能量CT定量測量骨密度和骨髓脂肪的研究現狀

周鳳云 耿健 程曉光*

1. 陜西中醫藥大學醫學技術學院,陜西 咸陽 712083

2. 北京積水潭醫院放射科,北京 100035

隨著全球老年人群比例的增多,社會上針對老年性疾病的支出大幅提升[1]。骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是一種常見的骨骼代謝疾病,也是常見的老年性疾病之一,其特征是骨量低和骨微結構惡化,常見于絕經后婦女和老年男性[2]。OP被稱為靜悄悄的疾病,其在早期階段幾乎不會出現引起患者適當關注的臨床表現[3],這為骨質疏松癥的預防帶來了很大的困難。既往臨床都是通過評估患者的骨密度(bone mineral density, BMD)來輔助臨床醫生診斷OP。但是有研究表明,在嚴重的OP患者中,骨髓脂肪組織占股骨頸組織體積的一半以上,骨體積分數僅為30 %左右,骨髓脂肪組織幾乎取代了所有的骨小梁[4]。因此,使用影像學手段定量評估BMD和骨髓脂肪 (bone marrow fat, BMF)對臨床上提前預防以及篩查骨質疏松十分重要。隨著時代發展,評估BMD和BMF技術的精確度正在逐漸提高。能量CT作為一種新的影像學手段,在臨床和科研上的應用已經十分廣泛。近幾年來,能量CT對于BMD和BMF定量分析的可行性也引發了廣大研究者的探索。因此,本文將綜述能量CT對BMD和BMF定量分析的研究現狀及進展,尋求潛在的發展方向和趨勢。

1 當前量化BMD和BMF的方法及缺陷

世界衛生組織(World Health Organization,WHO)表明雙能 X 線骨密度儀(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)為定量BMD的金標準,其輻射和成本較低,但是該設備在中國的裝機量較低,遠不能滿足日益增長的需求[5-7]。另外,根據專家共識,DXA測量BMD受體重、骨質增生、脊柱側凸等因素的干擾,降低了面積BMD測量的準確性[8]。定量計算機斷層(quantitative computed tomography,QCT)是測量BMD的另一個方式,基于三維成像方式的它可以定量骨小梁體積BMD,精確度較DXA高,缺點是測量的BMD會受到骨髓脂肪的影響,可能造成BMD低估[5,9]。

目前,磁共振技術定量骨髓脂肪已經被廣泛認可,其中質子磁共振波譜(1H-MRS)被廣泛認為是定量分析BMF的金標準,但是該技術對掃描技術要求嚴格,操作流程復雜,分析慢,采集的視野較小,對于脂肪的空間分辨率分析也有所欠缺[4-5,10]。近年來,隨著Dixon技術的不斷發展,將此技術用于定量脂肪也越來越普遍[11]。該技術對脂肪的空間覆蓋率良好,可以實現脂肪的空間分布分析,但是對于骨髓脂肪成分定量分析有一定的困難[10,12]。與MRS相比,Dixon技術操作簡單、分析較快、分辨率高,因此在臨床上便于普及[13]。但是磁共振技術無法定量BMD,對于OP患者,需要進行額外的BMD檢查,而能量CT相對于磁共振技術的優勢在于既可以定量BMF又可以定量BMD[5,11],其有助于合理利用醫療資源以及幫助患者減少醫療費用 。

隨著時代的發展,能量CT技術不斷更新迭代,逐漸引領當前CT技術的發展方向。根據專家共識,將能量CT分為單源序列掃描雙能量技術、單源雙光束能量CT、單源瞬時管電壓切換雙能量CT(寶石能譜CT)、雙源雙能量CT(雙能CT)、雙層探測器光譜CT、光子計數CT[14]。它們可以利用兩種基本物質的X射線衰減來表示任意物質的X射線衰減,從而實現物質的分離和量化,基于此方法為BMD和BMF定量分析提供了一種可靠的新方法,因此,本文就能量CT的研究現狀進行綜述,旨在為后續相關研究提供一個發展方向。

2 能量CT定量BMD和BMF的研究現狀

2.1 雙源雙能量CT

雙源雙能量CT(dual-energy computed tomography,DECT)是在CT機架內嵌2個相隔90 °的球管及兩個配套的探測器系統,一個探測器覆蓋整個掃描視野(直徑50 cm),另一個探測器僅限于中心更小的視野(直徑26 cm),兩個X線球管可以以獨立的電流電壓運行,因而實現雙能量數據采集。20多年前就出現了將早期DECT用于評估BMD的相關研究[15-16],當時由于輻射劑量過大以及檢查費用昂貴,所以并沒有廣泛應用。近年來隨著DECT掃描以及重建技術的發展,已在醫院和治療中心應用越來越普遍。

