雙能量CT在脊柱病變中的臨床應用

李能，鄧小毅

隨著成像技術的不斷進步，雙能量CT(DECT)逐步進入臨床，成為CT發展史上又一個新的里程碑，開辟了臨床應用的全新領域[1]。DECT與常規CT的關鍵不同點是不僅能顯示形態學的改變，而且可以量化反映組織在能量學范疇的差異，提供諸多反映病灶本質特征的、定量的多參數，拓展了CT的應用范圍[1]。DECT多參數可直觀顯示骨髓的情況，在骨肌系統疾病的診斷中起著越來越重要的作用，其在脊柱病變中也得到了較為廣泛的應用。本文對DECT原理、技術參數及其在脊柱病變中的價值進行歸納總結。

雙能量CT的原理及主要技術參數

1.雙能量CT的原理

DECT通過互相垂直的2套球管發出高、低2種不同能量射線進行同步螺旋掃描，其中低能量光子以光電效應為主，高能量光子以康普頓效應為主，由探測器采集數據，得到不同物質成分在不同能量下的衰減特征，從而對物質進行有效的識別及定性、定量分析[2]。

2.雙能量CT的主要技術

虛擬去鈣化(VNCa)：根據2個不同能級的CT數據集對物質的成分進行分解，從而更好的區分物質成分，并通過彩色編碼偽彩圖來提供更好的骨髓評估圖像[3]。VNCa是一種評估骨髓水腫的可靠方法，準確率較高[4]。

痛風石成像：根據物質在80 kV和140 kV條件下不同衰減值差異可區分出所掃描物質的不同化學成分，將尿酸鹽(MSU)結晶與鈣鹽、骨組織(骨皮質、骨松質)區分開并自動標記，多平面重組(MPR)偽彩圖和容積再現(VR)圖中將尿酸鹽結晶標記為綠色偽彩[5]。這是目前在骨肌系統中應用最為成熟的雙能量CT技術，廣泛應用于痛風患者的MSU結晶檢測。

虛擬單能量成像：可以提供不同物質在不同能級下的CT值及特征性能量曲線，當物質內成分發生改變時物質內不同理化、病理成分在虛擬單能量成像上呈現不同的CT值和特征性能量曲線[6]。曲線趨向重合或接近常常提示物質組織成分相似，反之則提示物質成分存在差異性，這可以用作脊柱良惡性壓縮性骨折的評估手段。此外金屬物對不同能量的X線衰減不同，低能量X線衰減更明顯，DECT利用這個原理可以有效地去除金屬偽影。

電子云密度/等效原子系數(Rho/Z)：提供的3個參數具有不同的含義，Z代表物質中原子核中的質子數，Rho代表一個單位體積內電子的數量，DEI代表某種物質的X線衰減系數在兩種不同光能下的差異[7]。多參數成像可較準確地對物質的某些特征進行定量分析，為臨床提供更有效的信息[8]。目前應用主要包括胸腹部腫瘤鑒別及放射治療、結石分析、椎間盤變性等。

雙能量CT在脊柱病變中臨床應用

1.脊柱骨折

脊柱壓縮性骨折是老年人較為常見骨折類型之一。而骨髓水腫是急性骨折最重要的特征。磁共振是目前檢測骨髓水腫最主要的手段，但磁共振的使用經常會受到限制，有各種絕對和相對禁忌癥。并且椎體壓縮骨折相對于四肢骨折癥狀相對輕微，容易忽視，造成漏診[9]。成人骨髓中多為黃骨髓，脂肪成分為主，當骨折急性期(圖1)時骨髓水腫、出血，經過VNCa技術處理后，值較正常骨髓升高，而骨折慢性期(圖2)時出血已經吸收，骨髓水腫好轉，值與正常骨髓接近，可通過彩色編碼偽彩圖來顯示CT值的變化，同時還可以測量CT值來進行定量分析。學者[10]利用DECT VNCa技術檢測椎體骨髓水腫，以MRI為參照，用彩色編碼圖像診斷椎體骨髓水腫，顯示了很好的敏感性、特異性。

