應用能譜CT分析退行性腰椎皮質羥基磷灰石和鈣含量

馬歡，羅嗣頻，傅菲，鄧欣，萬業達

1.天津醫科大學 研究生院，天津 300202；2.天津市天津醫院 放射一科，天津 300202

引言

近年來，腰椎退行性改變是引起中老年人腰腿疼痛的一種常見病和多發病，且隨著年齡的增長發病率普遍增加[1]。腰椎退行性改變的典型表現之一是椎體皮質增厚，唇樣骨贅及骨橋形成[2]。但是目前對于腰椎退行性骨關節病的認識仍有很多不足，本研究利用能譜CT中羥基磷灰石（水）[HAP（water）]和鈣（水）[Ca（water）]基物質對分別對含有骨贅的退行性椎體皮質中的HAP含量和Ca含量進行評估，從而為腰椎退行性變的發病機制提供依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象

收集2020年9月至2021年1月于天津醫院行腰椎CT平掃的患者78例，其中男34例，女44例，年齡50～79歲，平均（64.66±6.43）歲，共129個椎體。根據年齡分為3組：組1：50～59歲，21例，共29個椎體；組2：60～69歲，36例，共67個椎體；組3：70～79歲，21例，共33個椎體。根據性別進行分組，男，44例，63個椎體；女，34例，66個椎體。所有患者均簽署知情同意書。納入標準：① 因腰疼、腿疼、下肢麻木等原因來醫院就診，并行腰椎CT平掃的病人；② 椎體前緣有且僅有一個骨贅的椎體。排除標準：① 有骨壞死、骨感染、強直性脊柱炎、腰椎骨折、腰椎結核、椎體及椎管腫瘤、腰椎行內固定的病人；② 椎體前緣有兩個骨贅的椎體；③ 年齡小于50歲。

1.2 設備與方法

采用GE Revolution ES CT進行能譜（Gemstone Spectral Imaging，GSI）掃描。掃描過程中選取GSI腰椎協議，掃描范圍：腰1至骶1，掃描方向：由上至下進行掃描。掃描參數：管電壓采用GSI模式，利用高（140 kV）、低（80 kV）電壓瞬時切換獲得能譜數據；管電流采用自動管電流模式（GSI assist），200～485 mA；噪聲指數：9.0；采用螺旋掃描方式，轉速為0.5 s/r，螺距為0.992：1；探測器寬度80 mm；層厚5 mm；層間隔5 mm；前置自適應迭代算法：40%。重建參數：74 keV單能量圖像；層厚與層間距均為0.625 mm；后置自適應迭代算法：50%。

1.3 圖像后處理及分析

掃描完成后，將重建出的能譜數據推至AW4.7工作站。使用GSI viewer生成HAP（water）和Ca（water）基物質圖像。由一名高年資放射科醫師（具有10年以上診斷經驗）在HAP（water）和Ca（water）基物質圖像中椎體的正中矢狀面上，分別在椎體前緣皮質、椎體上緣皮質、椎體下緣皮質和后緣皮質繪制興趣區（Region of Interests，ROI）并進行測量，詳見圖1。將椎體的前緣、上緣和下緣平分為三部分，并在每個部分的中間位置放置1個面積為1 mm2的ROI，椎體后緣中間部分由于有血管及神經存在，將其等分為三份后，只在上部和下部的中間位置放置1個面積為1 mm2的ROI，并分別記錄各個ROI下的HAP密度值和Ca密度值，計算出椎體各邊緣皮質ROI下的平均值。比較椎體各邊緣、不同年齡段和不同性別間測量值的差異。

圖1 椎體四個邊緣皮質ROI勾畫方法

1.4 統計學方法

采用SPSS 26.0進行統計學分析。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗評估計量資料的正態性，符合正態分布的計量資料以均數±標準差（±s）表示。采用單因素方差分析比較椎體四個邊緣皮質的HAP和Ca密度值差異是否有統計學意義，以及不同年齡段椎體四個邊緣皮質的HAP和Ca密度值差異是否有統計學意義，進一步兩兩進行比較采用LSD-t檢驗。使用獨立樣本t檢驗比較不同性別中椎體四個邊緣皮質的HAP和Ca密度值差異是否有統計學意義。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 椎體皮質HAP和Ca含量的比較

椎體四個邊緣皮質進行比較，椎體上緣和椎體下緣的HAP和Ca密度值差異無統計學意義，其余兩兩比較差異均有統計學意義（P<0.001）。HAP和Ca密度值由高到低依次為椎體前緣、椎體上緣和椎體下緣、椎體后緣（表1）。

表1 椎體皮質HAP和Ca含量的比較

2.2 不同年齡段椎體皮質HAP含量的比較

不同年齡段椎體四個邊緣皮質進行比較，僅組2與組3椎體上緣皮質的HAP含量有差異（P=0.009），其余差異均無統計學意義（表2）。

表2 不同年齡段椎體皮質HAP的比較

2.3 不同年齡段椎體皮質Ca含量的比較

不同年齡段椎體四個邊緣皮質進行比較，僅組2與組3椎體上緣皮質的Ca含量有差異，其余差異均無統計學意義（表3）。

表3 不同年齡段椎體皮質Ca的比較

2.4 不同性別間椎體皮質HAP含量的比較

不同性別間椎體四個邊緣皮質進行比較，前緣和下緣的HAP密度值在男女之間有差異，其余差異均無統計學意義，詳見表4。

表4 不同性別間椎體皮質HAP的比較

2.5 不同性別間椎體皮質Ca含量的比較

不同性別間椎體四個邊緣皮質進行比較，前緣和下緣的Ca密度值在男女之間有差異，其余差異均無統計學意義（表5）。

表5 不同性別間椎體皮質Ca的比較

3 討論

腰椎退行性病變的檢查以影像學為主，手段主要有X線平片、多層螺旋CT和MRI等[3-4]。其中，對于描述脊柱的形態學特征，多層螺旋CT可以很好地完成。但是越來越多研究是定量分析研究，能譜CT可以提供較常規CT的更多參數來評價病變，尤其是在骨骼肌肉系統中[5-7]。

