¹青岛大学附属医院放射科，山东 青岛

²青岛大学附属医院腹部超声科，山东 青岛

³烟台市中医医院放射科，山东 烟台

⁴胶州市李哥庄镇中心卫生院，山东 胶州

收稿日期：2024年4月16日；录用日期：2024年5月10日；发布日期：2024年5月17日

摘要

目的：比较双能CT物质分离技术的水–羟基磷灰石(Water-Hap)基物质对图和伪彩图在显示急性膝关节创伤患者骨髓水肿中的诊断价值。方法：选取行双能CT和MRI检查的急性膝关节外伤患者31例，双能CT扫描数据传输到AW4.7工作站进行后处理，以MRI图像作为参考标准，由2位影像诊断医生分别利用Water-Hap基物质对图像和伪彩图像评估是否存有骨髓水肿，分别计算Water-Hap基物质对图和伪彩图诊断膝关节骨髓水肿区域的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值，并比较二者的诊断效能。结果：31例膝关节外伤，MRI显示骨髓水肿区域124处，两位医生在Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度(真阳性率)分别为38.6%、40.9%，特异度分别为95%、95%，阳性预测值分别为81%、81.8%，阴性预测值分别为73.8%、74.5%，约登指数分别为33.6%、35.9%。两位医生在伪彩图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度分别为34.1%、34.1%，特异度分别为100%、98.7%，阳性预测值分别为100%、93.8%，阴性预测值分别为73.4%、73.1%，2位医生对Water-Hap基物质对图像和伪彩图像视觉评估的kappa值分别为0.972和0.963，具有高度的一致性。结论：与伪彩图像相比，Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿有更高的灵敏度，和更高的假阳性率(误诊率)，双能CT物质分离技术在诊断急性膝关节创伤患者骨髓水肿有应用于临床的潜力。

关键词

膝关节急性创伤，伪彩图，基物质对，骨髓水肿

The Diagnostic Value of Water Hap Based Substances in Dual Energy CT for Displaying Bone Marrow Edema in Patients with Acute Knee Joint Trauma through Imaging and Pseudocolor Imaging

Wenbang Song¹, Weihua Feng^1*, Shuo Feng², Qianqian Lyu³, Shuhua Lyu⁴

¹Radiology Department of Qingdao University Affiliated Hospital, Qingdao Shandong

²Abdominal Ultrasound Department of Qingdao University Affiliated Hospital, Qingdao Shandong

³Radiology Department of Yantai Traditional Chinese Medicine Hospital, Yantai Shandong

⁴Li Gezhuang Town Central Health Center in Jiaozhou City, Jiaozhou Shandong

Received: Apr. 16^th, 2024; accepted: May 10^th, 2024; published: May 17^th, 2024

ABSTRACT

Objective: To compare the diagnostic value of water-hydroxyapatite (Water-Hap)-based material alignment and pseudo-color image in patients with acute knee trauma by dual-energy CT material separation technology. Methods: A total of 31 patients with acute knee trauma who underwent dual-energy CT and MRI examinations were selected, and the dual-energy CT scan data were transmitted to the AW4.7 workstation for post-processing, and the MRI images were used as the reference standard. Two imaging diagnostic doctors evaluated the presence of bone marrow edema in the images and pseudocolor images using Water Hop based substances, and calculated the sensitivity, specificity, positive predictive value, and negative predictive value of the water Hop based substances for diagnosing the bone marrow edema area in the knee joint on the images and pseudocolor images, respectively. The diagnostic efficacy of the two was compared. Results: In 31 cases of knee trauma, MRI showed 124 areas of bone marrow edema, and the diagnostic sensitivity (true positive rate) of the two doctors was 38.6% and 40.9%, the specificity was 95% and 95%, the positive predictive values were 81% and 81.8%, the negative predictive values were 73.8% and 74.5%, and the Youden index was 33.6% and 35.9%, respectively. The diagnostic sensitivity and specificity of the two doctors were 34.1% and 34.1%, the specificity was 100% and 98.7%, the positive predictive values were 100% and 93.8%, and the negative predictive values were 73.4% and 73.1%, respectively, and the kappa values of the two doctors for the visual evaluation of Water-Hap-based substances and pseudocolor images were 0.972 and 0.963, respectively, which were highly consistent. Conclusion: Compared with pseudo-color images, Water-Hap-based substances have higher sensitivity and higher false positive rate (misdiagnosis rate) for the assessment of bone marrow edema on images, and dual-energy CT material separation technology has the potential to be applied in clinical practice in the diagnosis of bone marrow edema in patients with acute knee trauma.

