雙層探測器光譜CT 鑒別良惡性椎體壓縮骨折的初步研究

尉曉珊，鄭 巖，宋飛鵬，張 進(jìn)

（1.山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，山西 太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院放射科，山西 太原 030001）

椎體壓縮骨折（vertebral compression fracture，VCF）是臨床常見病之一，是各種原因引起的椎體高度減小，且椎體高度至少降低20%，病程較長，病情復(fù)雜，嚴(yán)重威脅著人們的身心健康［1］；根據(jù)病因的不同，可分為良性和惡性VCF。老年VCF 患者主要是骨質(zhì)疏松性VCF（osteoporoticvertebral compression fracture，OVCF）與轉(zhuǎn)移瘤性VCF（metastatic vertebral compression fracture，MVCF），由于兩者臨床及影像學(xué)表現(xiàn)相似，常被誤診，尤其是早期輕度不均勻溶骨性骨質(zhì)破壞的壓縮骨折，與OVCF 鑒別較難［2］。準(zhǔn)確及時地診斷對治療和預(yù)后具有重要意義。以往針對2種VCF 病因鑒別診斷的研究主要傾向于CT、MRI、常規(guī)序列下椎體與附件形態(tài)學(xué)征象的改變，以及DWI、MRS 等MRI 功能成像技術(shù)方面的研究［3-4］。雙能量CT在良惡性VCF 鑒別診斷中的價值鮮見報道。

雙層探測器光譜CT 是近幾年發(fā)展起來的一種雙能量CT，與其他雙能量CT 相比，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)雙能量CT“同源、同時、同向”的要求，僅一次普通掃描即能獲得光譜信息，無需單獨(dú)設(shè)置雙能量掃描序列，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集［5］。其包含的單能量圖像、光譜曲線，以及有效原子序數(shù)圖、碘密度圖、無水碘圖等參數(shù)，可有效地對病灶進(jìn)行定量分析。本研究回顧性收集OVCF 與MVCF 患者，探討雙層探測器光譜CT在良惡性VCF 鑒別中的診斷價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性收集2020 年2—10 月山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院因VCF 行雙層探測器光譜CT 檢查的患者43例，其中男20例，女23例；年齡52～89歲，平均（68.7±9.7）歲。按椎體骨折的病因?qū)⒒颊叻譃镺VCF組24例，其中男6例，女18例，年齡65～89歲，平均（74.6±5.8）歲，累及椎體30 個，其中胸椎17 個，腰椎13 個；MVCF組19例，其中男14例，女5例，年齡52～80歲，平均（63.0±9.3）歲，累及椎體26 個，其中胸椎16 個，腰椎10 個。原發(fā)腫瘤包括肺癌11例，軟組織肉瘤3例，食管癌1例，胃癌1例，腎盂癌2例，胰腺癌1例。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn) ①納入標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)臨床癥狀結(jié)合影像學(xué)表現(xiàn)隨訪確診或經(jīng)穿刺、手術(shù)病理證實(shí)的OVCF 及溶骨性MVCF 患者，首次發(fā)現(xiàn)的胸腰椎溶骨性轉(zhuǎn)移病灶，臨床癥狀為急性或亞急性后背痛的椎體骨折患者（病程＜3 個月），椎體壓縮剩余高度應(yīng)>20%。②排除標(biāo)準(zhǔn)：胸腰椎成骨性轉(zhuǎn)移，已接受放化療或影響骨代謝藥物治療的溶骨性轉(zhuǎn)移，陳舊性O(shè)VCF，脊柱結(jié)核、脊柱炎或彌漫性血液系統(tǒng)疾病等。

1.3 儀器與方法 采用Philips 雙層探測器光譜CT機(jī)，所有患者均行胸腰椎三維重建、平掃或胸腹部平掃，掃描范圍包括病變椎體及其上下相鄰椎體。掃描參數(shù)：120 kV，成人255 mAs，螺距0.984，球管旋轉(zhuǎn)時間0.4 s/r，探測器寬度64×0.625 mm。掃描后利用2 種方法重建：常規(guī)iDose 混合能量圖像重建，與全息光譜圖像重建，重建層厚和層距均為1 mm。

1.4 圖像分析 將采集到的常規(guī)混合能量圖像和全息光譜圖像傳至Philips 光譜工作站，利用Spectral CT Viewer 軟件對圖像進(jìn)行載入，在常規(guī)混合能量120 kV 圖像上對壓縮椎體進(jìn)行ROI 的標(biāo)注，選取掃描范圍內(nèi)骨小梁減少最嚴(yán)重及溶骨性轉(zhuǎn)移的低密度區(qū)域，選擇病灶的最大層面，在病灶中央選擇圓形ROI，盡可能包繞病灶，注意避開碎骨片、明顯的鈣化及壞死區(qū)，為減小誤差，應(yīng)在同一病灶處勾畫2～3 個ROI，計(jì)算平均值。不同病變椎體勾畫ROI 的面積應(yīng)盡可能保持相同或相近。利用光譜工作站Spectral CT Viewer 軟件Mono E 插件功能將全息光譜圖像單能量參數(shù)分別設(shè)置為40、50、60、70、80、90、100 和200 keV，獲取各組單能量圖像。利用有效原子序數(shù)插件功能獲取有效原子序數(shù)偽彩圖。獲取常規(guī)混合能量120 kV 圖像及40～100、200 keV 單能量下的CT值，繪制各個病灶的光譜曲線，計(jì)算并分析曲線斜率（選取40～100 keV 作為斜率計(jì)算點(diǎn)），定義斜率k=（CT值40 keV-CT值100 keV）/（100 keV-40 keV），獲取病灶區(qū)域的有效原子序數(shù)Zeff值（圖1，2）。

