双能量虚拟去钙技术（VNCa）的临床价值

  自双能量CT扫描（DECT）问世以来，与传统CT相比，许多值得注意的优势已被研究，如图像优化、伪影减少以及提供有关组织成分的附加信息的能力。 在不同的DECT应用中，虚拟去钙（VNCa）技术已成为一种日益流行的技术，因为它能够从解剖结构中减去钙，从而更好地评估标准CT上可能掩盖的许多病理状况。VNCa于2009年首次推出，主要用于去除血管钙化斑块和描绘松质骨和骨髓变化方面。 骨髓水肿（BME）或“骨挫伤”被认为是骨骼系统损伤的生物标志物，与骨小梁中脂肪成分的减少有关，并被水肿和出血所取代。磁共振成像（MRI）是评估骨髓疾病的参考标准技术。通过创建VNCa重建，DECT可能被认为是一种潜在的更便宜、更快和全面的成像替代方法，其目的是为许多临床适应症提供与MRI一样详细的信息。 大量证据表明，DECT有可能用于基于胶原的肌腱和韧带成像，或将高密度病变与钙区分开来，如痛风患者的尿酸盐晶体。在这种情况下，DECT提供额外成像参数信息的能力，例如从VNCa图像中获得的BME，对于炎症、浸润性和变性疾病的多参数方法以及创伤患者的紧急情况可能特别有用。 

  今天我们分享一篇综述文章，系统介绍一下VNCa技术的临床价值。 关于双能量的实现方法，虽然目前能看到的双能量实现方法有六种之多，但是科学文献中公布的VNCa算法的大多数当前研究都是在第二代和第三代双源CT（DSCT）平台上进行，这可以解释为与其他平台相比，这种特定DECT技术的可用性更广。 VNCa扫描在头部扫描中区分出血和实质钙化的能力 VNCa扫描在脊柱骨骼中描绘创伤性骨髓水肿的潜力 VNCa扫描在脊柱和骨盆骨骼中显示非创伤性骨髓水肿的潜力 VNCa扫描在四肢骨骼中描绘创伤性骨髓水肿的能力 

VNCa成像技术背景

  由于使用三物质的分解，VNCa算法估计DECT数据集上的钙含量，并从图像中减去，以突出显示可能被骨矿物质或钙化覆盖的解剖结构。 在VNCa成像上，骨髓衰减代表黄骨髓和红骨髓的CT值。特别是，利用钙的特征斜率，骨矿物体素被投影到水的CT值（100 kV/Sn140 kV的0 HU）。因此，体素之间的差异主要反映了骨髓中的水分和脂肪含量。这些差异可以使用彩色编码图进行直观解释，或通过感兴趣区域进行定量评估，并以HU表示。 然而，大多数被建议用来区分BME和正常骨髓的临界值仍然是非常不同的，范围在-80和6 HU之间。这些差异可能取决于评估的解剖区域或使用的DECT平台类型。 VNCa数据集上的图像质量也受到DECT扫描参数的影响。使用更高的光谱分离可以精确评估骨矿物质含量。

  在组合为70/Sn150 kV时，获得了最佳结果。然而，当由于图像噪声的增加（如扫描腹部和骨盆）而不建议使用大的DE比时，较高的辐射剂量有助于提供最佳的图像质量。螺距和旋转时间不会显著影响图像质量，尽管螺距过低时可能会出现螺旋伪影。 彩色编码的VNCa数据集通常从大多数现代DECT平台的原始数据自动处理，显示出在常规临床实践中使用的潜力。建议切片厚度为1–2mm，更平滑的重建卷积核，数据集应沿二维解剖平面重新重建，以进行最佳定性评估。 还应考虑VNCa成像的技术限制。事实上，已经证明，由于皮质的不完全掩蔽和空间平均，无法准确地显示与皮质骨直接相邻的骨髓衰减的微小改变。皮质骨或松质骨的不完全减影也可能发生在关节病和存在气体或严重骨硬化的情况下，这会导致线束硬化伪影，甚至在存在骨折的情况下也可能导致可见水肿的缺失。因此，VNCa成像的任何潜在用户都应该意识到其潜在的缺陷。

