CT 后处理技术重建CT 值与终板抗压强度的相关性研究

吴研飞， 马剑雄， 卢斌， 王颖， 柏豪豪， 靳洪震， 马信龙*

1.天津医院, 天津 300211； 2.天津医科大学，天津 300203

椎间融合器下沉是脊柱融合术中常见的并发症，通常由于骨性终板的强度不足所致[1,2]。许多学者通过力学测试研究腰椎终板的机械强度分布规律，发现终板中央区域强度较弱，周围区域强度较高[3]。然而，这种研究方法的准确性受限于标本质量，且无法作为术前评估终板强度的手段。因此研究人员试图通过影像学技术来评估终板强度。骨密度被认为与骨强度有强相关性，其中双能X 射线吸收测定法是目前评估BMD 最常用的的技术。QCT 可以测量终板的体积骨密度[4]，但需要特殊体模和配套软件，且受试者要承受高剂量放射线的辐射。考虑到腰椎CT 已经包含了腰椎的骨密度信息，可以直接获取CT 图像组织的CT 值，并可能成为QCT 的一种替代方式[5]。然而，CT 重建终板CT 值的方法及其对生物力学特性的影响尚未报道。本次研究利用CT 后处理技术重建终板CT 值，并进行生物力学测试，探讨CT 后处理技术重建的终板CT 值与终板的生物力学强度之间的相关性，以期为临床脊柱融合手术评估终板强度提供有用的参考。

1 材料与方法

1.1 实验原理

多平面重建（Multi-Planar Reconstruction, MPR）是CT 后处理技术中的一种，能够将三维数据集中的任意一个平面重建成二维图像，可以选择性地测量目标区域的CT 值[6]。最大密度投影(maximum intensity projection, MIP) 技术利用了CT 扫描中的射线投影原理，将一系列CT 图像中的最大像素值投影到一个平面上，以显示具有相对较高密度的组织结构[7]。如图1 所示。我们根据骨性终板密度值明显高于上下组织的特点，利用MPR 技术定位终板区域，结合MIP 技术的原理，使包括终板在内一定层厚的组织最大CT值，投影在一个平面上，这样就相当于间接测量终板的密度值。

图1 CT 后处理技术示意图A：MIP 技术的原理示意图B：椎体下终板的MIP 投影Fig.1 The schematic diagram of CT post-processing technology. A: Schematic diagram of the principle of the MIP technique; B: MIP projection of the inferior endplate of the vertebral body.

1.2 标本制备

收集来自同一屠宰场当日宰杀的5 具新鲜小牛腰椎标本（L1～L6），当天完成所有标本的CT 平扫，结合肉眼检查，排除明显畸形，骨质破坏的标本。然后剔出所有软组织，如肌肉、椎间盘、韧带、软骨终板，分离所有腰椎节段，共30 个椎体，如图2。标本用保鲜膜包裹完全后放置-20 ℃冰箱冷冻保存，实验前于室温下解冻。

图2 小牛腰椎椎体的标本Fig.2 Specimens of lumbar vertebrae of calves.

1.3 实验方法

终板重建CT 值测量：采用64 排CT（美国GE 公司，Light Speed VCT），扫描条件：管电压120 kV，管电流260 mA，层厚1 mm，层间距1 mm，骨窗窗宽2000 HU，窗位350 HU），将小牛腰椎CT 平扫的数据以DICOM 格式导出，使用RadiAnt DICOM Viewer 软件进行MPR 重建，冠状面和矢状面上调整至中立位，选择一终板平面，切换MIP 模式，在冠状位和矢状位窗口上，调整MIP 投射径线厚度（1～4 mm），使之上下界限与终板最高处和最低处重合，从而使整个完整的终板投影在轴位视图上，如图3 ，在轴位图的MIP 模式下进行CT 值测量，为了使不同的终板具有可比性，本次研究在终板表面创建了坐标系，将终板的矢状位正中线视为纵轴，横轴绘制在纵轴的中点，坐标系的原点是纵轴和横轴的交点，分别于横轴和纵轴外四分位点绘制垂线，如图4 所示，取各垂直线交点A、B、C、D、E 为标准化测试位点，测量直径5 mm 感兴趣区域的平均CT 值。

图3 牛椎体终板的MIP+MPR 重建A：腰椎矢状位图B：腰椎冠状位图C：MPR 重建终板D：MPR+MIP 重建终板效果图Fig.3 MIP+MPR reconstruction of the endplate of the vertebrae. A: Sagittal view of the lumbar spine; B:Coronal view of the lumbar spine; C: MPR reconstruction of the endplate; D: MPR+MIP reconstruction of the endplate.