Keywords:Knee Joint Acute Trauma, Pseudo-Coloring Image, Base Substance, Bone Marrow Edema

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1. 引言

膝关节损伤在日常生活中较为常见，选择合适的影像检查方法对有效诊断创伤范围及严重程度具有重要意义。外伤后的骨髓水肿较为常见，若不及时诊断和干预治疗可能会产生相关的并发症和后遗症，如关节疼痛､肿胀，软骨溶解及骨关节炎等，影响患者的恢复时间甚至造成患者不可逆转的病情 [1] [2] [3] 。膝关节创伤是一种常见的损伤，在急诊创伤患者中占比约7%~9% [4] [5] 。对膝关节损伤常用的检查方法有X线、CT和MRI，MRI是观察膝关节损伤的最佳检查方式，因为它能显示骨髓水肿 [6] 。骨髓水肿通常在MRI的T1WI序列表现为低信号，T2WI序列表现为高信号的区域。T2WI压脂序列显示骨髓水肿范围更大，边界更清，是目前骨髓水肿早期检查中最为敏感、最具特异性的影像学检查技术 [7] [8] 。然而，MRI存在检查禁忌证、检查时间长(可能对一些创伤患者难以忍受)、检查时间受限等缺点，往往不是急诊医生应用的首选检查 [9] [10] [11] 。与MRI相比，CT具有扫描时间短、能清晰显示出骨折等优点，然而，松质骨致密的小梁结构阻碍了常规单能量CT对骨髓水肿的观察。双能量CT的不断发展使得图像对骨髓水肿的视觉评价成为可能。以前的研究大多使用双能CT虚拟去钙(VNCa)技术检测骨髓水肿 [12] - [18] 。最近，也有部分研究用双能CT物质分离技术来显示骨髓水肿 [19] [20] [21] [22] ，这些研究中检测骨髓水肿的诊断性能具有77%~100%的敏感性和40%~100%的特异性。双能CT物质分解技术是利用任意2种物质作为基物质对来表达人体某一组织的X线衰减，实现对人体某一组织的分解成像，达到对人体组织成分的定性以及定量分析，常用的基物质对包括水和钙、水和HAP，我们采用水和HAP作为基物质对进行成像，因为Liao等人先前证明羟基磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，HAP]与钙相比，与骨矿物质的真实组成具有更高的相似性 [23] 。利用双能CT物质分离技术生成的Water-Hap基物质对图像和单能量图像可以生成彩色编码的伪彩图来显示骨髓水肿，但之前的相关研究并没有比较Water-Hap基物质对图像和伪彩图像对显示急性膝关节外伤患者骨髓水肿的诊断准确性，因此，我们的目的是要对比评估Water-Hap图和伪彩图在显示急性膝关节创伤患者骨髓水肿中的诊断价值。

2. 资料与方法

2.1. 临床资料

选取2022年9月~2024年3月在青岛大学附属医院放射科行双能CT和MRI检查的急性膝关节外伤患者31例。其中男性10例，女性21例，年龄14~69岁。排除标准：MRI检查禁忌症；膝关节金属植入物患者；图像质量不佳的患者。本研究经青岛大学附属医院伦理委员会审核通过。

2.2. 检查方法

1) 双能CT检查采用256排CT (Revolution CT, GE Healthcare)以能谱(GSI)扫描方式行患侧膝关节扫描，扫描范围为胫骨上段至股骨下段。管电压80/140 kV快速切换，管电流200 mA，旋转时间0.5 s，螺距0.516:1，噪声指数为7，层厚1.25 mm，层间距1.25 mm。40%前置适应统计迭代重建-V算法(ASIR-V)，分别生成软组织及骨算法重建图及能谱DataFile原始图像。能谱数据传至ADW4.7工作站GSIviewer模块进行图像后处理。生成Water-Hap图像，即水(羟基磷灰石)基物质密度灰阶图，以及74 keV单能量图像，并将二者融合成伪彩图。

