0 引言

       在过去的几年中，由于高场MR的出现以及专用高端肢体线圈的广泛使用，MR对肌肉骨骼系统疾病的空间分辨率大幅提高。如今，随着UHF-MR的出现，肌肉骨骼系统成像出现了新的可能性，有关UHF-MR的研究正在有序开展，但在骨肌系统疾病方面的研究仍然非常少见。本文通过分析国内外相关文献，总结该领域的研究进展和目前存在的问题，以期对此领域的研究和发展起到指导和推动作用。

1 UHF-MR的物理特性及对骨肌系统疾病诊断的影响

1.1 UHF-MR的信噪比

       UHF-MR的高信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和高分辨率，在结构像上能达到各向同性0.1 mm分辨率，这有助于观察到以往难以看清或不被注意的结构，如细小韧带及踝关节骨软骨病变的细节信息等^[1]。同时超高分辨率的神经成像、关节软骨分层显示或关节骨软骨病变的早期病理生理学信息等也能在UHF-MR中实现^{[2, 3]}。此外，UHF-MR中SNR的提高也使得质子成像以外的X核成像成为可能^[4]。目前，由于UHF-MR图像伪影处理及高场MR图像加速技术的应用^[5]，UHF-MR的图像扫描时间相对较长是主要挑战。因此，我们应加速开发深度学习图像重建算法技术，将人工智能融入UHF-MR应用中，以期实现UHF-MR下更高SNR的同时更快成像。

1.2 UHF-MR的弛豫时间

       相比于3 T，UHF-MR的T1值相对延长，特别是关节液（依赖于大分子含量和浓度），这将导致扫描时间延长^[6]。但是在大多数情况下，这种差异会被高场MR中加速因子的选择以及UHF-MR射频能量吸收率（specific absorption ratio, SAR）的限制所掩盖^[7]。同时，UHF-MR的T2及T2*值则会缩短。据报道，与高场MR相比，UHF-MR下髋关节软骨的T2值差异不大，膝关节软骨的T2值降低程度约5%~32%，髌后软骨和髋关节软骨的T2^*时间缩短约12%~36%^[8]。而在对骨小梁的超短回波时间成像（ultrashort echo time, UTE)观察中，T2值则降低了50%^[9]。因此，这些变化可能有助于疾病的检出。

1.3 UHF-MR的化学位移

       UHF-MR显著的化学位移效应使得磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy, MRS）基线数据更加平稳，谱峰分散性更好，谱峰更加锐利。所以，超高场MRS可进行分辨率更高的多维谱成像，并提升波谱数值分析的精准度^[4]。同时，UHF-MR下化学位移伪影也将更加显著，射频脉冲带宽也更明显^[7]。HEISS等^[1]通过分别在高场和UHF-MR下评估健康和慢性腕痛参与者的图像质量，发现UHF-MR对腕关节软骨的成像有优势，但是伪影也较高场MR更明显。因此，如何减少UHF-MR下伪影的问题并利用MRS的优势诊断疾病将是可能的研究方向。

1.4 UHF-MR的B1磁场

       由于人体各组织器官具有各异的介电常数和电导率，B1磁场作用于人体时会产生复杂的抗电效应，这会导致人体不同部位不同组织的电磁波有不同程度的衰减^[4]。此外，B1磁场作用于人体时，入射与反射电磁波叠加会产生驻波效应。而驻波效应和抗电效应的存在，使得人体内的电磁波存在复杂的相长和相消干涉机制^[10]。因而，即使射频线圈在自由空间中能产生均匀分布的B1磁场，但作用于人体时，B1场的分布会变得不均匀，这种不均匀性会降低图像的SNR、对比度和特定组织抑制效果，对图像质量产生一系列的影响，降低图像的诊断价值^[7]。因此，研发UHF-MR下的专用线圈及提升数据采集后的图像均匀性的意义重大。