圖1 患者，女，66歲，外傷腰背部疼痛。L1椎體急性壓縮骨折。a) CT矢狀面重建圖示L1椎體(箭)輕度楔形變，骨小梁結構扭曲，皮質中斷; b) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示L1椎體(箭)輕度楔形變，并且較其它椎體偽彩顏色異常，髓腔偏綠色; c) MRI矢狀面T2WI脂肪抑制序列圖像示L1椎體(箭)稍變扁伴片狀高信號提示骨髓水腫，證實為急性壓縮骨折; d) L1椎體虛擬單能量曲線，顯示在40～100keV區間曲線坡度相對平緩。 圖2 患者，女，61歲，間歇性腰腿痛10余年。L2椎體慢性壓縮骨折。a) CT矢狀面重建圖示L2椎體(箭)明顯變扁; b) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示L2椎體(箭)較其它椎體偽彩顏色大致相似，髓腔偏紫色; c) MRI矢狀面T2WI脂肪抑制序列圖示L2椎體(箭)未見明顯異常高信號，證實為慢性壓縮骨折; d) L2椎體虛擬單能量曲線圖示在40～100keV區間曲線坡度相對平緩。

脊柱惡性壓縮性骨折與良性壓縮性骨折在發病機制上存在不同，前者主要是由于腫瘤細胞浸潤骨髓導致，后者主要是由于骨質疏松或外傷引起。當患者病史不詳的情況下，常規CT對于兩者的鑒別診斷存在一定困難，DECT虛擬單能量成像技術能通過對不同單能量下物質的CT定量值及虛擬單能量曲線可以對兩者進行鑒別診斷。相對于脊柱良性壓縮性骨折，在40～100 keV區間內脊柱惡性壓縮性骨折(溶骨性轉移)的能量曲線坡度更為平緩，衰減程度更低，而脊柱惡性壓縮性骨折(成骨性轉移)的能量曲線坡度更為陡直，衰減程度更大(圖3)。

2.脊柱轉移瘤

骨骼系統最常見的惡性腫瘤是骨轉移瘤，而脊柱是骨轉移瘤最常見的發病部位[11]。常規CT掃描可顯示骨質破壞，但其對髓腔內腫瘤骨髓浸潤的敏感性不高，容易造成漏診。而DECT能有效地識別脊柱病理狀態下的異常組織成分(圖4)，提高檢測脊柱轉移瘤的敏感性、特異性及準確性。Dong等[12]對肺癌患者成骨性轉移瘤進行回顧性分析，證實了DECT能提高不明顯成骨性轉移瘤的檢出，幫助診斷成骨性轉移瘤。

圖3 患者，男，81歲，肺癌病史。Th6椎體病理性骨折。a) CT矢狀面重建圖示Th6椎體(箭)明顯變扁，密度略增高; b) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示Th6椎體(箭)明顯變扁，并且較其它椎體偽彩顏色不同，髓腔偏綠色及棕色; c) 雙能量彩色編碼軸面重建圖示Th6椎體、椎弓根、椎板相比兩側橫突偽彩顏色不同，髓腔偏綠色及棕色; d) MRI矢狀面T2WI脂肪抑制序列圖示Th6椎體(箭)變扁呈明顯高信號; e) MRI矢狀面T1WI序列圖示Th6椎體(箭)變扁呈明顯低信號，并累及椎弓根; f) Th6椎體虛擬單能量曲線圖示在40～100keV區間曲線坡度較圖1、2更為陡直，衰減程度更大。 圖4 患者，男，75歲，肺小細胞癌病史。a) CT矢狀面重建圖示Th12椎體(箭)密度稍增高； b) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示Th12椎體(箭)偽彩顏色異常，髓腔呈棕色; c) 雙能量彩色編碼軸位重建圖示Th12椎體髓腔大部分呈棕色，而椎弓根呈正常的藍色，提示椎體內骨髓被腫瘤組織浸潤導致骨髓水腫; d) MRI T1WI矢狀面圖示Th12椎體(箭)呈明顯低信號; e) MRI T2WI壓脂矢狀面圖示Th12椎體(箭)呈明顯高信號; f) MRI T2WI軸面圖示Th12椎體髓腔大部分呈稍高信號(與周圍肌肉信號相比)，與c)病灶范圍大致相似。Th12椎體最終證實為轉移瘤。