圖1 男，73歲，無明顯原因出現(xiàn)腰背痛，骨質(zhì)疏松，T11 椎體壓縮骨折 圖1a CT 軸位骨窗像，椎體密度彌漫性不均勻降低，將ROI 放置于明顯骨質(zhì)降低區(qū) 圖1b 有效原子序數(shù)偽彩圖，ROI 內(nèi)有效原子序數(shù)較周圍降低 圖1c ROI 內(nèi)CT值隨keV 變化的光譜曲線圖，曲線呈下降趨勢，且切線斜率越來越小圖2 女，65歲，肺癌溶骨性骨轉(zhuǎn)移，T11 椎體壓縮骨折圖2a CT 軸位骨窗像，椎體可見類圓形骨質(zhì)密度降低區(qū)，將ROI 放置于此處 圖2b 有效原子序數(shù)偽彩圖，ROI 內(nèi)有效原子序數(shù)較周圍明顯降低 圖2c ROI 內(nèi)CT值隨keV 變化的光譜曲線圖，曲線呈下降趨勢，切線斜率越來越小，且較骨質(zhì)疏松性變化更加平緩

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先行正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，組間比較行配對t檢驗(yàn)；偏態(tài)分布變量以M（P25，P75）表示，組間比較行Mann-Whitney U 檢驗(yàn)，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用ROC 曲線的AUC 比較混合能量、單能量圖像的CT值及k值、Zeff值的鑒別診斷效能。

2 結(jié)果

2.1 2組混合能量及單能量圖像的CT值比較（表1）CT值常規(guī)120 kV 混合能量及40～100、200 keV 單能量圖像下OVCF 的CT值中位數(shù)均高于MVCF，其中40～60 keV 單能量圖像下2組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），常規(guī)120 kV 混合能量及70～100、200 keV 單能量圖像下2組差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P>0.05）。

2.2 2組k值比較 40～100 keV 條件下，隨著單能量圖像能級水平的增加，2組的CT值均呈降低趨勢，且k值亦逐漸減小（圖3）。其中，OVCF組k值中位數(shù)為1.79（1.32，2.20），高于MVCF組k值中位數(shù)0.76（0.34，1.49），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（U=78.00，P＜0.001）。

圖3 骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折（OVCF）與轉(zhuǎn)移瘤性椎體壓縮骨折（MVCF）患者光譜曲線變化圖圖4 光譜CT 各參數(shù)診斷良惡性椎體壓縮骨折的ROC 曲線

2.3 2組Zeff值比較 OVCF組Zeff值中位數(shù)為8.08（7.92，8.25），高于MVCF組Zeff值中位數(shù)7.65（7.42，7.88），且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（U=66.50，P＜0.001）。

2.4 光譜CT 各參數(shù)的診斷效能（表2）40～100、200 keV 單能量下CT值的AUC值為0.503～0.782，其中40 keV 單能量下CT值的AUC 最大，為0.782，光譜CT 各參數(shù)Zeff值的鑒別診斷效能最高，k值、40 keV 單能量CT值的診斷效能較高。其中，Zeff值鑒別OVCF 與MVCF 的閾值約7.85，即當(dāng)Zeff值>7.85 時更傾向于OVCF 的診斷（圖4）。

表2 光譜CT 各參數(shù)診斷良惡性椎體壓縮骨折的效能

3 討論

椎體主要由骨小梁組成，對微環(huán)境的變化較敏感，其在整個椎體中分布不均勻，中央小梁比終板厚約15%。在骨質(zhì)疏松患者中，隨著年齡增長，水平排列小梁的厚度逐漸減少，骨質(zhì)老化流失使椎體骨礦物質(zhì)密度降低，導(dǎo)致椎體高度降低［6］。而MVCF 的組織病理學(xué)基礎(chǔ)不同，惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移是腫瘤細(xì)胞到達(dá)骨微環(huán)境后經(jīng)過定植休眠、再激活、增殖等一系列復(fù)雜的發(fā)生機(jī)制，與成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨基質(zhì)細(xì)胞之間相互作用并形成轉(zhuǎn)移灶的過程，是一種侵襲、置換行為，當(dāng)椎體全部或部分被腫瘤細(xì)胞侵蝕后，骨小梁或骨皮質(zhì)結(jié)構(gòu)變薄弱，椎體發(fā)生壓縮骨折［7］。

