双能量CT虚拟去钙化成像诊断下肢关节外伤性骨髓水肿

沈瑞，赵旻月，曹国平，郭海滨，吴胤赟，徐驰杰，邓小毅

创伤性骨髓水肿是指出血、梗死和松质骨显微压缩性骨折等一系列骨损伤引起的骨髓水肿，可用磁共振成像(MRI)显示[1]。骨髓水肿通常与不稳定关节损伤、软组织损伤(如肌腱和韧带损伤)以及肢体残疾有关，因而会带来一定的社会和经济负担[2-3]。创伤性骨髓水肿可出现软骨溶解、骨关节炎和关节畸形等晚期并发症，进而导致其恢复时间的延长和不可逆的关节损伤[1,4]。需要早期和准确诊断指导治疗以防患者创伤后预后不佳。

MRI是诊断创伤性骨髓水肿首选成像方法[5]。MRI在临床常规检查中存在一定局限性，有绝对和相对禁忌症，包括耳蜗植入物、起搏器置入、幽闭恐惧症和患者在扫描过程中因疼痛而活动等。此外，MRI相对来说是一种费时且昂贵的检查方法，另外，创伤性骨折患者往往急诊就诊，大部分医院急诊尚未常规开展MRI检查。

常规灰阶CT可示明显骨折，但难以显示创伤性骨髓水肿[6]。报道[7]单能CT通过Bone marrow成像算法几乎可以去除骨性结构，但无法直接显示骨髓异常。双能量CT通过利用两种不同管电压获取不同能量数据来区分不同物质，其能够对3种物质进行分解和计算得到彩色编码虚拟去钙化(virtual non-calcium，VNCa)图像[8-9]。VNCa图像可直接显示骨髓水肿，准确率高[10-12]。本研究运用彩色编码的双能量CT VNCa成像来显示下肢关节创伤性骨髓水肿，以MRI为参考标准评估VNCa成像在外伤性骨髓水肿诊断价值。

材料和方法

1.一般资料

连续选取张家港澳洋医院2018年1月-2019年5月急性下肢关节外伤患者。纳入标准：①疑似下肢关节骨折，均行双能量CT及MRI检查；②CT及MRI检查间隔时间<7d。排除标准为金属内固定术后、严重关节退行性变以及恶性肿瘤患者。

2.检查方法

采用德国西门子炫速双源CT(Somatom Definition Flash dual-source CT)。扫描参数：A球管管电压140 kV，有效电流55 mAs；B球管管电压100 kV，有效电流135 mAs；准直器宽度40×0.6 mm，螺距1.2，球管旋转时间0.5 s/周。平均加权系数0.4，自动重建层厚0.75 mm，重建间隔0.5 mm，卷积核值B30f。得到3组数据(140 kV、100 kV、双能0.5比例融合图像)。

使用德国西门子MAGNETOM Avanto1.5T磁共振，使用关节专业线圈，仰卧位扫描。扫描序列：快速自旋回波序列T1WI矢状面(TR 550 ms、TE 13 ms)，层厚4 mm，层间距0.4 mm，FOV 16 cm×16 cm，矩阵256×256，NEX 1；质子加权脂肪抑制序列横轴面、冠状面、矢状面(TR 3630 ms、TE 13 ms)，层厚4 mm，层间距0.4 mm，FOV 16 cm×16 cm，矩阵256×256，NEX 1。

3.图像后处理及分析

将双能CT扫描后的两组双能量数据(140 kV和100 kV数据)传送至Siemens 图像后处理工作站(Syngo Via,version VA 30A;Siemens Healthcare)，选择CT Dual Energy后处理软件进行数据重建，选择Bone Marrow以颜色编码显示进行进一步分析。

