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k8椎体CT值评估腰椎退变患者骨密度的研究进展

时间:k8椎体CT值评估腰椎退变患者骨密度的研究进展

  骨质疏松是骨密度和骨质量下降,骨组织微结构退化,进而导致骨脆性增加、脆性骨折风险增加的系统性骨代谢疾病。随着老龄化社会的到来,骨质疏松发病率正在逐年提高。2018年国家卫生健康委员会的流调结果显示,我国65岁以上人群骨质疏松患病率已达32.0%,严重降低老年人生活质量,带来了巨大的社会经济负担。腰椎退变性疾病(LDD)是由腰椎结构退变导致的一系列疾病,常见的有腰椎管狭窄症、退行性腰椎滑脱症、腰椎间盘突出症等。越来越多的老年腰椎退变患者需要接受腰椎手术来改善症状和提升生活质量。然而,腰椎退变患者也是骨质疏松的高危人群,其中,≥50岁的女性手术患者的骨质疏松患病率为48.9%,男性手术患者为27.1%。如此高的骨质疏松患病率带来的是高发的腰椎融合内固定术后骨质疏松相关并发症,如椎弓根螺钉松动、相邻椎体骨折、融合器移位、植骨不融合等,严重影响手术疗效。因此,患者的术前骨密度评估对内固定手术策略制定至关重要,及时识别骨质疏松患者有助于术者采取必要的预防措施降低骨质疏松相关并发症发生率,改善手术疗效。笔者通过对椎体CT值评估腰椎退变患者骨密度进行文献综述,总结椎体CT值辅助诊断骨质疏松的方法及其临床意义,旨在提高脊柱外科医师对术前骨密度评估重要性的认识,更好地在临床实践中应用椎体CT值。

  目前临床和科研应用的骨密度(BMD)测量方法有双能X线吸收法(DXA)、定量CT(QCT)、外周QCT(pQCT)和定量超声(QUS)等。常用的测量方法有DXA和QCT两种。

  DXADXA是WHO推荐的测量BMD和诊断骨质疏松的金标准方法,其辐射暴露低、费用低、操作简单、测量时间短、精度高。对于50岁以上的男性和绝经后女性,DXA以腰椎(L1~L4)和髋部任何一处的最低BMDT值为参考指标,将T值≤-2.5作为骨质疏松诊断标准。其中T值是相对值,代表患者BMD与同种族同性别健康青年人BMD平均值(平均BMD)的相对大小,计算公式为:T值=(实测BMD-平均BMD)/SD,其中SD为同种族同性别健康青年人BMD的标准差(SD)。基于DXA测定的BMDT值,将患者分为四类:正常(T值≥-1.0),骨量减少(-2.5<T值<-1.0),骨质疏松(T值≤-2.5)和严重骨质疏松(T值≤-2.5且存在脆性骨折)。

  然而,DXA采用的是平面投影技术,测量的是面积BMD(arealBMD,aBMD),单位g/cm2,包括椎体皮质骨、松质骨以及椎体前后方结构等X线投射路径中遇到的所有矿物成分的密度。故在严重腰椎退变患者中,包括椎体骨折、骨赘形成、椎间盘与小关节退变、终板硬化等在内的退变结构会使BMD测量值和T值假性增高,掩盖松质骨骨量的真实变化,导致骨质疏松漏诊。并且,腰椎退行性改变越严重,BMD值假性增高的程度越多;患者年龄越大,DXA的骨质疏松漏诊率越高。在脆性椎体骨折患者中,约有50%患者的DXA检测结果仅报告骨量减少甚至骨量正常。因松质骨更易发生骨量丢失,在骨折风险、轴向力学作用等方面也比皮质骨更为重要,所以在骨质疏松监测中应当更关注松质骨量,以便能更敏感地反映BMD的真实变化和骨质疏松的程度。

