雙能量計算機斷層成像在骨肌系統(tǒng)疾病中的研究進展

劉蘇衛(wèi)，李昇霖，任鐵柱，孫嘉晨，李政曉，周俊林

蘭州大學第二醫(yī)院放射科，蘭州大學第二臨床醫(yī)學院，甘肅省醫(yī)學影像重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；*通信作者 周俊林 lzuzjl601@163.com

骨肌系統(tǒng)疾病種類繁多，分類復雜，影像學是重要診斷手段，既往骨骼肌成像的主要方式是CT和MRI，CT可提供完美的骨骼細節(jié)和快速的采集時間；MRI是軟組織成像的“金標準”，但其獲得圖像的速度較慢并存在禁忌證。雙能量計算機斷層掃描（dual-energy computed tomography，DECT）[1]由于不同能量的X射線能譜可以產(chǎn)生不同的組織信號而廣泛應用于骨肌系統(tǒng)疾病的診斷及研究。本文重點對DECT的原理及其在骨肌系統(tǒng)腫瘤性與非腫瘤性疾病中的臨床應用展開綜述。

1 DECT的基本原理及硬件技術

DECT的原理是當物質暴露于不同的X射線光子能量下時，光子通過康普頓散射和光電效應與人體組織相互作用，并以某種方式表現(xiàn)出來，其相對數(shù)量取決于組織的原子序數(shù)和入射X線光子的能量[2]。

通過掃描獲得原始數(shù)據(jù)并且對其進行后處理才能生成對臨床有用的圖像，其中特定物質顯示和特定能量顯示是肌肉骨骼疾病設置中最有價值的后處理技術[3]，包含虛擬去鈣（virtual noncalcium，VNCa）技術和虛擬單能量成像技術等。

2 DECT在診斷骨骼相關疾病中的臨床應用

骨骼相關疾病包括骨折、骨髓炎、關節(jié)炎、骨質疏松、代謝性骨病以及良、惡性骨腫瘤等，其中隱匿性骨折、關節(jié)炎活動期等引起的骨髓水腫（bone marrow edema，BME）及良、惡性骨腫瘤的骨髓浸潤等常規(guī)CT無法顯示，通常只能通過MRI診斷，而DECT的興起為以上疾病的診斷提供了新的可行的檢查手段。

2.1 非腫瘤性疾病

2.1.1 創(chuàng)傷性疾病 骨骼相關的創(chuàng)傷性疾病如骨折常因骨髓出血而導致BME，而MRI作為檢測BME的“金標準”，檢查費用昂貴且存在一定禁忌證，對于急診外傷患者也不適用；CT因快速采集時間和勾勒精細皮質的優(yōu)點，通常是急診創(chuàng)傷患者的首選檢查[4]。而DECT在顯示骨皮質細節(jié)的同時，更易發(fā)現(xiàn)BME，從而可提示臨床及時制訂更有益于患者的治療方案。

Kim等[5]回顧性收集62例可疑腕骨骨折患者，利用VNCa技術，發(fā)現(xiàn)其診斷腕骨挫傷的準確度與MRI相當，敏感度為92.9%，特異度為94.5%；Narayanan等[6]對急性下肢創(chuàng)傷的研究中，對106項DECT掃描圖像重建BME圖，顯著提高了可疑急性下肢骨折的放射學識別速度；Ghazi等[7]利用DECT檢測椎體骨折BME，發(fā)現(xiàn)DECT對椎體BME的敏感度、特異度和曲線下面積分別為89%、96%和96%。以上研究表明DECT VNCa技術對急診創(chuàng)傷性疾病的確診和診斷速度均有較高的臨床價值，但也存在局限性，如未考慮年齡、性別、體重指數(shù)和骨密度對骨髓成分可能造成的影響，并且對顏色編碼的VNCa圖像的設置也較難把握。

2.1.2 非創(chuàng)傷炎性疾病 非創(chuàng)傷性骨骼疾病包括類風濕性關節(jié)炎、骶髂關節(jié)炎、強直性脊柱炎以及非創(chuàng)傷性骨痛等，此類疾病活動期的影像診斷常通過CT顯示細微骨破壞、骨質硬化等結構改變以及MRI提示BME[8]。Zuo等[9]探討VNCa技術對股骨頭壞死患者BME的診斷價值，發(fā)現(xiàn)以-57.2為臨界值，股骨頭壞死患者BME檢測敏感度、特異度及準確度分別為95%、100%和98%；Foti等[10]研究59例髖關節(jié)疼痛患者，發(fā)現(xiàn)DECT能準確地顯示非創(chuàng)傷性髖關節(jié)周圍的BME；Jans等[11]首次應用DECT檢測類風濕性關節(jié)炎，發(fā)現(xiàn)MRI和DECT檢測BME有很好的相關性；Wu等[8]使用VNCa對47例強直性脊柱炎合并骶髂關節(jié)炎患者的BME進行研究，發(fā)現(xiàn)在檢測骶髂關節(jié)的BME方面，DECT總體敏感度、特異度和準確度分別為90%、83%和87%。以上研究均表明DECT是檢測BME的一種敏感、特異的工具，當遇到無法長時間平臥配合掃描的患者（如合并嚴重骨痛、高齡、精神疾?。┗蚪饘僦踩胛镄g后患者時，可作為MRI的一種方便的替代方式。但DECT也存在局限性，由于關節(jié)腔軟組織及少量液體的影響，無法評估皮質骨附近的BME，并且靠近硬化骨或氣體時可能導致偽影。

