能量CT定量测量骨密度和骨髓脂肪的研究现状

周凤云 耿健 程晓光*

1. 陕西中医药大学医学技术学院,陕西 咸阳 712083

2. 北京积水潭医院放射科,北京 100035

随着全球老年人群比例的增多,社会上针对老年性疾病的支出大幅提升[1]。骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种常见的骨骼代谢疾病,也是常见的老年性疾病之一,其特征是骨量低和骨微结构恶化,常见于绝经后妇女和老年男性[2]。OP被称为静悄悄的疾病,其在早期阶段几乎不会出现引起患者适当关注的临床表现[3],这为骨质疏松症的预防带来了很大的困难。既往临床都是通过评估患者的骨密度(bone mineral density, BMD)来辅助临床医生诊断OP。但是有研究表明,在严重的OP患者中,骨髓脂肪组织占股骨颈组织体积的一半以上,骨体积分数仅为30 %左右,骨髓脂肪组织几乎取代了所有的骨小梁[4]。因此,使用影像学手段定量评估BMD和骨髓脂肪 (bone marrow fat, BMF)对临床上提前预防以及筛查骨质疏松十分重要。随着时代发展,评估BMD和BMF技术的精确度正在逐渐提高。能量CT作为一种新的影像学手段,在临床和科研上的应用已经十分广泛。近几年来,能量CT对于BMD和BMF定量分析的可行性也引发了广大研究者的探索。因此,本文将综述能量CT对BMD和BMF定量分析的研究现状及进展,寻求潜在的发展方向和趋势。

1 当前量化BMD和BMF的方法及缺陷

世界卫生组织(World Health Organization,WHO)表明双能 X 线骨密度仪(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)为定量BMD的金标准,其辐射和成本较低,但是该设备在中国的装机量较低,远不能满足日益增长的需求[5-7]。另外,根据专家共识,DXA测量BMD受体重、骨质增生、脊柱侧凸等因素的干扰,降低了面积BMD测量的准确性[8]。定量计算机断层(quantitative computed tomography,QCT)是测量BMD的另一个方式,基于三维成像方式的它可以定量骨小梁体积BMD,精确度较DXA高,缺点是测量的BMD会受到骨髓脂肪的影响,可能造成BMD低估[5,9]。

目前,磁共振技术定量骨髓脂肪已经被广泛认可,其中质子磁共振波谱(1H-MRS)被广泛认为是定量分析BMF的金标准,但是该技术对扫描技术要求严格,操作流程复杂,分析慢,采集的视野较小,对于脂肪的空间分辨率分析也有所欠缺[4-5,10]。近年来,随着Dixon技术的不断发展,将此技术用于定量脂肪也越来越普遍[11]。该技术对脂肪的空间覆盖率良好,可以实现脂肪的空间分布分析,但是对于骨髓脂肪成分定量分析有一定的困难[10,12]。与MRS相比,Dixon技术操作简单、分析较快、分辨率高,因此在临床上便于普及[13]。但是磁共振技术无法定量BMD,对于OP患者,需要进行额外的BMD检查,而能量CT相对于磁共振技术的优势在于既可以定量BMF又可以定量BMD[5,11],其有助于合理利用医疗资源以及帮助患者减少医疗费用 。

随着时代的发展,能量CT技术不断更新迭代,逐渐引领当前CT技术的发展方向。根据专家共识,将能量CT分为单源序列扫描双能量技术、单源双光束能量CT、单源瞬时管电压切换双能量CT(宝石能谱CT)、双源双能量CT(双能CT)、双层探测器光谱CT、光子计数CT[14]。它们可以利用两种基本物质的X射线衰减来表示任意物质的X射线衰减,从而实现物质的分离和量化,基于此方法为BMD和BMF定量分析提供了一种可靠的新方法,因此,本文就能量CT的研究现状进行综述,旨在为后续相关研究提供一个发展方向。

2 能量CT定量BMD和BMF的研究现状

2.1 双源双能量CT

双源双能量CT(dual-energy computed tomography,DECT)是在CT机架内嵌2个相隔90 °的球管及两个配套的探测器系统,一个探测器覆盖整个扫描视野(直径50 cm),另一个探测器仅限于中心更小的视野(直径26 cm),两个X线球管可以以独立的电流电压运行,因而实现双能量数据采集。20多年前就出现了将早期DECT用于评估BMD的相关研究[15-16],当时由于辐射剂量过大以及检查费用昂贵,所以并没有广泛应用。近年来随着DECT扫描以及重建技术的发展,已在医院和治疗中心应用越来越普遍。