VNCa临床应用

  颅内钙化是头部CT扫描的常见表现。它们通常由脉络丛和基底节内的营养不良过程引起，或可能作为不同疾病的一部分发生，如结节性硬化症、囊虫病、Sturge-Weber综合征和缓慢生长的脑肿瘤（如脑膜瘤、皮样瘤、颅咽管瘤和少突胶质瘤）。 在紧急情况下，任何颅内高注意力集中的来源都可能混淆诊断，尤其是在需要排除颅内出血的情况下。在头部常规CT扫描中，任何衰减水平大于100 HU的病变都被归类为钙化。然而，新鲜血液的密度通常为50-65 HU，而钙化的衰减可能在70-200 HU之间变化。因此，该标准可能不适用于衰减水平低于100 HU的病变，其值往往重叠。目前，用于区分出血和钙化的成像技术包括基于MRI的技术，如定量敏感性标测和梯度回波成像。 VNCa已被证明能准确区分钙化和出血，甚至在衰减在50到100 HU之间的病变中（图1）。在临床研究中，截止值为44 HU的VNCa在区分颅内出血小病灶和钙化方面具有较高的诊断性能（表1）。

图1 头部DECT扫描显示标准灰度序列

（a）分类为不确定的脑桥中的局灶性高密度灶。这位有高血压病史的80岁患者因精神状态改变而被送往急诊室。在钙图（b）上，高密度病灶仍然可见，而在虚拟去钙图像（c）上则不明显，提示为实质钙化。磁共振成像证实了这一发现。

图2 头部DECT扫描显示脑桥的局灶性高密度，在标准灰度序列（a）中分类为不确定。这位58岁的患者有高血压和糖尿病病史，因右臂震颤、视力模糊和收缩压升高而被送往急诊室。在钙图上，桥脑的局灶性高密度不明显（b）。在虚拟去钙图像（c）上，桥脑的局灶性高密度灶表现为高衰减的局灶区域，与出血相一致。 

脊柱骨折

  MRI和CT目前被认为是评估脊柱疾病的首选诊断成像方式。CT成像由于其出色的空间分辨率，在急诊创伤环境中用于检测低密度骨折线。另一方面，MRI是评估神经、肌腱结构和骨髓疾病的参考标准技术。此外，MRI对于诊断继发于创伤的BME特别有用。然而，由于成本高、采集时间长，常规创伤环境下的MRI检查可能会受到限制。 虽然单能量CT不能去除骨小梁并揭示细微的骨髓衰减变化，但DECT允许BME评估。

  此外，其快速采集时间有利于急诊场景。已经进行了几项研究，以评估VNCa重建检测急性椎体骨折的诊断性能。BME检测已通过使用彩色编码图像进行定性评估，并使用基于感兴趣区域的骨髓衰减测量进行定量评估。当松质骨内出现微骨折时，骨髓衰减增加，因为其脂肪含量被水肿和微出血所取代。彩色编码的VNCa重建在BME定性评估方面显示出良好的结果，无论是在敏感性（范围72-96%）、特异性（范围70-100%）还是准确性（范围90-99%）（表1）。 类似地，在VNCa数据集上对骨髓衰减的受试者操作特征曲线分析也证明了极好的敏感性、特异性和准确性，使用-80和-12 HU的截止值，其范围分别为85–96%、82–90%和85–91%。 骶骨功能不全骨折的诊断也获得了有趣的结果，显示了定性评估的高度敏感性和特异性（分别为93%和95%），以及使用-43 HU的临界值进行定量评估的85%和95%的值这可能使DECT成为一种有希望的技术，以避免对不全性骨折及其相关并发症的误诊，尤其是在患有骨质疏松症或弥漫性骨病的患者中。

