雙能量CT虛擬去鈣化成像診斷下肢關(guān)節(jié)外傷性骨髓水腫

沈瑞，趙旻月，曹國平，郭海濱，吳胤赟，徐馳杰，鄧小毅

創(chuàng)傷性骨髓水腫是指出血、梗死和松質(zhì)骨顯微壓縮性骨折等一系列骨損傷引起的骨髓水腫，可用磁共振成像(MRI)顯示[1]。骨髓水腫通常與不穩(wěn)定關(guān)節(jié)損傷、軟組織損傷(如肌腱和韌帶損傷)以及肢體殘疾有關(guān)，因而會(huì)帶來一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2-3]。創(chuàng)傷性骨髓水腫可出現(xiàn)軟骨溶解、骨關(guān)節(jié)炎和關(guān)節(jié)畸形等晚期并發(fā)癥，進(jìn)而導(dǎo)致其恢復(fù)時(shí)間的延長和不可逆的關(guān)節(jié)損傷[1,4]。需要早期和準(zhǔn)確診斷指導(dǎo)治療以防患者創(chuàng)傷后預(yù)后不佳。

MRI是診斷創(chuàng)傷性骨髓水腫首選成像方法[5]。MRI在臨床常規(guī)檢查中存在一定局限性，有絕對(duì)和相對(duì)禁忌癥，包括耳蝸植入物、起搏器置入、幽閉恐懼癥和患者在掃描過程中因疼痛而活動(dòng)等。此外，MRI相對(duì)來說是一種費(fèi)時(shí)且昂貴的檢查方法，另外，創(chuàng)傷性骨折患者往往急診就診，大部分醫(yī)院急診尚未常規(guī)開展MRI檢查。

常規(guī)灰階CT可示明顯骨折，但難以顯示創(chuàng)傷性骨髓水腫[6]。報(bào)道[7]單能CT通過Bone marrow成像算法幾乎可以去除骨性結(jié)構(gòu)，但無法直接顯示骨髓異常。雙能量CT通過利用兩種不同管電壓獲取不同能量數(shù)據(jù)來區(qū)分不同物質(zhì)，其能夠?qū)?種物質(zhì)進(jìn)行分解和計(jì)算得到彩色編碼虛擬去鈣化(virtual non-calcium，VNCa)圖像[8-9]。VNCa圖像可直接顯示骨髓水腫，準(zhǔn)確率高[10-12]。本研究運(yùn)用彩色編碼的雙能量CT VNCa成像來顯示下肢關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性骨髓水腫，以MRI為參考標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估VNCa成像在外傷性骨髓水腫診斷價(jià)值。

材料和方法

1.一般資料

連續(xù)選取張家港澳洋醫(yī)院2018年1月-2019年5月急性下肢關(guān)節(jié)外傷患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①疑似下肢關(guān)節(jié)骨折，均行雙能量CT及MRI檢查；②CT及MRI檢查間隔時(shí)間<7d。排除標(biāo)準(zhǔn)為金屬內(nèi)固定術(shù)后、嚴(yán)重關(guān)節(jié)退行性變以及惡性腫瘤患者。

2.檢查方法

采用德國西門子炫速雙源CT(Somatom Definition Flash dual-source CT)。掃描參數(shù)：A球管管電壓140 kV，有效電流55 mAs；B球管管電壓100 kV，有效電流135 mAs；準(zhǔn)直器寬度40×0.6 mm，螺距1.2，球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/周。平均加權(quán)系數(shù)0.4，自動(dòng)重建層厚0.75 mm，重建間隔0.5 mm，卷積核值B30f。得到3組數(shù)據(jù)(140 kV、100 kV、雙能0.5比例融合圖像)。