2.1.3 代謝性疾病 DECT能夠分離不同的物質，如鈣和尿酸、骨皮質和骨小梁，它們經(jīng)過后處理技術顏色編碼，并可三維重建觀察，以最佳方式描述單鈉尿酸鹽晶體沉積。DECT診斷痛風的敏感度為90%～100%，特異度為83%～89%[12]。2015年，歐洲風濕病協(xié)會及美國風濕病學聯(lián)盟均提議將DECT診斷出單鈉尿酸鹽作為診斷痛風的標準之一[13]。目前，DECT已經(jīng)用于檢測關節(jié)周圍組織、肌腱、韌帶、脊椎及中心血管的單鈉尿酸鹽晶體沉積，并且錫板濾波器的使用減少了偽影，降低了輻射劑量[14-16]。在代謝性疾病診斷中，DECT的非侵入性特質使其成為有前途的工具。

2.1.4 老年性骨質疏松 隨著人口老齡化日益加劇，骨質疏松的發(fā)病率以及骨質疏松相關骨折的個人和社會經(jīng)濟負擔也顯著上升，骨質疏松相關骨折的治療費用占總費用的2/3，但藥物預防僅占1%～5%。因此，更準確、更早地識別骨質疏松癥和有骨質疏松癥風險的個體，對于抵消骨結構的漸進性破壞和減輕相關的社會和經(jīng)濟負擔是必要的[17]。1994年，世界衛(wèi)生組織提出將雙能X射線骨密度儀作為診斷骨質疏松的“金標準”，但其只能測量局部人體重疊后的骨密度，并不能準確評估骨質疏松相關骨折的風險[18]，對骨質疏松癥診斷不足的問題仍未得到解決。Gruenewald等[19]使用DECT測得腰椎體積骨密度作為評估骨質疏松相關骨折2年發(fā)生風險指標的預測價值，其敏感度為85.45%，特異度為89.19%。DECT的出現(xiàn)有望成為新的骨密度測量標準，但Gruenewald等[19]的研究為回顧性，納入的患者多伴有疼痛及創(chuàng)傷病史對結果造成一定偏移，對不同年齡患者也未行分層管理。因此，對老年性骨質疏松癥的研究還需設計更有層次、更具體的方案。

2.1.5 金屬植入物術后 現(xiàn)代人工關節(jié)置換及金屬植入術作為一種使用頻率高、成功率高的手術方式，由于平片評估金屬植入物的敏感度和特異度較低，而常規(guī)混合能量CT由于高度衰減的物質造成的圖像偽影和失真極大地限制了圖像質量[20-21]，術后機械松動、磨損及鄰近部位疾病的診斷較為困難[22]。而DECT可以在不增加輻射暴露的情況下減少金屬偽影，通過后處理技術產(chǎn)生虛擬單能量成像來減少射束硬化偽影。Bamberg等[23]使用DECT對31例植入金屬物的受試者進行成像，發(fā)現(xiàn)圖像質量和診斷價值分別提高了49%和44%，偽影密度由882 Hu降至341 Hu；Long等[24]對脊柱內固定患者進行研究，發(fā)現(xiàn)使用虛擬單能量成像較其他方法脊柱金屬偽影去除效果更好。以上研究均證明射束硬化偽影減少可以改善各種類型的植入物和植入物周圍骨以及軟組織的可視化，未來可嘗試以調整或降低射線劑量的方式去優(yōu)化去金屬偽影性能。此外，當下肢骨折并金屬固定器固定的患者行造影檢查時，在去除金屬偽影的同時如何評估周圍血供情況依然值得探究。

