高琬俞 朱新進

【摘要】 骨密度是度量人體骨骼骨量的一個重要標志，骨質疏松是最常見的代謝性骨骼疾病，骨密度的降低與骨質疏松直接相關；影像學檢查對高危患者的椎體骨密度進行篩查及準確定量評估有重要意義。雙能量CT是在高低能量水平下物質的不同衰減來表征不同成分，與傳統CT相比其主要優勢在于可利用多參數成像提供額外有關骨骼組織成分等信息。本文就骨密度常用檢查方法、雙能量CT成像原理及雙能量CT在椎體骨密度中的應用進展予以綜述。

【關鍵詞】 椎體骨密度 骨質疏松 雙能量CT 骨髓脂肪組織

[Abstract] Bone mineral density is an important measure of bone mass in the human skeleton.Osteoporosis is the most common metabolic bone disease. Decreased bone mineral density is directly related to osteoporosis. Imaging is important for screening and accurate quantitative assessment of vertebral bone density in high-risk patients. Dual-energy CT is used to characterize different components by different attenuation of substances at high and low energy levels. The main advantage over conventional CT is that multi-parametric imaging can be used to provide extra information about bone tissue composition and so on. This article reviews the common methods of bone density examination， the principle of dual-energy CT imaging， and the progress of the application of dual-energy CT in vertebral bone density.

[Key words] Vertebral bone mineral density Osteoporosis Dual-energy CT Marrow adipose tissue

First-author's address： Guangdong Medical University Graduate School， Zhanjiang 524000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2023.14.042

骨質疏松和骨量減少是與年齡增長相關的常見骨骼疾病之一，多見于絕經后女性和老年男性。據報道2006年我國骨質疏松癥患者近7 000萬，骨量減少者已超過2億人，雖然缺乏新近流行病學數據，但我國是世界上老年人口絕對數最大的國家，預計患病率呈顯著上升趨勢，骨質疏松癥已成為一個較大的公共健康問題[1-2]。骨質疏松的特征是骨量降低，骨組織退化和骨強度受損及骨折風險增加[1，3]，而椎體骨折是骨質疏松癥繼發骨折中最常見的一種。WHO建議對高危患者進行骨密度影像學篩查，骨密度（bone mineral density，BMD）的準確評估有助于預測骨質疏松性骨折的發生，同時也方便臨床醫生進行術前評估和術后以及用藥后療效評估。

近年來，隨著雙能量CT技術的不斷發展，它的各種應用和后處理技術已被廣泛在臨床中實施，具體在骨骼系統中，它能額外提供有關骨骼組織成分等信息，比傳統CT單純顯示骨窗和軟組織窗進行觀察有更大的優勢，為椎體骨密度成分分析及定量測量開辟了新的領域。

1 椎體骨密度解剖

脊柱是人體的中軸骨之一，為重要的承重部位。從結構上說，椎體主要由骨質、骨髓和骨膜構成。骨質中最主要成分是羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP），也是骨密度的主要構成。椎體中骨質分為骨皮質和骨松質，其中骨松質的代謝轉換率遠高于骨皮質[4]，骨質疏松早期骨量減低主要發生在骨松質，所以測量骨密度時單獨測量骨松質更為準確。

骨髓微環境是由多能肌肉骨骼干細胞和造血祖細胞及其衍生的細胞類型組成異質性生態位，被血管竇包圍而填充在松質骨小梁中。在這些祖細胞中，骨髓間充質干細胞可分化為成骨細胞、成脂肪細胞、成肌細胞和成軟骨細胞等，以支持骨骼發育及成年期的組織穩態、再生和修復[5]。隨著年齡增長，骨髓間充質干細胞的成骨能力減弱，骨形成減少，骨髓脂肪細胞堆積增多，骨折風險增加，這就是骨質疏松的發生機制之一[6]。