3.多發性骨髓瘤

多發性骨髓瘤是骨髓來源的漿細胞增殖性腫瘤。腫瘤的分型和分期差異很大，骨髓瘤細胞的腫瘤負荷對治療方案和患者預后具有重要指導價值[13]。長期以來腫瘤負荷的評估只能通過血清學標記來完成。隨著CT、MRI、FDGPET等影像學技術的發展，直接評估骨髓瘤浸潤的程度成為可能[14]。脊柱常規CT掃描時，由于松質骨內致密的小梁結構，對非溶骨性骨髓浸潤的顯示敏感性較低[15]。對于DECT，正常骨髓的富含脂肪，其VNCa CT值偏低，當正常骨髓被腫瘤組織取代后該值會升高(圖5)。主觀圖像評估中VNCa圖像在檢測骨髓瘤的敏感性、特異性、準確性、陽性預測值、陰性預測值均較高[16]。因此DECT VNCa技術成為檢測浸潤性骨髓瘤的有效手段。

4.淋巴瘤骨髓侵潤

淋巴瘤起源于淋巴結和淋巴組織，是免疫系統的惡性腫瘤。一旦出現骨髓浸潤表明進入疾病廣泛期(Ⅳ期)[17]。因此準確診斷淋巴瘤的分期，對于預后評估至關重要。判斷淋巴瘤骨髓的浸潤傳統方法包括骨髓活檢、18F-FDGPET-CT和MRI[18]，但由于限制較多，并不適用于所有患者。而DECT作為一項簡便有效的方法，使用VNCa技術可對骨髓浸潤的位置及程度進行初步的判斷，從而指導臨床的治療及評估預后(圖6)。

圖5 患者，女，66歲，多發性骨髓瘤病史。a)雙能量彩色編碼斜冠狀面重建圖示骶椎偽彩顏色異常，呈深褐色; b)雙能量彩色編碼軸面重建圖示骶椎及左側髂骨偽彩顏色異常，呈深褐色; c) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示骶椎偽彩顏色異常，呈深褐色，提示骨質被腫瘤組織浸潤；d) MRI T2WI軸面圖示骶骨骨質破壞，呈明顯高信號; e) MRI T1WI矢狀面圖示骶骨骨質破壞，呈明顯低信號，內部壞死區域信號更低; f) MRI T2WI矢狀面圖示骶椎骨質破壞，呈高信號，內部壞死區域信號更高。最終經穿刺活檢證實為骨髓瘤。 圖6 患者，男，67歲，套細胞淋巴瘤病史。a) 雙能量彩色編碼軸面重建圖示Th4椎體、附件及鄰近肋骨偽彩顏色異常; b) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示多發胸椎椎體偽彩顏色異常，呈棕色，提示腫瘤浸潤; c) MRI T2WI矢狀面圖示對應胸椎的骨質破壞，呈明顯不均勻高信號; d) PET-CT圖像(CT檢查前3個月)示多發椎體骨髓FDG攝取增高。

圖7 患者，男，16歲，強直性脊柱炎病史。a) 雙能量彩色編碼斜冠狀面重建圖示兩側骶髂關節偽彩顏色異常，呈綠色; b) MRI STIR斜冠狀面圖示兩側骶髂關節面可見片狀高信號; c) T1WI壓脂增強斜冠狀面圖示雙側骶髂關節明顯強化，提示炎性改變。 圖8 患者，男，36歲，右側腿痛加重半年。a) CT矢狀面重建圖示L5/S1椎間盤的突出(箭); b) CT冠狀面重建圖示L5/S1椎間盤突出的髓核(箭)與硬膜囊相比，呈稍高密度; c) CT軸面圖示L5/S1椎間盤突出伴硬膜囊的受壓(箭)，突出的髓核與周圍組織境界顯示欠清晰; d) 雙能量彩色編碼矢狀面重建圖示L5/S1椎間盤的突出(箭)較a更為直觀; e) 雙能量彩色編碼冠狀面重建圖示L5/S1椎間盤突出的髓核(箭)與硬膜囊的對比較b更顯著; f) 雙能量彩色編碼軸面重建圖示L5/S1椎間盤突出伴硬膜囊的受壓(箭)，突出的髓核與周圍組織境界顯示清晰。

