程度。能谱CT利用瞬时切换的高、低（40～140 keV）两组能量数据进行投影数据空间重建多参数量化检测，实现CT成像的多参数模式（能谱曲线、基物质浓度、单能量图像及有效原子序数图像）。例如，能谱CT的物质分离图像使用基物质配对原理，利用两种配对基物质对X线的吸收衰减来实现，医学上最常用的是碘-水基物质，将基物质浓度作为指标，不仅能检测该组织的基物质含量，也能反映该组织的X线衰减检测组织内物质成分的种类及含量，常用于病灶鉴别诊断及病灶内成份的检测等，如骨质疏松的检测。单能量图像实现了测定物质在特定单能量下的CT值，其变化规律能反映组织在单能量下对X线衰减的差异，常用于病灶同源性的鉴别，如骨转移瘤的原发灶判定。有效原子序数图像实现组织内无机物成分的测定，痛风结石成分的检测。多数研究已经表明，能谱CT可以准确区分和量化混合物中的特定成分，反映组织损伤的血液供应［1］。不同组织及结构的能谱曲线不同，因此该曲线可用于疾病的鉴别诊断、同源性分析等方面。在使用物质密度图像、单能量成像、能谱曲线和有效原子序数图进行能谱分析时，通常会使用最佳对比噪声比（CNR）、散点图及直方图3个分析工具［2］，为能谱CT多种参数和影像模式的应用和科研提供了便利而严谨的工具。

2 宝石能谱CT在骨骼系统疾病中的研究

能谱CT成像在保留常规CT功能的同时，可将混合能量成像转变为单能量成像，提供除传统成像外的能谱曲线、基物质图以及有效原子序数等多种成像信息。相比于常规CT扫描，能谱CT提高了软组织分辨率从而为骨骼系统疾病的诊断提供了新的方法。

2.1 骨密度（BMD）的测量

骨质疏松症是一种以系统骨量、骨强度及骨微结构损害为特征的疾病，常导致骨折风险增加［3］。随着我国经济水平的不断快速发展，我国已经逐步进入老龄化社会，绝经后骨质疏松是引起老年妇女出现骨折的一种隐匿性疾病，患者出现骨痛、抽筋、抑郁等症状，常常会导致骨质疏松性骨折，对患者的生活质量造成严重影响［4-5］。常规X线及CT检查依靠一些比较明显的征像，如骨小梁疏松、皮质变薄及骨质密度（CT值）改变，主观诊断性较强，对于影像表现不明显的骨质疏松患者则不能正常客观地反映BMD的变化。宝石能谱CT以瞬时双电压（kVp）切换技术为核心，除了可以获得不同单能量（40～140 keV）图像外，还可以获得各种基物质密度图像，这些基物质图像可以应用于不同病灶成分物质的定量分析，因此能谱CT的基物质定量分析技术为BMD的准确测量提供了可能。陈靖等［6］通过对健康成年女性腰2（L2）骨质钙含量的测定，来实现对BMD的精确测量，并与BMD测量的金指标DEXA进行对比，得出宝石能谱CT测量结果与DEXA测量结果一致，且均与年龄有关，表明该成像技术用于测量BMD是可行的。QCT是一种临床诊断骨质疏松症的重要检测技术，多项研究表明其对BMD测量的准确性高于DEXA［7-9］，但由于存在价格昂贵、操作繁琐、辐射剂量高等缺点，使其在临床上应用并不广泛。宋飞鹏10］对38节新鲜羊椎骨松质骨进行测量，并比较了QCT、能谱CT与煅烧灰重的相关性，得出两种技术都可用于BMD测量，且宝石能谱CT在使用钙-水基物质对时，测量BMD比QCT更为精确。以上研究均表明，宝石能谱CT可作为一种全新且精确度较高的BMD测量方法。此外，Wichmann等［11］对40例患者160节腰椎进行能谱CT与DEXA的对比，结果同样表明能谱CT测量结果更为精确，在能谱CT所测得的参数基础上还三维重建了骨密度的分布，对于疾病的诊断更为直接，并且表明能谱CT能够有效避开一些骨皮质及骨质增生、硬化和破坏区域。韩合理等［12］以DEXA作为金标准，参考WHO骨质疏松的诊断分组，对22例患者的L1-L4进行了宝石能谱CT分析，得出能谱CT选定HAP（脂）为诊断阈值时，灵敏度与特异度都很高，这也与之前的研究结果一致［13-14］，表明该成像技术能够很好地反映腰椎BMD的变化，对诊断骨质疏松具有较高价值，有望成为BMD测量的重要工具之一。

2.2 骨关节术后检查

对于许多骨科术后的病人，放置的金属植入物，如骨折髓内钉、外固定支架、钢板、螺钉及人工关节等，常规的CT或者MRI检查会产生放射状或星芒状伪影，严重影响图像质量从而影响术后固定、骨折愈合以及并发症的评估，宝石能谱CT可通过单能量成像和MARS技术去除伪影，从而提高骨科术后情况的评价。王山山等［15］将含碘对比剂稀释成不同浓度置入硬塑料管体模中然后将其嵌入带有金属内固定的猪骨软组织中，分别用能谱CT及常规CT进行扫描，得出能谱CT能够显著减少金属植入物的伪影。霍爱华等对8例脊柱侧弯术后患者复查进行能谱CT不同参数的扫描，最终得出宝石能谱CT扫描联用MARs技术能够明显改善伪影，提高图像质量，这也与Lee等［16］的研究结果一致。最近的研究也取得了相当大的进展，Große Hokamp等［17］的研究确定了脊柱去除伪影的单能谱成像及MARs技术的最佳应用参数。以上结果均表明，宝石能谱CT有望成为金属植入物患者术后复查的主要技术，但仍需要克服单能量成像的最佳参数没有统一标准等应用限制。