大量研究使用体模或椎体标本进行了BMD测量,最终都证明其测量的BMD和QCT测量的BMD有较好的相关性[6,17-19]。此外,基于EDCT有相关研究表明去除椎体内的脂肪含量可以得到更加精确的椎体BMD值。2015年Bredella等[5]对骨质减少且肥胖的12名患者的L2进行扫描,发现DECT 能同时评估BMF及 BMD,与利用MRS评估BMF得出的结果有较高的一致性。这表明DECT可以通过去除骨髓内的脂肪,得到更加准确的BMD值,为骨质疏松预测提供了更有效的手段。该研究中DECT测得的BMD比QCT测得的BMD稍高,其原因是QCT测量的BMD包含骨髓脂肪,而导致BMD低估,证明骨髓脂肪含量与BMD值呈负相关。该结果与Arentsen等[20]利用20名女性尸体使用DECT和MRI对BMD以及BMF进行定量分析得到的结果相似。Arentsen的研究表明DECT与MRI测量的BMF结果呈显著相关(r=0.881,P<0.000 1);此外,DECT或MRI测量的BMF与校准的BMD之间没有显著的相关性(分别为r=0.261和r=0.067,P>0.3),而与未校准的体积BMD之间存在显著的负相关(分别为r=-0.818和r=-0.86,P<0.000 1),这也表明BMF存在会造成BMD值的低估。Hui 等[21]利用DECT和磁共振水脂分离技术测量了5名卵巢切除术后患者腰椎椎体的BMD和BMF,使用组织学验证了两种技术测量BMD和BMF的一致性,另外,这两种技术测得的结果也显示BMF与 未校准的BMD 呈负相关。因此,DECT定量BMF以及对于校准BMF后得到更加精确的BMD值是可行的。

2.2 单源瞬时管电压切换技术

宝石能谱CT(gemstone spectralimaging,GSI)是在CT机架内嵌一套球管和探测器,以高压发生器瞬时kVp切换技术为基础实现能谱成像。这种方法通过使用单一球管的高低双能(80 kVp和140 kVp)的瞬时切换(< 0.5 ms的能量时间分辨率)产生时空上几乎完全匹配的双能数据,实现数据空间能谱解析。对于该技术定量分析人体BMD值已经有相关研究基于基物质对进行分析证明。如Zhou等[22]回顾性分析了128名受试者的腰椎,分别测量钙(水)、羟基磷灰石(水)、钙(脂肪)和羟基磷灰石(脂肪)四个基物质对的密度以及腰椎小梁骨密度,得出基物质对和基于QCT测量的BMD有很强的相关性,证明了宝石能谱CT评估BMD是可行的。该研究得出的结论与李倩等[23]的研究结果相似,但是李倩等研究的局限性在于只使用羟基磷灰石和脂肪两种物质的衰减系数间接反映BMD值,这种方式可能导致结果存在误差。另外类似的研究基于物质分离法测量了松质骨的BMD和基于QCT测量的BMD呈显著线性相关,证明快速千伏切换技术物质分离法测定的松质骨骨密度可用于BMD评价[24-26]。宝石能谱CT是一种新发展的BMD测量方法,可以作为治疗前后监测BMD的手段,但是缺乏人体腰椎BMF的相关研究。

2.3 双层探测器光谱CT

双层光谱CT(dual-layer spectral detector computed tomography,dlsCT)并不改变球管输出,而是将探测器设计成双层结构,搭配双重感光材料,分别接收高低能量X线光子,从而实现球管输出的连续混合能级X线的高低能量的区分。该技术与双能CT技术和GSI技术相比,在满足“同时”“同源”“同向”能量成像的三大核心技术要求上,进一步实现了常规图像与能量图像的“同步”生成,达到了“四同”能量成像的业界新高度。