2 骨密度的常規檢查方法

根據目前世界衛生組織指南，雙能X射線吸收儀（dual-emission X-ray absorptiometry，DXA）是評估骨密度的金標準。盡管DXA現如今已廣泛應用，但描述該方法各種缺陷的文獻并不缺乏，因為它的面積骨密度（area bone mineral density，aBMD）是基于二維投影面積測量，即將骨皮質、骨松質及椎體附件測量值相加，其測量結果易受到周圍軟組織、腹主動脈鈣化、韌帶鈣化或者脊柱退行性改變等影響[7]。鑒于骨質疏松的患病率在伴有退行性改變的老年人中更高，DXA的測量結果會限制其敏感度和特異度。再者DXA中對骨質疏松癥有重要診斷價值的T評分不適合作為識別高骨折風險患者的唯一因素，因為患有和不患有骨質疏松癥的受試者的DXA衍生BMD范圍可能產生重疊[8]。

常規單能量CT也被用于骨密度測量，Perrier-Cornet等[9]發現其測量結果與DXA中T值密切相關。作為一種軸位斷層掃描，它不像DXA那樣容易受到皮質骨大小或成分變化的影響。然而，因易受線束硬化偽影和患者骨髓脂肪的存在的影響，這也會使測量的骨密度值偏低[10]。

定量CT（quantitative computed tomography，QCT）是肌肉骨骼成像中最早的定量成像技術之一，其允許單獨評估骨皮質和骨松質，是真正的體積骨密度（volumetric bone mineral density，vBMD）測量，已被作為測量骨密度的重要補充替代方式之一。有研究表明與DXA相比，QCT在腰椎骨密度的測量結果更為精準[11]；但不足之處在于其工作原理不允許對椎體中的骨量和脂肪骨髓物質分化，只是純粹反映骨小梁測量，而年長者椎體內逐漸紅骨髓黃骨髓化，所以結果會使測量值偏低[12]；且以往傳統專用QCT需要額外的體模置于受檢者下方與之同時掃描，對于骨密度的機會性篩查使用中較為不便。

現階段MRI多用于椎體骨髓水腫的檢查，而在骨密度的應用多使用T1加權、基于化學位移編碼的水-脂肪MRI（CSE-MRI）定量技術等來測定椎體骨髓脂肪含量[13]。磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）能夠對人體代謝和生化指標進行無創評估，為骨密度中脂肪含量的測量提供新方式[14]。但由于信噪比的限制，MRI對描述骨小梁微結構的高分辨率成像一直存在挑戰性，而且其昂貴的檢查價格和較長的檢查時間使其目前受限于作為椎體骨折后骨髓水腫的診斷工具而非早期測量骨密度篩查工具。

3 雙能量CT成像原理

雙能量CT（dual-energy CT，DECT）最早出現在20世紀70年代，主要分為雙能減影和能譜成像兩個范疇發展，前者可由兩種掃描方法實行：一種是單個球管進行高低電壓的兩次順序掃描成像，另一種是由雙個X射線球管和兩個互成90°的相應匹配探測器組成的雙源雙能掃描（西門子醫療）；后者也可分為：一是快速千伏開關（GE醫療）技術，即在球管每次旋轉過程中快速切換兩種電壓獲得成像數據，二是雙層探測器技術（飛利浦醫療），它掃描同時通過表層收集低能數據，深層收集高能數據成像。上述各成像的掃描方法和物理學原理有所不同，但皆能在同一解剖位置獲取兩個具有獨立峰值千伏（kVp）的數據集，通常為80 kVp和140 kVp，繼而進行物質分離成像技術和單能量成像這兩個方面為主的多參數成像。

3.1 物質分離成像技術 DECT高能和低能光束之間的衰減差異是識別不同組織成分的基礎[15]，其目的是為了突出顯示或減去其中一種材料，不同類型的雙能量CT具體可簡分為三材料分解與兩種材料分解兩種技術。在脊柱成像中常用的虛擬去鈣（virtual noncalcium，VNCa）技術就是基于三材料分解算法，它通過算法估算DECT數據集上的鈣含量并從圖像中減去從而突出顯示可能被鈣覆蓋的解剖信息；虛擬去羥基磷灰石（virtual nonhydroxyapatite，VNHAP）技術也是同一原理。兩種材料分解算法即基物質對成像，是通過快速切換電壓實現，在該分析中根據兩種不同材料各自原子序數和質量衰減系數生成基物質對圖像，要求此兩種材料的原子序數存在顯著差異以利于分離，例如鈣和水等。物質分離后圖像既可顯示為灰度圖像，也可為彩色編碼偽彩圖像，從而加大不同密度間的可辨別性。