1.5 UHF-MR的SAR

       MR射频系统产生的电磁波所属的波段决定了其不会引起电离辐射损伤，但是其与人体组织相互作用产生的抗电效应和驻波效应，会导致射频能量沉积，从而引起局部或全身体温升高，带来非电离辐射热损伤。SAR值被用来衡量人体对射频能量的吸收情况，相应的阈值被作为安全标准^[4]。因而，射频电磁场与人体组织的相互电磁作用会降低图像质量和可能带来安全问题，有必要结合临床应用需求加强相关研究。

1.6 UHF-MR的安全性问题

       相比于较为常见的高场设备，UHF-MR特有的物理性质更会在各方面导致新的技术挑战，主要包括化学位移伪影更明显、磁场不均衡性增加、磁化率效应增加和潜在的安全风险（主要包括磁性物质被置入扫描腔体导致的危险、组织加热的不良反应等）增加等^[4]。对于安全方面的问题，UHF-MR具有更严苛的安全条件限制，很多患者因不符合条件而被禁止进入扫描室（如心脏起搏器和除颤器、动脉瘤夹、人工耳蜗和其他金属植入物如体内电子设备，以及纹身等）。因此，对于伪影、磁场不均衡性和磁化率效应方面的问题，解决方案除了扫描序列的改进，还应考虑各种植入物的物理性质及对各种植入物在UHF-MR的安全性问题进行更多研究。

2 UHF-MR在骨肌系统疾病中的临床研究进展

2.1 UHF-MR的形态学成像

       随着线圈、射频硬件及成像序列的不断优化，UHF-MR在骨肌系统高分辨率成像方面发挥了潜力。不仅可以在不使用对比剂的情况下可视化解剖细节和细微病变，如膝关节、足部肌肉、周围神经、机械感受器和上肢血管，还能早期发现半月板、肌腱、韧带和骨骼等这些结构的病变，为早期干预提供机会^{[11, 12, 13, 14]}。此外，体素减小有助于减轻部分容积效应，这可以更精确的测量软骨厚度和体积等^[10]。目前，膝关节^[8]、髋关节^[15]、腕关节^[1]及踝关节^[16]等已经被证实了在UHF-MR中关节软骨高分辨率成像的可行性。FRIEBE等^[17]在3 T及7 T质子密度加权成像序列研究中证实了在相同的采集时间下，7 T采集到的软骨和半月板损伤图像的分辨率及诊断准确性均优于3 T。AMRAMI等^[11]的研究证实了UHF-MR对神经鞘瘤及小神经可以高SNR成像，这为更精确的诊断和手术规划提供了机会。因此未来可以探索UHF-MR对下肢动静脉、周围神经及末梢血管的显示和相应线圈的研发。

       此外，UHF-MR中SNR的增加可以提高对骨骼微结构的可视化和定量评估，以发现其与年龄和疾病的相关变化。在人体骨骼中，骨小梁厚度约为100~150 μm，骨小梁间距为300~800 μm^[18]。由于骨髓-小梁界面造成的组织磁敏感强度差异会导致磁场不均，在GRE序列中骨小梁信号增高，并且这种磁化率效应随着场强的增加而增高，因此，UHF-MR的加持使得骨小梁的可视化效果更佳^[19]。目前，股骨、膝关节、髋关节和腕部^{[20, 21, 22]}的骨小梁成像已经被证明了UHF-MR在评估骨骼微观结构的可行性。CHANG等^[23]研究了UHF-MR在骨质疏松症患者髋关节骨微结构成像的应用，发现其图像分辨率达到了0.23 mm×0.23 mm×1.00 mm，扫描时间为7 min（TR=7 ms且无并行成像，或TR=8 ms且并行成像加速因子=2），7 T可以对整个股骨近端的骨微结构成像，并且骨体积百分比、骨小梁厚度、骨小梁间距和骨小梁数等指标均与μCT具有良好的相关性。因此，未来可以对腰椎骨质疏松的骨骼微观结构进行研究，有助于机会性筛查骨质疏松患者；此外，还可以探索UHF-MR多模态成像在骨质疏松的应用价值。