2016年dlsCT应用于临床后,陆续有研究表明了dlsCT评估BMD的可行性[25,27-29]。van Hamersvelt等[30]使用两个经过验证的已知浓度的体模,研究证明了dlsCT与DXA和QCT对于体外BMD的定量都具有强线性相关性(R2=0. 970和R2=0.973,P<0.001)。同年一项关于椎体标本和体模研究[31]表明使用dlsCT扫描仪获得的光谱成像信息可以准确地量化已知的钙-羟基磷灰石浓度,dlsCT评估的骨密度值与QCT评估的骨密度值之间存在高度相关性(r=0.96 ～ 0.99,P<0.001),但是本研究并没有考虑骨髓中脂肪含量。2019年Roski等[32]通过分析33例患者的174个椎体和体模,发现来自dlsCT的骨密度值与来自QCT的骨密度值之间存在较好的相关性。此外,在模拟不同程度肥胖的设置中,在椎体标本中测量的钙-羟基磷灰石特异性骨密度与来自QCT测量的BMD之间发现了高度的相关性和一致性,该研究证明两种方式之间并不受肥胖等级的影响。DlsCT应用于BMD的测量已经逐渐趋向成熟化,但是这些研究都未考虑到BMF对BMD的影响,无法得到更加准确的BMD值。因此,根据此问题可进一步研究。

3 能量CT定量BMD和BMF的未来趋势

BMF定量分析有助于综合评估 OP 骨髓微环境的变化,为临床诊治提供新的无创手段。相信随着影像技术和设备的不断发展,评估BMD以及骨髓脂肪精准定量的研究将会更进一步[33]。目前,MR、QCT、DXA等技术都无法做到同时定量BMD和BMF,而能量CT代表着CT技术的发展方向,将其同时用于定量BMD和BMF已被证明是可行的。该技术不仅操作简单灵活,而且可以减少伪影并消除光束硬化得到更优质的图像[34]。其迭代技术可以降低对患者的辐射剂量,与QCT相比并没有显著的差异[35],所有这些都有助于BMD以及BMF的准确量化。因此,在临床上能量CT定量分析BMD和BMF将会有较好的发展趋势,其发展趋势可以从现存的局限性进行探究。

目前,对于BMD和BMF的定量分析的相关研究都存在以下几个局限性:(1)BMD测量的研究大多使用尸体或者体模作为研究对象,使用尸体作为受试者的局限性在于死者前期因为不同疾病接受的治疗可能会改变尸体骨髓组成,对最终结果造成一定的影响。总的来说,缺乏大样本的活体研究;(2)骨髓成分复杂,包括红骨髓、黄骨髓、骨矿物质、水以及胶原基物质等,但是大多数研究都只关注在松质骨,因此对于BMD的测量可能会存在一定的误差;(3)对于BMF定量分析的研究大多都采用回顾性分析,但是脂肪在骨髓中异质性很高,变化很快,因此后期可以采用纵向研究的方法;(4)目前,尚未出现共同认证且可被使用的骨髓脂肪体模,因此BMF定量分析只可在活体或者尸体标本中进行研究,但是在活体内直接研究骨髓脂肪的代谢情况仍是一个挑战。

那么,未来对于BMD的研究,可以使用先进的能量CT技术来监测骨髓内复杂的组成成分的变化情况,这样有利于观察骨髓代谢变化。使用能量CT鉴别骨髓中除脂肪外的其他复杂成分的探究将有助于得到更加精确的BMD值。另外,能量CT在任何松质骨部位测量骨髓脂肪的能力也可以为监测骨髓内变化的研究提供一个途径,与MR相比测量面积更加灵活广泛。能量CT对于大样本量的研究十分有利,相比MR扫描能节约更多时间。现在使用MR定量分析骨髓脂肪成分可行性的相关研究尚未出现较好的结果,因此,未来利用能量CT技术分析骨髓中脂肪成分也是一个值得探究的方向。

4 总结

能量CT可以通过材料分解来区分基物质成分,达到同时定量BMD和BMF的效果,相比其它技术可以节省患者扫描时间以及减轻经济压力,对于临床上预防OP有很好的应用价值,也能为后续研究提供客观和科学的依据,具有较大的临床应用价值及科研潜力。但能量CT在骨科中的使用潜能还有待挖掘,本综述期待为后续相关研究提供一个研究方向。今后将研究与临床实践紧密结合,并将研究的内容转化为临床实践,使能量CT在临床中发挥更大的作用。