研究表明，常規(guī)CT 及MRI 顯示的某些形態(tài)學(xué)征象可幫助鑒別骨折性質(zhì)，如椎體后緣皮質(zhì)后凸、椎弓根累及、椎旁軟組織腫塊、硬膜外腫塊等提示惡性骨折，骨折碎片、椎體積氣、椎體脂肪信號殘留等提示良性骨折，但以上均為定性判斷，缺乏特異性［8］。雙能量CT 各參數(shù)可為良惡性VCF 的鑒別診斷提供定量分析，提高鑒別準(zhǔn)確率。本研究中早期MVCF 患者，其形態(tài)學(xué)征象與骨質(zhì)疏松引起的骨折部分較難區(qū)別，雙能量CT 定量分析可輔助診斷。

不同CT值可反映物質(zhì)的不同密度及特征。雙能量CT 入射X 射線的衰減程度與發(fā)射光子能量、接收材料的密度及原子序數(shù)密切相關(guān)，同一物質(zhì)或不同物質(zhì)在不同單能級下可產(chǎn)生特定的衰減行為，為物質(zhì)成分的鑒別診斷提供理論依據(jù)［9］。本研究表明，40～60 keV 單能量圖像下OVCF組的CT值高于MVCF組，但常規(guī)120 kV 混合能量及70～100、200 keV 單能量圖像下的CT值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能是由于混合能量下2 種物質(zhì)CT值相近，高能級X 線可通過2 種組織，只有在低能級條件下才會顯示出X 線衰減的差異。其次，由于2 種病變的組織差異性，骨質(zhì)疏松是緩慢的骨質(zhì)流失過程，而溶骨性骨轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤細(xì)胞的增殖、破壞過程，后者的骨含量降低較前者明顯，因此在低能級下，OVCF組的CT值較高［10］，表明雙能量CT 低keV 能級下的圖像更易區(qū)分2 種病灶，能級越低，CT值差異越大，這與之前的一些研究［11-12］結(jié)果相似。雙層探測器光譜CT可較其他雙能量CT 提供40～200 keV 之間更多的單能級成像，更利于病變診斷。

光譜曲線是根據(jù)物質(zhì)在不同單能量圖像下所測得的CT值隨各能級變化而變化的原理所繪制的曲線。每條曲線均對應(yīng)相應(yīng)的物質(zhì)成分，相同物質(zhì)成分的曲線圖幾乎重疊或走行一致，不同物質(zhì)的曲線圖走行趨勢不同［13］。本研究表明，2組曲線的k值存在一定差異，證明病灶內(nèi)所含的基本物質(zhì)成分不同，這符合2 種疾病組織病理學(xué)不同的原理，由于OVCF組所表現(xiàn)出來的病灶范圍較小，病灶內(nèi)骨質(zhì)吸收范圍、程度較MVCF組骨折小，病灶內(nèi)仍殘留一定的骨小梁及繼發(fā)骨髓水腫、出血等，因此在低能級圖像下的CT值及k值較高［14］。

有效原子序數(shù)圖是指將各體素對應(yīng)的有效原子序數(shù)用色彩量化的方式所繪制的偽彩圖，其Zeff值可代表物質(zhì)成分的信息，如碘、鈣、釓等高原子序數(shù)的物質(zhì)和水、脂肪等低原子序數(shù)的物質(zhì)在有效原子序數(shù)圖上很易于分辨，可更加直觀地顯示病變和正常組織。Zeff值是混合物質(zhì)中元素原子序數(shù)的加權(quán)平均數(shù)［15］。本研究中，OVCF組的Zeff值明顯大于MVCF組，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，證明OVCF組的混合物質(zhì)內(nèi)含有鈣等高原子序數(shù)的物質(zhì)偏多，而MVCF組含水等低原子序數(shù)的物質(zhì)偏多，這可能是由于MVCF組繼發(fā)腫瘤血管增多所致［16］。表明Zeff值一定程度上可鑒別椎體良惡性病變，這與El Kayaly 等［17］的報道一致，Zeff值對病灶的良惡性具有鑒別診斷價值。

本研究存在的不足：①樣本量較小，需大樣本進(jìn)一步驗(yàn)證；②部分患者僅有影像學(xué)、臨床資料，缺乏病理學(xué)金標(biāo)準(zhǔn)，且僅在CT 平掃下分析，未行增強(qiáng)掃描；③多種原發(fā)病灶均可導(dǎo)致椎體的溶骨性骨質(zhì)破壞，繼而發(fā)生VCF，在這部分研究中未對原發(fā)腫瘤進(jìn)行分組探討，在今后的研究中應(yīng)繼續(xù)推廣。

總之，雙層探測器光譜CT 低能級單能量下的CT值、k值、Zeff值等各項(xiàng)參數(shù)可有效鑒別老年患者病理性VCF 的病因，其中Zeff值的診斷效能最高，更易比較病灶差異，雙能量CT 可為良惡性VCF 的鑒別診斷提供一定的輔助價值。