3.2 虛擬單能量成像 DECT從高低電壓集中獲得的CT圖像接受預定義算法生成不同千電子伏特（kilo electronvolt，keV）的單能量圖像，通常包括40～200 keV范圍下的單能量圖像。該應用遠超傳統CT技術獲得的平均keV水平范圍，可調節不同keV提供不同圖像對比度[16]。所有主要的DECT制造商都已經證明，低keV水平下通過虛擬單能量成像可以改善軟組織對比度的衰減，高keV水平下可以減少高衰減材料（如金屬）產生的偽影。

能譜曲線是DECT采集數據集以不同單能量為橫坐標，CT值為縱坐標，該物質在不同虛擬單能量下的衰減值（即CT值）各點連接而成的曲線，因不同物質的衰減系數各有不同，從物理學角度來說不同物質都有特定的能譜曲線；而不同的能譜曲線也能推測物質的化學構成。

4 雙能量CT在椎體骨密度中的應用

DECT的出世廣泛擴展了傳統CT的臨床應用，單在椎體骨方面，早在1988年Nickoloff等[17]應用DECT測量骨礦物質時就介紹了一個小梁骨包括膠原基質、HAP、水、紅骨髓及脂肪組織五種主要物質的生物物理模型。現如今不僅可在一次DECT掃描中獲得腰椎常規CT影像特征，而且可利用物質分離成像技術及虛擬單能量成像技術等圖像后處理對椎體骨密度的進行定量測量；此外CT的斷層成像使它可單獨測量骨松質而避免了骨皮質和周圍組織造成影響，提高了測量骨密度的準確性。

4.1 定量測量椎體骨密度 近年來不少實驗團隊將DECT與其他骨密度測量方法進行了對比研究，從體外模型到人體內椎體都有涉及。Wesarg等[18]基于29具尸體標本局部力測量結果，對比了DECT和DXA定量測量局部骨密度發現兩者均有很強的相關性且前者的相關性更高；Koch等[12]掃描一個歐洲腰椎體模，其由三個不同HAP濃度的腰椎等效物組成，發現使用DECT物質分離技術評估此模型的骨密度比QCT具有更高的診斷準確性；以上實驗均說明了DECT評估骨密度的可行性。另有一研究團隊對40例患者的160個腰椎進行非模型的活體研究發現基于DECT和DXA測量的BMD值之間缺乏相關性，但研究者認為此研究結果是在預期之內且基于DECT測量BMD值是可行的，原因在于DECT測量局限于骨松質的真實骨密度而非DXA測量的整個椎體aBMD[19]。Zhou等[20]利用快速千伏開關CT中的基物質對成像技術測量128例患者的L1、L2椎體骨小梁中的平均HAP（Water）、HAP（Fat）、Ca（Water）及Ca（Fat）密度，與椎體相應的QCT骨密度測量值對比發現兩者存在很強的相關性，且HAP（Fat）與Ca（Fat）密度測量結果對QCT衍生的BMD值顯示出最佳的預測能量，這與前述脊柱的成分中多由HAP與骨髓脂肪細胞組成是相符的。

骨密度的良好評估是為了監測和避免骨質疏松的發生，對于DECT衍生的骨密度預測骨質疏松方面，劉齋等[21]發現骨質疏松組患者的能譜曲線顯著低于非骨質疏松組，分析其原因認為與骨質疏松的患者椎體骨礦物質減少，射線透過人體的衰減值降低，測量出來的CT值下降有關；所以可認為能譜曲線對描述椎體骨量情況較為準確。文獻[22]對92例患者進行為期兩年的研究觀察發現使用DECT（膠原基質、HAP、水和脂肪）材料分解后處理軟件對各患者L1椎體進行vBMD測量，當臨界值為93.70 mg/cm3時預測骨質疏松相關性骨折敏感度達85.45%，特異度達89.19%，從而說明DECT物質分離衍生的骨密度可以預測高危患者骨折風險。更有Wichmann等[23]發現椎體實行內固定術后進行DECT掃描檢查骨密度與椎弓根螺釘拔出力之間直接存在良好的線性關系，可以預測椎弓根螺釘的穩定性，從而更好地對穩定脊柱的實施干預措施。

