双能CT技术在肌骨成像中的应用研究进展

张健，赵宏伟，苏京锁

（河南省驻马店市第159医院门诊部放射科，河南 驻马店 463000）

近年来，双能CT成像技术的发展及新型双能CT设备的研发促进了该技术在临床的快速推广及应用。该技术可广泛应用于胸部、腹部、肌骨、血管以及神经系统等多种组织成像。与传统CT成像技术相比较，双能CT技术可对组织成分进行分析，减少伪像，进行图像优化，且较常规CT能大幅提高时间分辨率、空间分辨率、密度对比分辨率[1]，因此具有极大的应用优势。本文将对双能成像技术的基本原理，及其在肌骨成像中的临床应用进行简单综述。

1 双能CT的基本原理

在进行CT扫描时，由于X射线光子与照射路径上物质原子内的K壳电子相互作用，使得光子被吸收从而产生X线衰减。光子的吸收程度由其能量水平及其与电子K壳结合能的匹配水平决定。当光子能量在“k缘”水平，即其能量刚刚超过电子K壳结合能时，可观察到光子的显著吸收。1979年Di Chiro及Millner首次报道发现[2-3]，同一组织的CT信号在不同的CT能量谱下不相同，由此提出了双能的概念。双能CT分别利用低球管电压及高球管电压（通常为80 kV及140 kV）对物体进行扫描。原子序数较高的元素，如碘、氙、钙等，其k缘值与低千伏电压射线源所产生的光子平均能量更匹配，因此会吸收更多的低能光子。而人体基本组成成分碳、氧、氢、氮均为低原子序数元素，其k缘值较低，与低电压及高电压射线束光子均较匹配，因此其射线吸收量相当。不同元素成分组织对低能及高能射线束衰减的差异被称为双能系数（Dual energy index,DEI），该系数为双能CT技术识别、增强或抑制不同组织类型的基础。

目前常用的双能CT技术主要包括以下四种：顺序扫描技术、双源技术、快速千伏电压转换技术以及双层探测器技术。顺序扫描技术是最初采用的双能技术，即采用单个射线源顺序进行两次不同能量水平的CT扫描。该技术对硬件要求最低，但辐射剂量与成像时间最长，患者易移动，因此图像后处理较困难，已被另外三种技术所取代[4]。随后，西门子公司及GE公司分别研制并推出了双源技术及快速千伏转换技术。双源双能CT技术使用两组能量水平不同、互成90°角设置的X线球管及检测器，以同时获得两组成像数据。快速千伏转换技术在仪器构架内仅设置了单个球管，但通过快速转换能量水平从而在球管的每次旋转周期内获得两组数据。上述两种技术各有其优、缺点，目前在临床中均有较广泛应用。双层检测器技术使用浅层及深层两组检测器分别获取低能量及高能量x线衰减数据。但是，由于该方法辐射剂量较高，软组织对比差等原因，其临床应用并不被看好[4]。

2 双能CT在肌骨成像中的临床应用

2.1 金属伪像减影 临床骨科手术中植入的金属植入物会产生光子饥饿、射线束硬化伪像、量子噪音过高、辐射散射以及散射缘效应等金属伪像，导致CT图像质量降低。目前常采用的减少伪像方法包括改变病人体位、增加衰减量级、迭代重建利用率、使用软组织过滤器以及增加球管电压或电流等。这些方法可有效减少光子饥饿及射线束硬化伪像，但同时会引起辐射剂量增加，软组织识别度降低，以及空间分辨率降低等负效应。

