肋软骨在双能量CT上模拟尿酸盐 - 健康研究

摘要

目标

本研究旨在确定双能量CT（DECT）显示的肋软骨中与尿酸盐相同衰减特征的物质是否为尿酸盐。

材料与方法

根据《人体组织法》，从12具捐赠的防腐尸体中提取肋软骨样本，在空气、乙醇和生理盐水中储存前后进行DECT检查。痛风结节作为阳性对照进行检测。储存液被分析以检测尿酸盐，并进行了拉曼光谱分析。结果使用学生t检验和方差分析（ANOVA）进行比较。

结果

对于编号1-6的尸体，初始DECT同衰减体积为0.3-1.91 cm³（平均值1.1）。延迟三个月后储存在空气中的体积为0.24-1.6 cm³（平均值0.95）。储存在乙醇中的所有体积均为零（p = 0.009）。对于编号7-12的尸体，初始体积为0.43-1.45 cm³（平均值1.0）。延迟三个月后储存在蒸馏水中的体积为0.13-0.62 cm³（平均值0.3）。延迟十三个月后的体积为0-0.39 cm³（平均值0.14, p = 0.001）。肋软骨储存液中的尿酸盐为零，但痛风结节储存液中的尿酸盐含量较高（1002和338 umol/L）。肋软骨1和2缺乏632 cm−1的拉曼光谱峰，证实其不含尿酸盐。

结论

肋软骨在DECT上的同衰减物质不是尿酸盐，而是在某些条件下模拟尿酸盐衰减特征的其他物质。在临床实践中，肋软骨在DECT上显示的同衰减物质可以视为伪影。

引言

双能量CT（DECT）广泛用于痛风的临床管理和研究，基于该技术能够识别（和量化）单钠尿酸盐晶体（MSU）沉积的能力。这种识别围绕着尿酸盐在两个不同X射线能量水平下的衰减特征（组织分解）。先前的研究根据DECT特征提出了除关节和肌腱外的身体组织中也存在MSU晶体，包括肋软骨。

描述了各种尿酸盐模拟物，因此在临床上验证通过DECT识别出的材料是否为尿酸盐至关重要。本研究旨在阐明肋软骨在DECT上显示的类似尿酸盐物质的性质，并特别确定这些物质是否为尿酸盐。

本研究的零假设是，在DECT上模拟尿酸盐的物质在行为上与尿酸盐一致，无论是通过DECT还是其他分析方法。

方法

人体组织

前瞻性地从12具防腐捐赠的尸体中提取肋软骨。这些尸体均无痛风病史。男性和女性数量相等，平均年龄73岁（范围47-91岁）。从患有痛风病史的防腐尸体中提取两个痛风结节（一个来自肘部较大的结节，另一个来自大脚趾较小的结节）作为阳性对照。偏振光显微镜确认了痛风结节中存在MSU晶体。尸体组织样本的收集和使用符合2008年《国家人体组织法》。不需要特定伦理批准和知情同意。

储存

肋软骨样本储存在100毫升塑料样本容器中，条件各异。

第一组12个样本（右和左第二肋软骨）从六具尸体（编号1-6）中解剖出来。右侧样本置于容器中加入50毫升70%乙醇（尿酸盐样本的标准储存溶液，因为尿酸盐在乙醇中的溶解度低），左侧样本则保存在空气中。液体量被选择为完全浸没样本且可重复而不溢出容器。收获后立即进行DECT扫描。样本在同一介质（乙醇或空气）中储存，三个月后重复扫描。

基于第一组样本的结果，从另外六具尸体（编号7-12）中解剖并扫描第二组六个样本，首先在空气中，然后立即在50毫升蒸馏水中，随后分别在3个月、5个月和13个月后再次扫描。两个阳性对照痛风结节也在蒸馏水中与三个月时间点的肋软骨样本一起扫描。

DECT技术

所有样本均使用同一双管CT扫描仪（Somatom Flash，西门子医疗，埃尔兰根，德国）进行扫描。两根管分别操作于100 kVp和140 kVp（带锡过滤器），电流分别为21 mA和19 mA，层厚0.75 mm，螺距0，视野16 cm。重建为512 × 512矩阵，厚度1毫米，间隔1毫米，使用中等柔软的Br59内核。结果在商业软件平台（Syngo Via，西门子医疗）上分析。“痛风”算法将尿酸盐和其他具有相似衰减特征的材料（包括桌面和一些皮肤和趾甲区域）编码为绿色。本文中将使用“同衰减”一词来指代此类材料。

对于编号1-6的尸体，扫描在收获后立即进行并在3个月时进行。对于编号7-12的尸体，扫描在收获后立即进行并在3、5和13个月时进行。对于痛风结节，扫描在收获后立即进行并在2和10个月时进行。扫描之间的时间间隔部分取决于扫描仪的可用性，部分基于尿酸盐在水和乙醇中溶解度极低的知识，因此不会在较短时间内发生变化。