4.2 評估骨髓脂肪組織對椎體骨密度的影響 骨骼和脂肪之間有著重要的聯系，骨細胞和脂肪細胞均來自骨髓中的間充質干細胞分化而成[5]。研究發現骨髓脂肪組織（marrow adipose tissue，MAT）與BMD之間存在顯著負相關關系；更重要的是MAT與椎體壓縮性骨折有關[13，24]。現MAT已被提議作為干細胞分化為骨和脂肪譜系的生物標記物，并作為骨骼完整性和骨折風險的標記物[25]。因此，無創定量MAT對骨密度測得具有重要的臨床意義。單能CT中骨髓腔的衰減值包括小梁骨和脂肪組織，椎體的HU值越低，表明脂肪含量越高[26]，但這只是一個籠統的計算方式。為了進一步了解骨脂肪之間的關系，最好在一次檢查中同時測量骨密度和MAT含量。不少研究發現，DECT可以應用物質分離技術定量測定MAT。Catano等[10]解剖了54個椎體，用單能CT和DECT分別掃描，發現單能CT骨密度結果被嚴重低估，但DECT可以校準MAT從而準確預測椎體衰減。Arentsen等[27]同樣發現DECT校準測量MAT后獲得的vBMD能準確反映松質骨含量，這也與Zhou等[20]的研究結果一致。另外有研究者用DECT檢查L2腰椎MAT和1H-MRS測量結果具有很好的一致性[28]。

4.3 機會性篩查評估骨密度 在日常應用中，鑒于其他臨床檢查而進行CT胸部或者腹盆部的掃描范圍已經包括下胸椎或腰椎，對患者同時進行骨密度的機會性篩查，有效降低輻射劑量暴露。一項利用常規腹部CT掃描檢查同時排除椎體骨質疏松的研究中發現測量椎體的HU值與DXA測量的BMD有較好的相關性[29]。當然，DECT也可進行同樣的機會性篩查，并利用其高低能量掃描有更多研究發現。Laugerette等[30]利用DECT中的scout定位像掃描獲得的高低能量成像數據進行后處理算法，得出一個類似于DXA的aBMD用于機會性骨密度篩查分析。CT檢查中一個強制部分就是scout的掃描，其實它并沒有提供很多診斷信息，現方法可以增加定位像中骨質疏松的檢出，不過aBMD的測量結果類似于DXA的局限性也不能忽視。另一方面，在腹盆CT掃描中不可避免需要增強掃描，Woisetschl?ger等[31]對20例患者共79個椎體進行DECT增強掃描發現平掃和靜脈期的vBMD均與DXA中的骨密度存在顯著相關性，但與動脈期對比則沒有顯著相關性；同時該團隊通過對腰椎前方腹主動脈鈣化和椎體骨關節炎進行量化，從而對DXA測量aBMD誤差問題進行了校準，這也充分解釋了Burke等[32]的類似的研究得出弱相關性的原因。

4.4 檢出急性骨質疏松性椎體骨折 對于有骨量減少或者骨質疏松的患者若發生急性椎體骨折，椎體內骨小梁斷裂，但骨皮質未表現出移位和斷裂，不過有骨髓成分的改變如骨髓水腫、出血等。DECT可用脊柱成像方面的VNCa灰度圖像和彩色編碼圖像易于檢出骨髓水腫，彌補了常規CT不能分辨椎體新鮮或陳舊骨折的缺陷。Kaup等[33]證實，與傳統CT圖像相比，經驗豐富及經驗較少的醫生應用VNCa圖像使骨折的檢出率均較前提高，且經驗豐富的醫生診斷準確性接近MRI。