大量研究使用體?；蜃刁w標本進行了BMD測量,最終都證明其測量的BMD和QCT測量的BMD有較好的相關性[6,17-19]。此外,基于EDCT有相關研究表明去除椎體內的脂肪含量可以得到更加精確的椎體BMD值。2015年Bredella等[5]對骨質減少且肥胖的12名患者的L2進行掃描,發現DECT 能同時評估BMF及 BMD,與利用MRS評估BMF得出的結果有較高的一致性。這表明DECT可以通過去除骨髓內的脂肪,得到更加準確的BMD值,為骨質疏松預測提供了更有效的手段。該研究中DECT測得的BMD比QCT測得的BMD稍高,其原因是QCT測量的BMD包含骨髓脂肪,而導致BMD低估,證明骨髓脂肪含量與BMD值呈負相關。該結果與Arentsen等[20]利用20名女性尸體使用DECT和MRI對BMD以及BMF進行定量分析得到的結果相似。Arentsen的研究表明DECT與MRI測量的BMF結果呈顯著相關(r=0.881,P<0.000 1);此外,DECT或MRI測量的BMF與校準的BMD之間沒有顯著的相關性(分別為r=0.261和r=0.067,P>0.3),而與未校準的體積BMD之間存在顯著的負相關(分別為r=-0.818和r=-0.86,P<0.000 1),這也表明BMF存在會造成BMD值的低估。Hui 等[21]利用DECT和磁共振水脂分離技術測量了5名卵巢切除術后患者腰椎椎體的BMD和BMF,使用組織學驗證了兩種技術測量BMD和BMF的一致性,另外,這兩種技術測得的結果也顯示BMF與 未校準的BMD 呈負相關。因此,DECT定量BMF以及對于校準BMF后得到更加精確的BMD值是可行的。

2.2 單源瞬時管電壓切換技術

寶石能譜CT(gemstone spectralimaging,GSI)是在CT機架內嵌一套球管和探測器,以高壓發生器瞬時kVp切換技術為基礎實現能譜成像。這種方法通過使用單一球管的高低雙能(80 kVp和140 kVp)的瞬時切換(< 0.5 ms的能量時間分辨率)產生時空上幾乎完全匹配的雙能數據,實現數據空間能譜解析。對于該技術定量分析人體BMD值已經有相關研究基于基物質對進行分析證明。如Zhou等[22]回顧性分析了128名受試者的腰椎,分別測量鈣(水)、羥基磷灰石(水)、鈣(脂肪)和羥基磷灰石(脂肪)四個基物質對的密度以及腰椎小梁骨密度,得出基物質對和基于QCT測量的BMD有很強的相關性,證明了寶石能譜CT評估BMD是可行的。該研究得出的結論與李倩等[23]的研究結果相似,但是李倩等研究的局限性在于只使用羥基磷灰石和脂肪兩種物質的衰減系數間接反映BMD值,這種方式可能導致結果存在誤差。另外類似的研究基于物質分離法測量了松質骨的BMD和基于QCT測量的BMD呈顯著線性相關,證明快速千伏切換技術物質分離法測定的松質骨骨密度可用于BMD評價[24-26]。寶石能譜CT是一種新發展的BMD測量方法,可以作為治療前后監測BMD的手段,但是缺乏人體腰椎BMF的相關研究。

2.3 雙層探測器光譜CT

雙層光譜CT(dual-layer spectral detector computed tomography,dlsCT)并不改變球管輸出,而是將探測器設計成雙層結構,搭配雙重感光材料,分別接收高低能量X線光子,從而實現球管輸出的連續混合能級X線的高低能量的區分。該技術與雙能CT技術和GSI技術相比,在滿足“同時”“同源”“同向”能量成像的三大核心技術要求上,進一步實現了常規圖像與能量圖像的“同步”生成,達到了“四同”能量成像的業界新高度。

