雙源雙能量CT視覺評估和定量分析對椎體骨髓水腫的診斷價值

張發平,束玲玲,戴春宏,邢斌,宋方,朱通

椎體壓縮性骨折是一種臨床常見的骨折類型,發病率逐年增高,該病可導致患者生活質量下降,死亡率增加。識別新鮮和陳舊性骨折對臨床有重要意義,骨髓水腫(bonemarrow edema,BME)是新鮮椎體骨折的標志。傳統常規CT無法識別BME,MRI顯示效果良好,目前是影像診斷的金標準,但是其檢查時間長及禁忌癥多等限制了急診應用[1]。雙能量CT(dual-energy CT,DECT)虛擬去鈣技術(virtual noncalcium,VNCa)通過物質分離去除鈣的干擾,能夠識別BME,有臨床應用價值和科研潛力[2]。然而該技術視覺評估(visual evaluation,VE)和定量分析的優劣存在爭議,BME定量研究的診斷取值又各不相同,給臨床應用帶來困擾[3]。本研究通過使用VNCa技術識別BME,旨在分析VE和定量分析的診斷效能。

材料與方法

1.病例資料

前瞻性搜集2020年8月至2022年4月安徽省皖南康復醫院骨一科連續收治的60例確診為胸腰椎新鮮骨折的患者(觀察組),其中男23例,女37例,年齡24～91歲,平均(59.30±16.5)歲。病例納入標準:①臨床及影像學確診為新鮮椎體骨折;②發病時間≤14天;③MRI-CT檢查間隔時間≤48小時;④年滿18周歲。病例排除標準:①CT或MRI圖像質量差;②骨腫瘤、影響骨代謝疾病及椎體手術史的患者;③椎體高度<4mm。同時搜集與觀察組性別、年齡相匹配的60例陳舊性胸腰椎骨折患者作為對照組,其中男27例,女33例,年齡20～90歲,平均(61.4±17.3)歲,排除標準同觀察組。本研究經醫院研究倫理委員會批準,所有患者簽署知情或泛知情同意書。

2.檢查方法

CT檢查采用Siemens Definition Flash雙源CT行胸腰椎掃描。患者取仰臥頭足位,根據需求確定掃描范圍,A/B管電壓為80 kV/Sn 140 kV,自動毫安(CAREDose 4D),轉速0.5 s/r,螺距0.6,準直32×0.6,重建卷積核D34f和D50f。

MRI檢查采用Siemens Essenza 1.5T磁共振掃描儀。行常規胸腰椎MRI掃描,其中矢狀面FS-T2WI采用TSE序列,翻轉恢復(IR)脂肪抑制技術,TR 4300 ms,TE 81 ms,TI 160 ms;層厚3.5 mm,層間距0.35 mm,矩陣256×256,平均采集次數2。

3.圖像后處理

采用Siemens工作站(Syngo.via,VB10B)進行后處理。VNCa彩色編碼圖:采用DECT程序裝載后選擇骨髓(Bone Marrow)軟件,默認彩色編碼、閾值和分辨率;VNCa灰度圖:選擇Liver VNC(Liver Virtual Non-Contrast,Liver VNC)軟件分析,分辨率3,碘斜率修改為1.45和1.75作為鈣斜率,閾值1000 HU;常規CT圖:使用混合比例0.5(Mixed 0.5)線性融合平均加權圖像替代。采用橫軸面、矢狀面和冠狀面多平面圖像分析,層厚1 mm。

4.圖像分析

MRI圖像分析:由2位放射科醫師評估胸腰椎MRI圖像,根據MRI的信號特點將目標椎體分為BME和非BME,即新鮮和陳舊骨折,意見不一致時通過協商取得一致。

CT圖像視覺定性分析:由2位不知研究內容的放射科醫師(放射診斷經驗分別為8年和7年)對兩組DECT圖像進行獨立分析。VNCa彩色編碼圖上BME表現為綠色,VNCa灰度圖上BME為高密度,可自由在圖像左右側分別調整窗寬窗位和彩色編碼閾值,并綜合多平面重組圖像判斷,兩者共同協商一致為最終結果。

CT圖像多參數定量分析:最后由2位醫師在VNCa灰度圖上進行測量,在目標椎體BME明顯處放置感興趣區(ROI) ,ROI大小為2～10 mm2,記錄VNCa CT值(vCT)、常規CT值(regular CT,rCT)、鈣濃度(calcium density,CaD)、脂肪分數(fat fraction,FF)。移動ROI至鄰近上下椎體相同區域,取均值,并計算其與目標椎體的差值(ΔvCT)。若鄰近椎體不利于測量,則跳過該椎體。取兩者均值作為最終結果。

分析方法:以MRI分析結果為金標準,將DECT圖像VE結果與之進行對比,比較1.75與1.45斜率VE的診斷效能。比較新鮮與陳舊骨折的定量參數差異,繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線,比較不同參數的診斷效能。分析VE和定量參數聯合的診斷效能,同時評估觀察者間的一致性。

