引言
过去十年间，针对双能计算机断层扫描（DECT）的研究广泛开展。这种技术通过两种不同能量水平提供物质特异性信息。近年来，DECT因其快速、低剂量以及在部分场景中可替代磁共振成像的特点，已成为放射学领域的重要工具。本文探讨DECT在肌肉骨骼系统中的创新技术与应用，并综述其最新进展。
基本原理与技术考量
DECT（或称能谱成像）的核心原理是通过不同能量水平下X射线的相对吸收差异来区分物质成分。通常采用低（如80 kVp）和高（如140 kVp）两种管电压。为实现这一目标，需同步采集两种能量水平的组织图像。当高低能谱X射线穿透组织时，光子与物质主要发生康普顿散射和光电效应两种相互作用。在CT成像中，光子衰减主要源于光电效应——由于其吸收具有能量依赖性，这对能谱组织表征至关重要。
不同厂商通过多种技术实现DECT成像（图1）。双源双探测器阵列技术的噪声较低且空间/时间配准误差风险小，但第二探测器尺寸有限。快速千伏切换技术采用单源设计，虽具有高时间分辨率和完整视野，但采集速度较双源CT慢且可能存在能谱重叠。单源双层探测器技术虽能提供完整视野，但会降低软组织对比度并增加辐射剂量。
图1：不同DECT成像技术与单能CT对比。(A)双源DECT，(B)快速千伏切换DECT，(C)单源双层探测器DECT。
DECT的后处理环节至关重要，需采用特定算法重建临床判读图像。实践中，DECT可生成高敏感性与特异性的物质/能量特异性图像。例如识别碘成分时，可创建碘专属图像并进行色彩编码，从而与急性出血等高密度物质区分。另一典型应用是虚拟去钙（VNC）技术——通过排除含钙体素实现骨髓水肿检测。在虚拟单能成像中，DECT能模拟传统CT的衰减值表现。选择特定能量（高或低）可分别提升信噪比或对比噪声比。物质特异性成像助力成分区分，能量特异性成像则优化物质显示。值得注意的是，尽管DECT采用双能级双源设计，但其辐射剂量与传统CT相当，这是因为总剂量分配于两个能量。虽然图像采集时间相近，但放射科医师可能需更多时间解读DECT提供的附加图像。
在软组织成像中的应用
痛风
痛风是一种以单钠尿酸盐(MSU)晶体在软组织和关节中沉积为特征的炎症性疾病。患者可表现为急性痛风性关节炎发作。随着时间推移，反复发作可能导致慢性关节病，并形成痛风石——这是MSU晶体引发慢性肉芽肿反应所致的软组织肿块。痛风的诊断通常基于病史、临床检查和血清尿酸水平，但关节穿刺抽液被认为是确诊的金标准。然而，关节穿刺操作困难，且在许多情况下不适用，例如小关节或难以触及的关节。此外，关节穿刺还存在一些缺点和潜在并发症，如因其侵入性操作而增加感染和血肿的风险。对可疑关节和软组织进行X线、超声(US)、CT和MR成像检查有助于初步评估、鉴别诊断和治疗随访，但这些方法的敏感性和特异性各不相同。
DECT的出现彻底改变了痛风的诊断方式，并已在文献中得到广泛认可。通过利用不同物质的衰减差异，DECT能够表征软组织中的MSU晶体沉积。据报道，DECT检测痛风的敏感性为90%至100%，特异性为83%至89%。随着DECT的普及和在许多医疗机构的广泛应用，它已成为比关节穿刺创伤性更小的替代诊断方法。
DECT通过双物质分解算法来评估痛风的存在，该算法基于原子序数将MSU晶体与钙质分离。随后，MSU晶体通常被标记为绿色，并叠加在灰度图像上，这有助于区分钙质和MSU沉积，从而确诊痛风。除了诊断外，DECT在绘制四肢MSU晶体分布图方面也具有卓越的实用性。一项使用DECT研究MSU晶体分布的研究发现，第一跖趾关节(MTP)最常受累，其次是跟腱、踝关节、肱三头肌腱和其他MTP关节，其他评估区域受累较少。