2) MRI检查所有患者均采用3.0T MR的膝关节线圈进行扫描，扫描序列：冠状位T2WI压脂图像，重复时间(TR) 2540 ms，回波时间(TE) 32.1 ms，激发次数(NEX) = 1，各序列层厚均为4 mm，层间距1 mm，矩阵288 × 224。

2.3. 视觉评估

我们依据Pache等人 [12] 的方法，将膝关节进行新分区，将膝关节在分成了4个区域，分别为股骨内侧髁、股骨外侧髁、胫骨平台内侧、胫骨平台外侧，选择冠状位T2WI脂肪抑制序列MRI图像，选择1位具有30年肌肉骨骼影像诊断经验的放射科医生按照分区对所有MRI图像进行评估，存有骨髓水肿的区域记为阳性，无骨髓水肿的区域记为阴性。然后，选择另外两名放射科诊断医生(医生A，具有10年放射诊断经验的医生；医生B，具有8年放射诊断经验的医生)在未知MRI结果的情况下分别对Water-Hap基物质对图像和伪彩图像进行视觉评估，他们事先被告知了骨髓水肿在后处理图像上显示的颜色变化(Water-Hap基物质对图像出现白色区域、伪彩图像出现绿色区域，见图1~3)，存有骨髓水肿的区域记为阳性，无骨髓水肿的区域记为阴性。

2.4. 定量分析

选择另外一位医生(医生C)，对照MRI图像上骨髓水肿区和无骨髓水肿区的解剖位置，在对应的Water-Hap基物质对图像上找到同样的位置放置ROI，ROI放在区域的中央，测量所有区域的平均相对水含量。对照MRI的诊断结果，利用受试者工作特征曲线(ROC)分析平均相对水含量值在急性膝关节创伤骨髓水肿中的诊断价值，并根据约登指数计算出诊断准确率最高时平均相对水含量的最佳临界值。

图1. (A) 患者男，70岁，MR显示股骨外侧髁骨髓水肿。(B) A图对应的Water-Hap基物质对图像，医生A评估认为股骨外侧髁不存在骨髓水肿，医生B评估股骨外侧髁存在骨髓水肿。(C) A图对应的伪彩图，医生A和医生B均评估股骨外侧髁不存在骨髓水肿

图2. (A) 患者男，57岁，MR显示股骨内侧髁骨髓水肿。(B) A图对应的Water-Hap基物质对图像，医生A和医生B均评估股骨内侧髁和胫骨平台内侧存在骨髓水肿。(C) A图对应的伪彩图，医生A和医生B均评估股骨内侧髁存在骨髓水肿，医生A评估胫骨平台内侧不存在骨髓水肿，医生B评估胫骨平台内侧存在骨髓水肿

图3. (A) 患者女，22岁，MR显示股骨内侧髁存在骨髓水肿。(B) A图对应的Water-Hap基物质对图像，医生A和医生B均评估股骨内侧髁存在骨髓水肿。(C) A图对应的伪彩图，医生A和医生B均评估股骨内侧髁存在骨髓水肿

2.5. 统计学分析

采用SPSS25.0统计分析软件，双能CT视觉评估膝关节骨髓水肿的结果采用二分类统计，并使用Kappa检验分析2位医生(医生A、医生B)视觉评估的一致性。以MRI诊断结果为参考标准，建立四格表，分别计算2位医生在双能CT的(Water) Hap基物质对图像和融合的伪彩图像诊断膝关节骨髓水肿区的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值、假阳性率。用配对卡方检验分别分析Water-Hap基物质对图像、伪彩图与MRI图像对膝关节骨髓水肿区诊断效能的差异有无统计学意义，P < 0.05为差异有统计学意义。利用受试者工作特征曲线(ROC)分析平均相对水含量值在急性膝关节创伤骨髓水肿中的诊断价值，并根据约登指数计算出诊断准确率最高时平均相对水含量的最佳临界值。