5.統計學分析

結 果

1.一般資料情況

觀察組與對照組的男女比(分別為23/37、27/33)差異無統計學意義(χ2=0.549,P>0.05);兩組年齡[分別為(59.30±16.5)和(61.4±17.3)歲]差異無統計學意義(t=-0.669,P>0.05)。從發病至影像學檢查間隔時間≤14 d,平均(3.85±3.70) d。CT與MRI檢查間隔時間≤24 h,平均(9.23±6.43) h。觀察組60例患者共計新鮮椎體骨折75個,其中胸椎31個,腰椎44個。對照組60例患者共計陳舊性椎體骨折80個,其中胸椎35個,腰椎45個。

2.1.75和1.45斜率主觀視覺評估

2位醫師1.75與1.45斜率的主觀VE結果不同,以1.75斜率為佳。1.75斜率的診斷符合率為90.3%,高于1.45的78.7%,差異有統計學意義(χ2=7.987,P<0.05,表1、圖1、2)。2位醫師間1.75斜率診斷結果的一致性較高(Kappa=0.844,P<0.05)。

圖1 患者,女,69歲,車禍傷致腰部疼痛1天。a) 常規CT示腰2和腰3椎體壓縮變扁,腰2椎體(上箭)密度不均并骨皮質不連續,考慮為新鮮骨折,腰3椎體(下箭)是否為新鮮骨折有爭議;b) VNCa彩色編碼圖示腰2椎體BME(綠色偽彩,箭),腰3椎體無BME;c) VNCa灰度圖(1.75斜率)示腰2椎體BME(高密度影,箭),腰3椎體無BME;d) FS-T2WI示腰2椎體可見稍高信號BME區,為新鮮骨折,腰3椎體為陳舊性骨折。 圖2 患者,女,61歲,外傷致腰部疼痛1天。a) 常規CT示腰1椎體壓縮變扁(箭);b) VNCa彩色編碼圖示腰1椎體上緣少許BME(綠色偽彩,箭);c) VNCa灰度圖(1.75斜率)示腰1椎體BME(高密度影,箭),ROI的vCT值為19.6HU,根據vCT的截斷值>39.2,納入陰性,而ΔvCT值為42.6HU,根據截斷值>28.5,納入陽性;d) VNCa灰度圖(1.45斜率)未見BME;e) FS-T2WI示腰1椎體新鮮骨折,BME范圍與1.75斜率圖一致。

表1 DECT不同斜率診斷新鮮椎體骨折的效能比較 (%)

3.DECT客觀定量參數分析

胸腰椎體新鮮與陳舊性骨折的DECT定量參數vCT、rCT、FF、ΔvCT差異均有統計學意義(P均<0.05,表2)。2位醫師間1.75斜率的vCT值一致性良好(ICC=0.85,P<0.05)。DECT定量參數ΔvCT值鑒別新鮮與陳舊性骨折的AUC值最大(0.96);當ΔvCT值>28.5 HU時,診斷敏感度、特異度及Youden指數分別為89.33%、96.25%、0.86(表3)。

表2 胸腰椎體新鮮與陳舊性骨折的DECT定量參數比較

表3 DECT定量參數對新鮮與陳舊性椎體骨折的鑒別診斷效能

4.主觀視覺與客觀定量ROC分析

ΔvCT的AUC值(0.96 )高于vCT、FF和rCT(0.88、0.84、0.77),差異均有統計學意義(Z=3.18、3.54、4.812,P均<0.05);VE的Youden指數為0.82,高于VNC的0.62,略低于ΔvCT的0.86(圖3);多參數聯合Logistic回歸分析中,僅VE和vCT納入模型,預測概率ROC的AUC值為0.95,低于單獨ΔvCT的AUC值。

圖3 a) VNCa技術多定量參數診斷椎體新鮮骨折的ROC曲線;b) VE、ΔvCT和vCT的ROC曲線,VE的Youden指數為0.82。

討 論

1.BME影像表現的病理基礎

識別BME是診斷椎體新鮮骨折的關鍵。BME被認為是以骨基質水腫及炎性浸潤影響黃骨髓,導致血管通透性增加,水分增多的一種征象[4]。椎體骨折可導致血管破裂出血,周圍組織間質液滲出過多,致使MRI的T1及T2弛豫時間延長,在CT上表現為高衰減即高密度。由于椎體出血水腫的密度遠低于周圍骨質,易受其遮蓋,此外椎體壓縮及骨痂形成亦可高于周圍骨質,rCT難以評估BME并高度依賴于觀察者的經驗,VNCa技術能有效消除不同經驗醫生的診斷效能差距[5]。VNCa三物質分離技術可以分離鈣,因為鈣CT值顯著高于黃骨髓和紅骨髓,純鈣到黃骨髓及紅骨髓近似平行線,該線斜率被認為就是鈣的特征斜率,將鈣質去除可直接觀察骨髓的密度變化[6]。

