A Preliminary Study of Spectral CT in Predicting Pfirrmann Grading of Lumbar Intervertebral Disc
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摘要: 目的：探讨能谱CT物质分离技术对腰椎间盘退行性病变Pfirrmann分级的预测价值。方法：回顾性分析2020年10月至2021年2月我院腰椎间盘突出患者30例，分别行能谱CT扫描及MRI扫描，将Pfirrmann分级中1～3级归入低级别组，4～5级归入高级别组。利用能谱后处理分析软件在相同ROI下分别测得椎间盘的水（钙）浓度、水（HAP）浓度、钙（水）浓度、HAP（水）浓度及Eff-Z。采用独立样本t检验比较各参数之间有无差异，并进一步绘制ROC曲线，利用曲线下面积衡量诊断效能并选择最佳诊断阈值。结果：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，差异具有统计学意义。ROC曲线显示水（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，尤其以Eff-Z为著，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％。结论：能谱CT多参数定量分析对区分低级别与高级别椎间盘具有一定价值。
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关键词:
- 能谱CT /
- Pfirrmann分级 /
- 腰椎间盘退行性变 /
- 腰椎间盘突出症
Abstract: Objective: To investigate the predictive value of material separation technology of spectral CT in Pfirrmann grading of lumbar intervertebral disc degeneration. Methods: Retrospective analysis was performed on 30 patients with lumbar disc herniation in our hospital from October 2020 to February 2021. Spectral CT scan and MRI scan were performed respectively. Grade 1-3 of Pfirrmann grading was classified into low grade group, while grade 4-5 was classified into high grade group. Water (calcium) concentration, water (HAP) concentration, calcium (water) concentration, HAP (water) concentration and Eff-Z of intervertebral disc were measured by spectral post-processing analysis software in the same ROI. Independent sample t est was used to compare the differences among parameters, furthermore, the ROC curve was drawn. The area under the curve was used to evaluate the diagnostic efficiency and select the optimal diagnostic threshold. Results: The concentrations of water (calcium) and water (HAP) in low-grade intervertebral discs were higher than those in high-grade intervertebral discs, while the concentrations of water (calcium), water (HAP) and Eff-Z in low-grade intervertebral discs, were lower than those in high-grade intervertebral discs, which held statistical significance. The ROC curve showed that water (calcium) concentration and water (HAP) concentration were less effective in diagnosing the difference between low-grade and high-grade discs. Calcium concentration holds certain diagnostic efficacy. HAP and Eff-Z hold high diagnostic efficacy. while Eff-Z shows better diagnostic efficacy with AUC of 0.97. Taking 7.69 as the standard, the sensitivity and specificity of differentiating low-grade and high-grade intervertebral discs are respectively 96.25% and 96.00%. Conclusion: Spectral CT with multi-parameters quantitative analysis holds certain value in distinguishing low grade and high grade intervertebral discs. -
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。
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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![]()
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 disc2.2 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。 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。 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。
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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
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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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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[1] HALL J A, KONSTANTINOU K, LEWIS M, et al. Systematic review of decision analytic modelling in economic evaluations of low back pain and sciatica[J]. Applied Health Economics and Health Policy, 2019, 17(4): 467−491. DOI: 10.1007/s4058-019-00471-w.
[2] GE J, CHENG X, YAN Q, et al. Calcitonin inhibits intervertebral disc degeneration by regulating protein kinase C[J]. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2020, 24(15): 8650−8661. DOI: 10.1111/jcmm.15496.
[3] GUO Z, SU W, ZHOU R, et al. Exosomal MATN3 of urine-derived stem cells ameliorates Intervertebral disc degeneration by antisenescence effects and promotes NPC proliferation and ECM synthesis by activating TGF-β[J]. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2021. http://dx.doi.org/10.1155/2021/5542241.