DECT的优势在于能够在尿酸水平正常的患者中早期发现痛风。此外，它还能排除高尿酸血症患者的痛风可能性。这在复杂病例中特别有用，此时DECT可作为一种有效的诊断工具(图2)。Nicolaou及其同事的一项研究证实了这一点，该研究报告了5例使用DECT诊断痛风的病例。在其中一例中，DECT帮助排除了慢性淋巴细胞白血病患者急性关节肿胀和疼痛的化脓性关节炎和恶性浸润可能，最终确诊为痛风，而这个诊断原本被认为可能性较低。
图2：DECT在疑难痛风病例中的应用。40岁男性左踝前侧疼痛。(A)T1及(B)PD脂肪抑制序列MR显示跟腱附着处T1低，PD压脂高信号(箭头)，提示附着点炎。4个月后(C)DECT显示跟腱止点处少量MSU沉积(箭头)。
DECT可通过自动化软件准确量化慢性痛风患者的MSU沉积/痛风石体积。这使得在治疗前后评估MSU沉积/痛风石体积和疾病负担成为可能，使其成为随访的宝贵工具。然而，DECT的痛风算法并非完全不受伪影影响。最常见的伪影是’甲床伪影’，这被认为与MSU晶体和甲床的双能量指数值相似有关。其他较少见的伪影包括皮肤伪影、噪声和散射引起的亚毫米级伪影，以及线束硬化伪影(图3)。
图3：MSU沉积的量化与分布。54岁男性痛风患者。(A)肩关节、(B)手部及腕关节、(C)膝关节、(D)踝足部3D DECT图像显示关节内MSU沉积(绿色编码)的精确分布及各区域沉积负荷。
假性痛风
假性痛风是另一种炎症性关节病，其特征是焦磷酸钙二水合物(CPPD)晶体在关节和关节周围软组织中沉积。当X线或CT检查发现软骨钙化时，可提示该诊断。关节穿刺也可用于确诊。在炎症性关节病中，若DECT显示关节/关节周围矿化但未发现MSU晶体，应考虑假性痛风的可能性。
在假性痛风中，DECT的价值在于其能够表征CPPD晶体的生化特征并量化晶体沉积。据报道，DECT检测CPPD晶体的敏感性为77.8%，而X线摄影仅为44.4%。虽然DECT不是早期检测焦磷酸钙晶体的理想方法，但由于其对小结构进行彩色编码的能力，其准确性被认为略高于传统CT(图4)。
图4：腕关节软骨钙化症。62岁腕部损伤患者。(A)灰度冠状图像显示腕骨间关节及三角纤维软骨矿化(箭头)。(B)同层面DECT痛风应用显示蓝色矿化灶，提示软骨钙化。
DECT在评估假性痛风中的另一个优势是胶原图谱分析。Ziegeler及其同事在腕关节研究中，对CPPD沉积患者的胶原图谱进行了研究。研究表明，DECT能够在舟月骨(SL)韧带最终撕裂前检测到组织重塑。他们的研究显示，CPPD患者的SL韧带表现出高胶原密度。在颈椎方面，胶原图谱分析可以无创量化寰枢关节(AAJ)中的CPPD沉积。最近一项研究测量了无炎症疾病患者AAJ韧带的平均密度，结果显示寰椎横韧带、翼状韧带和项韧带的平均胶原密度分别为141.7、117.3和110.6。
银屑病关节炎
银屑病关节炎是一种累及关节和软组织的炎症性关节炎，尤其好发于手部小关节。在影像学诊断、预后评估和治疗管理中，X线摄影、超声和对比增强MR成像发挥着重要作用。近期对采用碘图技术的DECT效用研究表明，在评估银屑病炎症病变方面，碘图与对比增强MR成像效果相当。这是由于CT具有更优越的空间分辨率，使其在评估小关节时尤为有用。