2.2 腫瘤 BME可以是創(chuàng)傷相關的骨髓出血的結果，也可以與非創(chuàng)傷環(huán)境中的感染、免疫環(huán)境及腫瘤等有關[25]。原發(fā)性惡性骨腫瘤除骨質破壞外，常合并鄰近骨髓的浸潤。如果術前未明確腫瘤鄰近骨髓的浸潤情況，手術范圍過小，可能導致腫瘤復發(fā)；而盲目地進行過大范圍的切除，可能有影響患側肢體功能及損傷近端骺板導致骺板早閉、損傷神經(jīng)及周圍軟組織等風險。因此，明確腫瘤鄰近骨髓的浸潤情況對選擇合理的手術范圍、提高患側肢體的功能及延長患者生命尤為重要[26-29]。目前臨床對惡性骨腫瘤截骨平面存在較多爭議，DECT能否利用其優(yōu)勢解決該類問題值得探究。

徐蘊潮等[30]納入27例長骨惡性骨腫瘤患者，在CT圖像和DECT-VNCa圖上分別評估病灶附近有無骨髓浸潤，發(fā)現(xiàn)VNCa圖像的診斷敏感度為96.30%、特異度為92.59%、陽性預測值為92.86%、陰性預測值為96.15%、準確度為94.44%；Chen等[31]利用兔脛骨腫瘤模型研究DECT在鑒別兔惡性骨腫瘤軟組織浸潤和周圍軟組織水腫中的價值，發(fā)現(xiàn)光譜曲線分析和碘-水濃度測定有助于鑒別骨腫瘤軟組織浸潤和軟組織水腫；Kosmala等[32]應用VNCa技術評價DECT對多發(fā)性骨髓瘤骨髓浸潤的診斷價值，以-44.9 Hu為界值，診斷骨髓浸潤的敏感度為93.3%，特異度為92.4%，準確度為92.7%，陽性預測值為84.3%，陰性預測值為96.9%。以上研究表明DECT在檢測骨結構損害和腫瘤骨髓浸潤中具有潛在的價值，但均同時納入了治療和未被治療的患者，可能忽略了放化療等藥物對腫瘤微環(huán)境的影響。此外，由于惡性骨腫瘤在手術前后常需放化療綜合治療，臨床醫(yī)師常需通過多次影像檢查動態(tài)監(jiān)測患者對放化療的敏感度，而使用MRI多次評估病情給患者及其家庭帶來更多的心理及經(jīng)濟負擔；與PET/CT、MRI相似，DECT也能評估疾病治療療效，并成為一種新的有價值的影像學工具。此外，原發(fā)性骨腫瘤的好發(fā)人群通常是兒童及青少年，如何降低射線劑量更好地評估患者病情還需進一步探究。

3 DECT在診斷軟組織相關疾病中的臨床應用

MRI是評估肌腱和韌帶損傷的“金標準”，DECT為肌腱和韌帶的可視化提供了一種新的成像方法。由于羥賴氨酸和羥脯氨酸側鏈的存在[2]，DECT能夠利用物質分離算法顯示軟組織膠原結構，如韌帶和肌腱，并識別其病理情況。DECT也可能在肌腱的特征化方面發(fā)揮作用，容積再現(xiàn)技術可以進行解剖定位，了解肌腱與骨結構的關系，并更好地顯示軟組織。DECT可直觀顯示拇長屈肌腱、指淺屈肌腱、指深屈肌腱、跟腱、拇長伸肌腱和指長伸腱等肌腱的連續(xù)性、側面及附著點[33]。使用膠原蛋白后處理算法，DECT可以使椎間盤的膠原蛋白可視化[34-35]。但上述研究均僅表明DECT對較大較厚的肌腱韌帶顯像良好，而對較薄的韌帶無法顯像，且忽略了射線劑量對人體帶來的損害，因此DECT對肌腱韌帶的評估還面臨諸多挑戰(zhàn)。

4 總結

DECT正在迅速成為骨肌系統(tǒng)疾病成像中的一種有價值的工具，如在骨折、類風濕性關節(jié)炎、骶髂關節(jié)炎、強直性脊柱炎、非創(chuàng)傷性骨痛及多發(fā)性骨髓瘤骨髓浸潤的情況下檢測BME，并使肌腱和韌帶可視化及有助于檢出痛風石；但是在減輕射線硬化偽影的同時顯示周圍血供情況及顯示較薄的韌帶等應用中依然存在局限性，在骨原發(fā)性腫瘤、骨的感染性疾病如骨髓炎及周圍神經(jīng)病變中也缺少相關研究。

DECT在肌肉骨骼疾病領域正在積極研究、開發(fā)，但MRI仍是目前對BME及軟組織成像的最佳方式，DECT可以作為一種成本較低或有MRI禁忌證時的彌補方式，但絕不是替代；相信在未來技術的升級改造中，DECT將產(chǎn)生更多與MRI相媲美的臨床應用。