[4] 崔运能, 李绍林, 张晓东, 等. 腰椎间盘CT真空现象与MR高信号区对椎间盘退变的诊断价值[J]. 临床放射学杂志, 2019,38(6): 1097−1102. DOI: 10.13437/j.cnki.jcr.2019.06.036. Cui Y N, Li S L, Zhang X D, et al. The vacuum phenomenon on CT and high intensity zone on MRI in diagnosis of lumbar disc degeneration[J]. Journal of Clinical Radiology, 2019, 38(6): 1097−1102. DOI: 10.13437/j.cnki.jcr.2019.06.036. (in Chinese).
[5] DEANE J A, LIM A K P, MCGREGOR A H, et al. Understanding the impact of lumbar disc degeneration and chronic low back pain: A cross-sectional electromyographic analysis of postural strategy during predicted and unpredicted postural perturbations[J]. PLoS One, 2021, 16(4): e0249308. DOI: 10.1371/journal.pone.0249308.
[6] 祁艳梅, 邓兴, 陈晓飞, 等. 3.0T MR IDEAL和T_2mapping成像在腰椎间盘早期退变中的应用[J]. 临床放射学杂志, 2020,39(11): 2287−2292. DOI: 10.13437/j.cnki.jcr.2020.11.032. QI Y M, DENG X, CHEN X F, et al. Research progress on intervertebral disc calcification[J]. Journal of Clinical Radiology, 2020, 39(11): 2287−2292. DOI: 10.13437/j.cnki.jcr.2020.11.032. (in Chinese).
[7] VIOLANTE F S, ZOMPATORI M, LOVREGLIO P, et al. Is age more than manual material handling associated with lumbar vertebral body and disc changes? A cross-sectional multicentre MRI study[J]. BMJ Open, 2019, 9(9): e029657. DOI: 10.1136/bmjopen-2019-029657.
[8] RIESTER S M, LIN Y, WANG W, et al. RNA sequencing identifies gene regulatory networks controlling extracellular matrix synthesis in intervertebral disk tissues[J]. Journal of Orthopaedic Research, 2018, 36(5): 1356−1369. DOI: 10.1002/jor.23834.
[9] 徐增, 孙斌, 吴卉乔, 等. 椎间盘钙化研究进展[J]. 中国脊柱脊髓杂志, 2019,29(10): 936−939. DOI: 10.3969/j.issn.1004-406X.2019.10.11. XU Z, SUN B, WU H Q, et al. Research progress on intervertebral disc calcification[J]. Chinese Journal of Spine and Spinal Cord, 2019, 29(10): 936−939. DOI: 10.3969/j.issn.1004-406X.2019.10.11. (in Chinese).
[10] SHAO J, YU M, JIANG L, et al. Differences in calcification and osteogenic potential of herniated discs according to the severity of degeneration based on Pfirrmann grade: A cross-sectional study[J]. BMC Musculoskeletal Disorders, 2016, 17: 191. DOI: 10.1186/s12891-016-1015-x.
[11] KARAMOUZIAN S, ESKANDARY H, FARAMARZEE M, et al. Frequency of lumbar intervertebral disc calcification and angiogenesis, and their correlation with clinical, surgical, and magnetic resonance imaging findings[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2010, 35(8): 881−886. DOI: 10.1097/BRS.0b013e3181b9c986.
[12] 邓治强, 汤敏. 食管胃结合部癌病理型别的能谱CT鉴别诊断效果分析[J]. CT理论与应用研究, 2019,28(2): 247−254. DOI: 10.15953/j.1004-4140.2019.28.02.11. DENG Z Q, TANG M. Analysis of CT differential diagnosis of esophageal and gastric syndromes with different pathological types[J]. CT Theory and Applications, 2019, 28(2): 247−254. DOI: 10.15953/j.1004-4140.2019.28.02.11. (in Chinese).
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期刊类型引用(1)
1. 王树昌. 双能量CT虚拟去钙成像技术在腰椎间盘退变评估中的应用价值及相关指标分析. 影像研究与医学应用. 2024(12): 24-26 . 
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