DECT碘图也是精确定位银屑病炎症解剖位置的有效工具。DECT显示拇指最常受累部位包括：掌指关节周围的矢状带、指间关节内侧副韧带以及拇长伸肌腱周围区域。此外，近期还建立了针对关节银屑病受累程度的DECT评分系统。该评分系统通过判断是否存在滑膜炎、屈肌腱鞘炎、伸肌腱周围炎和关节周围炎症，进而评估碘图强化程度并给出1-10分的评分。这一评分系统可实现对治疗反应的定量评估。
胶原分析
尽管MR成像被视为评估软组织损伤的金标准，但与CT相比，MR成像具有耗时长、费用高以及在急诊情况下难以实施等缺点。另一方面，传统CT对软组织和韧带的评估效果并不理想。过去20年间，多篇论文研究了DECT利用组织分解算法评估胶原结构的效用。研究发现DECT具有快速可用性，并能提供三维重建的附加价值。
在膝关节方面，DECT可显示前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)、髌韧带和股四头肌韧带。对于ACL，研究发现DECT诊断亚急性和慢性完全撕裂的准确率达93%，敏感性和特异性分别为75%-79%和69%-100%。在急性期，水肿的存在使得ACL难以清晰显示。为提高ACL评估准确性，应在去除骨骼的斜矢状位片上采用软组织窗观察。对于膝关节韧带重建患者，胶原物质分解应用是评估重建的PCL、内侧副韧带、外侧副韧带、前外侧韧带和内侧髌股韧带的宝贵工具。然而，对重建的ACL在DECT上的评估需谨慎。胶原分析还有助于评估创伤病例中的半月板，可显示半月板撕裂、移位以及骨折陷窝内的疝出(图5、6)。在踝关节和足部，通过显示损伤部位胶原纤维减少，DECT胶原物质分解应用能够诊断跖板撕裂、跟腱病变和跟腱部分撕裂。
图5：DECT显示半月板病变。37岁车祸患者。(A)冠状图像显示胫骨平台骨折，(B)胶原分析显示内侧半月板疝入骨折裂隙(箭头)。
图6：DECT显示半月板撕裂。48岁膝关节扭伤患者。(A)彩色编码DECT图像显示内侧半月板裂隙处线性中断(箭头)，(B)MR图像对应显示垂直撕裂(箭头)。
在上肢，DECT可显示所有手部肌腱从而实现准确评估。此外，它还可用于评估腕部穿透伤后的韧带损伤，使其成为急诊情况下软组织评估的MR成像替代方案。在脊柱方面，与传统CT相比，采用色彩编码的VNC应用对腰椎间盘突出、间盘移位程度以及由此导致的椎管侵犯具有更高的诊断准确性。这使得DECT成为幽闭恐惧症患者以及MR成像不便获取的医疗中心的合适替代选择。
其他软组织应用
还有一些研究较少的DECT在肌肉骨骼系统软组织中的应用被报道。通过利用肌肉中脂肪和软组织的物质分解，DECT可实现肌肉脂肪分数的测量，从而定量评估肩袖的脂肪变性。DECT脂肪定量也是诊断和监测肌少症患者治疗的可靠工具(图7)。
图7：DECT脂肪定量。两位患者L1水平右侧椎旁肌脂肪图谱及脂肪分数计算。(A)30岁女性脂肪分数6.6%，(B)92岁多病共存女性脂肪分数52.5%。
色素沉着绒毛结节性滑膜炎或巨细胞腱鞘炎是另一种DECT可辅助诊断的病变。通过铁和钙分解的光谱分析有助于检测膝关节或足部肿块患者的铁沉积。研究发现铁沉积的存在与MR成像上看到的’开花’伪影有很好的相关性。DECT也有助于评估软组织肿块。一项研究预测光谱曲线将成为判断病变良恶性的有前景的工具，并发现弧形曲线表明存在丰富的脂肪。此外，已知DECT通过VNC应用可在区分高密度血液产物和钙化方面发挥作用，这在创伤患者出现肿块样病变时特别有用。