5.脊柱關節炎

脊柱關節炎是一組主要影響中軸骨的慢性炎癥性疾病[19]。準確評估疾病的活性對治療至關重要，疾病活性的主要影像學征象是骶髂關節的骨髓水腫[20]。DECT兩種不同的管電壓下，通過對物質進行分解和計算，得到彩色編碼的VNCa圖像，可以顯示正常骨髓和異常骨髓之間的密度差異[11](圖7)。Wu等[21]的實驗結果證明VNCa圖像結合定量密度測量在檢測脊柱關節炎骨髓水腫的準確性可與MRI相近。

圖9 患者，男，82歲，外傷至腰背部疼痛，有痛風史。a) 雙能量彩色編碼軸面重建圖示腰5椎小關節內(箭)一枚點狀綠色偽彩; b) 雙能量彩色編碼冠狀面重建圖示腰5椎小關節內(箭)多枚點狀綠色偽彩; c) 雙能量彩色編碼VR重建圖像，腰骶椎小關節內(箭)多枚點狀綠色偽彩，提示尿酸鹽結晶沉積。 圖10 患者，男，72歲腰1椎體骨折術后。a) CT平均加權圖示內固定偽影明顯; b) 通過后處理調整為110keV后，圖像偽影明顯減少; c) VR重建圖像; d) CT矢狀面重建圖像; e) CT冠狀面重建圖像; f) MIP重建圖像清晰顯示內固定的走行、位置、牢固及愈合程度。

6.椎間盤突出與變性

腰椎間盤退行性變及其繼發的突出改變與腰背痛有明顯相關性[22]，因此快速并準確的診斷很重要。多項研究表明與常規灰階CT相比，DECT可提供更詳細的腰椎椎體和椎間盤的病理信息[23]。Christian Booz等[24]的研究表明雙能量彩色編碼重建圖像對腰椎間盤突出癥的診斷準確率要高得多。由于腰椎間盤雙能量顏色編碼重建圖像中腰椎間盤和腦脊液之間有清晰分界，檢測腰椎間盤突出癥的效果好，尤其用于檢測輕微的腰椎間盤突出癥的效果最好[25](圖8)。Yuki Shinohara等[26]的研究顯示椎間盤髓核的VNCa CT值與椎間盤退行性變的嚴重程度有顯著的相關性，VNCa CT值可以直接反映腰椎間盤退行性變的程度。

7.痛風尿酸鹽結晶沉積

痛風在我國的發病率逐年升高，已成為我國第二大代謝性疾病。痛風的特征是MSU晶體在細胞外組織沉積。其中約15%的痛風患者發生在脊柱，當出現MSU沉積時，其累及腰椎(38.0%)、頸椎(24.8%)、胸椎(17.8%)和骶髂關節(9%)[27]。脊柱MSU沉積物(圖9)可在椎體、椎弓根、椎板、黃韌帶、脊間軟骨、椎間盤或椎管內發現。DECT能有效識別不同組織的雙能量指數，MSU結晶的雙能量指數較低，而鈣鹽的雙能量指數較高[28]，因而對痛風具有較高的診斷敏感性、特異性及診斷符合率[29]。

8.去金屬偽影

由于偽影的存在，MR和傳統CT在金屬內固定患者中很難獲得高質量的成像[30]，影響附近組織的顯示。因此，對脊柱金屬內固定物可能引起的并發癥評估有限。DECT是一個非常實用的工具，可以有效減少金屬植入物偽影，得到高質量的圖像，從而清晰顯示鄰近的骨骼、關節、軟組織及血管等(圖10)。

DECT在脊柱成像中發揮著越來越重要的作用，能提供傳統CT無法實現的后處理及定量分析技術，充分利用這些多參數雙能量技術，可為急慢性骨折、脊柱轉移瘤、椎間盤變性突出、脊柱關節炎等常見病變的診療過程中提供更多的診斷信息；另外對于脊柱MSU沉積、多發性骨髓瘤、淋巴瘤骨髓侵潤等少見病變亦可進行有效識別；再者對于骨折術后去金屬偽影，更好的進行術后評估。