能谱CT物质分离技术在腰椎骨赘皮质羟基磷灰石和钙含量中的定量研究

马欢，万业达

1.天津医科大学研究生院，天津 300070；2.天津市天津医院放射科，天津 300299；*通信作者 万业达yd_wan@sina.com

腰椎退行性改变是引起中老年人腰腿疼痛的一种常见病和多发病，骨赘是退行性骨关节炎的典型影像学表现和病理特征，可以作为退行性骨关节炎的诊断标准之一，可能引起关节活动度降低和疼痛[1]。椎体骨赘是指从椎体边缘延伸出来的骨性突出物，随着年龄增长，椎体发生骨赘的机会更大[2-4]。研究显示，50岁以上中老年人群中，男性的脊柱骨赘发生率高达80%，女性高达60%[5]。临床常用于诊断腰椎退行性改变的影像学检查仅能显示骨赘的形态，并不能对骨赘皮质进行定量分析[6-8]。随着能谱CT的出现，物质分离技术对物质的定量分析成为可能。目前已有研究报道该技术利用虚拟非钙化图像诊断腰椎退行性骨关节病椎间盘突出[9]。本研究拟利用能谱CT中羟基磷灰石（HAP）与水（water）、钙（Ca）与水（water）两种基物质对分析骨赘皮质中HAP和Ca含量，为诊断腰椎退行性改变提供定量研究方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象 前瞻性纳入2020年9月—2021年1月于天津市天津医院行腰椎CT平扫的78例患者共129个椎体，男34例，女44例；年龄50～79岁，平均（64.7±6.4）岁。纳入标准：①因腰痛、腿痛、下肢麻木等就诊，并行腰椎CT平扫；②椎体前缘上方或下方有且仅有1个骨赘的椎体；③若1位患者多个椎体有骨赘，将骨赘生长方式符合②的锥体均纳入本研究。排除标准：骨坏死、骨感染、强直性脊柱炎、腰椎骨折、腰椎结核、椎体及椎管肿瘤、腰椎行内固定、椎体终板发生改变及椎体前缘有2个骨赘的椎体。本研究经天津市天津医院伦理委员会批准（2021医伦审018），所有患者检查前均签署知情同意书。

1.2 分组 根据骨赘在CT中的形态学表现，将患者分为发育不完全骨赘（骨赘仅有骨皮质）组和发育完全骨赘（骨赘具有皮质骨和松质骨）组。两组根据年龄进一步分为3个亚组：50岁≤年龄＜60岁（组1，骨赘数分别为24个、5个）、60岁≤年龄＜70岁（组2，骨赘数分别为40个、27个）和70岁≤年龄＜80岁（组3，骨赘数分别为21个、12个）。

1.3 检查方法 采用GE Revolution ES CT进行能谱（GSI）扫描。患者取仰卧位，头先进，双手上举交叉抱头，双膝屈曲，并在腘窝下方垫一支撑垫，使腰椎尽可能贴近检查床。扫描过程中选取GSI腰椎协议，扫描范围L1～S1，由上到下扫描。扫描参数：管电压采用GSI模式，利用高（140 kV）、低（80 kV）电压瞬时切换获得两组能谱数据，采用自动管电流模式（GSI assist）：200～485 mA，噪声指数9.0，采用螺旋扫描方式，转速0.5 s/圈，螺距0.992∶1，探测器宽度80 mm，层厚5 mm，层间隔5 mm，前置自适应迭代算法：40%。重建参数：74 keV单能量，层厚0.625 mm，层间距0.625 mm，后置自适应迭代算法：50%。

1.4 图像后处理 扫描完成后，将重建出的能谱数据传至AW 4.7工作站。使用GSI viewer生成羟基磷灰石（水）[HAP（water）]和钙（水）[Ca（water）]基物质图像。测量骨赘皮质的HAP和Ca含量。

在HAP（water）和Ca（water）基物质图像中椎体的正中矢状面上，将显示视野扩大到最大范围，在骨赘皮质中间位置处绘制一个面积为1 mm2的感兴趣区（ROI），并记录ROI下的HAP和Ca测量值（图1）。由2名副主任医师采用双盲法按照上述方法分别勾画ROI，比较2名医师勾画的ROI面积，使用组内相关系数（ICC）检验2名医师测量结果的一致性。比较发育不完全骨赘组和发育完全骨赘组骨赘皮质的测量值和两组骨赘皮质在不同年龄段的测量值。

图1 发育不完全骨赘组（A）与发育完全骨赘组（B）ROI勾画方法。圆圈为骨赘皮质

1.5 统计学方法 采用SPSS 26.0软件，使用Kolmogorov-Smirnov检验评估计量资料的正态性，符合正态分布的计量资料以±s表示，不同骨赘皮质不同年龄段HAP和Ca含量比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD法；2名副主任医师勾画的ROI面积以及两组中骨赘皮质HAP和Ca含量比较采用独立样本t检验；计数资料以例数（%）表示，组间比较采用χ2检验；采用ICC分析2名副主任医师测量结果的一致性。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者临床资料比较 发育不完全骨赘组61例85个椎体，男34个椎体，女51个椎体，平均年龄（64.4±6.9）岁；完全骨赘组34例44个椎体，男19个椎体，女25个椎体，平均年龄（65.1±5.5）岁。两组年龄和性别分布差异均无统计学意义（t/χ2= 0.576、0.121，P＞0.05）。