在骨成像中的作用
隐匿性髋部骨折
传统CT是疑似隐匿性髋部骨折的合理检查手段，但由于缺乏皮质连续性中断或骨小梁移位征象，CT可能难以准确显示隐匿性损伤及其范围。而DECT通过骨髓水肿(BME)的可视化，能改善对细微皮质或骨小梁断裂的显示，揭示那些容易被忽略的细节区域。据报道，DECT在显示股骨近端隐匿性骨折方面具有极佳的准确性，敏感性达90%-95%，但不同研究报道的特异性差异较大(40%-95%)。
DECT在股骨近端骨折中的关键应用是显示大转子骨折向转子间区的隐匿性延伸。转子间延伸的延迟诊断可能导致骨折移位，进而需要更复杂的手术、延长住院时间并延误康复。虽然X线是首选检查方法，但对骨质疏松患者显示转子间延伸的敏感性有限。MR成像是显示转子间延伸的理想方式，但常难以清晰显示股骨内侧皮质。DECT即使在没有骨小梁移位的情况下，也能通过显示该区域的骨髓水肿来辅助诊断转子间延伸，同时保持皮质骨的清晰显示(图8)。
图8：DECT诊断隐匿性髋部骨折。73岁女性跌倒史。(A)骨盆冠状CT显示左股骨大转子无移位骨折(箭头)，(B)DECT彩图显示骨髓水肿延伸至转子间区(星号)，灰度图像未明确内侧皮质断裂，提示转子间延伸。
骨质疏松性椎体压缩骨折
当轴向负荷和弯曲力超过椎体固有强度时，可导致骨质疏松性椎体压缩骨折。若早期骨折未能确诊，可能引发进行性椎体塌陷，造成严重疼痛和功能障碍。隐匿性椎体压缩骨折在X线或CT上可能不易察觉。MR成像可显示骨折部位的异常信号强度，有时可见骨折线。与MR类似，DECT也能显示隐匿性椎体骨折处的骨髓水肿(图9)。结合骨窗图像可能发现椎体终板的轻微压缩或皮质台阶征。与MR成像一样，DECT可帮助鉴别伴有骨髓水肿的急性骨折与不伴骨髓水肿的慢性骨折畸形。DECT在识别骨质疏松性椎体压缩骨折方面表现优异，敏感性达85%-90%，特异性超过95%。
图9：DECT诊断骨质疏松性椎体骨折。83岁女性跌倒史。(A)矢状CT显示T2椎体前下部可疑无移位骨折，无显著高度丢失或骨性后突，T3椎体急性压缩骨折伴50%高度丢失。(B)DECT彩图显示T2椎体前下部显著骨髓水肿(箭头)。
假体周围骨折
初次全髋关节置换术后假体周围骨折发生率为4.1%。延迟干预可能导致预后不良并增加并发症。虽然X线是评估假体周围骨折的主要影像学方法，但假体周围细微的无移位骨折线可能难以显示。MR成像因金属植入物易产生磁敏感伪影，不过钛合金植入物和金属伪影减少技术(MAR)可改善此问题。传统CT也受限于假体产生的线束硬化伪影和条纹伪影，而DECT通过显示假体周围区域的骨髓水肿有助于识别细微的假体周围骨折。关键是要区分假体完好的假体周围骨折(Vancouver B1型，仅需固定治疗)与导致假体松动的骨折(Vancouver B2型，通常需翻修手术)。
病理性骨折
病理性骨折是指病变部位发生的骨折，病因可能是良性肿瘤、恶性肿瘤或骨髓炎。病变通过破坏骨小梁结构和促进破骨细胞分化来削弱骨强度。长期以来，病理性骨折的诊断对放射科医师都是挑战，MR成像是鉴别病理性与非病理性骨折最常用的检查方法。由于急诊条件下MR不易获取，DECT可帮助鉴别病理性骨折。它能显示恶性肿瘤相关的骨髓水肿，并与创伤骨折的线性骨髓水肿模式相区分(图10)。需注意的重要误区是：创伤性骨折中的急性骨内出血可能被误判为病理性骨折。根据作者经验，病理性骨折在DECT上显示的异常范围与骨折严重程度不成比例，且缺乏局灶性骨小梁或皮质中断、伴有骨的连续性受累等特点有助于鉴别转移性骨病变与单纯性骨折。
