双层探测器光谱CT 鉴别良恶性椎体压缩骨折的初步研究

尉晓珊，郑 岩，宋飞鹏，张 进

（1.山西医科大学医学影像学院，山西 太原 030001；2.山西医科大学第二医院放射科，山西 太原 030001）

椎体压缩骨折（vertebral compression fracture，VCF）是临床常见病之一，是各种原因引起的椎体高度减小，且椎体高度至少降低20%，病程较长，病情复杂，严重威胁着人们的身心健康［1］；根据病因的不同，可分为良性和恶性VCF。老年VCF 患者主要是骨质疏松性VCF（osteoporoticvertebral compression fracture，OVCF）与转移瘤性VCF（metastatic vertebral compression fracture，MVCF），由于两者临床及影像学表现相似，常被误诊，尤其是早期轻度不均匀溶骨性骨质破坏的压缩骨折，与OVCF 鉴别较难［2］。准确及时地诊断对治疗和预后具有重要意义。以往针对2种VCF 病因鉴别诊断的研究主要倾向于CT、MRI、常规序列下椎体与附件形态学征象的改变，以及DWI、MRS 等MRI 功能成像技术方面的研究［3-4］。双能量CT在良恶性VCF 鉴别诊断中的价值鲜见报道。

双层探测器光谱CT 是近几年发展起来的一种双能量CT，与其他双能量CT 相比，其优点是可实现双能量CT“同源、同时、同向”的要求，仅一次普通扫描即能获得光谱信息，无需单独设置双能量扫描序列，即可实现数据收集［5］。其包含的单能量图像、光谱曲线，以及有效原子序数图、碘密度图、无水碘图等参数，可有效地对病灶进行定量分析。本研究回顾性收集OVCF 与MVCF 患者，探讨双层探测器光谱CT在良恶性VCF 鉴别中的诊断价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性收集2020 年2—10 月山西医科大学第二医院因VCF 行双层探测器光谱CT 检查的患者43例，其中男20例，女23例；年龄52～89岁，平均（68.7±9.7）岁。按椎体骨折的病因将患者分为OVCF组24例，其中男6例，女18例，年龄65～89岁，平均（74.6±5.8）岁，累及椎体30 个，其中胸椎17 个，腰椎13 个；MVCF组19例，其中男14例，女5例，年龄52～80岁，平均（63.0±9.3）岁，累及椎体26 个，其中胸椎16 个，腰椎10 个。原发肿瘤包括肺癌11例，软组织肉瘤3例，食管癌1例，胃癌1例，肾盂癌2例，胰腺癌1例。

1.2 纳入及排除标准 ①纳入标准：经临床症状结合影像学表现随访确诊或经穿刺、手术病理证实的OVCF 及溶骨性MVCF 患者，首次发现的胸腰椎溶骨性转移病灶，临床症状为急性或亚急性后背痛的椎体骨折患者（病程＜3 个月），椎体压缩剩余高度应>20%。②排除标准：胸腰椎成骨性转移，已接受放化疗或影响骨代谢药物治疗的溶骨性转移，陈旧性OVCF，脊柱结核、脊柱炎或弥漫性血液系统疾病等。

1.3 仪器与方法 采用Philips 双层探测器光谱CT机，所有患者均行胸腰椎三维重建、平扫或胸腹部平扫，扫描范围包括病变椎体及其上下相邻椎体。扫描参数：120 kV，成人255 mAs，螺距0.984，球管旋转时间0.4 s/r，探测器宽度64×0.625 mm。扫描后利用2 种方法重建：常规iDose 混合能量图像重建，与全息光谱图像重建，重建层厚和层距均为1 mm。

1.4 图像分析 将采集到的常规混合能量图像和全息光谱图像传至Philips 光谱工作站，利用Spectral CT Viewer 软件对图像进行载入，在常规混合能量120 kV 图像上对压缩椎体进行ROI 的标注，选取扫描范围内骨小梁减少最严重及溶骨性转移的低密度区域，选择病灶的最大层面，在病灶中央选择圆形ROI，尽可能包绕病灶，注意避开碎骨片、明显的钙化及坏死区，为减小误差，应在同一病灶处勾画2～3 个ROI，计算平均值。不同病变椎体勾画ROI 的面积应尽可能保持相同或相近。利用光谱工作站Spectral CT Viewer 软件Mono E 插件功能将全息光谱图像单能量参数分别设置为40、50、60、70、80、90、100 和200 keV，获取各组单能量图像。利用有效原子序数插件功能获取有效原子序数伪彩图。获取常规混合能量120 kV 图像及40～100、200 keV 单能量下的CT值，绘制各个病灶的光谱曲线，计算并分析曲线斜率（选取40～100 keV 作为斜率计算点），定义斜率k=（CT值40 keV-CT值100 keV）/（100 keV-40 keV），获取病灶区域的有效原子序数Zeff值（图1，2）。