图4 测试点定位图 A: CT 图像的感兴趣区域（ROI）B: 标本上的压缩测试位点Fig. 4 Test site localization map. A: Region of interest (ROI) of the CT image; B: Compression test site on the specimen.

终板生物力学测试：CT 扫描完成后第2 天室温下解冻所有标本，进行造模处理：从椎弓根处切除椎体后部，椎体前部进行包埋处理，凹型的终板接近人体，作为压缩测试面，同CT 标记一样，在标本终板表面建立坐标系，按照相同的方法，用马克笔画出坐标系，确定标准化测试位点，然后选取直径5 mm 的平底金属棒作为压模，使用Bose Electroforce 动态力学测试系统进行单轴压缩试验(图5)，按照Hou[8]等的测试方法，夹具固定椎体下端，以12 mm/min 的速度垂直测试点进行连续压缩，记录载荷位移曲线，观察椎体终板，出现椎体塌陷时停止压缩，由于终板皮质强度远高于骨小梁，终板皮质突破后，载荷值会突然下降，并出现载荷峰值，此时的载荷峰值即为失效载荷。根据抗压强度公式P（MPa）=F/A,F表示试验最大压力（N），A表示作用力截面面积（mm2），由相应的测试分析软件计算测试区域的抗压强度。

图5 力学测试系统下对2 号标本A、B、C、D、E 区进行单轴压缩试验Fig.5 Uniaxial compression tests on specimen 2, areas A, B, C, D and E under the force test system.

1.4 统计学方法

2 名观察者（1 名脊柱外科医师和1 名放射科医师）进行相关培训后，先后2 次（间隔1 周）对CT 值和抗压强度进行测量，使用组内相关系数（ICC）来评估ROI 的CT 值及抗压强度值的观察者间和观察者内部可靠性（ICC≥0.8 被认为表示可靠度极佳）。使用GraphPad prism 9.0 进行统计学分析。不同测试区域之间结果的比较采用完全随机设计资料的方差分析(One-way ANOVA) 和组内组间两两比较的Turkey 检验法进行统计学处理。终板不同测试位点的重建CT值与终板抗压强度的相关性分析若呈正态分布则采用Pearson 检验，否则采用Spearman 检验。当P＜0.05被认为差异具有统计学意义。如果具有线性相关性，建立回归方程，并使用GraphPad prism 软件绘制散点及线性拟合图。

2 结果

2.1 重建CT 值测量

观察者内和观察者间测量HU 值的可靠性非常好，ICC 分别为0.984 和0.962。单因素方差分析后显示终板不同区域的平均CT 值均存在显著性差异（P＜0.05），进行事后多重比较，如表1 所示，椎体左右对称的ROI 区（B 和C，D 和E）CT 值差异无统计学意义（P＞0.05），前后不同区域（B 和D，C 和E）差异具有统计学意义（P＜0.05），A 区与B、C、D、E 差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 终板不同测试位点重建CT 值的平均值及其组间比较Tab.1 Average CT reconstruction values of different test points of endplates and their inter-group comparison

2.2 终板抗压强度

观察者内和观察者间测量值的可靠性非常好，ICC 分别为0.993 和0.964。单因素方差分析后显示终板不同区域的抗压强度均存在显著性差异（P＜0.05），进行事后多重比较，如表2 所示，椎体左右对称的测试区（B 和C，D 和E）差异无统计学意义（P＞0.05），前后不同区域（B 和D，C 和E）差异具有统计学意义（P＜0.05），A 区与B、C、D、E 差异均具有统计学意义（P＜0.05）。结果如图6 所示。

表2 终板不同测试位点抗压强度的平均值及其组间比较Tab.2 Average compressive strength of different test points of endplates and their inter-group comparison

表3 终板重建CT 值与抗压强度的Spearman相关性分析Tab. 3 Spearman correlation analysis of CT values of endplate reconstruction and compressive strength

图6 2 号标本A、B、C、D、E 区的载荷-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens A, B, C, D and E of specimen 2.

2.3 重建CT 值与抗压强度的相关性分析

测试区的CT 值和抗压强度呈非正态分布，采用Spearman 相关性检验，结果表明终板的5 个测试区域测得重建CT 值与抗压强度均具有强相关性（r＞0.8,P＜0.01），散点图呈明显的线性分布，使用GraphPad prism 拟合简单的线性回归方程，见图7，测试区域的重建CT 值均与抗压强度呈明显的正性相关性，R2均大于0.7，拟合程度较好。

图7 小牛终板各个测试区的重建CT 值与抗压强度的相关性图Fig.7 Correlation diagram between reconstructed CT values and compressive strength for each test zone of calf endplate.

