光谱CT电子密度用于评估腰椎椎间盘退变

《PLOS One》：Spectral CT electron density for evaluation of lumbar intervertebral disk degeneration

　　

本研究旨在探讨光谱CT参数评估腰椎椎间盘退变（lumbar intervertebral disk degeneration，LIDD）的能力。LIDD是下腰痛最常见的原因，但光谱CT用于LIDD评估的价值尚不清楚。这项回顾性研究纳入2018年2月至2021年6月单中心连续接受光谱CT与磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）脊柱疾病检查的患者。研究人员在每节椎间盘的纤维环（annulus fibrosus，AF）与髓核（nucleus pulposus，NP）中测量常规多能120-kVp CT值（CTconv）、电子密度（electron density，ED）及有效原子序数（effective atomic number，Zeff），并获取前AF与NP、后AF与NP间各光谱CT参数差值，采用Spearman秩相关系数将这些参数值与改良Pfirrmann分级（modified Pfirrmann grade，mPG）关联，利用受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线分析评估鉴别正常与退变椎间盘的诊断效能。研究分析100例患者338个腰椎椎间盘，CTconv与ED在AF与mPG呈负相关（ρ=-0.29至-0.36），在NP与mPG呈正相关（ρ=0.16-0.45），NP中Zeff与mPG负相关（ρ=-0.29至-0.38）。前AF与NP、后AF与NP间ED差值与mPG强相关（ρ分别为-0.71、-0.64），鉴别正常与退变椎间盘的ROC曲线下面积（area under the receiver operating characteristic curve，AUC）分别为0.92、0.88。结论为光谱CT参数尤其是ED可诊断腰椎椎间盘退变。

研究背景方面，腰椎椎间盘退变（LIDD）是下腰痛最主要病因，可进一步引发椎间盘突出、腰椎退行性滑脱及腰椎管狭窄。椎间盘由中央髓核（NP，富水与蛋白多糖、II型胶原）与外周纤维环（AF，I型胶原为主纤维软骨）构成，退变时蛋白多糖减少、NP脱水并相对胶原化、AF撕裂囊肿化。临床常规依赖MRI的T2WI改良Pfirrmann分级（mPG）评估，但MRI对金属植入禁忌、幽闭恐惧者不可用，且对泌尿系结石、主动脉夹层等并存下腰痛病因不敏感；常规CT虽能排查这些病因，却缺乏定量评估椎间盘退变的能力。光谱CT（含双源、快速管电压切换、双层探测器DLCT等）可解算康普顿散射与光电效应双能数据，派生电子密度（ED，单位体积电子数，以水为100%EDW相对值）与有效原子序数（Z_eff），既往多用于放疗剂量计算或椎间盘突出评估，ED与Z_eff用于LIDD分级尚属空白。研究人员因此开展单中心回顾性研究，验证光谱CT派生参数尤其ED对LIDD程度区分与正常/退变鉴别的价值，论文发表于《PLOS One》。

关键技术方法上，研究人员回顾性纳入2018年2月至2021年6月单中心疑似腰椎疾病、同期（间隔≤1月）具备腰椎光谱CT与3.0T MRI、非增强、光谱数据完整的连续患者，排除金属伪影、椎间盘炎、真空现象、钙化、髓内积液、严重变扁及突出椎间盘，最终100例338个腰椎椎间盘。光谱CT采用Philips IQon双层探测器CT（120kVp，0.4s旋转，140mAs自动调制），工作站重建CT_conv、ED、Z_eff图；两名神经放射医师盲法独立依mPG评MRI，争议共识定级，正常（mPG1-2）与退变（mPG3-8）二分类。中矢状面每盘设5个10mm2 ROI（N1/N5在AF，N2-N4在NP），同名ROI复制至各参数图，取两读者均值，计算Δ(N1-N3)、Δ(N5-N3)。统计用SPSS与MedCalc，Spearman相关、ICC/加权kappa评价一致性，Mann-Whitney U或t检验组间比较，ROC与DeLong检验诊断效能。

研究结果如下。患者特征：100例（男55女45，均龄58.5±20.0岁，10-89岁）338盘，正常154（mPG1:41，mPG2:113）、退变184（mPG3:98，mPG4:68，mPG5-7:18，mPG8:0）。观察者一致性：mPG加权κ=0.80（几乎完全一致），ED的ICC=0.86，Z_eff的ICC=0.73，CT_conv的ICC=0.56。光谱CT参数与LIDD相关性：NP内CT_conv与mPG弱正关（ρ=0.16-0.24），AF内弱负关（ρ=-0.29至-0.33）；NP内ED与mPG弱至中度正关（ρ=0.31-0.45），AF内弱负关（ρ=-0.29至-0.36）；NP内Z_eff与mPG弱负关（ρ=-0.29至-0.38），AF内Z_eff无关。Δ(N1-N3)、Δ(N5-N3)中CT_conv中度负关（ρ=-0.52、-0.46），ED强负关（ρ=-0.71、-0.64），Z_eff弱正关（ρ=0.34、0.25）。正常与退变盘比较：退变盘NP的CT_conv、ED高于正常盘，Z_eff低于正常盘；AF的CT_conv、ED低于正常盘，Z_eff无差；ΔED前/后AF-NP在退变盘显著缩小（0.85/0.36%EDW vs 2.52/1.90%EDW）。诊断效能：单ROI的AUC，CT_conv在AF为0.68-0.73、NP为0.56-0.62；ED在AF为0.71-0.76、NP为0.64-0.72；Z_eff仅NP有0.65-0.71。Δ值AUC：CT_conv为0.77-0.81，ED为0.88-0.92，Z_eff为0.65-0.69；DeLong显示ED的ΔAUC显著优于CT_conv与Z_eff（P<0.001-0.007）。

讨论部分指出，NP富水（ED~100%EDW）与AF纤维（ED~110%EDW）在正常盘形成ED高对比，退变时NP脱水纤维化ED升高、AF撕裂囊肿ED降低，致AF-NP的ED差锐减，故ΔED与mPG强负关且AUC最高；CT_conv受能谱平均化与噪声影响弱于ED，Z_eff仅反映NP失水（水Z_eff~7.68高于纤维~7.30）对AF不敏感。前AF-NP的ΔED优于后AF-NP，与老龄前AF硫酸糖胺聚糖下降更著有关。研究局限为单中心单机型（Philips DLCT）、以MRI mPG为参照无组织学验证、手动中矢状面ROI致CT_conv重现性一般、光谱CT整体效能未达MRI且具辐射，故定位于MRI禁忌或需同查结石/血管病因时的补充手段，非替代MRI常规筛查。

结论部分翻译：研究人员揭示了光谱CT参数尤其是电子密度（ED）在评估腰椎椎间盘退变中的作用，结果可拓展CT在筛查下腰痛病因中的角色，潜在引导更有效治疗策略。