雙能CT技術在肌骨成像中的應用研究進展

張健，趙宏偉，蘇京鎖

（河南省駐馬店市第159醫院門診部放射科，河南 駐馬店 463000）

近年來，雙能CT成像技術的發展及新型雙能CT設備的研發促進了該技術在臨床的快速推廣及應用。該技術可廣泛應用于胸部、腹部、肌骨、血管以及神經系統等多種組織成像。與傳統CT成像技術相比較，雙能CT技術可對組織成分進行分析，減少偽像，進行圖像優化，且較常規CT能大幅提高時間分辨率、空間分辨率、密度對比分辨率[1]，因此具有極大的應用優勢。本文將對雙能成像技術的基本原理，及其在肌骨成像中的臨床應用進行簡單綜述。

1 雙能CT的基本原理

在進行CT掃描時，由于X射線光子與照射路徑上物質原子內的K殼電子相互作用，使得光子被吸收從而產生X線衰減。光子的吸收程度由其能量水平及其與電子K殼結合能的匹配水平決定。當光子能量在“k緣”水平，即其能量剛剛超過電子K殼結合能時，可觀察到光子的顯著吸收。1979年Di Chiro及Millner首次報道發現[2-3]，同一組織的CT信號在不同的CT能量譜下不相同，由此提出了雙能的概念。雙能CT分別利用低球管電壓及高球管電壓（通常為80 kV及140 kV）對物體進行掃描。原子序數較高的元素，如碘、氙、鈣等，其k緣值與低千伏電壓射線源所產生的光子平均能量更匹配，因此會吸收更多的低能光子。而人體基本組成成分碳、氧、氫、氮均為低原子序數元素，其k緣值較低，與低電壓及高電壓射線束光子均較匹配，因此其射線吸收量相當。不同元素成分組織對低能及高能射線束衰減的差異被稱為雙能系數（Dual energy index,DEI），該系數為雙能CT技術識別、增強或抑制不同組織類型的基礎。

目前常用的雙能CT技術主要包括以下四種：順序掃描技術、雙源技術、快速千伏電壓轉換技術以及雙層探測器技術。順序掃描技術是最初采用的雙能技術，即采用單個射線源順序進行兩次不同能量水平的CT掃描。該技術對硬件要求最低，但輻射劑量與成像時間最長，患者易移動，因此圖像后處理較困難，已被另外三種技術所取代[4]。隨后，西門子公司及GE公司分別研制并推出了雙源技術及快速千伏轉換技術。雙源雙能CT技術使用兩組能量水平不同、互成90°角設置的X線球管及檢測器，以同時獲得兩組成像數據。快速千伏轉換技術在儀器構架內僅設置了單個球管，但通過快速轉換能量水平從而在球管的每次旋轉周期內獲得兩組數據。上述兩種技術各有其優、缺點，目前在臨床中均有較廣泛應用。雙層檢測器技術使用淺層及深層兩組檢測器分別獲取低能量及高能量x線衰減數據。但是，由于該方法輻射劑量較高，軟組織對比差等原因，其臨床應用并不被看好[4]。

2 雙能CT在肌骨成像中的臨床應用

2.1 金屬偽像減影 臨床骨科手術中植入的金屬植入物會產生光子饑餓、射線束硬化偽像、量子噪音過高、輻射散射以及散射緣效應等金屬偽像，導致CT圖像質量降低。目前常采用的減少偽像方法包括改變病人體位、增加衰減量級、迭代重建利用率、使用軟組織過濾器以及增加球管電壓或電流等。這些方法可有效減少光子饑餓及射線束硬化偽像，但同時會引起輻射劑量增加，軟組織識別度降低，以及空間分辨率降低等負效應。