3 讨论

最近的研究表明，终板区域的BMD 是预测椎体骨折和植入物沉降的可靠指标[9]。此外，现有的研究也证实了CT 图像的CT 值与BMD 之间存在显著的正相关性[10]。因此，利用CT 值预测骨强度已经成为临床骨质疏松评估的重要手段之一[11]，该方法具有非侵入性、简便易行、可重复性好、非破坏性、直观易懂等优点。常规CT 与QCT 的主要区别是没有体模校正，准确性弱于QCT，但有相关研究显示，无体模校正的骨密度与有体模校正的骨密度值高度相关，例如Budoff 等学者进行的一项大规模的研究，结果显示无体模校正的骨密度与有体模校正的骨密度值高度相关，相关系数为0.987[12]。随后，Weaver 等学者也在其研究中得到类似的结论，无体模校正的骨密度与有体模校正的骨密度值的相关系数为0.87[13]。常规CT 已经具备骨密度计算所需要的信息，并且在CT 值计算公式中已经使用水的衰减系数进行了校正，由于水的密度通常是恒定的，故常规CT 的CT 值已经是一个经过校准的相对值[14]，理论上可以反映出骨密度的变化。因此，本次研究利用MIP 技术将终板CT 值投影在一个层面，探讨其CT 值与终板骨强度的关系，具有一定的理论基础。

术前评估终板强度有利于医生在术中判断融合器放置的最佳位置，以期减少融合器沉降的风险。然而，由于其不规则的穹顶型形状，很难确定感兴趣区域的CT 值。无论是常规CT 还是QCT ，在选取感兴趣区域时，难以自动分割出完整的终板，测得的CT 值总会受椎间盘组织或椎体松质的影响，使得结果存在较大的偏差，现有的Mimics、3Dslicer 等医学影像处理软件虽然可以通过阈值分割实现终板的HU 值测量，甚至进行强度分析，但是存在操作复杂，花费时间长的问题，难以在临床上实现常规应用。常见的DICOM 数据处理软件基本包含了MIP和MPR的功能，方便易行的操作可以帮助外科医生快速了解手术终板的强度分布情况，从而制定更加个性化的治疗方案。

本次研究创新性地设计四分位定点的方案，利用标准化测试位点确定测量部位，以消除终板尺寸和形状差异对实验结果的影响，同时也提高了影像学和标本之间的测试部位的匹配度，一致性检验结果表明，观察者内和观察者间的ICC 值均高于0.9，说明该方法具有极佳的可重复性和一致性，可以有效提高实验数据的准确性和可靠性。与以往文献报道的压痕试验采集较密集的测试位点不同，本次试验只取了5 个测试位点，并且各测试位点之间相距较远，以尽可能降低测试点之间的相互作用导致的误差。本次研究选择了5mm 直径的平底压模，与CT 的ROI 直径相对应，由于临床现有的融合器接触面多经过圆角和倒角处理，接触面并不尖锐，直径5 mm 的受力面比较接近终板与融合器实际接触情况。通过选择速率12 mm/min, 不仅可以防止骨接触面被过快的速度冲击损伤，也可以避免以较慢的速度引起椎骨的蠕变。通过相关性分析，我们发现椎体不同区域的重建CT 值与其抗压强度有着显著的线性正相关性，说明通过CT 后处理技术重建CT 值具有预测终板骨强度的价值，可以作为术前评估的手段之一。小牛椎体的左、右对称区域的CT 值和抗压强度没有差异性，这一特点类似于人类的椎体。不同之处在于，牛脊椎的抗压强度从后到前逐渐增加，而人类的椎体抗压强度后外侧最强，且周围区域强于中央区域。这种差异可能与人类进化的直立行走功能有关[15]。

虽然本次研究在创新性方面有所突破，并且取得了令人满意的可靠性和可重复性数据，但仍然存在一些局限性。第一，样本量相对较小，这可能会影响到数据分析结果的可靠性。第二，没有比较不同测量方法的优劣，需要进一步研究。我们的研究结果表明CT 后处理重建CT 值预测终板骨强度的可靠性，这为未来的研究工作提供了重要的启示。在未来的研究中，将进一步探讨CT 后处理技术重建CT 值在人体终板骨密度研究中的应用，以改善患者椎间融合术后的治疗效果。