能譜CT是利用不同物質的X線衰減來獲得能譜數據，不同物質的X線衰減主要取決于光電效應和康普頓效應的相互作用，任何物質的衰減系數都可以表示為兩種已知基物質的衰減系數的線性組合[8]。能譜CT基于物質的有效原子序數Z不同以及不同物質在不同X線能量下其特定的X線衰減系數產生特殊的物質圖像[9]，使用兩種不同能量的X射線束來獲得不同的能量數據，從而實現單個體素的物質分離。已經有許多既往研究利用基物質分離技術，如肺癌，痛風結石等[10-11]。骨皮質的主要成分是無機鹽和水。因此，基于能譜CT物質分離技術可以檢測椎體皮質的HAP含量以及Ca含量。腰椎退行性改變目前仍然是造成中老年人腰腿疼痛的主要原因，且隨著年齡的增長，椎體發生退變的機會更大[1-2]。對于檢測腰椎退行性病變，本研究利用能譜CT基物質對HAP（water）和Ca（water）測量并評估椎體四個邊緣皮質中的HAP密度以及Ca密度。其中分別測量并對比了患者椎體的前緣、上緣、下緣和后緣，發現它們HAP密度以及Ca密度均有明顯差異（P<0.01）。能譜CT物質分離評價腰椎退行性改變椎體皮質HAP含量和Ca含量是有可行性的。

腰椎四個邊緣皮質各參數的比較中發現，正常腰椎正位時，力學分布主要集中在椎體骨皮質、椎弓峽部和小關節突，這是由腰椎的結構特點決定的[12]。隨著年齡的增長，椎體發生退行性改變，椎間盤的彈性開始逐漸降低，髓核失去水分導致椎間盤高度降低，對負重的彈性也減低，隨之終板厚度減少纖維環不能附著于終板上，也開始變薄，失去彈性。為了保持最大的承載能力，椎間盤將其所受到的應力分散到纖維環，隨后傳遞到椎體的終板[13]。由于椎間盤所受壓應力增大，椎體所受壓力也相應增加，椎體長時間壓應力的改變會造成椎體代償性增生，椎體皮質增厚。因此，隨著年齡的增加，腰椎發生退行性變的患者常常伴隨椎體的骨質增生性改變[12]。在椎體發生退行性改變時，脊柱結構幾何形狀與材料特性均會發生改變，因而影響腰椎的應力傳導[14]。

本研究中將椎體四個邊緣皮質的HAP含量和Ca含量進行比較，僅椎體上緣與下緣皮質的HAP含量和Ca含量差異無統計學意義，椎體前緣高于椎體上緣和下緣，椎體后緣低于椎體上緣和下緣。由此推測椎體四個邊緣骨皮質HAP含量以及Ca含量不一樣的原因可能是其受力不同，且椎體皮質的受力大小與骨含量有關。譚軍[15]指出，根據Wolff定律，骨組織的結構符合骨組織的應力分布特點,應力大的部位骨組織的強度大,具體表現為骨含量高,骨密度大。且有研究表明，在L4椎體上表面施加垂直于椎體向下的壓力后，傳遞到椎間盤后的Von-Mises應力，前部明顯大于中后部，由此可推斷椎體前柱承受的應力大于中后柱[16]。本研究中椎體前緣的皮質HAP含量以及Ca含量高于其他三個邊緣，與椎體前部承受的應力大于中后柱結果一致，驗證了椎體皮質的受力大小與其骨含量有關。椎體后緣骨皮質最薄，甚至在椎體中部骨皮質缺如，相當于椎體后壁靜脈竇，所以椎體后緣皮質HAP含量以及Ca含量低于其他三個邊緣骨皮質。椎體上緣皮質和椎體下緣皮質的HAP含量以及Ca含量沒有差異，可能是由于椎體上緣和下緣受到的力沒有差別。椎體的上下緣由骨性終板構成，上下終板承受來自纖維環和髓核的軸向的不均勻壓力,起著分散應力的作用[15]。所以對于整個終板來說，其受力大小沒有差別。

本研究中不同年齡段間椎體皮質進行比較，僅上緣中組2的HAP和Ca含量高于組3，其余差異無統計學意義。這可能是由于隨著年齡的增加，椎間盤發生退變，上緣終板的受力增大，代償性增生，骨含量增高，但終板受力大小超出其代償能力后，其HAP和Ca含量開始減少。不同性別間椎體皮質進行比較，前緣和下緣的HAP和Ca密度值有差異，其余差異均無統計學意義。這可能是由于男性和女性的生理結構不同，導致椎體各部位受力大小也不同。

本研究存在一定局限性：① 本研究樣本量相對較小，可能存在選擇偏倚；② 僅對椎體前緣有且僅有一個骨贅的椎體進行了分析。

綜上所述，能譜 CT 中 HAP（water）和 Ca（water）基物質對能在體內測量椎體皮質的HAP以及Ca的含量，可以為椎體皮質的定量研究提供幫助，有助于判定退行性病變程度、進一步闡明腰椎退行性變的發病機制。