  QCTQCT也被推荐用于BMD测量和骨质疏松诊断。QCT技术在CT扫描图像的基础上,需要使用专业软件处理分析和QCT体模校准。软件自动在L1~L3椎体中选择两节椎体(一般为L1和L2),然后在中层轴位松质骨内选择测量感兴趣区(ROI),以获得椎体的体积BMD(vBMD),k8单位mg/cm3。美国放射学会(ACR)关于QCT使用的指南中推荐BMD值<80mg/cm3诊断为骨质疏松,80~120mg/cm3为骨量减少,>120mg/cm3为骨量正常[19]。因为松质骨更早且更容易出现骨量丢失,所以QCT在评估骨质疏松方面比DXA更敏感,有更大的优越性。另外,QCT可以选取三维ROI,在避开皮质骨和退变结构的基础上测量vBMD,提供更精确更有代表性的BMD值。QCT技术目前主要应用于科研,临床推广程度比DXA低。这可能与QCT技术需要额外配置测量软件、体模校准和专业影像学技术人员相关。另一方面,与DXA相比,QCT测量BMD的检查费用更高,辐射剂量更大。

  近年来,CT已经成为临床实践中最常用的疾病诊断评估工具之一。据统计,美国每年胸腹部CT检查超过5000万人次,若加上各类脊柱CT则CT扫描总数将更为庞大。这些CT扫描往往都覆盖了不同节段的椎体,即便不使用QCT中的专业软件,也可以通过在这些CT图像中测量椎体松质骨的CT值来识别更多的骨质疏松患者。CT值代表组织密度值。CT图像将人体分割成若干体积单元,每一个体积单元内的物质对X线的衰减系数代表了该体积单元的物质密度,记为CT值,单位是亨氏单位(HU)。一般规定标准压力和温度下蒸馏水的CT值为0HU,空气为-1000HU,则某体积单元相应的CT值为:CT值(HU)=1000×(μx-μwater)/μwater,其中μwater和μx分别代表蒸馏水和某体积单元对X线的衰减系数。骨质密度较高,一般在300~3000HU。因为椎体内组织以松质骨为主,所以椎体内的CT值也反映了松质骨的骨量水平。

  具体来讲,椎体松质骨CT值的测量原理与QCT类似[23、26~28]。在三维重建CT图像中,选择椎体中层轴位,在轴位像的椎体松质骨前方放置一尽可能大的椭圆形ROI,避开皮质骨、局部骨质增生区、退变结构和后方的静脉丛;使用阅片常规使用的PACS软件自动读取ROI内的平均HU数值,即为每个椎体松质骨的CT值。或者选择椎体的三层轴位,分别是上终板的下一层、椎体中间层、下终板的上一层,分别得出三个层面ROI的HU值,进而计算得出每个腰椎体的平均HU值。由于一般不同类型临床CT(肺CT、腹部CT、腰椎CT等)的扫描范围都包含L1椎体,因此L1是最常用的椎体CT值测量节段。

  CT值与DXA测量值的相关性常规CT测量腰椎椎体松质骨所得HU值与DXA测量值之间呈显著性正相关,可以用于识别BMD下降和评估骨折风险。国外多项研究提示L1~L4椎体CT值与DXA的BMD值之间相关系数r2为0.38~0.77,与DXA的T值之间相关系数为0.37~0.79,证实了随着BMD和骨质量的减少,椎体CT值明显降低。其中,Lee等通过对128例≥40岁女性腰痛患者进行研究发现,随年龄增长椎体CT值随之下降,L1~L4椎体CT值与T值(r2分别为0.673、0.794、0.766、0.713,P<0.001)、BMD值(r2分别为0.657、0.774、0.737、0.673,P<0.001)均显著性正相关。且Lee等也发现L1CT值的下降与将来脆性骨折风险的增加有关。所以常规CT检查可以在一定程度上用作评估BMD的补充方法,帮助识别低骨量和骨质疏松。为明确腰椎CT值诊断骨质疏松的标准,许多研究者基于DXA标准计算获得了CT值的诊断界值,并评估了其诊断效果。各研究中CT值区分骨质疏松与骨质减少或正常BMD的曲线下面积(AUC)基本均大于0.8,说明常规CT值筛查和诊断骨质疏松的效果令人满意。其中,Pickhardt等回顾性分析了1867例平均59.2岁因其他适应证进行腹部CT检查的患者,并使用L1的CT值诊断骨质疏松,平衡敏感度和特异度(约为75%)得到的界值为135HU,其AUC为0.83;当界值为160HU时其对骨质疏松的诊断敏感度为90%,界值为110HU时诊断特异度为91.3%。大部分分析CT值与DXA相关性的研究,以及确立诊断骨质疏松的CT值界值的方法都直接参考了DXA的结果。但在腰椎退变患者中腰椎DXA结果是被高估的,所以这些界值可能并不准确。