本研究下肢关节患者主要包括膝关节和踝关节，膝关节分成5个区域[13](股骨远端内侧、股骨远端外侧、胫骨近端内侧、胫骨近端外侧和髌骨)，踝关节分成8个区域[14](外踝、内踝、胫骨远端前缘、胫骨远端后缘、距骨穹隆、距骨后突、距骨外侧突及距骨头)。两名影像诊断医师(分别有2年、6年工作经验)采用双盲法对所有VNCa图像进行评估。两名医师都可以自由调整窗宽窗位和缩放图像。由于射线硬化、皮质去除和VNCa图像的滤波效应可能产生伪影[15]，会妨碍邻近区域内骨髓的分析，所以分析与邻近皮质骨的距离>3 mm的外伤性骨髓损伤。另两名高年资影像诊断医师(分别有10年、15年工作经验)评估MRI图像是否存在骨髓水肿。

图1 男，30岁，急性左膝关节外伤。a) 左膝关节冠状面常规双能量CT骨窗图未见明显异常； b) 相应彩色编码虚拟非钙化(VNCa)图像冠状面重建示股骨远端外侧髁外伤性骨髓水肿(显示绿色伪彩，箭)； c) 冠状面质子密度加权脂肪抑制序列证实了股骨远端外侧髁外伤性骨髓水肿。 图2 男，21岁，左踝关节外伤后疼痛、运动障碍3d。a) 左踝关节矢状面常规双能量CT骨窗图未见明显异常； b) 相应彩色编码VNCa图矢状面重建示距骨外侧突、胫骨远端前缘有骨挫伤(绿色伪彩，箭)。距骨穹隆绿色伪彩(黑箭); c) 矢状面脂肪抑制的质子加权MRI图像证实距骨外侧突、胫骨远端前缘骨挫伤(箭)。距骨穹隆(黑箭)见轻微骨挫伤，较图b示的范围小，提示距骨穹隆可能是骨硬化伪影。

由其中1名医师(6年工作经验)在VNCa图像上测量所有区域CT值。当观察区域有疑似或明确骨髓损伤时，感兴趣圆形区域(ROI，大小均约5 mm2)放置在VNCa图像上伪彩密度最高的区域。观察区域没有骨髓水肿时，ROI放置在中央。

4.统计学分析

采用SPSS 23..0和MedCalc软件进行统计学分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，不符合正态分布的计量资料以中位数M(P25，P75)表示。分别计算两名医师利用VNCa成像对骨髓水肿诊断的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值以及准确性，并对两名医师诊断结果的一致性进行Kappa检验，Kappa值≤0.4为一致性差，0.4

结 果

1.MRI及VNCa显示情况

34例疑似下肢关节骨折患者完成双能量CT和MRI，其中排除金属内固定1例，严重退变3例，研究最终纳入 30例患者进行分析，其中膝关节20例、踝关节10例；男21例，女9例；年龄13～74岁，平均(60.3±10.4)岁。MRI图示30例患者共有49处骨髓水肿，髌骨2处，股骨远端外侧5处，股骨远端内侧5处，胫骨近端外侧7处，胫骨近端内侧10处，外踝7处，内踝3处，胫骨远端前缘3处，胫骨远端后缘2处，距骨穹隆1处，距骨外侧突2处，距骨头2处。VNCa重建图两名医师分别诊断44处、45处骨髓水肿(图1、2)，两者诊断结果具有较高一致性，Kappa值0.834。

图3 VNCa定量值诊断下肢关节骨髓水肿ROC曲线，曲线下面积0.971。图4 下肢关节骨髓水肿区域和正常区域平均CT值盒形图，差异有显著性意义(P<0.0001)。

表1 两名医师利用VNCa图像诊断下肢关节骨髓水肿准确度

2.诊断准确性评估

以MRI结果为参考标准，医师1(2年工作经验)使用VNCa重建诊断44处骨髓水肿中41处真阳性，3处为假阳性。医师2(6年工作经验)使用VNCa重建诊断45处骨髓水肿中43处真阳性，2处为假阳性；VNCa图示84/98的骨髓损伤。两位医师用VNCa诊断下肢关节骨髓水肿敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值、准确度分别为83.7%(41/49)、97.7%(128/131)、93.2%(41/44)、94.1%(128/136)、93.9%(169/180)和87.8%(43/49)、98.5%(129/131)、95.6%(43/45)、95.6%(129/135)、95.6%(172/180)，如表1 。