退行性椎间盘疾病

  椎间盘退行性疾病是一种常见的与年龄相关的疾病，可引起下腰痛，并带来巨大的社会和经济负担。 常见的并发症是脊髓或脊神经根受压。快速准确的诊断对于快速开始最佳治疗和避免可能导致不可逆压迫是必要的。MRI是首选诊断成像方式，因其能在椎间盘和脑脊液之间提供良好分界。然而，MRI在临床常规检查中有一些局限性，例如患者有铁磁性金属植入物、幽闭恐惧症或难以保持仰卧和长时间静止。 DECT成像作为一种有吸引力的替代方法被引入，特别是由于VNCa成像，它在识别椎间盘退变的早期阶段取得了有希望的结果。使用最大CT值800 HU和阈值-200 HU，具有混合CT覆盖的VNCa彩色编码图已证明能够检测改良Pfirrmann分类的不同分级（该分类广泛用于椎间盘退变分级）。特别是，VNCa成像能够检测到椎间盘衰减的增加，这与髓核脱水以及蛋白多糖和水分含量的损失正相关。 更晚期的椎间盘退变以椎间盘高度降低、纤维环破裂和髓核突出为特征。标准CT对腰椎间盘突出症的检测显示出中等的敏感性和特异性。最近，DECT通过应用彩色编码的VNCa重建克服了椎间盘对比度分辨率受损的问题（图3）。

图3 脊柱DECT扫描。标准灰度序列（a）显示L3/L4和L4/L5椎间盘真空现象的典型脊柱关节病表现。经磁共振成像T2加权序列（c）（箭头）证实，虚拟去钙重建结合优化椎间盘分析（b）可精细显示腰椎间盘突出症（箭头）。

彩色编码图有助于区分小椎间盘突出症和脑脊液，与标准CT相比具有更好的敏感性和特异性，分别为91%和92%（使用MRI作为参考标准（表3））。 

浸润性疾病

  脊柱是骨转移最常见的部位。乳腺癌、前列腺癌和肺癌共同导致80%以上的转移性骨病。 肿瘤患者通常进行增强CT扫描，用于分期和随访。然而，尽管碘造影剂有助于增强软组织对比度，但在标准CT上评估骨病变仍然具有挑战性。在荟萃分析中，传统CT图像报告脊柱转移检测的敏感性和特异性分别为77%和83%。此外，当高度怀疑存在骨转移时，患者可能需要接受额外的成像技术，如MRI、闪烁扫描或正电子发射断层扫描。 最近用不同的钙抑制指数评估了VNCa重建检测转移性脊柱病变的效果。特别是，与常规CT的78%相比，使用低抑制指数和中等抑制指数使灵敏度提高到85%，并且与主观图像分析的良好读者一致性相关。 在Abdullayev等人的一项研究中，使用低抑制指数和中抑制指数进行定量分析，分别使用-143 HU和-31 HU的截止值，显示了区分正常骨和转移骨的有希望的结果（表3）。 DECT在浸润性脊柱疾病中的作用也集中在多发性骨髓瘤患者身上。在这种恶性血液肿瘤中，浆细胞的不受限制的克隆性增殖导致骨髓正常成分的改变。通常进行低剂量全身CT扫描以检测溶骨性病变在这种情况下，DECT显示了有希望的结果，与标准CT相比具有更好的灵敏度（图4）。

图4 磁共振成像（未显示）证实的无移位舟状骨骨折患者的手部DECT扫描。标准灰度系列（a）显示轻微的皮质中断，无明显骨折（箭头）。彩色编码虚拟去钙图像（b）描述了骨髓水肿的存在，证实了创伤性病变的假设。值得注意的是，远端桡骨和尺骨上的骨骺线也用绿色编码（箭头）。