3. 结果

30例膝关节外伤的患者一共分成了128个区域，其中，MRI图像显示的骨髓水肿区域一共为45处，医生A评估的Water-Hap基物质对图像显示的骨髓水肿区域一共为33处，其中4处为假阳性，见表1，医生B评估的Water-Hap基物质对图像显示的骨髓水肿区域一共为34处，其中4处为假阳性，见表2，医生A评估的伪彩图像显示的骨髓水肿区域一共为26处，没有出现假阳性的区域，见表3，医生B评估的伪彩图像显示的骨髓水肿区域一共为27处，其中有1例为假阳性，见表4，两位医生在Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度(真阳性率)分别为64.4%、66.7%，特异度分别为95.2%、95.2%，阳性预测值分别为87.9%、88.2%，阴性预测值分别为83.2%、84%，约登指数分别为0.596、0.619。两位医生在伪彩图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度(真阳性率)分别为57.8%、57.8%，特异度分别为100%、98.8%，阳性预测值分别为100%、96.3%，阴性预测值分别为81.4%、81.2%，约登指数分别为0.578、0.566。2位医生对Water-Hap基物质对图像和伪彩图像视觉评估的kappa值分别为0.972和0.963，具有高度的一致性。两位医生评估的Water-Hap基物质对图像、伪彩图与MRI图像对膝关节骨髓水肿区诊断效能的配对卡方检验的P值分别为0.012、0.000、0.019、0.000，P值均<0.05，差异具有统计学意义。ROC曲线分析显示骨髓水肿的最佳临界值为939.06 mg/cm³，曲线下面积(AUC)为0.971，诊断的灵敏度为93.5%、特异度为92.7%、约登指数(准确度)为0.862。见图4。

表1. 医生A在Water-Hap基物质对图像上对骨髓水肿的视觉评估(个)

表2. 医生B在Water-Hap基物质对图像上对骨髓水肿的视觉评估(个)

表3. 医生A在伪彩图像上对骨髓水肿的视觉评估(个)

表4. 医生B在伪彩图像上对骨髓水肿的视觉评估(个)

