双能CT虚拟去钙技术在踝关节处骨髓水肿中的诊断价值

何绪成 叶 菊 周闪闪 韩文娟 陈晓霞 王贵生

中国人民解放军总医院第三医学中心放射诊断科 (北京 100039)

踝关节是人体重要的负重关节，其结构复杂，在急性创伤背景下往往会发生骨髓水肿(bone marrow edema，BME)，目前MRI是公认的诊断BME的“金标准”[1-4],然而踝关节处创伤患者在急性环境下往往接受CT而非MRI成像，对于幽闭恐惧症等MRI禁忌证患者，也只能选择CT检查。相对于MRI，传统CT对骨骼，尤其骨髓及软组织病变的诊断价值有限，随着双能CT技术的进步，提高了CT根据材料分解来定性和区分各种身体物质的能力，迎来了骨髓可视化的新方法[5]，目前国外一些学者采用双能量计算机断层成像(dual energy computed tomographic，DECT)检测脊柱和髋关节等处的BME并取得了不错的效果，但对踝关节处急性创伤背景下的BME鲜有报道[6-7]。因此，本研究利用DECT的Liver VNC软件三材料分解法生成虚拟去钙(virtual noncalcium，VNCa)图像，并与MRI结果进行对比分析，探讨DECT在踝关节处急性创伤背景下诊断BME的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究获得本院伦理委员会批准。收集我院2018年1月至2019年10月来诊的踝关节急性创伤患者63例，其中男性48例，女性15例，平均年龄(28.5±3.2)岁。纳入标准：年龄18～60周岁；外伤后24h内来诊；一年内无既往踝关节外伤或手术史；全部病例先后接受DECT和MRI检查；签订知情同意书愿意成为本研究的受试者。

1.2 DECT参数 使用西门子公司第二代双源CT(Somatom Definition Flash；Siemens Healthcare，Forchheim，Germany)。 扫描参数：头足向扫描，双能模式(collimation=32×0.6mm；pitch=0.7；rotation time=0.5s)，球管A=80kVp，球管B=Sn140kVp(Sn为锡过滤器)，预定义的管电流－时间乘积按照大约2∶1的比率设置 (球管A=360mAs；球管B=180mAs)，自动管电流调整方式(Care Dose 4D；Siemens)。本扫描方案的CT剂量指数为(14±1)mGy，平均剂量长度乘积为(198±2)mGy/cm。扫描后得80kVp图像、Sn140kVp图像和混合加权图像(80kVp和140kVp以0.4∶0.6比例混合相当于120kVp单能图像)，重建算法分别使用骨卷积核(B70s)和软组织卷积核(D30s)。

使用三物质分解法生成VNCa图像，VNCa图像以灰度和彩色编码图显示以供进一步分析。Liver VNCa参数值设定：伪彩着色选甲状旁腺模式，根据以往研究的经验，通过将Rel.CM设置为1.75，该算法适用于踝关节成像(图1～图3)。

图1 DECT后处理软件Liver VNC参数值设定

图2 VNCa图像的骨髓密度CT值的ROC曲线

图3 骨髓水肿和正常区域CT值对比图

1.3 MRI参数 使用西门子1.5T扫描仪(Magnetom Avanto Fit；Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)。标准T1加权自旋回波序列、T2加权快速自旋回波序列和轴向短反转时间反转恢复STIR序列(表1)。

1.4 图像分析 使用二元分类系统评估踝关节处是否存在BME(1=存在BME，0=不存在BME)，两位具有10年以上工作经验的放射科医师在双盲条件下进行图像评估，包括灰度和彩色编码图像，将感兴趣区(ROI≥0.3cm2)放置于邻近骨皮质距离大于2mm的图像上密度变化最大的位置内，以排除因射线束硬化、骨皮质去除和VNCa图像上的过滤效应造成的该区域内对BME分析的影响[8]。作为参考标准，由第三位放射科高级医师使用如前所述的相同解剖区域和分类系统，按随机顺序评估所有MRI图像是否存在BME。

2 结 果

MRI显示51/63例患者存在BME，DECT显示49/51例患者存在BME(96.08%)。两位医师通过评估DECT图像显示BME的敏感性、特异性、阴性预测值、阳性预测值和准确性分别为96.08%、91.67%、84.62%、98.00%、95.24%和96.00%、92.31%、85.71%、97.96%、95.24%，阅片医师间对DECT图像定性分级的一致性较高(Kappa=0.84)。

客观定量分析DECT的CT值阳性区域平均值为(-11.84±35.09)HU，阴性区域平均值为(-61.82±39.52)HU，阳性区域和阴性区域对比，差异有统计学意义(P＜0.001)。VNCa图像CT值的AUC为0.83(95%置信区间0.73～0.93)，诊断阈值为-24.14HU，定量分析DECT的敏感性、特异性、阴性预测值、阳性预测值和准确性分别为98.00%、92.31%、92.31%、98.00%、96.83%(表2)。典型病例影像分析结果见图4～图5。

表2 基于患者DECT图像分析和CT值分析的诊断性能对比[n(%)]

图4 男性，22岁，外伤后来诊(真阳性)。图4A：矢状位常规灰阶CT图正常；图4B：矢状位VNCa蓝色伪彩图显示内踝创伤性骨髓水肿(显示为绿色区域，箭头)；图4C：STIR序列证实了内踝创伤性骨髓水肿的诊断。图5 男性，22岁，外伤后来诊(假阴性)。图5A：轴位常规灰阶CT图正常；图5B：轴位VNCa蓝色伪彩图显示无异常，造成漏诊；图5C：STIR序列显示创伤性骨髓水肿的诊断(箭头)。