5 小結

綜上所述，DECT的多參數成像將CT推向功能學成像領域邁進，特別在評估椎體骨密度方面它補充和校正了以往較常使用DXA和QCT測量骨密度的缺陷，是目前較廣泛且方便的定量成像技術。從物質分離技術到虛擬單能量技術，DECT在椎體組成成分的定量測量、校準MAT后的BMD、機會性篩查BMD及方便快速檢出急性骨質疏松性骨折等方面體現了較高的實用價值。不過其也存在一定的局限性，關于不同廠家生產的DECT原理不盡相同，對骨密度的診斷標準共識形成有不少困難，需要更多的研究數據進行支持和推進。盡管如此，DECT在椎體骨密度定量測量方面、骨質疏松的診斷乃至椎體骨折成形術后評估測量等仍具有廣闊前景。

參考文獻

[1]中華醫學會骨質疏松和骨礦鹽疾病分會.原發性骨質疏松癥診療指南（2017）[J].中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志，2017，10（5）：413-444.

[2] ZENG Q，LI N，WANG Q，et al.The prevalence of osteoporosis in china，a nationwide，multicenter DXA survey[J].Journal of Bone and Mineral Research，2019，34（10）：1789-1797.

[3] COMPSTON J E，MCLIUNG M R，LESLIS W D.Osteoporosis[J].Lancet（London，England），2019，393（10169）：364-376.

[4] YEH P S，LEE Y W，CHANG W H，et al.Biomechanical and tomographic differences in the microarchitecture and strength of trabecular and cortical bone in the early stage of male osteoporosis[J/OL].PLoS One，2019，14（8）：e0219718.https：//doi.org/10.1371/journal.pone.0219718.

[5] PIERCE J L，BEGUN D L，WESTENDORF J J，et al.Defining osteoblast and adipocyte lineages in the bone marrow[J].Bone，2019，118：2-7.

[6] BREDELLA M A，GILL C M，GERWECK A V，et al.Ectopic and serum lipid levels are positively associated with bone marrow fat in obesity[J].Radiology，2013，269（2）：534-541.

[7] XU X M，LI N，LI K，et al.Discordance in diagnosis of osteoporosis by quantitative computed tomography and dual-energy X-ray absorptiometry in Chinese elderly men[J].Journal of Orthopaedic Translation，2019，18（2）：59-64.

[8] GREGSON C L，ARMSTRONG D J，BOWDEN J，et al.UK clinical guideline for the prevention and treatment of osteoporosis[J].Archives of Osteoporosis，2022，17（1）：58.

[9] PERRIER-CORNET J，OMOROU A Y，FAUNY M，et al.Opportunistic screening for osteoporosis using thoraco-abdomino-pelvic CT-scan assessing the vertebral density in rheumatoid arthritis patients[J].Osteoporosis International，2019，30（6）：1215-1222.

[10] CATANO J S，SALDARRIAGA S，CHAPUT C D，et al.Dual-energy estimates of volumetric bone mineral densities in the lumbar spine using quantitative computed tomography better correlate with fracture properties when compared to single-energy BMD outcomes[J].Bone，2020，130：115100.

[11] KWON D，KIM J，LEE H，et al.Quantitative computed tomographic evaluation of bone mineral density in beagle dogs：comparison with dual-energy X-ray absorptiometry as a gold standard[J].Journal of Veterinary Medical Science，2018，80（4）：620-628.

[12] KOCH V，HOKAMP N G，ALBRECHT M H，et al.Accuracy and precision of volumetric bone mineral density assessment using dual-source dual-energy versus quantitative CT：a phantom study[J].European Radiology Experimental，2021，5（1）：43.

[13] SEBO Z L，RENDINA-RUEDY E，ABLES G P，et al.Bone marrow adiposity：basic and clinical implications[J].Endocrine Reviews，2019，40（5）：1187-1206.

[14] SOLLMANN N，LOFFLER M T，KRONTHALER S，et al.MRI-based quantitative osteoporosis imaging at the spine and femur[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging，2021，54（1）：12-35.

[15] MCCOLLOUGH C H，LENG S，YU L，et al.Dual-and multi-energy CT：principles，technical approaches，and clinical applications[J].Radiology，2015，276（3）：637-653.

[16] ALBRECHT M H，VOGL T J，MARTIN S S，et al.Review of clinical applications for virtual monoenergetic dual-energy CT[J].Radiology，2019，293（2）：260-271.