大量研究认为，与传统CT成像相比较，双能CT技术可有效降低金属伪像，提高图像质量，并增加诊断信息。Bamberg等[5]比较了31例骨骼金属植入物患者的高能量双能CT重建图像以及传统CT图像，结果发现与传统CT图像相较，29例患者的双能CT图像质量更佳，27例患者的诊断结果更准确。更为重要的是，个别病变仅在高能量双能CT图像上可发现。与之相似，Zhou等[6]使用双源系统对47例行骨折固定的患者进行对比分析，结果发现130 kV球管电压的图像质量较120 kV加权成像的图像质量更佳，且其金属伪像显著减少。Lee等[7]使用快速千伏转换双能CT配备金属伪像减影软件（Metal artifact reduction software，MARS）对26例患者以及人工假体的图像进行了对比，结论认为双能CT可显著减少伪像产生，并提高对金属假体及假体周围组织结构的显像。Lewis等[8]使用双源双能CT对髋部植入物进行成像，结果表明除射线束硬化伪像外，双能CT还可减少条索伪像，降低对比噪声比，同时不会引起对比分辨率的降低。Tanaka等[9]对骨骼环绕型植入物的术后改变评价研究结果以及Wang等[10]对18例脊柱侧凸患者椎弓根螺钉的成像结果也均支持上述研究结论。

目前对双源法和快速千伏转换法减低金属伪像效果的比较研究尚不多见，但普遍认为快速千伏转换系统相对更加有效，因为双源双能CT常会由于射线束发射角度的变化而导致空间分辨率的降低[11]。

2.2 痛风成像 近年来，双能CT成像技术在痛风患者尿酸盐沉积物成像中的应用逐渐引起了研究者注意。其成像原理主要依靠钙质与尿酸盐的DEI值不同。在双能CT图像后处理过程中，将组织成分对低能量（80 kV）射线和高能量（140 kV）射线的衰减值分别列于Y轴及X轴，则高原子序数的钙质位于软组织中线上方，低原子序数的尿酸盐结晶位于中线下方，从而可实现骨质与尿酸盐结晶信号的分离。通过对每种物质信号进行彩色编码并叠加于灰阶CT图像上，便可形成尿酸盐结晶的双能CT特异性成像图。

迄今为止，已有多项国内外研究对双能CT在痛风诊断中的应用进行了报道。Choi等[12]最早于2009年使用双能CT成像对痛风患者的尿酸盐沉积物进行扫描，结果发现该技术可有效提高临床症状不显著的痛风石的检出率。随后扩大样本量的研究对40例临床证实的痛风患者及40例其他类型关节炎患者进行了双能CT扫描，结果认为双能CT检查的特异性及敏感性分别达到了84%及93%[13]。Glazebrook等[14]对94例关节疼痛的患者进行了双源双能CT扫查，并比较了两名医师的独立诊断结果，结论认为其诊断的敏感性均达到了100%，特异性分别为89%和79%，且其诊断者认同度近乎完美（κ=0.87）。莫守崎等[15]对44例患者进行的研究结果认为双能CT诊断痛风性关节炎的灵敏度为94.59%，特异度为100%。梁波等[16]对120例患者的研究发现双能CT可有效检出足/踝部非显性痛风石慢性痛风性关节炎患者的尿酸盐沉积。刘力等[17]研究认为，双能CT成像技术对高尿酸血症、痛风早期、疑似痛风患者均有较高的检出率。

除了关节痛风外，双能CT在一些少见类型的痛风（如脊柱痛风）中也具有重要的诊断价值[18]。Dhaese等[19]采用双能CT成像方法在一例肾移植后胸椎压痛患者的胸椎发现了尿酸盐沉积，在予以相应治疗后其症状完全缓解。Parikh等[20]对进行性背痛加重的患者进行双能CT扫描后发现其腰椎椎体存在尿酸盐沉积，同样在给予药物治疗后疼痛好转。

双能CT成像对尿酸盐沉积物检测的敏感性极高，不仅可作为一种有效的无创性诊断手段，利用自动容积测量软件对痛风结石体积的监测还可用于对临床治疗疗效的评价[21]。Nicolaou等[22]研究认为，双能CT对无临床症状痛风结晶的早期检出有助于避免该疾病并发症的进一步发展，从而降低患者负担、提高生存质量。Desai等[23]研究认为双能CT重复测量痛风石体积的可靠性及准确性使其有望进一步应用于临床尿酸治疗的有效性监测。