2016年dlsCT應用于臨床后,陸續有研究表明了dlsCT評估BMD的可行性[25,27-29]。van Hamersvelt等[30]使用兩個經過驗證的已知濃度的體模,研究證明了dlsCT與DXA和QCT對于體外BMD的定量都具有強線性相關性(R2=0. 970和R2=0.973,P<0.001)。同年一項關于椎體標本和體模研究[31]表明使用dlsCT掃描儀獲得的光譜成像信息可以準確地量化已知的鈣-羥基磷灰石濃度,dlsCT評估的骨密度值與QCT評估的骨密度值之間存在高度相關性(r=0.96 ～ 0.99,P<0.001),但是本研究并沒有考慮骨髓中脂肪含量。2019年Roski等[32]通過分析33例患者的174個椎體和體模,發現來自dlsCT的骨密度值與來自QCT的骨密度值之間存在較好的相關性。此外,在模擬不同程度肥胖的設置中,在椎體標本中測量的鈣-羥基磷灰石特異性骨密度與來自QCT測量的BMD之間發現了高度的相關性和一致性,該研究證明兩種方式之間并不受肥胖等級的影響。DlsCT應用于BMD的測量已經逐漸趨向成熟化,但是這些研究都未考慮到BMF對BMD的影響,無法得到更加準確的BMD值。因此,根據此問題可進一步研究。

3 能量CT定量BMD和BMF的未來趨勢

BMF定量分析有助于綜合評估 OP 骨髓微環境的變化,為臨床診治提供新的無創手段。相信隨著影像技術和設備的不斷發展,評估BMD以及骨髓脂肪精準定量的研究將會更進一步[33]。目前,MR、QCT、DXA等技術都無法做到同時定量BMD和BMF,而能量CT代表著CT技術的發展方向,將其同時用于定量BMD和BMF已被證明是可行的。該技術不僅操作簡單靈活,而且可以減少偽影并消除光束硬化得到更優質的圖像[34]。其迭代技術可以降低對患者的輻射劑量,與QCT相比并沒有顯著的差異[35],所有這些都有助于BMD以及BMF的準確量化。因此,在臨床上能量CT定量分析BMD和BMF將會有較好的發展趨勢,其發展趨勢可以從現存的局限性進行探究。

目前,對于BMD和BMF的定量分析的相關研究都存在以下幾個局限性:(1)BMD測量的研究大多使用尸體或者體模作為研究對象,使用尸體作為受試者的局限性在于死者前期因為不同疾病接受的治療可能會改變尸體骨髓組成,對最終結果造成一定的影響?？偟膩碚f,缺乏大樣本的活體研究;(2)骨髓成分復雜,包括紅骨髓、黃骨髓、骨礦物質、水以及膠原基物質等,但是大多數研究都只關注在松質骨,因此對于BMD的測量可能會存在一定的誤差;(3)對于BMF定量分析的研究大多都采用回顧性分析,但是脂肪在骨髓中異質性很高,變化很快,因此后期可以采用縱向研究的方法;(4)目前,尚未出現共同認證且可被使用的骨髓脂肪體模,因此BMF定量分析只可在活體或者尸體標本中進行研究,但是在活體內直接研究骨髓脂肪的代謝情況仍是一個挑戰。

那么,未來對于BMD的研究,可以使用先進的能量CT技術來監測骨髓內復雜的組成成分的變化情況,這樣有利于觀察骨髓代謝變化。使用能量CT鑒別骨髓中除脂肪外的其他復雜成分的探究將有助于得到更加精確的BMD值。另外,能量CT在任何松質骨部位測量骨髓脂肪的能力也可以為監測骨髓內變化的研究提供一個途徑,與MR相比測量面積更加靈活廣泛。能量CT對于大樣本量的研究十分有利,相比MR掃描能節約更多時間?，F在使用MR定量分析骨髓脂肪成分可行性的相關研究尚未出現較好的結果,因此,未來利用能量CT技術分析骨髓中脂肪成分也是一個值得探究的方向。

4 總結

能量CT可以通過材料分解來區分基物質成分,達到同時定量BMD和BMF的效果,相比其它技術可以節省患者掃描時間以及減輕經濟壓力,對于臨床上預防OP有很好的應用價值,也能為后續研究提供客觀和科學的依據,具有較大的臨床應用價值及科研潛力。但能量CT在骨科中的使用潛能還有待挖掘,本綜述期待為后續相關研究提供一個研究方向。今后將研究與臨床實踐緊密結合,并將研究的內容轉化為臨床實踐,使能量CT在臨床中發揮更大的作用。