[17] NICKOLOFF E L，FELDMAN F，ATHERTON J V.Bone mineral assessment：new dual-energy CT approach[J].Radiology，1988，168（1）：223-228.

[18] WESARG S，KIRSCHNER M，BECKER M，et al.Dual-energy CT-based assessment of the trabecular bone in vertebrae[J].Methods of Information in Medicine，2012，51（5）：398-405.

[19] WICHMANN J L，BOOZ C，WESARG S，et al.Dual-energy CT-based phantomless in vivo three-dimensional bone mineral density assessment of the lumbar spine[J].Radiology，2014，271（3）：778-784.

[20] ZHOU S，ZHU L，YOU T，et al.In vivo quantification of bone mineral density of lumbar vertebrae using fast kVp switching dual-energy CT：correlation with quantitative computed tomography[J].Quantitative Imaging in Medicine and Surgery，2021，11（1）：341-350.

[21]劉齋，高志梅，雷立存，等.雙能CT能譜曲線及骨鈣CT值對骨質疏松的診斷價值[J].中國醫學影像學雜志，2020，28（4）：290-293，295.

[22] GRUENEWALD L D，KOCH V，MARTIN S S，et al.Diagnostic accuracy of quantitative dual-energy CT-based volumetric bone mineral density assessment for the prediction of osteoporosis-associated fractures[J].European Radiology，2021，32（5）：3076-3084.

[23] WICHMANN J L，BOOZ C，WESARG S，et al.Quantitative dual-energy CT for phantomless evaluation of cancellous bone mineral density of the vertebral pedicle：correlation with pedicle screw pull-out strength[J].European Radiology，2015，25（6）：1714-1720.

[24] BEEKMAN K M，VELDHUIS-VLUG A G，DEN H M，et al.

The effect of Raloxifene on bone marrow adipose tissue and bone turnover in postmenopausal women with osteoporosis[J].Bone，2019，118（1）：62-68.

[25] PATSCH J M，LI X，BAUM T，et al.Bone marrow fat composition as a novel imaging biomarker in postmenopausal women with prevalent fragility fractures[J].Journal of Bone and Mineral Research，2013，28（8）：1721-1728.

[26] SINGHAL V，BREDELLA M A.Marrow adipose tissue imaging in humans[J].Bone，2019，118：69-76.

[27] ARENTSEN L，HANSEN K E，YAGI M，et al.Use of dual-energy computed tomography to measure skeletal-wide marrow composition and cancellous bone mineral density[J].Journal of Bone and Mineral Metabolism，2017，35（4）：428-436.

[28] BREDELLA M A，DALEY S M，KALRA M K，et al.Marrow adipose tissue quantification of the lumbar spine by using Dual-energy CT and single-voxel 1H MR spectroscopy：a feasibility study[J].Radiology，2015，277（1）：230-235.

[29] LI Y L，WONG K H，LAW M W M，et al.Opportunistic screening for osteoporosis in abdominal computed tomography for Chinese population[J].Archives of Osteoporosis，2018，13（1）：76.

[30] LAUGERETTE A，SCHWAIGER B J，BROWN K，et al.DXA-equivalent quantification of bone mineral density using dual-layer spectral CT scout scans[J].European Radiology，2019，29（9）：4624-4634.

[31] WOISETSCHLAGER M，SPANGEUS A.Model for improved correlation of BMD values between abdominal routine dual energy CT data and DXA scans[J].European Journal of Radiology，2018，99（2）：76-81.

[32] BURKE C J，DIDOILAR M M，BARNHART H X，et al.The use of routine non density calibrated clinical computed tomography data as a potentially useful screening tool for identifying patients with osteoporosis[J].Clinical Cases in Mineral and Bone Metabolism，2016，13（2）：135-140.

[33] KAUP M，WICHMANN J L，SCHOLTZ J E，et al.Dual-energy CT-based display of bone marrow edema in osteoporotic vertebral compression fractures：impact on diagnostic accuracy of radiologists with varying levels of experience in correlation to MR imaging[J].Radiology，2016，280（2）：510-519.

（收稿日期：2022-11-07） （本文編輯：田婧）