大量研究認為，與傳統CT成像相比較，雙能CT技術可有效降低金屬偽像，提高圖像質量，并增加診斷信息。Bamberg等[5]比較了31例骨骼金屬植入物患者的高能量雙能CT重建圖像以及傳統CT圖像，結果發現與傳統CT圖像相較，29例患者的雙能CT圖像質量更佳，27例患者的診斷結果更準確。更為重要的是，個別病變僅在高能量雙能CT圖像上可發現。與之相似，Zhou等[6]使用雙源系統對47例行骨折固定的患者進行對比分析，結果發現130 kV球管電壓的圖像質量較120 kV加權成像的圖像質量更佳，且其金屬偽像顯著減少。Lee等[7]使用快速千伏轉換雙能CT配備金屬偽像減影軟件（Metal artifact reduction software，MARS）對26例患者以及人工假體的圖像進行了對比，結論認為雙能CT可顯著減少偽像產生，并提高對金屬假體及假體周圍組織結構的顯像。Lewis等[8]使用雙源雙能CT對髖部植入物進行成像，結果表明除射線束硬化偽像外，雙能CT還可減少條索偽像，降低對比噪聲比，同時不會引起對比分辨率的降低。Tanaka等[9]對骨骼環繞型植入物的術后改變評價研究結果以及Wang等[10]對18例脊柱側凸患者椎弓根螺釘的成像結果也均支持上述研究結論。

目前對雙源法和快速千伏轉換法減低金屬偽像效果的比較研究尚不多見，但普遍認為快速千伏轉換系統相對更加有效，因為雙源雙能CT常會由于射線束發射角度的變化而導致空間分辨率的降低[11]。

2.2 痛風成像 近年來，雙能CT成像技術在痛風患者尿酸鹽沉積物成像中的應用逐漸引起了研究者注意。其成像原理主要依靠鈣質與尿酸鹽的DEI值不同。在雙能CT圖像后處理過程中，將組織成分對低能量（80 kV）射線和高能量（140 kV）射線的衰減值分別列于Y軸及X軸，則高原子序數的鈣質位于軟組織中線上方，低原子序數的尿酸鹽結晶位于中線下方，從而可實現骨質與尿酸鹽結晶信號的分離。通過對每種物質信號進行彩色編碼并疊加于灰階CT圖像上，便可形成尿酸鹽結晶的雙能CT特異性成像圖。

迄今為止，已有多項國內外研究對雙能CT在痛風診斷中的應用進行了報道。Choi等[12]最早于2009年使用雙能CT成像對痛風患者的尿酸鹽沉積物進行掃描，結果發現該技術可有效提高臨床癥狀不顯著的痛風石的檢出率。隨后擴大樣本量的研究對40例臨床證實的痛風患者及40例其他類型關節炎患者進行了雙能CT掃描，結果認為雙能CT檢查的特異性及敏感性分別達到了84%及93%[13]。Glazebrook等[14]對94例關節疼痛的患者進行了雙源雙能CT掃查，并比較了兩名醫師的獨立診斷結果，結論認為其診斷的敏感性均達到了100%，特異性分別為89%和79%，且其診斷者認同度近乎完美（κ=0.87）。莫守崎等[15]對44例患者進行的研究結果認為雙能CT診斷痛風性關節炎的靈敏度為94.59%，特異度為100%。梁波等[16]對120例患者的研究發現雙能CT可有效檢出足/踝部非顯性痛風石慢性痛風性關節炎患者的尿酸鹽沉積。劉力等[17]研究認為，雙能CT成像技術對高尿酸血癥、痛風早期、疑似痛風患者均有較高的檢出率。

除了關節痛風外，雙能CT在一些少見類型的痛風（如脊柱痛風）中也具有重要的診斷價值[18]。Dhaese等[19]采用雙能CT成像方法在一例腎移植后胸椎壓痛患者的胸椎發現了尿酸鹽沉積，在予以相應治療后其癥狀完全緩解。Parikh等[20]對進行性背痛加重的患者進行雙能CT掃描后發現其腰椎椎體存在尿酸鹽沉積，同樣在給予藥物治療后疼痛好轉。

雙能CT成像對尿酸鹽沉積物檢測的敏感性極高，不僅可作為一種有效的無創性診斷手段，利用自動容積測量軟件對痛風結石體積的監測還可用于對臨床治療療效的評價[21]。Nicolaou等[22]研究認為，雙能CT對無臨床癥狀痛風結晶的早期檢出有助于避免該疾病并發癥的進一步發展，從而降低患者負擔、提高生存質量。Desai等[23]研究認為雙能CT重復測量痛風石體積的可靠性及準確性使其有望進一步應用于臨床尿酸治療的有效性監測。

