腰椎间盘退行性病变（intervertebral disc degeneration，IVDD）是腰椎间盘突出症（lumbar disc herniation，LDH）、下腰痛、下肢疼痛以及椎管狭窄的重要病理基础。随着社会的不断发展及人们生活及工作习惯的改变，因IVDD引发不适及活动受限的患者逐渐增加。腰痛，已经成为引发患者就医的５大症状之一^[1]。据报道，自1990年以来，因腰痛引发行动不便及残疾的人数上升了50％ 以上，已经成为致残的3大原因之一，而IVDD是造成腰痛的最主要因素^[2-3]。因此，对于IVDD的发现及评估变得尤为重要。

目前，国际上对于IVDD评估的主要方法是Pfirrmann分级，即依托MRI的T2自旋回波序列，对椎间盘的信号、椎间盘各组织的退变状态及椎间盘高度进行评估并将椎间盘分为５个等级，以指导临床对患者进行评估及治疗。临床一般将Pfirrmann 2级和3级椎间盘定为轻度退变，4级为中度退变，5级为重度退变^[4]。已有多项研究证明^[5-6]，Pfirrmann分级与患者椎间盘成分改变、LDH治疗效果及康复效果等密切相关。

能谱CT通过利用不同物质在不同能量下的衰减程度，从而可以分析感兴趣区的不同物质的含量，并产生多种基图像，借此定量分析椎间盘的物质变化并预测Pfirrmann分级；同时弥补了MRI难以观察椎间盘内的积气和钙化情况的不足，更好地对LDH的患者进行全面的评估，提高检查效率。目前，国内外鲜有对能谱CT应用于IVDD的研究报道。

本文旨在探究能谱CT对腰椎间盘Pfirrmann分级的预测价值，以期腰椎能谱CT扫描能够为患者提供较传统CT扫描更多的信息。

1.   资料与方法

1.1   一般资料

回顾性分析2020年10月至2021年2月山东第一医科大学第一附属医院（山东省千佛山医院）因LDH行能谱CT及MRI扫描的患者30例共150块椎间盘。患者及椎间盘纳入标准：①具有明显腰腿痛症状，且符合腰椎间盘突出症的诊断标准；②均行能谱CT和MRI检查，影像完整清晰；③无严重全身内分泌疾病、自身免疫病、风湿病及肿瘤病史；④无脊柱感染性病变；⑤椎间盘邻近椎体无外伤史、中重度滑脱、融合、脊柱明显畸形及外科手术治疗；⑥椎间盘无严重积气及钙化。

150块椎间盘中有3块因外科手术、5块因椎体融合、1块因邻近椎体压缩骨折、11块因严重积气或钙化无法测量而排除，供纳入130块椎间盘。对纳入的椎间盘进行Pfirrmann分级，将1～3级椎间盘归入低级别组，4～5级椎间盘归入高级别组。其中低级别组椎间盘51块，高级别组椎间盘79块。患者的主要就诊原因为腰痛、肢体放射痛及其引起的行动不便。

1.2   仪器与方法

1.2.1   能谱CT

采用能谱CT（Discovery CT 750 HD，GE Healthcare Milwaukee，USA），所有患者均在能谱模式下进行扫描，高、低能量（140 kVp及8 kVp）瞬时切换，自动毫安，扫描层厚及层间距5.0 mm，X线球管旋转时间0.6 s/r，准直器宽度40 mm，FOV 18 cm×18 cm，螺距0.516。

患者仰卧位躺于检查床上，去除所有金属物品，双手上举，足先进。扫描范围为胸11椎体至骶1椎体。

1.2.2   MR扫描

采用联影uMR 790 3.0 T扫描仪，患者于仰卧位进行检查，行常规腰椎SE序列及FSE序列矢状位及轴位扫描。T2矢状位扫描参数为TR 2560.0 ms、TE 106.7 ms、FA 120；T2轴位扫描参数为TR 3213.0 ms、TE 95.76 ms、FA 105。

1.3   图像处理及数据分析

将能谱CT扫描后的混合能量图像重建为层厚及层间距为1.25 mm的单能量图像，并传送至GE AW 4.4后处理工作站，由两位经验丰富的影像科医师利用GSI Viewer软件对图像进行后处理及分析图像，并通过T2WI图像对椎间盘进行Pfirrmann分级，处理分析图像及评级均在盲法下完成，有争议的椎间盘评级均经讨论取得一致意见。

选择椎间盘的中间层面内2/3区域内放置面积相同的ROI，用水（钙）、水[羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP）]、钙（水）、HAP（水）物质对分别在同一位置采集椎间盘的水（钙）浓度、水（HAP）浓度、钙浓度、HAP浓度及有效原子序数（Eff-Z），尽量避开椎间盘内的钙化及积气。对采集的各个参数均测量3次，并取3次测量结果的平均值作为最终结果。