3 讨 论

创伤性BME描述了一种由生理性骨髓成分改变引起的异常，其成因是液体含量增加，或者是脂肪组织减少[9-12]。MRI技术可使BME的可视化达到最佳状态，其表现为T1WI呈边缘欠清晰的片状模糊信号影，T2WI呈边界不清晰的稍高或者明显的高信号影，T2WI脂肪抑制序列呈相对明显的高信号影。相对于MRI，传统CT对骨髓及软组织病变的诊断价值有限，当踝关节受到创伤后，伤处骨髓从脂肪到水样物质的转变导致局部骨髓密度发生变化[13]，这种变化引起骨髓CT值相对于正常骨髓呈高密度，有的严重损伤还可能表现为软组织密度影[14]，而由于骨髓中钙质的存在，在传统CT上掩盖了这种变化，无法观察到BME的情况。研究表明，与传统的单能量检查相比，第二代DECT可以实现相似的图像质量和辐射量[15-16]，第二代DECT可使用VNCa技术评估骨髓变化，该技术采用基于脂肪、水和钙三种物质的三物质分解算法，重建出含有脂肪和水但不含钙的虚拟图像，使用这些图像可通过以HU单位测量的骨髓密度变化来确定含水量增加[17-18]。

本研究利用DECT的VNCa技术从定性和定量两个方面分别检测急性创伤环境下踝关节处的BME，与MRI检查结果进行对比，均取得了非常理想的结果。在DECT重建的VNCa图像上测量BME的CT值的衰减变化，发现骨髓异常区域的密度明显高于MRI成像阴性的区域，这与创伤性BME表现为液体增加和脂肪减少的病理生理学基础是一致的[9,12]。本研究发现急性BME在DECT图像上均表现为黑色背景下的稍高密度影，与T2WI脂肪抑制序列对应的高信号区域一致，当骨髓CT值升高越明显时，越容易在VNCa图像上显示；DECT的诊断效果与MRI上骨髓异常的程度也呈正相关，在较明显的病例中，DECT在敏感性、阳性预测值和准确性方面表现优异，而在MRI图像上信号强度变化较细微的病例中，DECT的表现较差；阅片人经验对VNCa图像检测BME也有重要影响，骨髓衰减的改变可能是轻微的，尤其是在灰阶图像上，不如MRI成像所见信号强度的改变明显。因此，阅片人的灰度调节技术和色彩操作经验对准确诊断至关重要，调整覆盖使正常骨髓呈现蓝色有助于与BME相关的骨髓衰减信号的对比更加明显。

定量分析DECT阳性区域平均CT值与阴性区域平均CT值对比有显著差异，这说明DECT定量分析BME的结果极其理想，根据以往经验，在某些情况下CT值分析可能有助于在视觉评估中表征微妙或模棱两可的影像学发现；创伤性BME导致继发于出血和骨髓腔内间质融合增加的CT值小幅但可测量的增加，ROC分析以不同的截断CT值区分不同解剖区域的正常和异常骨髓，对DECT数据的定量分析具有较高的敏感性和较好的特异性，与定性分析结果相似。本研究与之前学者的研究相比，CT值和诊断阈值存在一定的差异[19-20]，可能与使用了不同机型和所使用的软件不同有关，也可能是用于ROI放置的方法不同。在Guggenberger等[20]的研究中，ROI位于MRI图像上信号强度最高的位置，而本研究是在参照MRI图像的基础上，根据操作医师的选择将ROI放置于邻近骨皮质距离大于2mm的图像处密度变化最大的位置内，以排除因射线束硬化、骨皮质去除和VNCa图像上的过滤效应造成的该区域内对BME分析的影响。由此可见，DECT定量分析显示和分辨距离皮质骨2mm范围内的BME能力有限，与古凌静等[21]指出的通过测量CT值等定量指标显示和分辨邻近骨皮质区域(≤3mm的范围内)骨髓的能力尚有待改进的结论相似，标准的高分辨率CT图像是评估皮质骨受累的一种实用工具[22-23]，可作为对该诊断盲区的一种补充诊断方法，但诊断价值有限。

研究发现，DECT对踝关节处较大骨骼处的敏感性大于足中部区域骨骼，这可能与足中部骨骼的尺寸相对较小，而皮质骨的患病率较高有关，因此推测CT值定量分析在足踝部远端的准确度可能会降低。在人体生长和发育的过程中，红骨髓到黄骨髓的转变始于远端指骨，从周围骨骼向中心区域骨骼逐步发展，据此推断，相同程度的BME在人体远端骨骼中CT值变化会更加明显，通过定量分析CT值变化，也能间接反映红、黄骨髓的分布情况，亦可从侧面佐证骨骼的发育过程。

本研究有几个局限性。首先，纳入的患者数量相对有限，需要更大规模的研究来证实结论。其次，患者的年龄选取范围较小，大部分为青壮年患者，然而随着年龄的增大，骨小梁和骨密度降低导致X线衰减水平降低可能导致CT值测量困难，如果MRI图像的变化比较细微，DECT的准确性可能会较差[20]。最后，定量分析可以代表一种额外的工具，帮助放射科医生区分细微的影像表现，但本文没有进行定性和定量分析的对照研究。

综上所述，DECT是显示急性创伤患者踝关节处BME的一种准确成像工具，通过DECT早期诊断BME可以帮助选择符合条件的患者进行早期治疗，如限制或停止活动，以预防进一步的并发症。同时DECT对踝关节处隐匿性骨折的检测也可能会有所改善，所有这些潜在的临床适应证都需要在接下来的研究进一步证实。