3.定量分析结果

基于骨髓CT值，VNCa图像诊断下肢骨髓水肿ROC曲线下面积0.971，利用约登指数计算诊断阈值为-43.6 HU，敏感度和特异度分别为97.5%和91.0%(图3)。VNCa图像上骨髓水肿真阳性区域骨髓CT值(-7.5±20.3)HU，真阴性区域骨髓CT值(-76.7±18.3)HU，骨髓水肿区域CT值高于正常区域，差异有统计学意义(Z=9.013、P<0.0001，图4)。

讨 论

本研究结果表明与MRI相比双能量CT彩色编码VNCa重建在显示下肢关节创伤性骨髓水肿方面具有较高诊断准确度(平均准确度约94.7%)。此外，良好的观察者间的一致性表明该重建成像方法具有高可靠性。此外，定量图像分析显示骨髓CT值和MRI显示创伤性下肢关节骨髓水肿高度相关。

既往研究已证明双能量CT彩色编码VNCa重建图像对于分析骨髓水肿具有很高诊断准确性[16-19]。Booz等[20]和Wang等[13]使用VNCa技术对急性膝关节创伤患者骨髓水肿进行评估，显示该技术对创伤性膝关节骨髓水肿有极好诊断准确性；Booz等[21]应用VNCa技术对跟骨创伤性骨髓水肿进行评估也取得了很高诊断准确性，这些与本研究对下肢关节创伤性骨髓水肿诊断准确性相一致。急性下肢关节创伤患者在MRI禁忌症或在MRI不可用的情况下，彩色编码VNCa重建显示高诊断准确性，揭示了双能量CT作为替代成像方法的潜力。即使在MRI可用的条件下，VNCa方法也有可能成为下肢外伤疑似骨髓水肿患者的一种快速、准确和广泛可用的替代方法。既往的研究表明骨髓水肿的位置和形状可以预测相关的软组织损伤[20]，以MRI为参考标准的VNCa重建对骨髓水肿具有高诊断准确性，与传统灰度CT相比，VNCa重建将提供更多的临床相关信息。初步研究已证实双能量CT能进行肌腱和韧带的成像[22]并可用于诊断前交叉韧带损伤[23]。因此，双能量CT有望可以通过VNCa重建和一系列软组织成像发展成急性下肢关节创伤患者一站式检查。

笔者在VNCa重建图像上测量了骨髓的密度值，发现骨髓水肿阳性区域密度明显高于MRI图像上对应阴性区域，这与创伤性骨髓水肿表现为液体增加和脂肪减少的病理生理学基础是一致的[24]。ROC分析以不同的截断CT值区分不同区域的正常和异常骨髓，对VNCa的定量分析具有较好的敏感性和特异性，这与Guggenberger等[14]研究结果相一致。但是，VNCa重建图像也有假阳性，多见于生理性高密度的解剖区域，如距骨体/头部，提示VNCa的诊断效能不仅受异常骨髓密度增高的影响，而且还受正常骨髓密度差异的影响。

本研究局限性首先是样本量小，仅纳入30例急性下肢外伤患者。其次，由于射线硬化、皮质去除和VNCa图像的滤波效应可能产生伪影，我们必须排除距离皮质骨3 mm范围内的骨髓病变。再者本研究未考虑年龄相关因素。由于在生长发育过程中骨髓由红骨髓变黄骨髓，骨髓成分不同可能影响研究结果。今后应进一步开展按年龄分组的研究。

综上所述，本研究结果表明与MRI相比，双能CT彩色编码的VNCa图像具有较高敏感性、特异性和准确性，可以诊断下肢外伤性骨髓水肿。双能CT检查可作为MRI检查禁忌症患者的另一种选择。