2.不同斜率對VE的影響

關于BME的VE有兩種方法實現,一是自帶彩色編碼的骨髓軟件,此外將Liver VNC軟件的碘斜率修改為鈣特征斜率使用,前者快捷但是無斜率參數,而后者最佳鈣斜率值尚未統一,給臨床實踐帶來一定困擾,目前二代雙源使用較多的為1.45和1.75[7-8]。

Bierry等[9]使用1.75斜率VE的敏感度為84%,特異度為97%,診斷符合率為95%;國內學者認為1.75斜率最佳[10],敏感度、特異度、診斷符合率分別為85.1%、96.6%和94.5%。本研究結果顯示1.75斜率的診斷效能優于1.45斜率,敏感度、特異度、診斷符合率分別達88.0%、93.8%、90.3%,敏感度較其他研究結果略高,而特異度和診斷符合率較低,可能是既往研究缺少標準的對照組,而采用患者無BME的椎體作為對照,造成陰性樣本量占比大(167/193、206/253),導致特異度和診斷符合率的升高[11]。本研究使用陳舊性椎體骨折作為對照組,不包括其他非目標椎體的陰性椎體,結果更具有臨床意義。1.45較1.75斜率圖像鈣質去除得更徹底,但診斷效能反而更低,推測該斜率和出血水腫物質重疊較多,在去除鈣質的同時去掉了有診斷價值的物質。此外不同設備光譜分離能力有差異,一項薈萃研究顯示三物質分離算法優于兩物質分離算法[12],數據的采集、后處理和可視化的方法不同,可能對結果均有影響,需要進一步研究。

3.DECT客觀定量參數對BME的診斷效能

BME的客觀定量研究較多,均認為椎體BME與非BME的CT值差異有統計學意義,本研究結論與既往研究一致,在成人的正常椎體中黃骨髓比例較高,使用VNCa技術去除鈣質后,受脂肪的X光的低衰減,而BME區出血水腫的高衰減,造成CT值的差異[13]。定量研究有較好的診斷效能,然而各研究者的診斷取值差異較大,Koch等[14]的研究取值46 HU、王林等[15]的研究取值30.2 HU、Bierry等[9]的研究取值6.5 HU,本研究取值39.2 HU與既往研究亦不同,考慮為不同設備、掃描協議及后處理參數的影響,此外還受患者椎體骨髓成分、水腫強度和骨密度等個體差異的影響[16]。ΔvCT值是患者本身BME與非BME的差值,目的是測量出血水腫凈升高的CT值,能有效消除個體差異的影響,取值28.5 HU診斷BME的敏感度、特異度及AUC值分別為89.3%、96.2、0.96,優于vCT的診斷效能。椎體BME與非BME的CaD差異無統計學意義,可能由于骨質損傷區域內鈣含量無明顯變化,CaD在損傷修復期是否有變化,需要進一步研究。意外的是FF具有較高診斷效能,可能是黃骨髓被出血水腫替代,比例下降所致。綜上,定量分析提供了豐富的客觀數據及更多的診斷信息[17]。

4.主觀視覺評估與客觀定量參數比較

值得注意的是,本研究結果顯示VE的診斷效能高于基于ROI測量的vCT。VE與定量分析在診斷BME中的優劣尚存在爭議,然而目前多數研究者認為VE更具優勢[18]。VE的彩色編碼圖及灰度圖是由軟件生成的,視覺的差異取決于病變椎體與相鄰椎體的CT值差異,而不是絕對的CT值改變,手動優化VE圖的窗寬窗位,能檢測相對細微的BME區域,這是定量ROI分析無法實現的;ΔvCT也是基于此,診斷效能較vCT有所提高。由于定量測量取ROI區域平均值,可能包括BME和非BME的組織,會低估CT值,而年輕患者的椎體紅骨髓含量高,可能又會高估CT值,易造成假陰性和假陽性的結果,但定量測量相對客觀,不依賴醫生的經驗?？紤]到定量分析較為繁瑣,在實際工作中優先使用VE評估BME,診斷信心不足時,添加ΔvCT協助診斷,以取得更高的診斷效能。

本研究存在以下局限性:①盡管一致性檢驗結果較好,然而是單中心研究,設備、掃描協議和后處理的不同,可能會影響可重復性;②研究對象存在一定選擇性偏倚,臨床癥狀較輕和危及生命的患者納入較少;③雖然輻射劑量較低,也是不可回避的問題。

綜上所述,VNCa技術檢測椎體BME有較高的臨床應用價值,VE中1.75斜率的診斷效能較高,定量分析中ΔvCT截斷值28.5 HU有較高的診斷效能,臨床應用中首選便捷的VE分析。