基于能谱CT物质分离技术对急性和慢性骨质疏松性椎体骨折的定量研究

王洁淼,郑修竹,闫晟,邱晓茜,李长勤,秦健

骨质疏松症是世界范围内最常见的代谢性骨疾病之一,容易增加骨折的风险。胸腰椎椎体是最常见的骨质疏松性骨折的发生部位[1]。与附件骨折相比,胸腰椎压缩骨折通常没有明显的症状,容易导致临床医生的漏报。因此,需要找到一种准确且有效的检查方法来发现和定位胸腰椎压缩骨折,以便及时地治疗和预防相关并发症。

目前,MRI是诊断急性椎体骨折的金标准[2,3]。但由于MRI检查费用较高、耗时较长且禁忌症较多等特点,其应用常受到限制。传统CT可以观察到骨皮质的细微改变,但在鉴别急性和慢性骨折方面缺乏准确性[4]。近年来,能谱CT在临床中的应用显著增加,多种后处理算法已被开发出来[5-7],它们的性能越来越受到放射科医生和临床医生的关注。

对于急性椎体压缩骨折,已有研究表明双能CT(dual-energy computed tomography,DECT)衍生的虚拟无钙(virtual non calcium,VNCa)技术诊断骨髓水肿的准确率很高[8-10]。与钙相比,羟基磷灰石[Hydroxyapatite,HAP,Ca10(PO4)6(OH)2]与骨矿物质的真实成分具有更高的相似性[11]。然而,DECT虚拟无羟基磷灰石(virtual non Hydroxyapatite,VNHAP)技术用于检测异常水肿的实际有效性尚不明确。本研究的目的是以MRI为参照标准,利用能谱CT物质分离技术对骨折椎体内的水-HAP、水-钙物质对进行定量分析,探讨能谱CT虚拟无羟及虚拟无钙技术对急、慢性椎体骨质疏松性骨折的诊断效能。

材料与方法

1.研究对象

回顾性收集2021年10月-2022年5月在本院同时接受能谱CT、MRI以及双能X射线骨密度仪(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)检查的患者的病例资料。本研究得到医院医学伦理委员会的批准,所有参与者均签署书面知情同意书。纳入标准:①骨质疏松性椎体骨折患者;②临床及影像资料完整。排除标准:①脊柱术后的患者;②影像图像质量不佳(伪影遮盖脊柱)的患者;③CT、MRI及DXA检查平均间隔时间超过3天的患者。最终纳入90例患者的病例资料,男51例 ,女39例,年龄40～90岁,平均69.24±12.68岁。

2.扫描方法

DXA检查采用美国HOLOGIC公司骨密度仪,使用腰椎标准体位,对患者椎体进行扫描,去除明显增生、硬化的椎体后,通过后处理获得腰椎T值。

采用GE Healthcare Discovery MR750 3.0T MR仪对脊柱进行MRI检查。矢状面T1WI:TR 560 ms,TE 最小满,层厚4 mm;间隔2 mm;激发次数(NEX)4。矢状面T2WI:TR 3000 ms,TE 100 ms,层厚4 mm,间隔2 mm,NEX 2。矢状面T2加权脂肪抑制成像:TR 1800 ms,TE 120 ms,层厚4 mm;间隔2 mm。

采用GE Revolution CT机进行双能CT扫描。管电压为80/140 kV,层厚与间隔均为5 mm,薄层1.25 mm,螺距0.984,球管旋转时间 0.8 s/转,重建模式为Stnd,自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction V,Asir-V)为40%。

3.数据采集与分析

所有CT和MR图像均从PACS中检索,CT和MRI之间的时间间隔≤3天。骨髓水肿在MRI上的信号特点为:T1WI为低信号,T2WI为不均匀高或低信号,T2WI压脂为不均匀高信号。根据椎体在MRI上的信号特点,将骨质疏松性椎体骨折分为急性骨折组和慢性骨折组:①急性骨折组为伴或不伴骨折线的骨髓水肿的椎体;②慢性骨折组为无骨髓水肿的椎体。所有椎体的MR图像均由两名具有3年以上MRI诊断经验的医师进行双盲测定,意见不同时协商解决。