图1 男，73岁，无明显原因出现腰背痛，骨质疏松，T11 椎体压缩骨折 图1a CT 轴位骨窗像，椎体密度弥漫性不均匀降低，将ROI 放置于明显骨质降低区 图1b 有效原子序数伪彩图，ROI 内有效原子序数较周围降低 图1c ROI 内CT值随keV 变化的光谱曲线图，曲线呈下降趋势，且切线斜率越来越小图2 女，65岁，肺癌溶骨性骨转移，T11 椎体压缩骨折图2a CT 轴位骨窗像，椎体可见类圆形骨质密度降低区，将ROI 放置于此处 图2b 有效原子序数伪彩图，ROI 内有效原子序数较周围明显降低 图2c ROI 内CT值随keV 变化的光谱曲线图，曲线呈下降趋势，切线斜率越来越小，且较骨质疏松性变化更加平缓

1.5 统计学方法 采用SPSS 22.0 软件对数据进行分析，首先行正态分布检验和方差齐性检验，符合正态分布的计量资料以表示，组间比较行配对t检验；偏态分布变量以M（P25，P75）表示，组间比较行Mann-Whitney U 检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。采用ROC 曲线的AUC 比较混合能量、单能量图像的CT值及k值、Zeff值的鉴别诊断效能。

2 结果

2.1 2组混合能量及单能量图像的CT值比较（表1）CT值常规120 kV 混合能量及40～100、200 keV 单能量图像下OVCF 的CT值中位数均高于MVCF，其中40～60 keV 单能量图像下2组差异有统计学意义（P＜0.05），常规120 kV 混合能量及70～100、200 keV 单能量图像下2组差异均无统计学意义（均P>0.05）。

2.2 2组k值比较 40～100 keV 条件下，随着单能量图像能级水平的增加，2组的CT值均呈降低趋势，且k值亦逐渐减小（图3）。其中，OVCF组k值中位数为1.79（1.32，2.20），高于MVCF组k值中位数0.76（0.34，1.49），差异有统计学意义（U=78.00，P＜0.001）。

图3 骨质疏松性椎体压缩骨折（OVCF）与转移瘤性椎体压缩骨折（MVCF）患者光谱曲线变化图图4 光谱CT 各参数诊断良恶性椎体压缩骨折的ROC 曲线

2.3 2组Zeff值比较 OVCF组Zeff值中位数为8.08（7.92，8.25），高于MVCF组Zeff值中位数7.65（7.42，7.88），且差异有统计学意义（U=66.50，P＜0.001）。

2.4 光谱CT 各参数的诊断效能（表2）40～100、200 keV 单能量下CT值的AUC值为0.503～0.782，其中40 keV 单能量下CT值的AUC 最大，为0.782，光谱CT 各参数Zeff值的鉴别诊断效能最高，k值、40 keV 单能量CT值的诊断效能较高。其中，Zeff值鉴别OVCF 与MVCF 的阈值约7.85，即当Zeff值>7.85 时更倾向于OVCF 的诊断（图4）。

表2 光谱CT 各参数诊断良恶性椎体压缩骨折的效能

3 讨论

椎体主要由骨小梁组成，对微环境的变化较敏感，其在整个椎体中分布不均匀，中央小梁比终板厚约15%。在骨质疏松患者中，随着年龄增长，水平排列小梁的厚度逐渐减少，骨质老化流失使椎体骨矿物质密度降低，导致椎体高度降低［6］。而MVCF 的组织病理学基础不同，恶性肿瘤骨转移是肿瘤细胞到达骨微环境后经过定植休眠、再激活、增殖等一系列复杂的发生机制，与成骨细胞、破骨细胞、骨基质细胞之间相互作用并形成转移灶的过程，是一种侵袭、置换行为，当椎体全部或部分被肿瘤细胞侵蚀后，骨小梁或骨皮质结构变薄弱，椎体发生压缩骨折［7］。