值得注意的是，為了盡可能提高雙能CT診斷痛風的特異性及敏感性，圖像后處理對痛風石偽像的辨別極為重要。常見的偽像常位于指甲及甲床附近，皮膚老繭處，動脈，以及偽像及噪音所影響的區域。此外，范圍小于1 mm，尤其是以散在單像素形式存在的區域，也常是易形成偽像的原因之一[14，24]。

2.3 骨髓水腫檢測 骨髓水腫在骨傷疾病中經常遇到，創傷、感染、關節炎等均可合并骨髓水腫。由于骨髓腔內的病理學改變僅會對CT衰減值產生極小的影響，且部分容積效應易使鄰近骨小梁的骨髓亨斯菲爾德值產生失真，因此傳統CT成像對骨髓水腫檢測的敏感性遠不如MR成像。但是，與傳統CT成像不同，由于雙能CT成像可對物質組成成分進行分析，因此通過虛擬非鈣質成像技術（Virtual noncalcium,VNCa）移除含鈣的高衰減骨質信號后，可提供高質量的骨髓成像圖像[25-26]。

VNCa技術首先由Pache等于2010年報道[25]，其對21例以MR成像為診斷參考標準的急性膝關節創傷患者進行的分析結果發現，VNCa技術診斷骨髓水腫的敏感性及特異性分別達到了86.4%和95%，其κ值分別為0.78（股骨損傷）以及0.87（脛骨損傷）。其后對膝關節的VNCa成像研究證實該技術使用比傳統CT成像低28%的輻射劑量即可有效檢出骨髓水腫病變[26]。Guggenberger等[27]對30例創傷性踝關節損傷病例進行的研究結果證實，VNCa成像的敏感性及特異性達到了90%及80.5%，且其診斷者認同度極高（κ=0.66）。Wang等[28]進一步研究證實了VNCa成像同樣可對椎體壓縮性骨折引起的急性骨髓水腫起到很好的成像作用，其成像敏感性及特異性分別到達了96.3%和98.2%，診斷準確性達到了97.6%。Bierry等[29]評價了29例非腫瘤性椎體壓縮性骨折病例，結果發現VNCa成像診斷的特異性、敏感性以及準確性分別為84%，97%以及95%。

VNCa技術對骨髓水腫的成像具有顯而易見的優勢，但在臨床應用中需要注意以下幾點。首先，由于骨皮質“面具”效應的存在，VNCa成像不適用于鄰近骨皮質的骨髓病變顯像[25]。由于VNCa技術算法以閾值為基礎進行分段，因此空間平均效應會引起皮質下鄰近部位高衰減像素信號抑制，導致數據缺失。因此，若骨髓水腫為骨皮質病變引起的繼發性改變且病變部位局限于鄰近骨皮質的骨髓腔，則VNCa成像可能會對該病變漏診。其次，Wang等[28]報道稱在顯著壞死的椎骨（＞50%）或含有大量氣腔的椎骨中，VNCa成像的假陰性率顯著增加。最后，當圖像處理采用單獨灰階成像時，診斷敏感性有所下降，使用偽彩圖像有助于強調并標記微小的衰減值改變，因此有助于增加病灶的檢出率[26]。

2.4 膠原結構成像 近年來雙能CT對膠原蛋白成分的成像應用逐漸引起了人們的興趣。雙能CT技術可通過組織分解算法分辨軟組織內的膠原蛋白成分，隨后通過彩色編碼技術疊加至灰階圖像中，從而輔助膠原纖維的解剖學定位及病理變化檢測。

目前對膠原蛋白成像的研究主要集中在韌帶及肌腱成像領域。Sun等[30]對12例膝關節雙能CT成像患者的圖像進行了回顧性研究分析，結果發現雙能CT成像能夠清晰顯像前交叉韌帶、后交叉韌帶、髕韌帶及腓側副韌帶，而對脛側副韌帶、橫韌帶及腘斜韌帶顯影則不夠清晰，無法有效診斷評價。Deng等[31]對40例手部CT成像的對比診斷研究結果發現，雙能CT可對手部的所肌腱進行清晰顯像，且其圖像較傳統CT圖像質量顯著提高，并認為其原因可能是由于雙能CT降低了密集的指骨間的射線束硬化偽像。目前利用雙能CT技術對肌腱成像的評估尚無完整的研究報道，有研究認為雙能CT可對跟腱，髕韌帶，拇長屈肌，指淺屈肌，指深屈肌，以及趾長伸肌進行顯像[30-32]。目前對更為細小的肌腱結構進行成像尚較困難，但隨著對算法技術的進一步深入研究和發展，其成像能力有可能進一步提高[32]。