2.2 ROI面积比较 2名医师勾画的ROI面积分别为（1.02±0.11）cm2和（1.00±0.11）cm2，差异无统计学意义（t=0.536，P＞0.05）。

2.3 测量结果一致性检验 2名医师测量一致性中等（ICC=0.683，P＜0.01）。

2.4 两组骨赘皮质HAP和Ca含量比较 发育不完全骨赘组骨赘皮质HAP和Ca含量均高于发育完全骨赘组，差异有统计学意义（t=19.700、18.128，P＜0.001）。

2.5 两组不同年龄骨赘皮质HAP和Ca含量比较 发育不完全骨赘组不同年龄骨赘皮质HAP和Ca含量比较，差异无统计学意义（P均＞0.05）；发育完全骨赘组中，组3与组1、组2 HAP和Ca含量差异有统计学意义（P＜0.05），组1与组2 HAP和Ca含量差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。

表1 发育不完全骨赘组与发育完全骨赘组不同年龄段骨赘皮质HAP和Ca含量比较（mg/cm3，±s）

表1 发育不完全骨赘组与发育完全骨赘组不同年龄段骨赘皮质HAP和Ca含量比较（mg/cm3，±s）

注：a与50岁≤年龄＜60岁、60岁≤年龄＜70岁亚组比较，P＜0.05

组别例数椎体个数HAP（water）Ca（water）发育不完全骨赘组 61 85 647.71±89.66 302.47±45.25 50岁≤年龄＜60岁294.36±33.99 60岁≤年龄＜70岁 27 40 645.63±82.60 298.94±45.43 18 24 625.66±72.31 70岁≤年龄＜80岁318.44±53.60 F值 1.887 1.852 16 21 676.88±113.86 P值0.163发育完全骨赘组 34 44 320.34±89.11 154.50±41.31 0.158 50岁≤年龄＜60岁165.60±33.85 60岁≤年龄＜70岁 19 27 349.99±75.26 164.67±35.39 5 5 281.90±79.69 126.98±46.44a F值 4.546 4.210 70岁≤年龄＜80岁10 12 269.65±98.53a P值0.016 0.022

3 讨论

3.1 能谱CT物质分离技术评价腰椎骨赘皮质的可行性目前，腰椎退行性改变是造成中老年人腰腿疼痛的主要原因[10]，椎体前缘骨赘形成是腰椎衰老过程中最常见的退行性特征[11]。

在腰椎发生退行性改变时，产生的骨赘的生长方式与正常骨组织相似，从编织骨过渡到板层骨，并可能继续生长[12]。骨赘组织与正常骨组织相同，但细胞生长无序，软骨细胞、钙化组织及骨化组织排列不规则[13]。骨赘的生物学发育过程表现为软骨细胞肥大，随后发生软骨内钙化骨化，进一步发生骨沉积，最终发育完全形成骨髓腔，形成成熟的骨性骨赘[14-15]。本研究按照骨赘在组织学中的分期和CT中的形态学表现将患者分为发育不完全骨赘组和发育完全骨赘组。发育不完全骨赘是骨赘形成的早期，与骨赘生长过程中的硬化期一致；发育完全骨赘是骨赘形成的晚期。这一分组反映了骨赘发育过程中的2个不同时期，因此可以通过骨赘在能谱CT中的形态观察骨赘形成的不同时期。

腰椎的稳定性非常重要，早期轻、中度骨赘是腰椎不稳定的征象，而晚期重度骨赘是脊柱恢复稳定的标志[5]。骨的密度与钙等矿物质含量密切相关，钙主要以HAP[Ca10（PO4）6（OH）2]的矿物质形式存在，因此定量分析腰椎骨赘皮质的HAP和Ca含量非常必要，而能谱CT物质分离技术为定量研究提供了更多可能[16-19]。能谱CT利用不同物质在不同能量下的X线衰减系数不同，使用两种不同能量的X射线束获得不同的能量数据，从而实现单个体素的物质分离，以此区分衰减相等或衰减接近相等的物质[20-21]。双能CT能够对骨钙质体积及骨钙质CT值进行定量测量，可以精确地反映骨细微结构的变化及其真实骨密度[22]。

3.2 腰椎骨赘皮质HAP和Ca含量比较 本研究发现，发育不完全骨赘组骨赘皮质HAP和Ca含量高于发育完全骨赘组，说明骨赘是不断发展变化的，与Junker等[13]的研究结果一致。

引起腰椎骨赘形成的因素很多，年龄是一个重要因素[2,23]。发育不完全骨赘组不同年龄段骨赘皮质HAP和Ca含量无显著差异，提示对于发育早期的骨赘皮质而言，其HAP和Ca含量与年龄无关，即各年龄段均可形成组织学意义上的早期骨赘。发育完全骨赘组不同年龄段骨赘皮质HAP和Ca含量比较，两者均表现为70岁≤年龄＜80岁与50岁≤年龄＜60岁、60岁≤年龄＜70岁中骨赘皮质存在显著差异，提示发育完全骨赘组骨赘皮质中HAP和Ca含量随年龄发生改变，与不同年龄段体内骨质演变规律一致。随着年龄增长，骨组织逐渐衰老退变，成骨细胞骨形成活性逐渐降低，破骨细胞的活性仍较高，骨重建功能显著衰退，致使骨代谢一直处于较低状态[24]。骨赘皮质中HAP和Ca含量最终会随着年龄增长呈下降趋势。

3.3 本研究的局限性 本研究仅关注了骨赘发育的一个特定阶段，并未观察骨赘的整个发育过程，且样本量较少，后续需进一步扩大样本量并进行长期随访以验证这一结果。

总之，能谱CT不仅可以通过骨赘形态观察骨赘发育的不同时期，还可以利用物质分离技术测定腰椎退行性改变产生的骨赘皮质中的HAP和Ca含量，为腰椎退行性改变的定量研究提供了一种有效的方法。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突