值得注意的是，为了尽可能提高双能CT诊断痛风的特异性及敏感性，图像后处理对痛风石伪像的辨别极为重要。常见的伪像常位于指甲及甲床附近，皮肤老茧处，动脉，以及伪像及噪音所影响的区域。此外，范围小于1 mm，尤其是以散在单像素形式存在的区域，也常是易形成伪像的原因之一[14，24]。

2.3 骨髓水肿检测 骨髓水肿在骨伤疾病中经常遇到，创伤、感染、关节炎等均可合并骨髓水肿。由于骨髓腔内的病理学改变仅会对CT衰减值产生极小的影响，且部分容积效应易使邻近骨小梁的骨髓亨斯菲尔德值产生失真，因此传统CT成像对骨髓水肿检测的敏感性远不如MR成像。但是，与传统CT成像不同，由于双能CT成像可对物质组成成分进行分析，因此通过虚拟非钙质成像技术（Virtual noncalcium,VNCa）移除含钙的高衰减骨质信号后，可提供高质量的骨髓成像图像[25-26]。

VNCa技术首先由Pache等于2010年报道[25]，其对21例以MR成像为诊断参考标准的急性膝关节创伤患者进行的分析结果发现，VNCa技术诊断骨髓水肿的敏感性及特异性分别达到了86.4%和95%，其κ值分别为0.78（股骨损伤）以及0.87（胫骨损伤）。其后对膝关节的VNCa成像研究证实该技术使用比传统CT成像低28%的辐射剂量即可有效检出骨髓水肿病变[26]。Guggenberger等[27]对30例创伤性踝关节损伤病例进行的研究结果证实，VNCa成像的敏感性及特异性达到了90%及80.5%，且其诊断者认同度极高（κ=0.66）。Wang等[28]进一步研究证实了VNCa成像同样可对椎体压缩性骨折引起的急性骨髓水肿起到很好的成像作用，其成像敏感性及特异性分别到达了96.3%和98.2%，诊断准确性达到了97.6%。Bierry等[29]评价了29例非肿瘤性椎体压缩性骨折病例，结果发现VNCa成像诊断的特异性、敏感性以及准确性分别为84%，97%以及95%。

VNCa技术对骨髓水肿的成像具有显而易见的优势，但在临床应用中需要注意以下几点。首先，由于骨皮质“面具”效应的存在，VNCa成像不适用于邻近骨皮质的骨髓病变显像[25]。由于VNCa技术算法以阈值为基础进行分段，因此空间平均效应会引起皮质下邻近部位高衰减像素信号抑制，导致数据缺失。因此，若骨髓水肿为骨皮质病变引起的继发性改变且病变部位局限于邻近骨皮质的骨髓腔，则VNCa成像可能会对该病变漏诊。其次，Wang等[28]报道称在显著坏死的椎骨（＞50%）或含有大量气腔的椎骨中，VNCa成像的假阴性率显著增加。最后，当图像处理采用单独灰阶成像时，诊断敏感性有所下降，使用伪彩图像有助于强调并标记微小的衰减值改变，因此有助于增加病灶的检出率[26]。

2.4 胶原结构成像 近年来双能CT对胶原蛋白成分的成像应用逐渐引起了人们的兴趣。双能CT技术可通过组织分解算法分辨软组织内的胶原蛋白成分，随后通过彩色编码技术叠加至灰阶图像中，从而辅助胶原纤维的解剖学定位及病理变化检测。

目前对胶原蛋白成像的研究主要集中在韧带及肌腱成像领域。Sun等[30]对12例膝关节双能CT成像患者的图像进行了回顾性研究分析，结果发现双能CT成像能够清晰显像前交叉韧带、后交叉韧带、髌韧带及腓侧副韧带，而对胫侧副韧带、横韧带及腘斜韧带显影则不够清晰，无法有效诊断评价。Deng等[31]对40例手部CT成像的对比诊断研究结果发现，双能CT可对手部的所肌腱进行清晰显像，且其图像较传统CT图像质量显著提高，并认为其原因可能是由于双能CT降低了密集的指骨间的射线束硬化伪像。目前利用双能CT技术对肌腱成像的评估尚无完整的研究报道，有研究认为双能CT可对跟腱，髌韧带，拇长屈肌，指浅屈肌，指深屈肌，以及趾长伸肌进行显像[30-32]。目前对更为细小的肌腱结构进行成像尚较困难，但随着对算法技术的进一步深入研究和发展，其成像能力有可能进一步提高[32]。