2.3 骨转移瘤的同源性分析、诊断及鉴别

骨转移瘤是指骨外恶性病变转移至骨而发病，以骨盆、脊柱、颅骨和肋骨等中轴骨最多见，主要临床表现为持续性疼痛，夜间加重，有时会出现肿块、病理性骨折和压迫症状，可引起融骨性破坏、骨质硬化或者两者并存的改变［18-19］。能谱CT可将不同单能量成像绘制成能谱曲线，同一病变或者同源性病变的图像可重叠或者斜率是一致的，利用这种成像原理可以将同源性病变分辨出来，这样就可以找出骨转移瘤的原发灶，区分不同的骨转移瘤，为临床医生提供更多的资料信息。袁军辉［20］对肺癌及乳腺癌合并脊柱成骨性转移瘤的患者进行能谱CT扫描，鉴别诊断了两种转移瘤，证实能谱CT可用于骨转移瘤的同源性分析。张进等［21］通过应用能谱CT扫描技术，对病灶感兴趣区单能量成像所得参数进行比较得出脊柱肺癌转移瘤与骨髓瘤存在显著性差异，表明能谱CT对于骨转移瘤的诊断及鉴别有很大的参考意义；当成骨性骨转移瘤单发且缺乏其它特异性表现时，很难与骨岛进行鉴别。匡敏等［22］比较了6例肺癌合并成骨性转移瘤36个病灶以及诊断为骨岛的21例病灶的能谱CT参数，证实了能谱CT可以用于肺癌骨转移瘤与骨岛的鉴别诊断，这也与Dong等［23］的研究结果是相同的。以上结果均表明，能谱CT可以用于骨转移瘤的同源性分析，分析出其原发灶，同时也可以进行诊断及鉴别诊断，在骨肿瘤中的应用前景很好，值得进一步深入研究。

2.4 痛风结节的物质定性分析、诊断与鉴别

痛风性关节炎是由于尿酸盐沉积在关节囊、滑囊、软骨、骨质和其他组织中而引起的病损及炎性反应［24-25］，而痛风结节是引起骨质破坏发展的一个重要决定因素，完全确诊要由有创的病理检查完成，且临床上需要与假性痛风结石（焦磷酸钙双水化合物结晶）、羟磷灰石沉积症、类固醇结晶关节炎与骨关节旁增生钙化进行鉴别，而能谱CT可以对以上不同成分进行鉴别，同时为结石成分提供更多的信息。文献［26］对确诊为痛风的19例患者进行外周关节能谱扫描，比较了痛风石与肌肉、皮质骨、松质骨所得参数的差异，得出能谱CT能进一步强化显示痛风石数量及更小的痛风石存在，可以清晰显示邻近关节骨质的浸蚀破坏情况。罗敏等［27］对146例疑似痛风患者的疼痛部位行能谱CT与常规CT扫描，比较两者在鉴别骨关节旁增生钙化与痛风石的敏感度、特异性及准确性，最终得出能谱CT明显优于常规CT，且能够计算体内痛风石的数量及总体积，从而对患者体内痛风石的沉积情况进行评估，这与Shi等［28］的研究结果也是一致的。

2.5 肌腱病变及骨损伤

肌腱病变常用的诊断技术为MRI、超声、CT和X线［29］，超声主观性强，MRI存在成本高、禁忌证多等缺点，CT与X线漏诊率相对较高且成像质量尚需提高，能谱CT能够清晰显示肌腱及韧带结构，为临床提供更多的诊断信息。早在2011年，王君君等［30］就确定了65 keV单能量是显示肌腱的最佳单能量，王刚等［31］研究比较了能谱CT与MRI在手肌腱的影像学表现，发现能谱CT在显示骨骼、肌腱及手肌腱的三维关系方面具有明显优势，但显示腱鞘病方面表现却不如MRI。综合考虑成本、检出率等因素，能谱CT在肌腱疾病的诊断应用前景较好，是一种准确率较高的成像技术。近年来，有学者利用拉曼技术与能谱CT成像技术结合，从而达到高灵敏度活体内骨损伤的诊断，解决了传统的组织切片染色具有破坏性的缺点［32］，新发展起来的骨损伤三维成像技术存在灵敏度低、分辨率差等缺点，能谱CT成像实现了对骨损伤的高灵敏度检查。

3 结论

以上是能谱CT在骨骼系统疾病中研究较为成熟的几个方面，其多参数成像，不但有效降低患者的辐射剂量，提高影像空间分辨率，还将CT推入依靠功能学成像诊断疾病的领域，能够更准确地诊断骨质疏松，用于骨关节术后检查评估治疗效果，痛风结石性质的诊断及鉴别以及骨转移瘤的同源性分析、诊断和鉴别等，是一种高效、简单、无创的新型影像学检查方法，但是在很多方面如参数的统一仍旧需要深入的研究。