不同的研究提出了介于-45 HU和-36 HU之间的截止值，以通过定量评估实现最佳灵敏度，并允许对疾病的病灶和扩散模式进行精细描述，准确率在93%到99%之间。

附肢骨骼  

髋关节

  VNCa重建特别有助于检测常规X线照片或标准CT上可能遗漏的细微髋部骨折，尤其是受弥漫性骨骼疾病（如骨质疏松症或佩吉特病）影响的患者。 及时识别骨盆骨折对于治疗计划至关重要，误诊与残疾和较高死亡率有关，并伴有缺血性坏死和血栓栓塞等并发症。不同的作者将临床随访作为参考标准，重点关注VNCa重建检测骨盆骨折的诊断性能（表3）。在这些研究中，DECT的表现明显优于标准CT，当评估彩色编码的VNCa图像时，显示出敏感性的提高（>5%）。此外，定量分析的临界值为-55.3 HU，其敏感性和特异性分别为100%和94%。 不同的情况，如涉及脊柱或骨盆的轴性脊椎关节炎和骶髂关节炎，通常需要患者进行MRI检查。还研究了VNCa算法对骨髓炎症变化的影响（表3），结果显示对突出由活动性炎症引起的BME有良好的诊断性能。对浸润性病变也有很好的结果，VNCa已被用作标准CT上因骨髓等密度而几乎看不到的恶性盆腔肿瘤的活检指南。

四肢

  最近的一项荟萃分析比较了CT和MRI的诊断性能，以确定疑似小骨骨折的最终诊断。使用骨闪烁扫描作为参考标准，与CT相比，MRI具有更高的敏感性和特异性（分别为88%和100%对72%和99%）。在疑似或轻微骨折的情况下，MRI被认为是继常规平片后最好的高级成像选择，因为它能很好地描绘骨髓和邻近软组织。另一方面，在BME强烈的情况下，仅MRI可能无法显示骨折线，诊断可能需要常规X线片或CT。此外，高成本、低访问率和禁忌症使MRI无法作为急诊环境中可疑和隐匿性骨折的高级成像选择。然而，在MRI上，骨挫伤被认为是骨损伤的关键发现，因为它可以发现细微骨折，而这些骨折在传统的X光平片和标准CT中可能是隐匿的。 越来越多的研究表明，DECT利用VNCa成像检测四肢骨骼小骨的创伤性BME是可行的（表4），与标准CT相比，定性和定量评估的诊断性能有所提高。 DECT可以补充标准CT成像提供的信息，提高VNCa对急性膝关节骨折的诊断能力（图5）。在Booz等人的一项研究中，通过彩色编码的VNCa图像对膝关节骨折进行定性评估的敏感性和特异性为95%，而在定量分析中，使用-51 HU截止值，这些值分别为96%和97%。Wang等人也显示了类似的结果，他们提出了-67 HU的截止值，敏感性为81%，特异性为99%。与标准CT相比，DECT检测骨折的灵敏度提高了15–20%，尤其是对于经验较少的放射科医生。VNCa算法即使在低辐射剂量协议下也表现良好，与标准剂量DECT非常一致。二分髌骨和骨关节炎可能是VNCa算法的一个缺陷，因为它们可能确定假阳性和假阴性。另外一个限制是存在假体或骨合成植入物。

图5 右侧急性踝关节创伤患者的DECT扫描。标准灰度系列（a）未描绘任何断裂线。彩色编码的虚拟去钙图像（b）显示右跟骨明显的创伤性骨髓水肿，显示为绿色区域（箭头）。这一发现通过使用质子密度加权序列（箭头）的磁共振成像（c）得到证实

  几位作者研究了VNCa重建的性能，以检测远端关节（如舟状骨）的创伤性BME。在这些研究中，无论是定性评估还是定量分析，DECT都能够以比标准CT更高的敏感性和特异性突出创伤性BME（表4）。一些病例报告还强调了DECT描绘跟腱撕裂的能力，与传统CT相比，其可信度有所提高。使用MRI作为参考标准，在急性膝关节创伤中评估交叉韧带断裂也有类似的结果，具有相当好的敏感性（79%）和极好的特异性（100%）。 VNCa成像也可描绘与类风湿性关节炎相关的炎症性BME，无论是大关节还是小关节（图6），显示了良好的定性评估和与MRI的极好一致性。 图6 类风湿性关节炎患者双手的DECT扫描。第二掌指关节放大显示标准灰度序列（a）和正常虚拟去钙衰减（b）上软骨和骨板的正常平滑轮廓（短箭头）。相反，第三掌指关节的骨髓水肿明显，表现为广泛且界限不清的绿色区域（长箭头）。通过T2加权脂肪饱和序列的磁共振成像证实存在炎性骨髓水肿（c）。