除了正常韧带、肌腱结构的显像研究外，也有部分学者对双能CT的韧带损伤成像能力进行了研究。Persson等[33]使用双能CT技术对尸体进行成像，结果发现可有效评估腕关节及踝关节穿透伤引起的继发性韧带损伤。Fickert等[34]在关节镜下对猪前交叉韧带（ACL）进行完全或部分撕裂以建立ACL损伤模型，在术前及术后均使用双能CT及1.5 T磁共振进行关节成像，比较并评价两者对韧带损伤的成像效果。结果证实双能CT成像与MR成像具有相近的ACL成像率（双能CT100%，MR成像100%）及ACL部分性撕裂诊断敏感性和特异性（双能CT成像特异性71.4%，敏感性66.7%；MR成像特异性78.4%，敏感性66.7%）。而MR成像对ACL完全性撕裂的诊断敏感性（100%vs 75%）及特异性（75%vs 68.8%）高于双能CT成像。Stevens等[35]以MR成像作为参考诊断标准，证实双能CT的胶原材料分解成像技术可用于检测并诊断传统CT成像漏诊的足底撕裂。Glazebrook[36]等对16例经MR确诊的ACL撕裂病例在伤后约58天时进行双能CT成像，并将其图像与对照组11例图像进行对比，结果发现ACL的斜矢状平面角度可提供最佳的重建图像，且双能CT图像具有极高的精确性及观察者一致性。

2.5 骨矿物质密度分析 目前临床应用广泛的骨密度评估方法为检测骨质的双x射线吸收值（Dual x-ray absorptiometry,DXA）。DXA方法具有简便易行，获取时间短，图像分辨率高，仪器差异小，可靠，以及辐射量低等优点。但其易受结构重叠、骨质退行性变等影响引起图像失真。更为重要的是，由于骨皮质与骨小梁的代谢活性不同，因此对整个骨质平均密度进行二维成像易产生容积误差[37]，无法有效反应真实的骨质密度情况。采用3D成像模式显然能够提供更为精准的骨密度评估。定量CT成像可提供精准的骨质容量密度值，目前是一种较为切实可行的成像模式。此外，有研究者提出双能CT成像亦可作为骨矿物质密度3D容积评价的备选方法[37-39]。Wesarg等[40]采用离体椎体进行的骨密度测试结果表明，双能CT成像较DXA成像可提供更加细致的椎体密度分析。Wichmann等[41]对160例腰椎进行活体双能CT成像分析后得到了骨小梁的3 D可视图像。与传统定量CT相比，双能CT不需要假体进行校正，且其辐射剂量更低。但是迄今为止还没有文献报道对双能CT和DXA的辐射剂量（0.013 mSv）进行比较分析[42]。尽管如此，目前双能CT在骨密度成像中的研究仍标志着其有可能进一步应用于骨质疏松症的临床评估。

2.6 关节造影成像中的应用 MR关节造影成像对软组织细节成像效果好，对比分辨率高，但是CT关节成像技术具有成像速度快，等待时间短，适用范围广，可进行多维重建，空间分辨率高，并可在MR成像不可用的情况下（如体内有金属植入物及起搏器时）使用等优点[30，43]。因此，随着近年来螺旋成像技术以及多探测器技术的发展，CT关节造影成像术在关节损伤疾病，尤其是在膝关节损伤疾病中的应用有了显著提高。尽管如此，传统CT关节造影成像技术仍具有以下3个主要的技术难点：①对比分辨率较低，对微小撕裂处造影剂物质的检测不佳；②对关节内矿物质（如软骨钙质沉积和尿酸）与撕裂处造影剂充填的鉴别诊断困难；③无法将碘对比剂信号从骨皮质中分离，因此无法为外科手术计划提供三维重建图像。