1.4   统计学方法

采用SPSS 26.0软件进行统计学分析，所有测量结果均使用 $ \bar x \pm s $ 进行描述。采用独立样本t检验比较低级别组与高级别组水（钙）浓度、水（HAP）浓度、钙浓度、HAP浓度及Eff-Z有无差异，并绘制ROC曲线下面积，计算各参数的诊断效能，确定最佳诊断阈值。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2.   结果

2.1   低级别与高级别椎间盘能谱表现

所有患者分别行能谱CT扫描后通过重建得到水（钙）、水（HAP）、钙基图、HAP基图以及有效原子序数图，并根据MRI图像进行评级。各图像分别见图1及图2。

图  1  男，23岁，L1-2椎间盘单能量图像及MRI矢状位图

（a）～（e）所测得数值分别为1071.41、1069.56、0.69和3.12 mg/mL、7.64；（f）为MRI矢状位图像，Pfirrmann分级2级，归入低级别组。

Figure  1.  Male, 23 years old, monoenergetic CT images and MRI sagittalimage of L1-2 intervertebral disc

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图  2  男，73岁，L2-3椎间盘单能量图像及MRI矢状位图

（a）～（e）所测得数值分别为1058.75、1052.77、4.43和9.61 mg/mL、7.81；（f）为MRI矢状位图像，Pfirrmann分级4级，归入高级别组。

Figure  2.  Male, 73 years old, monoenergetic CT images and MRI sagittalimage of L2-3 intervertebral disc

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2.2   统计学分析

2.2.1   低级别与高级别椎间盘能谱CT参数比较

低级别椎间盘的水（钙）浓度、水（HAP）浓度高于高级别椎间盘水（钙）浓度、水（HAP）浓度，低级别钙浓度、HAP浓度及Eff-Z低于高级别椎间盘钙浓度、HAP浓度及Eff-Z，差异均具有统计学意义（表1）。

表  1  低级别与高级别椎间盘能谱CT各参数比较（$ \bar x \pm s $）

Table  1.  Comparison of spectral CT parameters between low-grade and high-grade intervertebral discs ($ \bar x \pm s $)

级别	例数	水（钙）/（mg/mL）	水（HAP）/（mg/mL）	钙浓度/（mg/mL）	HAP浓度/（mg/mL）	Eff-Z
低级别	51	1066.71±7.50	1063.19±8.01	2.16±1.38	4.93±2.65	7.62±0.06
高级别	79	1061.57±9.87	1055.18±12.98	4.92±1.90	10.51±3.23	7.94±0.16
t		3.18	4.35	-8.97	-10.31	-15.88
P		0.002	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001
注：HAP：羟基磷灰石；Eff-Z：有效原子序数。

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2.2.2   低级别与高级别椎间盘能谱CT参数的诊断效能

对能谱CT各参数进行ROC曲线分析，结果显示水（钙）浓度、水（HAP）浓度对区分低级别与高级别椎间盘的诊断效能较低；钙浓度具有一定的诊断效能；HAP及Eff-Z具有较高的诊断效能，以Eff-Z为著，其AUC为0.97，以7.69为标准区分低级别与高级别椎间盘的敏感性及特异性分别为96.20％ 和94.12％（表2）。

表  2  能谱CT各参数鉴别低级别与高级别椎间盘的诊断效能

Table  2.  Diagnostic efficacy of energy spectrum CT parameters in differentiating low-grade and high-grade intervertebral discs

能谱CT参数	AUC	最佳阈值	敏感度/％	特异度/％
水（钙）浓度/（mg/mL）	0.65	1059.30	43.04	84.31
水（HAP）浓度/（mg/mL）	0.69	1049.61	34.18	100.00
钙浓度/（mg/mL）	0.88	2.96	89.87	78.43
HAP浓度/（mg/mL）	0.92	7.89	82.28	94.12
Eff-Z	0.97	7.69	96.20	94.12
注：HAP：羟基磷灰石；Eff-Z：有效原子序数；AUC：ROC曲线下面积。

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3.   讨论

3.1   水（钙）及水（HAP）浓度鉴别低级别与高级别椎间盘的意义

本研究结果表明，低级别椎间盘水（钙）及水（HAP）浓度均高于高级别椎间盘，且差异具有统计学意义。水浓度反应了椎间盘内的含水量，表明当IVDD越严重，椎间盘内的含水量越低，失水越严重。