组织病理学和拉曼光谱分析

尝试通过解剖病理学验证肋软骨样本中是否存在尿酸盐，使用先前描述的显微技术。由于样本易碎，无法有效切片，尽管经过长时间脱钙处理，但未能成功。

还尝试使用拉曼光谱识别样本中的尿酸盐，这是一种非侵入性和快速的方法，可以通过MSU在632 cm−1处的特征峰识别单钠尿酸盐晶体。使用EmVision CT拉曼光谱仪和光纤探头记录样本1和2的拉曼光谱，使用830 nm激发，功率为35 mW。将2毫米直径的探头尖端接触选定区域获取光谱；采集时间为10秒。

流体分析

随后对样本储存其中的液体进行尿酸分析。样品来自储存在乙醇中的1-6号尸体样本，所有储存在蒸馏水中的7-12号尸体样本以及两个痛风结节。尿酸浓度在Hitachi c311自动分析仪（日立高新技术公司，东京，日本）上通过酶比色法（罗氏，曼海姆，德国）测量。

统计分析

计算DECT结果的均值和标准偏差，并使用配对学生t检验和重复测量方差分析（ANOVA）（GraphPad Prism）进行比较。

结果

在空气中或乙醇中储存3个月的肋软骨的DECT尿酸值

表1显示了编号1-6尸体（6个在空气中，6个在乙醇中）的肋软骨DECT同衰减体积。对于编号1-6的尸体，收获后立即获得的初始DECT显示储存在空气中的样本同衰减体积范围为0.30至1.91 cm³（平均值1.10 cm³）。延迟3个月的扫描显示储存在空气中的样本同衰减体积范围为0.24-1.60 cm³（平均值0.95 cm³），与初始扫描体积相比没有显著差异。对于储存在乙醇中的样本，初始体积范围为0.08-1.59 cm³（平均值0.94 cm³）。储存在乙醇中的样本延迟3个月的体积均为0 cm³（与初始体积相比，P = 0.009）。图1显示了收获后立即扫描和在空气中或乙醇中储存3个月后的扫描示例。

表1 编号1-6尸体的12个肋软骨样本（6个在空气中，6个在乙醇中）的DECT同衰减体积（cm³）

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图1

收获后立即扫描和在70%乙醇和空气中储存3个月后的肋软骨扫描示例。a 立即扫描显示储存在70%乙醇和空气中的左右肋软骨均有同衰减物质，总体积为2.44 cm³。b 3个月后的扫描显示储存在70%乙醇中的左肋软骨（黄色箭头）同衰减物质完全消失；储存在空气中的右肋软骨稳定，同衰减物质为0.98 cm³。

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在蒸馏水中储存13个月的肋软骨的DECT尿酸值

表2显示了编号7-12尸体的肋软骨DECT同衰减体积。对于编号7-12的尸体（所有样本均储存在蒸馏水中），初始扫描显示同衰减体积范围为0.43-1.45 cm³（平均值1.00 cm³）。在13个月内，这些体积逐渐下降到0.00-0.14 cm³（平均值0.39 cm³），ANOVA P = 0.001。图2显示了收获后立即扫描和在蒸馏水中储存3个月后的扫描示例，以及显示样本矿化程度和位置的骨窗MPR图像。阳性对照痛风结节显示初始尿酸体积为0.5和0.08 cm³，在2个月内略微下降到0.47和0.07 cm³（图3）。储存10个月后，体积分别为0.42和0.07 cm³。

表2 编号7-12尸体的肋软骨样本在蒸馏水中储存期间的连续DECT同衰减体积

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图2

编号7-12尸体的肋软骨在蒸馏水中储存期间的连续DECT同衰减体积。a 六个肋软骨样本的初始扫描显示总同衰减物质体积为5.96 cm³（平均值1.0 cm³）。b 在蒸馏水中储存3个月后的延迟扫描显示同衰减体积显著下降到1.79 cm³（平均值0.3 cm³）。c 肋软骨的骨窗MPR显示一些样本中存在少量（主要在外周）矿化区域，与同衰减物质不紧密对应。

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图3

痛风结节在蒸馏水中储存期间的连续DECT同衰减体积。a 两个痛风结节的初始扫描显示总同衰减物质体积为0.57 cm³。b 在蒸馏水中储存2个月后的延迟扫描显示同衰减物质略有下降到0.54 cm³。

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储存液尿酸浓度

表3显示了储存液尿酸浓度。生化分析显示所有肋软骨储存样本（乙醇和蒸馏水）中的尿酸浓度为0 µmol/L。相比之下，两个阳性对照痛风结节样本储存的蒸馏水中的尿酸浓度为1002和338 umol/L。

表3 储存液尿酸浓度

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拉曼光谱

图4显示了样本1和2测量的拉曼光谱。虽然在959 cm−1处存在胶原蛋白和碳酸钙的特征拉曼峰，但在632 cm−1处未检测到特征单钠尿酸盐峰（图4），证实不存在MSU。