血管应用

  充分清除血管中的钙化斑块是CT血管造影（CTA）研究的一个挑战。钙化斑块通常会导致血管狭窄评估过高，尤其是在小血管中，并可能导致不必要的侵入性操作。 通常，在常规CTA中，固定的HU值被用作去除钙化的阈值，尽管这种方法常常由于钙化的晕状伪影而失败。或者，平扫CT采集可以作为钙化斑块减影的蒙片。然而，由于患者的运动或两次扫描之间的动脉搏动，可能会出现错位伪影。众所周知，DECT算法可以改善图像质量，减少接受CTA检查的患者的对比剂体积和辐射剂量。基于DECT的三物质分解还可以减少含碘血管的钙信号，从而从CTA扫描中去除硬斑块。 在这种情况下，与传统CTA相比，使用数字减影血管造影作为参考，VNCa成像已被证明可以改善硬斑块引起的颈动脉狭窄的定量。此外，管腔评估没有显示出受到晕状伪影的影响，可能是因为该算法识别并消除了钙晕状成分的光谱行为。 

未来展望

  现代DECT平台中使用的能量积分探测器基于X射线转换为电信号的间接过程，该电信号通过光电二极管并转换为光子。另一方面，新的光子计数探测器直接将X射线光子转换为电信号，提高了剂量效率和空间分辨率，改善了光谱分离和空间配准。在不久的将来，光子计数探测器CT平台不仅可以更详细地显示BME，尤其是在小骨中，还可以区分尿酸盐晶体、羟基磷灰石和焦磷酸钙沉积物。此外，初步数据显示，在从血管中减少钙化斑块、分离血液和钙化、克服当前VNCa对次优材料分解的限制以及DECT平台的分辨率限制方面，取得了有希望的结果。 

结论

  在过去的十年中，基于DECT的VNCa成像已被证明在一些神经放射学、血管和肌肉骨骼应用中提供了比标准CT更多的临床相关信息。迄今为止，使用VNCa重建的最大经验存在于骨髓成像中，尤其是骨创伤，但也适用于炎症和肿瘤骨髓病理学。一些研究表明，它还具有鉴别高密度病变和评估椎间盘的潜力。此外，与标准CT相比，常规通过MRI或骨闪烁扫描评估的炎性或浸润性骨髓疾病可以通过DECT进行更详细的评估。对VNCa图像的主观和客观分析显示了较高的诊断准确性，并证明了在禁忌症或可用性有限的情况下，VNCa作为MRI、骨闪烁扫描或PET/CT的成像替代方式的潜力。特别是在急诊/创伤环境中，由于节省时间、早期准确诊断和迅速开始治疗，患者可以从该技术中获益。然而，尽管多项研究显示了基于DECT的VNCa成像的潜力，但这项技术仍然没有在临床常规中取得进展，可能是因为其可用性有限，因为大多数可用研究都是在第二代和第三代DSCT平台上进行的。这可能限制了供应商间的相关性研究，并阻碍了VNCa成像与临床常规的整合。 必须了解VNCa技术限制和与采集协议和重建软件相关的差异，这可能因供应商而异，并为定量评估生成不同的截止值。需要进一步研究VNCa成像算法，以更全面地了解其潜力。 更多干货，关注XI区！  

文献原文：D'Angelo T, Albrecht MH, Caudo D, et al. Virtual non-calcium dual-energy CT: clinical applications. Eur Radiol Exp. 2021 Sep 3;5(1):38. doi: 10.1186/s41747-021-00228-y.