图10：DECT显示病理性骨折。48岁女性甲状腺癌髂骨转移性病变患者。(A)冠状位图像显示髂骨溶骨性病变(星号)伴病理性骨折(箭头)，骨折延伸至骶髂关节，病灶内及骶髂骨可见气泡影。(B)DECT彩色图谱显示骨髓水肿范围明显大于线性骨折区域。
多发性骨髓瘤
浆细胞疾病包含一组具有不同骨受累模式和程度的异质性疾病。多发性骨髓瘤(MM)以骨髓(BM)中恶性浆细胞不受控克隆增殖为特征，是成人最常见的原发性骨髓疾病，约占所有肿瘤性疾病的1%。骨受累是MM最持续的表现，也是导致该病主要致残和致死的原因。
影像学上，X线、CT和MR成像在疾病诊断、预后判断和治疗管理中起关键作用。采用虚拟去钙(VNC)技术的DECT在评估MM骨髓浸润方面与MR成像效果相当(图11)。DECT有助于检测骨髓瘤患者脊柱和骨盆的非溶骨性骨髓浸润。骨髓浸润可通过彩色编码图进行定性评估，或基于感兴趣区(ROI)的亨氏单位测量进行定量分析。以MR为金标准，双能VNC技术展现出优异的诊断性能(显示骨髓浸润的敏感性93.3%、特异性92.4%，受试者工作特征曲线下面积0.978，临界值-44.9HU)。双能VNC技术在显示MM非溶骨性骨髓浸润方面具有价值，可作为MR和/或氟代脱氧葡萄糖PET/CT禁忌患者的备用影像学检查。
图11：DECT诊断多发性骨髓瘤。36岁男性患者。(A)腰椎矢状CT未见明显异常，(B)彩色编码DECT显示骨髓病灶，与(C)T1加权MR图像表现一致。
骨髓炎
化脓性骨髓炎发病率近年显著上升，导致严重并发症。脊柱炎通常需要影像学检查来确定组织破坏范围。MR成像能准确检测炎症性骨髓病变、终板和椎间盘破坏以及软组织脓肿。椎间盘软组织炎症是该病的影像学特征(即’椎间盘积液征’)，T1加权像通常显示脂肪信号丢失和终板界限消失。使用钆对比剂可通过炎症病变的强化进一步提高诊断准确性。但早期影像学表现可能因与Modic I型终板反应性水肿相似而缺乏特异性。
虽然CT可检测终板破坏，但不适合评估软组织受累。而DECT通过利用胶原的光谱特性实现了结缔组织成分的可视化。DECT胶原图谱能显示椎间盘破坏伴随的结缔组织成分严重改变。因此，在MR不可用或禁忌(如幽闭恐惧症)的情况下，DECT相比传统CT在脊柱炎诊断中具有附加价值。
金属伪影减少作用
DECT的创新应用在于其金属伪影减少(MAR)算法，该算法通过特定能量后处理技术生成虚拟单色能谱。金属植入物会导致传统CT图像出现伪影，降低诊断质量，影响对植入物完整性及假体周围结构的评估，增加漏诊风险。金属伪影主要源于光子饥饿、线束硬化效应、散射、部分容积效应、欠采样和患者移动。DECT通过设置不同千伏峰值(光子能量)生成虚拟单色图像(VMI)，使用者可自由选择40-140keV的最佳能量以获得最优诊断图像。
该技术的原理是将高能(通常140kV)和低能(80-100kV)光束数据融合处理后生成单色图像。DECT工作站可调节图像能量水平，优化软组织细节显示与伪影减少的平衡。与传统CT相比，DECT对线束硬化伪影敏感性更低，能更清晰显示假体周围皮质、髓腔骨小梁及邻近软组织(图12)，且不增加辐射剂量。研究表明，VMI能量值越高(95-150keV范围内)，减少束硬化效应的效果越显著，但组织对比度会相应降低。