参考Genant椎体骨折分级标准[12],在脊柱矢状面图像上,根据椎体高度丢失程度进行椎体压缩骨折程度分级:1级,<25%;2级,25%～40%;3级,>40%。所有图像均采用骨窗重建,层厚为2 mm。

将能谱CT datefile 1.25 mm序列的所有图像传送到 AW4.72后处理计算机,分别测量骨质疏松性骨折椎体的HAP-水、钙-水值。取椎体矢状面正中间层面,将圆形感兴趣区(region of interest,ROI)绘制在椎体高度保留最高的位置,避开椎体静脉丛、骨皮质、骨质增生等(图1)。

图1 能谱CT基物质图像ROI区选取,在骨折椎体保留高度最高层面勾画ROI。a)HAP-水图;b)钙-水图。图2 HAP-水、钙-水值鉴别急、慢性椎体脆性骨折的ROC曲线,钙-水的AUC最大,为0.913。

4.统计分析

采用SPSS 25.0 (IBM SPSS Statistics 25;www.ibm.com/legal/copytrade.shtml)及Medcalc 19.0.4软件(https://www.medcalc.org/)进行统计学分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验对数据进行正态分布检验,符合正态分布的数据以均数±标准差表示,不符合正态分布的数据以中位数±四分位间距表示。符合正态分布数据两组间比较采用独立样本t检验,三组间比较采用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA),其中两两比较使用LSD法。不符合正态分布的数据组间比较采用非参数检验。采用Medcalc软件进行受试者操作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析,计算曲线下面积(area under curve,AUC),依据约登指数确定临界值、特异度以及敏感度。以P<0.05 为差异具有统计学意义。

结 果

1.研究群体

本研究共纳入的90名患者中,包括186个骨折椎体(107个胸椎,79个腰椎)。其中,急性脆性骨折椎体82个(44.1%),慢性脆性骨折椎体104个(55.9%),急、慢性脆性骨折组间性别及年龄差异无统计学意义(P>0.05,表1)。

表1 急、慢性脆性骨折组间一般资料分析

2.急、慢性骨折椎体间HAP-水、钙-水值比较

以脊柱MR影像为参照标准,将骨折椎体分为两组。采用两个独立样本t检验对HAP-水、钙-水值进行统计分析,急性脆性骨折组的椎体的HAP-水、钙-水值均高于慢性脆性骨折组的椎体,且差异均有统计学意义(P<0.05,表2)。

表2 急、慢性脆性骨折组间各基物质对值比较

根据Genant椎体骨折分级标准,将压缩骨折分为轻、中、重度骨折,经独立样本t检验及独立样本Mann-WhitneyU检验得出,在不同压缩程度下HAP-水、钙-水值在急、慢性脆性骨折组间差异均有统计学意义(P<0.05,表3)。

表3 不同压缩程度骨折椎体急、慢性组间各基物质对值比较

3.轻、中、重度骨折椎体间HAP-水、钙-水值比较

经单因素ANOVA检验,三组间HAP-水、钙-水值差异均具有统计学意义(P<0.05),见表4。三组之间两两比较,轻度与中度压缩骨折椎体间HAP-水、钙-水值差异均具有统计学意义(P<0.05);中度与重度压缩骨折椎体间HAP-水、钙-水值差异无统计学意义(P>0.05),轻度与重度压缩骨折椎体间,HAP-水、钙-水值差异均有统计学意义(P<0.05),见表5。

表4 不同压缩程度间椎体的HAP-水、钙-水值比较

表5 轻、中、重度压缩骨折组各基物质对值两两比较的P值

4.ROC曲线分析

HAP-水区分椎体急、慢性脆性骨折的ROC曲线的AUC为0.871(95%CI:0.815～0.916)。其中HAP-水值>992.5时,诊断为急性脆性骨折的敏感度及特异度分别为73.17%、85.58%,Youden指数为0.588。钙-水区分胸腰椎急、慢性脆性骨折的ROC曲线的AUC为0.913(95%CI:0.863～0.949),钙-水值>1018时诊断为急性脆性骨折的敏感度及特异度分别为95.12%、72.12%,Youden指数为0.672。两者间的AUC差异无统计学意义(图2,表6)。