使用德國西門子MAGNETOM Avanto1.5T磁共振，使用關(guān)節(jié)專業(yè)線圈，仰臥位掃描。掃描序列：快速自旋回波序列T1WI矢狀面(TR 550 ms、TE 13 ms)，層厚4 mm，層間距0.4 mm，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣256×256，NEX 1；質(zhì)子加權(quán)脂肪抑制序列橫軸面、冠狀面、矢狀面(TR 3630 ms、TE 13 ms)，層厚4 mm，層間距0.4 mm，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣256×256，NEX 1。

3.圖像后處理及分析

將雙能CT掃描后的兩組雙能量數(shù)據(jù)(140 kV和100 kV數(shù)據(jù))傳送至Siemens 圖像后處理工作站(Syngo Via,version VA 30A;Siemens Healthcare)，選擇CT Dual Energy后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)重建，選擇Bone Marrow以顏色編碼顯示進(jìn)行進(jìn)一步分析。

本研究下肢關(guān)節(jié)患者主要包括膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)分成5個(gè)區(qū)域[13](股骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)、股骨遠(yuǎn)端外側(cè)、脛骨近端內(nèi)側(cè)、脛骨近端外側(cè)和髕骨)，踝關(guān)節(jié)分成8個(gè)區(qū)域[14](外踝、內(nèi)踝、脛骨遠(yuǎn)端前緣、脛骨遠(yuǎn)端后緣、距骨穹隆、距骨后突、距骨外側(cè)突及距骨頭)。兩名影像診斷醫(yī)師(分別有2年、6年工作經(jīng)驗(yàn))采用雙盲法對(duì)所有VNCa圖像進(jìn)行評(píng)估。兩名醫(yī)師都可以自由調(diào)整窗寬窗位和縮放圖像。由于射線硬化、皮質(zhì)去除和VNCa圖像的濾波效應(yīng)可能產(chǎn)生偽影[15]，會(huì)妨礙鄰近區(qū)域內(nèi)骨髓的分析，所以分析與鄰近皮質(zhì)骨的距離>3 mm的外傷性骨髓損傷。另兩名高年資影像診斷醫(yī)師(分別有10年、15年工作經(jīng)驗(yàn))評(píng)估MRI圖像是否存在骨髓水腫。

圖1 男，30歲，急性左膝關(guān)節(jié)外傷。a) 左膝關(guān)節(jié)冠狀面常規(guī)雙能量CT骨窗圖未見明顯異常； b) 相應(yīng)彩色編碼虛擬非鈣化(VNCa)圖像冠狀面重建示股骨遠(yuǎn)端外側(cè)髁外傷性骨髓水腫(顯示綠色偽彩，箭)； c) 冠狀面質(zhì)子密度加權(quán)脂肪抑制序列證實(shí)了股骨遠(yuǎn)端外側(cè)髁外傷性骨髓水腫。 圖2 男，21歲，左踝關(guān)節(jié)外傷后疼痛、運(yùn)動(dòng)障礙3d。a) 左踝關(guān)節(jié)矢狀面常規(guī)雙能量CT骨窗圖未見明顯異常； b) 相應(yīng)彩色編碼VNCa圖矢狀面重建示距骨外側(cè)突、脛骨遠(yuǎn)端前緣有骨挫傷(綠色偽彩，箭)。距骨穹隆綠色偽彩(黑箭); c) 矢狀面脂肪抑制的質(zhì)子加權(quán)MRI圖像證實(shí)距骨外側(cè)突、脛骨遠(yuǎn)端前緣骨挫傷(箭)。距骨穹隆(黑箭)見輕微骨挫傷，較圖b示的范圍小，提示距骨穹隆可能是骨硬化偽影。