  为减少这一影响,Choi等依据关节突关节、椎间盘的退变程度以及腹壁血管钙化程度,将110例即将行腰椎手术的患者分为退变组和未退变组,使用未退变组患者数据分析相关性、诊断性能和界值,发现在未退变组中,L1~L4平均CT值与DXA测量的BMD和T值有强正相关性,相关系数r分别为0.721和0.734(P<0.001),而在退变组中,相关性非常差,r只分别有0.426(P<0.0019)和0.398(P<0.031);以未退变组数据所做的受试者工作特征(ROC)曲线提示CT值作为骨质疏松诊断工具的敏感度为88.2%,特异度为85.7%,但是并未给出相应诊断骨质疏松的界值。Zou等[12]探讨了国人腰椎退变患者的椎体CT值与DXA测量值的相关性,也考虑到腰椎退变结构对DXA测量的BMD值的影响,根据骨赘形成、椎间盘退变、关节突关节退变或椎体压缩的程度,判断椎体是否退行性改变,若L1~L4中有至少3个退变椎体,则将患者纳入重度退变组,其余退变相对较轻的患者纳入对照组,研究发现对照组中腰椎CT值与相对应DXA结果相关系数均r>0.7,而重度退变组中均r<0.7,更加证实了严重退变会使DXA结果假性增高,进而使得CT值与其相关性变差。所以该研究使用相关性更好的对照组数据,建立线性回归方程,并计算每个椎体T值=-2.5时的CT值,得出L1~L4椎体诊断骨质疏松的界值分别为110HU、100HU、85HU和80HU;用这一标准分析DXA的骨质疏松漏诊率,发现重度退变组为38.7%而对照组仅为11.5%,说明该方法能在一定程度上减少严重腰椎退变患者骨质疏松的漏诊情况。从表1中可以看到各项研究获得的界值有所不同,这可能与种族、性别、年龄、设备(CT机类型和扫描参数等)或方法使用的不同有关,需要进一步更大样本量的研究来获得更明确的骨质疏松诊断标准。

  CT值与QCT测量值的相关性考虑到QCT相比于DXA的优点,许多研究者认为在腰椎退变患者中也可以探寻CT值与QCT测得的BMD值之间的相关性,进而得到更为准确的骨质疏松诊断界值。Gerety等研究了30例55~71岁健康志愿者,发现L1的CT值与QCT的BMD值之间有很好的相关性(r=0.83)。Kim等回顾性研究了180例即将行腰椎手术的患者,发现L1~L3的平均CT值与QCT的BMD值呈显著性正相关(r=0.868,P<0.001),而与脊柱DXA的BMD值相关性r仅为0.489(P<0.001);同时,参考QCT结果建立的诊断骨质疏松界值为146HU,敏感度和特异度分别为94.3%和87.5%,AUC为0.960;而使用DXA确定的界值为95HU,敏感度及特异度均较低,分别为82.5%和66.4%,AUC仅为0.781。由于QCT和DXA的诊断结果本来就存在较大差异,所以分别基于QCT和DXA所得到的骨质疏松诊断CT值界值也会不同。