图12：金属伪影减少技术。50岁患者内固定失败伴骨折。(A)小腿冠状CT显示腓骨远端金属板(长箭头)及可能松动(短箭头)，(B)较高千伏值CT更清晰显示钢板周围松动(短箭头)。
在CT关节造影中的应用
尽管CT关节造影技术自CT问世以来已在临床广泛应用，但该技术的优化仍需要更多研究。各机构报告的扫描参数存在差异，多数采用120或140kVp管电压及125-200mAs管电流的技术方案。Subhas及其团队开展研究试图优化单能CT关节造影技术，并评估DECT是否具有额外优势，特别是在软骨组织碘对比剂的识别与定量方面。结果显示碘敏感度(即单位碘对比剂浓度变化引起的衰减值变化)随管电压降低而提高，其中80kVp灵敏度最高：较120kVp提升约75%，较线性混合DECT提升50%，较140kVp提升100%。虽然通常为避免散射和噪声增加而不采用低kVp，但研究表明在提高管电流条件下可有效降低噪声。同理，恒定管电压时增加管电流会提高剂量，而降低管电压则可减少剂量。因此通过合理调节管电流，不同管电压技术可实现同等剂量水平。在剂量匹配条件下，不同管电压的单能CT技术与DECT技术产生的噪声基本相当，这为针对靶组织(关节造影中多为软骨)选择最佳技术方案提供了依据。后续研究证实，剂量仪测量的CT剂量指数(CTDI)与扫描仪显示值高度吻合，故临床可直接采用扫描仪CTDI值快速比较不同技术的剂量差异，无需额外剂量测定。
DECT作为单对比剂CT扫描中的虚拟平扫(VUCT)技术具有重要价值。研究证实DECT生成的VUCT在腹盆部影像中可通过减少扫描次数和降低辐射剂量实现多种病变的诊断。高原子序数材料(如碘)在低管电压下呈现更高衰减值，这一特性对区分骨骼、肾结石、钙化斑、出血及器械等物质具有重要意义。通过80kVp与140kVp的平均HU比值(80kVp平均HU/140kVp平均HU)，DECT关节造影可实现混合物成分的鉴别。
Subhas团队研究发现，80kVp条件下CT值饱和(3071HU)出现于31%碘对比剂浓度，且该饱和点受限于80kVp的最低饱和阈值。DECT关节造影中超过31%的对比剂浓度将不适用于VUCT应用。理论上，80kVp条件下超过30%浓度的碘对比剂混合物CT值应为3071HU，而120kVp和140kVp的饱和浓度阈值分别为50%和65%。但实际关节造影中，高浓度碘对比剂在不同ROI的HU值存在变异，这可能源于滑液与对比剂的混合不均或ROI内滑膜等软组织成分的异质性。DECT关节造影对关节内病变的术前诊断和骨形态手术规划具有重要价值(图13)。
图13：DECT关节造影。43岁男性膝关节疼痛。(A)DECT关节造影显示关节腔内碘对比剂，伴对比剂微弱裂隙延伸至半月板后角(箭头)，(B)碘图彩色编码更清晰显示对比剂及半月板撕裂(箭头)，(C)MR证实半月板后角小撕裂(箭头)。
总结
DECT作为一种多功能成像技术，近年来在肌肉骨骼影像学取得显著进展。其在不增加辐射剂量的前提下提供精细图像的能力，使其成为放射科医师的宝贵工具，特别是在急诊替代MR成像方面。DECT在晶体性关节病诊断、骨折识别和金属伪影减少方面具有独特价值，未来还将在银屑病关节炎和软组织肿块鉴别诊断中发挥更大作用。随着技术进步，DECT将为临床医患提供更高效的服务。