图4. 测得的平均相对水含量评估急性膝关节创伤骨髓水肿的ROC曲线分析，AUC为0.971

4. 讨论

传统CT可有效检出骨关节的结构性改变，但不能显示骨髓水肿。双能CT利用高、低两种球管电压进行扫描，随后再对两个能量的图像进行重建，从而可以清晰地显示骨髓水肿。目前，双能CT可以用两种技术显示骨髓水肿：虚拟去钙(VNCa)技术和物质分离技术。分别应用在四肢、脊柱创伤性损伤所导致的骨髓水肿和一些炎性病变导致的骨髓水肿。双能CT物质分解技术通过两种基物质的组合产生相同的X线衰减效应来表达人体组织的X线衰减。该技术能够将不同能量扫描的X线衰减图像分解表达为两种基物质的密度图像，根据已知基物质的吸收系数计算出物质的密度和空间分布，实现物质的定量分析。基物质对图像与单能量图像融合成的伪彩图像，通过彩色编码，能更清晰地显示骨髓水肿。Pache等人 [12] 首次用双能CT来显示创伤性骨髓水肿，他们用的虚拟去钙(VNCa)技术对21例急性膝关节创伤的患者进行视觉评估，以MRI为金标准，两名医生诊断的敏感度分别为86.4%和86.4%，特异度分别为94.4%和95.5%。Wang等人 [14] 在双能CT虚拟去钙(VNCa)技术检测椎体压缩性骨折的骨髓水肿的研究中得出了一个最佳诊断值：敏感性度为96.3%，特异度为98.2%。其它的研究 [13] [17] [24] [25] [26] [27] 均采用双能CT对创伤或骨折患者的水肿进行评估。这些研究中检测骨髓水肿的诊断性能具有77%~100%的敏感性和40-100%的特异性。在Son [19] 等人用双能CT水(HAP)基物质对技术对非外伤性髋部疼痛患者骨髓水肿的诊断价值研究中，以MRI为标准，两名读者识别水-hap图像中骨髓水肿的敏感性、特异性和准确性分别为85%和85%、93%和73%、89%和79%。张红等人 [28] 在能谱CT评估膝关节急性外伤性骨髓水肿的应用价值中，利用能谱CT基物质成像技术生成水-Ca、水-Hap物质分解图像，并将水-Ca、水-Hap物质分解图像与70 keV单能CT图像融合成伪彩图像。比较了两种基物质对技术对膝关节急性外伤性骨髓水肿的诊断准确性，水-Ca彩色编码图像共获得135处水肿区域，其中5处假阳性，6处假阴性，灵敏度为95.6%，特异度为98.8%；水-Hap彩色编码图像共获得128处水肿区域，其中5处假阳性，13处假阴性，灵敏度为90.4%，特异度为98.8%。谢卫东等人 [20] 在能谱CT水–羟基磷灰石分离技术在创伤性骨髓水肿中的应用价值的研究中生成Water-Hap图像，以及70 keV单能量图，并进一步将二者融合成伪彩图，以MRI为金标准，Water-Hap基物质对图像诊断骨髓水肿区域的敏感度为77.1%，特异度为92.9%。以往的研究使用了70 keV单能量图像，因为该能级图像接近于常规120 kVp图像，且相比于常规CT的120 kVp图像具有较高的图像信噪比(signal to noise ratio, SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio, CNR)。我们选择了74 keV的单能量图像，因为它与最佳的信噪比接近，并且是后处理重建图像的默认keV值，我们在比较74 keV和70 keV两种融合图像，发现并没有显著的视觉变化。与之前的研究及相比，我们的两位医生在Water-Hap基物质对图像和伪彩图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度较低，但都有较高的特异度。本研究通过对骨髓水肿区与骨髓未水肿区的平均相对水含量进行ROC曲线分析，得出诊断准确率最高时的临界值为939.06 mg/cm³，诊断的灵敏度为93.5%、特异度为92.7%，在所有骨髓水肿真阳性区测得的平均相对水含量值均高于临界值，因此通过定量分析证明了视觉评估的准确性。敏感度较低意味着假阴性的区域过多，通过回顾MRI显示的水肿区域，我们发现假阴性的结果大多是MRI显示的水肿的区域范围较小，在MRI显示的水肿区域中，这种范围较小的水肿占了较多的比例，之前的一些研究 [20] [28] 也都出现过一部分假阴性的结果，他们也都认为若MRI显示水肿范围区域较小，会增加假阴性的可能，与MRI相比，双能CT的对比度分辨率较低，在检测轻度水肿方面的敏感性较低。在我们的研究中，两位医生评估的Water-Hap基物质对图像均出现了4处假阳性的区域，一位医生评估的伪彩图像只出现了1处假阳性，另一位医生则没有出现假阳性的结果。两位医生在Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿的假阳性率均为4.8%，两位医生在伪彩图像上评估骨髓水肿的假阳性率分别为0%、1.2%，两位医生在Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度分别为66.4%、66.7%，两位医生在伪彩图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度均为57.8%，两位医生在Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿的诊断灵敏度均高于伪彩图像，因此，我们得出结论：与伪彩图像相比，Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿有更高的灵敏度，和更高的假阳性率(误诊率)，针对这一结论，我们对未来的研究提出了展望：可以尝试对Water-Hap基物质对图像和伪彩图像进行综合分析、比较，来评估是否存在骨髓水肿，可能会弥补各自的诊断不足，从而提升诊断的敏感度、降低假阳性率，当然，这只是一种猜想，想要得到结果，还需要更多的医生和更多的病例组进行综合评价，未来的研究者可以试着用这种方法进行实验。本研究存在一定的局限性：(1) 样本量较少，可能会产生选择偏倚，虽然我们用分区的方法增加了样本数量，但今后还应加大样本量。(2) 双能CT的视觉评估主观性较强，不同的医生可能会有不同的结论，并且没有比较两位医生的诊断水平是否存在差异。(3) 本文得出的结果可能只适用于我们所用的机器设备和后处理算法，在对不同的机器设备和不同的后处理算法，还需要进一步的研究。

5. 结论

综上所述，与伪彩图像相比，Water-Hap基物质对图像上评估骨髓水肿有更高的灵敏度，和更高的假阳性率(误诊率)，虽然两种图像的敏感度稍低，但随着双能CT技术的不断发展和后处理算法的升级，会提升诊断的敏感度，从而应用到临床。

文章引用

宋文邦,冯卫华,冯 硕,吕倩倩,吕淑华. 双能CT的Water-Hap基物质对图像和伪彩图像显示急性膝关节创伤患者骨髓水肿的诊断价值
The Diagnostic Value of Water Hap Based Substances in Dual Energy CT for Displaying Bone Marrow Edema in Patients with Acute Knee Joint Trauma through Imaging and Pseudocolor Imaging[J]. 临床医学进展, 2024, 14(05): 963-972. https://doi.org/10.12677/acm.2024.1451513

参考文献