除了正常韌帶、肌腱結構的顯像研究外，也有部分學者對雙能CT的韌帶損傷成像能力進行了研究。Persson等[33]使用雙能CT技術對尸體進行成像，結果發現可有效評估腕關節及踝關節穿透傷引起的繼發性韌帶損傷。Fickert等[34]在關節鏡下對豬前交叉韌帶（ACL）進行完全或部分撕裂以建立ACL損傷模型，在術前及術后均使用雙能CT及1.5 T磁共振進行關節成像，比較并評價兩者對韌帶損傷的成像效果。結果證實雙能CT成像與MR成像具有相近的ACL成像率（雙能CT100%，MR成像100%）及ACL部分性撕裂診斷敏感性和特異性（雙能CT成像特異性71.4%，敏感性66.7%；MR成像特異性78.4%，敏感性66.7%）。而MR成像對ACL完全性撕裂的診斷敏感性（100%vs 75%）及特異性（75%vs 68.8%）高于雙能CT成像。Stevens等[35]以MR成像作為參考診斷標準，證實雙能CT的膠原材料分解成像技術可用于檢測并診斷傳統CT成像漏診的足底撕裂。Glazebrook[36]等對16例經MR確診的ACL撕裂病例在傷后約58天時進行雙能CT成像，并將其圖像與對照組11例圖像進行對比，結果發現ACL的斜矢狀平面角度可提供最佳的重建圖像，且雙能CT圖像具有極高的精確性及觀察者一致性。

2.5 骨礦物質密度分析 目前臨床應用廣泛的骨密度評估方法為檢測骨質的雙x射線吸收值（Dual x-ray absorptiometry,DXA）。DXA方法具有簡便易行，獲取時間短，圖像分辨率高，儀器差異小，可靠，以及輻射量低等優點。但其易受結構重疊、骨質退行性變等影響引起圖像失真。更為重要的是，由于骨皮質與骨小梁的代謝活性不同，因此對整個骨質平均密度進行二維成像易產生容積誤差[37]，無法有效反應真實的骨質密度情況。采用3D成像模式顯然能夠提供更為精準的骨密度評估。定量CT成像可提供精準的骨質容量密度值，目前是一種較為切實可行的成像模式。此外，有研究者提出雙能CT成像亦可作為骨礦物質密度3D容積評價的備選方法[37-39]。Wesarg等[40]采用離體椎體進行的骨密度測試結果表明，雙能CT成像較DXA成像可提供更加細致的椎體密度分析。Wichmann等[41]對160例腰椎進行活體雙能CT成像分析后得到了骨小梁的3 D可視圖像。與傳統定量CT相比，雙能CT不需要假體進行校正，且其輻射劑量更低。但是迄今為止還沒有文獻報道對雙能CT和DXA的輻射劑量（0.013 mSv）進行比較分析[42]。盡管如此，目前雙能CT在骨密度成像中的研究仍標志著其有可能進一步應用于骨質疏松癥的臨床評估。

2.6 關節造影成像中的應用 MR關節造影成像對軟組織細節成像效果好，對比分辨率高，但是CT關節成像技術具有成像速度快，等待時間短，適用范圍廣，可進行多維重建，空間分辨率高，并可在MR成像不可用的情況下（如體內有金屬植入物及起搏器時）使用等優點[30，43]。因此，隨著近年來螺旋成像技術以及多探測器技術的發展，CT關節造影成像術在關節損傷疾病，尤其是在膝關節損傷疾病中的應用有了顯著提高。盡管如此，傳統CT關節造影成像技術仍具有以下3個主要的技術難點：①對比分辨率較低，對微小撕裂處造影劑物質的檢測不佳；②對關節內礦物質（如軟骨鈣質沉積和尿酸）與撕裂處造影劑充填的鑒別診斷困難；③無法將碘對比劑信號從骨皮質中分離，因此無法為外科手術計劃提供三維重建圖像。