  CT值与脊柱术后并发症的相关性由于老年骨质疏松患者常存在BMD低、血液供应差、成骨细胞活性低等问题,易导致植骨不融合和椎弓根螺钉松动甚至拔出等腰椎融合内固定术后并发症。许多研究认为患者椎体CT值越低,腰椎术后骨质疏松相关并发症风险越高。因此建议医生在术前腰椎CT检查时报告椎体CT值,以便及时进行骨质疏松的早期治疗和预防腰椎内固定融合手术后相关并发症。

  椎弓根螺钉松动Bredow等通过对365例进行了腰椎和胸椎融合手术的患者进行研究发现,有45例(12.3%)患者发生了螺钉松动,其CT均值为116.3HU,明显低于未松动患者的132.7HU。Zou等[29]也发现在503例行腰椎椎弓根螺钉固定手术的患者中有151例(30.0%)术后发生了螺钉松动,松动组的平均CT值低于非松动组(分别为106.3HU和132.6HU),且术前较低的椎体CT值是术后内固定松动的独立危险因素。k8

  相邻节段骨折Meredith等研究了20例脊柱融合术后发生相邻节段骨折的患者,与在年龄、性别、体重指数和融合水平方面匹配的未骨折的对照组的术前CT值相比较,发现骨折组中发生骨折的椎体CT均值为145.6HU,明显低于对照组199.4HU,并且,骨折组中全部胸椎和腰椎的CT均值也明显低于对照组,分别为139.9HU和170.1HU。

  融合器移位Mi等进行回顾性队列研究,调查18例行单节段L4-L5经椎间孔椎体间融合术联合单侧椎弓根螺钉固定(TLIF-UPF)手术的患者中术前CT值与cage移位的关系,发生cage移位患者的平均CT值明显低于对照组,分别为112.4HU和140.2HU。植骨不融合Schreiber等回顾性研究了28例行腰椎融合术的患者中椎体CT值与融合的关系,共52个手术节段中,有27%的节段未融合,成功融合节段的平均CT值为203.3HU,显著高于未融合节段的139.8HU;比较邻近融合节段的椎体的BMD,发现融合组的CT均值也比未融合组高,分别为133.7HU和107.3HU。该研究说明拟融合节段椎体CT值越低,发生植骨不融合的风险越高。总的来说,患者腰椎融合内固定手术前更低的CT值与术后螺钉松动、相邻节段骨折、融合器移位和植骨不融合等并发症有关,且发生率高达12%~30%,严重影响手术疗效和患者功能恢复。但以上均为回顾性研究,研究价值和质量有限,需要进一步进行前瞻性研究观察术前CT值与术后并发症的相关性,为术前及时治疗和预防术后并发症提供更全面的指导。

  椎体CT值的测量结果和骨质疏松诊断界值的确立可能与CT机扫描参数、测量者误差、造影剂使用、测量ROI的选择、诊断椎体的选择有关。常规CT中椎体CT值测量作为一种新的评估BMD的方法,需要控制相关影响因素,确立广泛认可的诊断界值,以便推广使用。CT机扫描参数主要包括管电压(tubevoltage)和管电流(tubecurrent)。当管电压不同时得到的CT值不同,随着管电压的降低,CT值将明显增高,所以控制CT扫描设备的参数对于建立统一诊断界值来说是十分必要的。对于腰椎退变患者来说,腰椎平扫CT的管电压一般为120kVp,所以利用腰椎CT测量CT值具有较好的可比性,利于推广;管电流对CT值测量的影响一般较小。单一测量者内和不同测量者之间HU值测量有很好的一致性和可重复性,各研究中组内相关系数(ICC)基本均大于0.90。大部分研究认为静脉注射造影剂可能增高CT值。Pickhardt等发现增强CT的HU值比未增强CT平均增加了11HU,但两者诊断骨质疏松的效果是相似的(AUC分别为0.81和0.83),准确性基本不受有无增强的影响。