图4

在830 nm下测量的肋软骨1和2的拉曼光谱比较，显示在959 cm−1处有胶原蛋白和碳酸钙的峰，但在632 cm−1处没有尿酸峰。

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讨论

本研究的关键发现是，肋软骨样本在DECT上显示的同衰减物质在DECT值变化和样本储存液化学分析方面与对照痛风结节中的尿酸盐表现得相当不同。肋软骨中的同衰减物质在乙醇或蒸馏水中储存时迅速减少，而在空气中储存时持续存在，相比之下，痛风结节中的已证明尿酸盐在长时间内保持稳定。先前研究表明尿酸盐几乎完全不溶于乙醇，表明在乙醇储存中同衰减物质消失不能归因于尿酸盐从组织中渗出。对肋软骨储存液长达两年的分析显示未检测到尿酸，而在痛风结节储存的蒸馏水中检测到了大量尿酸。后者表明，尽管尿酸在水中的溶解度较低，但从痛风结节中溶解了一些尿酸进入储存液。如果肋软骨中含有尿酸，预计在储存液中也能检测到尿酸。

从上述结果可以看出，肋软骨中的同衰减物质在不同储存条件下的DECT或储存样本液的化学分析中并不表现出与尿酸相同的行为。在这系列实验中没有任何证据表明肋软骨中含有尿酸。因此，肋软骨在DECT上看到的同衰减物质不是尿酸，而是一种或多种在标准DECT上具有与尿酸相似衰减特征的物质。

一种物质模仿尿酸在DECT上的唯一要求是它在扫描使用的X射线管能量水平下具有相似的衰减特征。在本研究中（如同大多数临床DECT一样），使用两种X射线能量（80和140 keV，后者带有锡过滤器，如推荐和验证的那样，能产生最少伪影的结果）。材料在这些能量下的衰减特征取决于材料的电子密度（通过康普顿散射，随着X射线能量增加而增加）和材料化学成分的原子序数（通过光电效应，随X射线能量的三次方而减少）。因此，理论上，只要一种物质具有相似的电子密度并至少含有一些引起相似光电效应衰减的相似原子，就完全可以具有与尿酸相似的衰减特征。

肋软骨的同衰减在乙醇储存中完全消失，并在蒸馏水中随着时间推移逐渐减少。这种储存不会改变组成分子的原子序数，但可能会改变肋软骨的物理密度（从而改变电子密度），具体取决于吸收了多少液体。这可能足以改变衰减特征，使得组织分解算法不再将肋软骨识别为含有尿酸。这也解释了为什么在乙醇和水中储存时同衰减体积随时间的变化不同，如果肋软骨以不同的速率吸收这两种液体。

关于肋软骨化学组成的现有研究有些有限，但最近的一项研究显示，在25个样本系列中软骨细胞、胶原蛋白和矿化组织的比例存在显著差异。另一项最近的研究显示，与关节软骨相比，糖胺聚糖、矿化和软骨细胞的相对水平较高，但总体胶原蛋白水平较低。这种化学异质性可能导致即使明显缺乏尿酸的情况下在DECT上出现同衰减物质。另一项最近的生物物理学研究强调了使用标准DECT技术分析超过三种化学元素的挑战。

尽管矿化组织（特别是含钙的组织）可以在DECT上产生与尿酸盐类似的伪影，但在目前的研究中，相当密集的钙化物质在液体储存后并未产生持久的同衰减（图1和图2）。如图2c所示，7-12号尸体的六个样本中只有两个有显著的钙化，而且大部分是外围的，与突出的同衰减物质无关。因此，本研究中肋软骨的伪影同衰减不能归因于钙沉积。

几种新兴的CT和放射成像方法使用光子计数探测器，显示出了提高晶体关节病（和其他病症）成像空间和化学分辨率的前景。特别是，未来可能能够可靠地区分痛风结节、焦磷酸钙和羟基磷灰石，并检测和表征非常小的尿酸沉积。然而，这些方法仍处于临床前阶段，只能生成组织样本或小身体部位的图像。

本研究的优势包括使用DECT和化学分析来确定肋软骨中的同衰减物质不像尿酸那样表现，多个尸体样本结果的一致性，使用阳性对照痛风结节，以及在长时间内检查样本。同衰减物质的体积由用于DECT分析的SyngoVia软件平台自动生成。这项特定研究不需要任何手动分割、测量或解释。在这种情况下，观察者偏差和一致性不起作用。

局限性包括无法准确测量肋软骨的密度（从而确定密度变化是否解释了DECT上的可变衰减），以及我们尚未能够澄清哪些化合物导致了同衰减行为。

这项工作确立了肋软骨在DECT上的同衰减物质不是尿酸。在检查其他尚未通过直接组织分析确认尿酸存在的身体结构时，应考虑到这一点。最近，我们的团队证明了，与其他一些研究相反，痛风患者主要血管结构中不存在尿酸沉积。尽管在痛风患者（或尿酸水平升高的人群）中，假设在经过充分研究的解剖部位上显示的同衰减物质确实是MSU可能是合理的，但对于其他部位的同衰减物质不能做出同样的假设。