根據雙能CT成像技術的基本原理及多種圖像后處理算法，該技術有可能通過以下三種方法提升傳統CT關節造影圖像的質量：①通過組織分解技術將鈣質，尿酸以及碘劑等信號進行分離；②通過虛擬非對比劑增強技術將碘對比劑信號從軟骨鈣質沉積及骨皮質信號中分離；③通過獲取碘劑分布圖像增強圖像對比分辨率及微小撕裂傷的顯影能力。目前已有體外研究針對雙能CT成像技術在關節造影成像中的應用進行了初步探索，但其研究結果不盡相同。Chai等[44]利用豬關節進行的研究證實經血管使用低濃度對比劑（75 mg/ml）后，仍可成功得到虛擬非增強圖像，而在造影劑濃度更高時則無法有效抑制。而Subhas等[45]利用牛關節進行的研究則認為雙能CT較普通關節造影成像并沒有顯示出更優的信噪比或主觀的讀圖者偏好。Mallinson等[32]對28例半月板撕裂患者進行的回顧性分析研究結果顯示，以MR成像結果作為參考診斷標準，雙能CT成像檢測出了27例，而傳統CT成像僅檢測出了19例，因此認為雙能CT對半月板撕裂的診斷敏感性要優于傳統CT。

雙能CT成像技術的基本原理及上述部分試驗性研究證實了雙能CT關節造影成像技術的潛在優勢，但其臨床診斷的有效性仍需圖像后處理技術的進一步優化及更大樣本量的實驗研究來證實。

2.7 轉移瘤檢測中的應用 根據雙能CT成像技術的基本原理，理論分析來講目前有3種方式可對骨組織內良、惡性病灶進行辨別診斷[46]：①定量組織分解—腫瘤組織在轉移和浸潤過程中會產生溶骨效應，使得骨質成分減少，富含脂肪的骨髓腔被軟組織成分取代，水分含量增加。根據此病理基礎，雙能CT成像技術有可能通過對組織成分進行分解成像實現良、惡性結構的鑒別診斷。Zheng等[47]采用回顧性研究的方法，使用組織分解算法對102例腫瘤患者的椎體轉移灶和Schmorl結節進行鑒別診斷。結果發現，雖然Schmorl結節由于骨質被椎間盤成分替代使得水分含量較正常骨質也增高，但與轉移灶相比其譜曲線及斜支形式均有顯著不同（P＜0.05），轉移灶的水分含量較Schmorl結節更高，骨質含量更低（P＜0.01）。盡管該研究的樣本量較小，且缺乏病理學結果，但該研究結果對雙能CT在轉移灶檢測中的應用仍具有重要指導意義。②定性組織分解—惡性腫瘤的骨內轉移灶常表現為異常的軟組織結構或骨小梁缺損，利用雙能CT成像對正常的骨皮質及骨小梁結構進行分辨及彩色編碼，或從圖像上隱藏該部分結構，都可使骨內轉移灶顯像更加明顯。③虛擬非對比劑增強成像及碘分布圖—進展期及復發期惡性腫瘤患者常需進行含碘造影劑增強CT成像。骨內壞死灶多表現為無增強，轉移灶則多表現為小片狀非特異性增強區。通過形成虛擬非對比劑增強成像及碘分布圖，可利用雙能CT技術對轉移灶進行特異性顯像。

需要注意的是，盡管以上技術理論上可行，但其臨床可靠性仍有待進一步研究證實。

3 結論

雙能CT技術作為一種新近發展起來的新型CT診斷技術，已被證實在尿酸檢測、骨髓水腫檢測及金屬偽像減影中具有較好的診斷作用，而一些早期研究結果也初步證實該技術在韌帶、肌腱分析，關節造影，以及骨礦物質密度分析等方面可能具有一定價值。隨著成像技術及圖像后處理技術的進一步發展，雙能CT有可能為目前尚需要MR成像甚至目前醫學成像技術尚無法有效解決的肌骨系統疾病提供更加快速以及穩定可靠的成像方法。