研究表明，常规CT 及MRI 显示的某些形态学征象可帮助鉴别骨折性质，如椎体后缘皮质后凸、椎弓根累及、椎旁软组织肿块、硬膜外肿块等提示恶性骨折，骨折碎片、椎体积气、椎体脂肪信号残留等提示良性骨折，但以上均为定性判断，缺乏特异性［8］。双能量CT 各参数可为良恶性VCF 的鉴别诊断提供定量分析，提高鉴别准确率。本研究中早期MVCF 患者，其形态学征象与骨质疏松引起的骨折部分较难区别，双能量CT 定量分析可辅助诊断。

不同CT值可反映物质的不同密度及特征。双能量CT 入射X 射线的衰减程度与发射光子能量、接收材料的密度及原子序数密切相关，同一物质或不同物质在不同单能级下可产生特定的衰减行为，为物质成分的鉴别诊断提供理论依据［9］。本研究表明，40～60 keV 单能量图像下OVCF组的CT值高于MVCF组，但常规120 kV 混合能量及70～100、200 keV 单能量图像下的CT值差异无统计学意义。这可能是由于混合能量下2 种物质CT值相近，高能级X 线可通过2 种组织，只有在低能级条件下才会显示出X 线衰减的差异。其次，由于2 种病变的组织差异性，骨质疏松是缓慢的骨质流失过程，而溶骨性骨转移是恶性肿瘤细胞的增殖、破坏过程，后者的骨含量降低较前者明显，因此在低能级下，OVCF组的CT值较高［10］，表明双能量CT 低keV 能级下的图像更易区分2 种病灶，能级越低，CT值差异越大，这与之前的一些研究［11-12］结果相似。双层探测器光谱CT可较其他双能量CT 提供40～200 keV 之间更多的单能级成像，更利于病变诊断。

光谱曲线是根据物质在不同单能量图像下所测得的CT值随各能级变化而变化的原理所绘制的曲线。每条曲线均对应相应的物质成分，相同物质成分的曲线图几乎重叠或走行一致，不同物质的曲线图走行趋势不同［13］。本研究表明，2组曲线的k值存在一定差异，证明病灶内所含的基本物质成分不同，这符合2 种疾病组织病理学不同的原理，由于OVCF组所表现出来的病灶范围较小，病灶内骨质吸收范围、程度较MVCF组骨折小，病灶内仍残留一定的骨小梁及继发骨髓水肿、出血等，因此在低能级图像下的CT值及k值较高［14］。

有效原子序数图是指将各体素对应的有效原子序数用色彩量化的方式所绘制的伪彩图，其Zeff值可代表物质成分的信息，如碘、钙、钆等高原子序数的物质和水、脂肪等低原子序数的物质在有效原子序数图上很易于分辨，可更加直观地显示病变和正常组织。Zeff值是混合物质中元素原子序数的加权平均数［15］。本研究中，OVCF组的Zeff值明显大于MVCF组，且差异有统计学意义，证明OVCF组的混合物质内含有钙等高原子序数的物质偏多，而MVCF组含水等低原子序数的物质偏多，这可能是由于MVCF组继发肿瘤血管增多所致［16］。表明Zeff值一定程度上可鉴别椎体良恶性病变，这与El Kayaly 等［17］的报道一致，Zeff值对病灶的良恶性具有鉴别诊断价值。

本研究存在的不足：①样本量较小，需大样本进一步验证；②部分患者仅有影像学、临床资料，缺乏病理学金标准，且仅在CT 平扫下分析，未行增强扫描；③多种原发病灶均可导致椎体的溶骨性骨质破坏，继而发生VCF，在这部分研究中未对原发肿瘤进行分组探讨，在今后的研究中应继续推广。

总之，双层探测器光谱CT 低能级单能量下的CT值、k值、Zeff值等各项参数可有效鉴别老年患者病理性VCF 的病因，其中Zeff值的诊断效能最高，更易比较病灶差异，双能量CT 可为良恶性VCF 的鉴别诊断提供一定的辅助价值。