  Pompe等发现造影剂明显增加了椎体的密度(约18HU),这可能会导致骨质疏松的漏诊。Jang等发现静脉注射造影剂对35岁以下、50~54岁、60~64岁年龄组的患者CT值有显著影响,而在其他年龄组影响较小,具体的原因并不明确。同时,ROI的不同放置方法对CT值测量结果的影响需要进一步研究。Lee等[46]发现L1椎体的中层轴位CT值略大于矢状位,平均差异为3.6HU(P<0.01),这可能与部分患者椎体中部BMD值明显高于头侧和尾侧有关,说明同一椎体不同部位CT值的相对大小在不同患者中存在变异。同时,Zou等发现S1椎体中轴位CT值也明显高于矢状位,分别为202HU和185HU。Cansu等则发现L3椎体轴位(133.7HU)和矢状位(131.9HU)CT值之间无显著性差异(P>0.05)。ROI的面积分别为50、100和200mm2时CT值一致性良好,ICC>0.990。关于诊断骨质疏松的椎体水平选择,目前的研究认为L1~L4任一椎体水平均能够用于骨质疏松的评估,相关性及诊断效果均无明显差异。由于L1一般是第一个没有肋骨发出的椎体,便于识别,且腹部和胸部CT中均包括L1,能大幅度提高骨质疏松的筛选量,所以之前关于诊断界值的研究都使用L1作为代表椎体或使用L1~L4的平均值。需要注意的是不同节段椎体的CT值存在显著性差异,L1椎体的骨质疏松CT值诊断界值未必可以直接应用到其他节段的椎体,尤其是S1,因为S1椎体CT值显著高于腰椎。

  使用CT测量椎体CT值来代表BMD和诊断骨质疏松有很多优点。(1)与QCT检查相比,腰椎CT是腰椎融合内固定术患者的术前常规检查之一,所以进行HU测量不需要额外的费用、时间、扫描设备、软件和辐射暴露,且CT值测量操作更方便快捷,更易在基层医院普及。(2)如前所述,椎体CT值测量的是松质骨BMD,避开了皮质骨、退变结构、骨折等的影响,在严重退变患者中可以获得比DXA更准确的BMD值。(3)有椎体骨折的患者DXA结果大多表现为骨量减少甚至正常,用DXA不能检查出骨折的存在,而使用常规CT筛查骨质疏松时也能直接在矢状位重建图像上确定椎体压缩性骨折的存在,以便早期治疗。同时,相比于DXA只筛查高危人群来说,常规CT可以扩大骨质疏松人群的筛查工作,因任何适应证行腹部和胸部CT检查的患者均可进行椎体CT值的测量。

  综上,在严重腰椎退变患者中,由于DXA无法区分退变结构和正常骨量,存在BMD假性增高和骨质疏松漏诊的问题。而利用术前腰椎CT测量椎体松质骨CT值可以避开退变结构,更加准确地反映患者的真实骨量水平,且椎体CT值与BMD及骨强度之间存在明显正相关性。因此,在没有严重腰椎退变的患者中仍可以将DXA作为评估BMD的第一选择,但当术前腰椎放射学检查发现患者有严重退行性变时,应用DXA诊断骨质疏松是不充分的。此时,脊柱外科医生可以使用CT进一步检测腰椎是否存在骨质疏松,并在必要时调整治疗方案以便于患者术后更好地恢复。近几年椎体CT值评估BMD的方法不断发展,越来越成熟和完善,但仍有许多临床问题亟待研究和解决,其诊断价值也需要进一步验证。同时,椎体CT值诊断骨质疏松的标准尚不明确,也限制了椎体CT值评估BMD的进一步推广,需要大样本量数据进一步分析和计算。

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