表6 各基物质对的诊断效能分析

讨 论

骨质疏松性椎体骨折(osteoporotic vertebral fractures,OVFs)是骨质疏松的主要并发症,常见于胸腰椎,也被称为脆性骨折。由于体内破骨细胞和成骨细胞活性的失衡,脂肪细胞增多,从而导致骨脆性增加,特别是在松质骨比例较高的干骺端区域,如脊柱、髋关节、桡骨远端、股骨近端或肱骨近端。然而,值得注意的是,未得到明确诊断的骨折并不代表没有症状,它们通常与背部疼痛和活动减少有关,经常被患者及医生忽视,或者被归因于其他常见的病因,如退行性关节疾病[13]。因此,及时准确地诊断脆性骨折尤为重要。

MRI上发现的水肿是由于正常脂肪骨髓被更富含水的材料取代导致的,与机械应力损伤和功能不全骨折相关的病理特点是纤维化、骨髓脂肪坏死、骨小梁微骨折和矿化不良[14]。急性骨折可以破坏骨髓小梁,导致出血或间质液体渗漏到骨髓间隙。能谱CT可以通过应用两种不同的X射线能谱,把任意某个组织分离成两种不同的基物质,其中,区分椎体内钙、水、脂肪等不同的物质成分,称为物质分离技术[15]。若分离出的这两种基物质为该组织的主要成分,则可以反映该物质在体内的存在情况。物质分离技术可以通过减去骨小梁上的HAP或钙的影响,直接显示椎体中水含量,从而更有效地检测骨髓水肿的差异。

已有多项研究表明,能谱CT虚拟无钙技术在诊断腕骨、膝关节及跟骨骨髓水肿方面展现了较高的效能[16-19]。对于急性椎体骨折,不管是颜色编码VNCa图像进行的定性评估,还是绘制ROI进行的定量评估,其在诊断骨髓水肿方面同样具有很高的准确性、特异性及敏感性[8-10]。Pan等[20]通过能谱CT的HAP-水分解技术初步证实了VNHAP图像在分析骨髓水肿范围方面同样具有较高的准确性。到目前为止,还没有通过能谱CT物质分离技术同时对HAP-水、钙-水两种物质对进行定量评估,比较两者对急性骨质疏松性骨折的诊断效能。此外,本研究没有对压缩骨折程度进行分级,全面评估了两者在不同压缩骨折程度下对急性压缩骨折的诊断效能。

本研究基于能谱CT物质分离技术重建VNHAP、VNCa图像,测量骨折椎体内HAP-水、钙-水物质对的值。在本研究中急性压缩骨折组各基物质对的值均高于慢性压缩骨折组,差异均具有统计学意义。这可以通过以下事实来解释:液体(相对高密度)可以替代黄色骨髓(相对低密度),从而导致测量中CT值增加[21]。钙-水的AUC为0.913,HAP-水的AUC为0.871,但差异没有统计学意义(P=0.128),这也说明了与钙相比,HAP同样接近骨矿物质的真实成分。本研究对压缩程度进行分级,得出在不同压缩程度下两种基物质对值在急、慢性压缩骨折组间差异均有统计学意义,说明压缩骨折的程度并不会影响其在鉴别急、慢性压缩骨折的方面的效能。此外,轻、中度压缩骨折及轻、重度压缩骨折组间HAP-水、钙-水值差异均有统计学意义,但中度压缩骨折组与重度压缩骨折组之间差异无统计学意义(P>0.05),这可能与本研究样本量少有关。

本研究有几个局限性。第一,本研究是一项单中心小样本回顾性研究,下一步需要进行多中心大样本研究来验证。第二,本研究是从能谱CT图像的正中矢状位层面来获取ROI进行分析的,这可能并不能充分代表整个椎体,需要进一步多方位、多层面来验证结果的可靠性。第三,本研究没有结合两者的颜色编码图像进行定性评估,下一步需要进一步补充研究来全面评估。

综上所述,双能CT重建的虚拟无钙及虚拟无羟图像在定量评估骨质疏松性骨折椎体骨髓水肿方面具有较高的特异性和诊断准确性。对于有MRI禁忌症的患者,双能CT可以作为一种替代检查方式。