健康的髓核内富含水、软骨样细胞及蛋白多糖，蛋白多糖中，糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）的含量与水息息相关。随着年龄增长或机体受到机械损伤等因素影响下，基质蛋白酶、弹性蛋白酶及明胶酶在椎间盘中的表达上调，促使细胞外基质降解，髓核内胶原蛋白变性，最终使GAG合成减少、含量下降，椎间盘内物质与水的结合能力逐渐下降，造成椎间盘含水量下降，结构改变，IVDD随之发生并随着含水量的减少逐渐加重^[7-8]。

本文中水（钙）及水（HAP）图测得的水浓度虽具有统计学差异，但诊断效能较低，我们认为可能是由于能谱CT对测量正常椎间盘与发生退变的椎间盘之间含水量的差异不够敏感，加之CT对分析水的能力弱于MRI，故而水浓度对区分低级别与高级别椎间盘的价值有限。

3.2   钙浓度鉴别低级别与高级别椎间盘的意义

本文中低级别椎间盘内钙浓度低于高级别椎间盘内钙浓度，差异具有统计学意义，表明高级别椎间盘内的钙沉积含量高于低级别椎间盘。在IVDD发生并不断加重的过程中，经炎性因子诱导椎间盘内的骨化基因（Runx2、IBSP等）的表达逐渐活跃，促进椎间盘细胞发生成骨性活动。同时碱性磷酸酶水平上调，对有机磷酸盐及无机焦磷酸的水解增加，水解产物单磷酸离子含量增加，其最终形成钙盐结晶（成分以HAP为主，同时含有草酸钙、碱性磷酸钙、焦磷酸钙等），沉积于椎间盘细胞外基质中并破坏其胶原层结构^[9]。研究表明，IVDD程度与椎间盘内的微小钙化具有一定的相关性^[10-11]。

我们认为，本研究中钙浓度与Pfirrmann等级呈正相关的原因，可能是由于随着IVDD的不断加重，钙盐结晶沉积增加及普通CT无法检测出的微小钙化形成增多，在椎间盘含水量减少的同时进一步减低了MRI T2WI序列椎间盘的信号。

3.3   HAP浓度鉴别低级别与高级别椎间盘的意义

本研究结果表明，低级别椎间盘内HAP浓度低于高级别椎间盘内HAP浓度，差异具有统计学意义。如上所述，当IVDD发生并不断加重时，在多种基因表达上调后，椎间盘内成骨性活动逐渐活跃，而骨组织中含有大量的HAP成分；同时，钙盐结晶成分及微小钙化中无机成分以HAP为主，相较于钙浓度具有更高的物质水平差异，这可能是本研究中HAP浓度随IVDD加重而升高，且其诊断效能高于钙浓度的原因。

3.4   Eff-Z鉴别低级别与高级别椎间盘的意义

本研究结果显示，低级别椎间盘Eff-Z低于高级别椎间盘，两者差异具有统计学意义，其原因可能是在椎间盘逐步由低级别向高级别不断进展的过程中，水分不断丢失、钙盐结晶沉积、微小钙化形成及椎间盘成骨性活动增强等因素综合所致。

本研究中，Eff-Z的诊断效能高于其他参数，与能谱CT的成像机理相符，表明物质的Eff-Z是各参数及物质成分分析的决定因素^[12]。同时，我们认为，Eff-Z反映了椎间盘物质的综合变化，代表了椎间盘本质的改变，故而Eff-Z的诊断效能较高，也更为稳定、更有意义。

3.5   本研究的局限性

（1）本研究为初步研究，样本量较小，文中各项推论需要通过扩大样本量进一步加以论证；且未将不同腰椎水平椎间盘作为影响因素纳入考量，而是将每块椎间盘视作独立个体与Pfirrmann分级进行分析。

（2）本研究仅探究了椎间盘轻度退变与中重度退变之间的区别，未对能谱CT各参数与Pfirrmann各级别之间的关系进行相关性分析。

（3）所有数据均为手动采集，虽通过多次测量取平均数的方法来规避偏倚，但仍难免出现误差。

（4）本研究未采用归一化参数分析，未排除个体差异对数据的影响。

（5）本研究未考虑在相同Pfirrmann分级下，纤维环破裂、椎间盘积气等结构改变对能谱CT各项参数的影响。

因此，在将来的研究中有待扩大样本量，进一步探究不同腰椎水平椎间盘之间是否具有差异，以及相同等级情况下椎间盘结构改变对能谱CT各参数的影响，细化研究分析能谱CT各参数与各级别椎间盘之间的关系。同时通过长期随访观察，探究椎间盘中钙浓度、HAP浓度与远期患者椎间盘发生钙化的机率以及时间之间的相关性。

综上所述，本研究初步表明能谱CT对于预测椎间盘Pfirrmann分级具有一定价值，可为行椎间盘能谱CT检查的患者提高检查效率、降低检查费用提供更多有益的诊断信息。