根据双能CT成像技术的基本原理及多种图像后处理算法，该技术有可能通过以下三种方法提升传统CT关节造影图像的质量：①通过组织分解技术将钙质，尿酸以及碘剂等信号进行分离；②通过虚拟非对比剂增强技术将碘对比剂信号从软骨钙质沉积及骨皮质信号中分离；③通过获取碘剂分布图像增强图像对比分辨率及微小撕裂伤的显影能力。目前已有体外研究针对双能CT成像技术在关节造影成像中的应用进行了初步探索，但其研究结果不尽相同。Chai等[44]利用猪关节进行的研究证实经血管使用低浓度对比剂（75 mg/ml）后，仍可成功得到虚拟非增强图像，而在造影剂浓度更高时则无法有效抑制。而Subhas等[45]利用牛关节进行的研究则认为双能CT较普通关节造影成像并没有显示出更优的信噪比或主观的读图者偏好。Mallinson等[32]对28例半月板撕裂患者进行的回顾性分析研究结果显示，以MR成像结果作为参考诊断标准，双能CT成像检测出了27例，而传统CT成像仅检测出了19例，因此认为双能CT对半月板撕裂的诊断敏感性要优于传统CT。

双能CT成像技术的基本原理及上述部分试验性研究证实了双能CT关节造影成像技术的潜在优势，但其临床诊断的有效性仍需图像后处理技术的进一步优化及更大样本量的实验研究来证实。

2.7 转移瘤检测中的应用 根据双能CT成像技术的基本原理，理论分析来讲目前有3种方式可对骨组织内良、恶性病灶进行辨别诊断[46]：①定量组织分解—肿瘤组织在转移和浸润过程中会产生溶骨效应，使得骨质成分减少，富含脂肪的骨髓腔被软组织成分取代，水分含量增加。根据此病理基础，双能CT成像技术有可能通过对组织成分进行分解成像实现良、恶性结构的鉴别诊断。Zheng等[47]采用回顾性研究的方法，使用组织分解算法对102例肿瘤患者的椎体转移灶和Schmorl结节进行鉴别诊断。结果发现，虽然Schmorl结节由于骨质被椎间盘成分替代使得水分含量较正常骨质也增高，但与转移灶相比其谱曲线及斜支形式均有显著不同（P＜0.05），转移灶的水分含量较Schmorl结节更高，骨质含量更低（P＜0.01）。尽管该研究的样本量较小，且缺乏病理学结果，但该研究结果对双能CT在转移灶检测中的应用仍具有重要指导意义。②定性组织分解—恶性肿瘤的骨内转移灶常表现为异常的软组织结构或骨小梁缺损，利用双能CT成像对正常的骨皮质及骨小梁结构进行分辨及彩色编码，或从图像上隐藏该部分结构，都可使骨内转移灶显像更加明显。③虚拟非对比剂增强成像及碘分布图—进展期及复发期恶性肿瘤患者常需进行含碘造影剂增强CT成像。骨内坏死灶多表现为无增强，转移灶则多表现为小片状非特异性增强区。通过形成虚拟非对比剂增强成像及碘分布图，可利用双能CT技术对转移灶进行特异性显像。

需要注意的是，尽管以上技术理论上可行，但其临床可靠性仍有待进一步研究证实。

3 结论

双能CT技术作为一种新近发展起来的新型CT诊断技术，已被证实在尿酸检测、骨髓水肿检测及金属伪像减影中具有较好的诊断作用，而一些早期研究结果也初步证实该技术在韧带、肌腱分析，关节造影，以及骨矿物质密度分析等方面可能具有一定价值。随着成像技术及图像后处理技术的进一步发展，双能CT有可能为目前尚需要MR成像甚至目前医学成像技术尚无法有效解决的肌骨系统疾病提供更加快速以及稳定可靠的成像方法。