由其中1名醫(yī)師(6年工作經(jīng)驗(yàn))在VNCa圖像上測(cè)量所有區(qū)域CT值。當(dāng)觀察區(qū)域有疑似或明確骨髓損傷時(shí)，感興趣圓形區(qū)域(ROI，大小均約5 mm2)放置在VNCa圖像上偽彩密度最高的區(qū)域。觀察區(qū)域沒有骨髓水腫時(shí)，ROI放置在中央。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23..0和MedCalc軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù)M(P25，P75)表示。分別計(jì)算兩名醫(yī)師利用VNCa成像對(duì)骨髓水腫診斷的敏感性、特異性、陽性預(yù)測(cè)值、陰性預(yù)測(cè)值以及準(zhǔn)確性，并對(duì)兩名醫(yī)師診斷結(jié)果的一致性進(jìn)行Kappa檢驗(yàn)，Kappa值≤0.4為一致性差，0.4

結(jié) 果

1.MRI及VNCa顯示情況

34例疑似下肢關(guān)節(jié)骨折患者完成雙能量CT和MRI，其中排除金屬內(nèi)固定1例，嚴(yán)重退變3例，研究最終納入 30例患者進(jìn)行分析，其中膝關(guān)節(jié)20例、踝關(guān)節(jié)10例；男21例，女9例；年齡13～74歲，平均(60.3±10.4)歲。MRI圖示30例患者共有49處骨髓水腫，髕骨2處，股骨遠(yuǎn)端外側(cè)5處，股骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)5處，脛骨近端外側(cè)7處，脛骨近端內(nèi)側(cè)10處，外踝7處，內(nèi)踝3處，脛骨遠(yuǎn)端前緣3處，脛骨遠(yuǎn)端后緣2處，距骨穹隆1處，距骨外側(cè)突2處，距骨頭2處。VNCa重建圖兩名醫(yī)師分別診斷44處、45處骨髓水腫(圖1、2)，兩者診斷結(jié)果具有較高一致性，Kappa值0.834。

圖3 VNCa定量值診斷下肢關(guān)節(jié)骨髓水腫ROC曲線，曲線下面積0.971。圖4 下肢關(guān)節(jié)骨髓水腫區(qū)域和正常區(qū)域平均CT值盒形圖，差異有顯著性意義(P<0.0001)。

表1 兩名醫(yī)師利用VNCa圖像診斷下肢關(guān)節(jié)骨髓水腫準(zhǔn)確度

2.診斷準(zhǔn)確性評(píng)估

以MRI結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)師1(2年工作經(jīng)驗(yàn))使用VNCa重建診斷44處骨髓水腫中41處真陽性，3處為假陽性。醫(yī)師2(6年工作經(jīng)驗(yàn))使用VNCa重建診斷45處骨髓水腫中43處真陽性，2處為假陽性；VNCa圖示84/98的骨髓損傷。兩位醫(yī)師用VNCa診斷下肢關(guān)節(jié)骨髓水腫敏感度、特異度、陽性預(yù)測(cè)值、陰性預(yù)測(cè)值、準(zhǔn)確度分別為83.7%(41/49)、97.7%(128/131)、93.2%(41/44)、94.1%(128/136)、93.9%(169/180)和87.8%(43/49)、98.5%(129/131)、95.6%(43/45)、95.6%(129/135)、95.6%(172/180)，如表1 。

3.定量分析結(jié)果

基于骨髓CT值，VNCa圖像診斷下肢骨髓水腫ROC曲線下面積0.971，利用約登指數(shù)計(jì)算診斷閾值為-43.6 HU，敏感度和特異度分別為97.5%和91.0%(圖3)。VNCa圖像上骨髓水腫真陽性區(qū)域骨髓CT值(-7.5±20.3)HU，真陰性區(qū)域骨髓CT值(-76.7±18.3)HU，骨髓水腫區(qū)域CT值高于正常區(qū)域，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=9.013、P<0.0001，圖4)。

討 論

本研究結(jié)果表明與MRI相比雙能量CT彩色編碼VNCa重建在顯示下肢關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性骨髓水腫方面具有較高診斷準(zhǔn)確度(平均準(zhǔn)確度約94.7%)。此外，良好的觀察者間的一致性表明該重建成像方法具有高可靠性。此外，定量圖像分析顯示骨髓CT值和MRI顯示創(chuàng)傷性下肢關(guān)節(jié)骨髓水腫高度相關(guān)。

既往研究已證明雙能量CT彩色編碼VNCa重建圖像對(duì)于分析骨髓水腫具有很高診斷準(zhǔn)確性[16-19]。Booz等[20]和Wang等[13]使用VNCa技術(shù)對(duì)急性膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷患者骨髓水腫進(jìn)行評(píng)估，顯示該技術(shù)對(duì)創(chuàng)傷性膝關(guān)節(jié)骨髓水腫有極好診斷準(zhǔn)確性；Booz等[21]應(yīng)用VNCa技術(shù)對(duì)跟骨創(chuàng)傷性骨髓水腫進(jìn)行評(píng)估也取得了很高診斷準(zhǔn)確性，這些與本研究對(duì)下肢關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性骨髓水腫診斷準(zhǔn)確性相一致。急性下肢關(guān)節(jié)創(chuàng)傷患者在MRI禁忌癥或在MRI不可用的情況下，彩色編碼VNCa重建顯示高診斷準(zhǔn)確性，揭示了雙能量CT作為替代成像方法的潛力。即使在MRI可用的條件下，VNCa方法也有可能成為下肢外傷疑似骨髓水腫患者的一種快速、準(zhǔn)確和廣泛可用的替代方法。既往的研究表明骨髓水腫的位置和形狀可以預(yù)測(cè)相關(guān)的軟組織損傷[20]，以MRI為參考標(biāo)準(zhǔn)的VNCa重建對(duì)骨髓水腫具有高診斷準(zhǔn)確性，與傳統(tǒng)灰度CT相比，VNCa重建將提供更多的臨床相關(guān)信息。初步研究已證實(shí)雙能量CT能進(jìn)行肌腱和韌帶的成像[22]并可用于診斷前交叉韌帶損傷[23]。因此，雙能量CT有望可以通過VNCa重建和一系列軟組織成像發(fā)展成急性下肢關(guān)節(jié)創(chuàng)傷患者一站式檢查。

筆者在VNCa重建圖像上測(cè)量了骨髓的密度值，發(fā)現(xiàn)骨髓水腫陽性區(qū)域密度明顯高于MRI圖像上對(duì)應(yīng)陰性區(qū)域，這與創(chuàng)傷性骨髓水腫表現(xiàn)為液體增加和脂肪減少的病理生理學(xué)基礎(chǔ)是一致的[24]。ROC分析以不同的截?cái)郈T值區(qū)分不同區(qū)域的正常和異常骨髓，對(duì)VNCa的定量分析具有較好的敏感性和特異性，這與Guggenberger等[14]研究結(jié)果相一致。但是，VNCa重建圖像也有假陽性，多見于生理性高密度的解剖區(qū)域，如距骨體/頭部，提示VNCa的診斷效能不僅受異常骨髓密度增高的影響，而且還受正常骨髓密度差異的影響。

本研究局限性首先是樣本量小，僅納入30例急性下肢外傷患者。其次，由于射線硬化、皮質(zhì)去除和VNCa圖像的濾波效應(yīng)可能產(chǎn)生偽影，我們必須排除距離皮質(zhì)骨3 mm范圍內(nèi)的骨髓病變。再者本研究未考慮年齡相關(guān)因素。由于在生長發(fā)育過程中骨髓由紅骨髓變黃骨髓，骨髓成分不同可能影響研究結(jié)果。今后應(yīng)進(jìn)一步開展按年齡分組的研究。

綜上所述，本研究結(jié)果表明與MRI相比，雙能CT彩色編碼的VNCa圖像具有較高敏感性、特異性和準(zhǔn)確性，可以診斷下肢外傷性骨髓水腫。雙能CT檢查可作為MRI檢查禁忌癥患者的另一種選擇。