2.2 UHF-MR的功能成像

2.2.1 T2/T2 mapping

       T2 mapping是一种可以在体素水平上对组织T2值进行定量分析的方法，并通过后处理生成反映T2值差别的伪彩图，提高观察的客观性及直观性。在软骨中，T2 mapping反映了胶原基质的完整性、糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）含量和水合作用^[24]。由于退行性骨关节炎早期表现为关节软骨胶原基质的降解和GAG的丢失，因此T2 mapping常作为评估骨性关节炎患者风险的影像学指标^[25]。T2 mapping常用的成像序列主要是多回波自旋回波序列，其具有低SAR、良好的空间覆盖和对B0、B1磁场不均匀性不敏感。JURAS等^[26]研究了创伤性软骨病变患者基线和12个月期间3 T和7 T上T2 mapping的变化，发现3 T上T2值变化能反映低级别软骨病变进展过程中的微妙变化，而7 T可能由于短T2的原因不能反映。尽管如此，我们仍然可以利用UHF-MR在离体软骨组织上进行建模探索，以发现关节软骨退变的早期细微改变。

       由于肌腱、韧带、骨骼和半月板等结构的T2衰减时间非常短（8~500 μs），在序列中常表现为低信号。而通过结合径向读数、斜坡采样、短时间射频脉冲和独特的采样策略，开发了UTE序列成像来可视化短T2结构^[9]。在UHF-MR中，由于UTE序列的SNR提升，组织可视化效果更好^[7]。KRUG等^[27]UHF-MR对皮质骨进行UTE成像的可行性。JURAS等^[28]利用UHF-MR的UTE序列研究肌腱损伤的患者和健康组的肌腱信号差异，发现其可直接定量肌腱信号的变化。基于此，UHF-MR对韧带、半月板及肌肉损伤等的研究也应逐步开展起来。

2.2.2 T1ρ/ T1ρ mapping

       T1ρ mapping对于大分子之间的低频运动过程及化学交换敏感，如关节软骨中GAG含量^[29]。UHF-MR的磁场不均匀性、长自旋锁定射频脉冲和SAR限制使得实现T1ρ mapping成像脉冲序列具有挑战性^[30]。WYATT等^[31]证实了UHF-MR下膝关节软骨T1ρ成像的可行性，并定量评估了正常和骨关节炎患者之间T1ρ值的差异。此外，NOEHREN等^[32]证明了UHF-MR下前交叉韧带T1ρ成像的可行性，并定量评估了健康和韧带撕裂患者的T1ρ弛豫时间的差异，以此反映其与胶原蛋白含量的相关性。以上研究说明了UHF-MR下功能成像进一步对骨肌系统疾病的早期诊断创造了新高度，但是目前UHF-MR的功能成像很多局限于关节软骨、韧带的研究，肌腱及肌肉的研究甚少。此外，体素内不相干运动、弥散张量成像及MR弹性成像等功能成像序列的研发也应加快脚步。

2.3 UHF-MR的分子成像

2.3.1 化学交换饱和转移成像

       化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像原理是利用特定的偏共振饱和脉冲，对特定物质（比如蛋白质或多肽的酰胺质子，葡萄糖及黏多糖等）进行预饱和，这种饱和通过化学交换，进一步影响自由水的信号强度，因此通过检测水的信号，可间接反映这种物质的信息^[33]。有研究已经证实了gagCEST对关节软骨GAG含量的敏感性，然而gagCEST在场强较低时如3 T或以下时，由于非对称性磁化转移率值较低且化学转移率较慢，受磁场不均影响较大导致图像SNR差^[34]。多项研究已经证明UHF-MR的gagCEST评估关节软骨可行性^[33]。此外，UHF-MR肌酸化学交换饱和转移（CrCEST）成像有望成为评估肌肉能量代谢的一种新方法。TAKAHASHI等^[35]在11.4 T UHF-MR开发小鼠骨骼肌CrCEST成像技术，并通过测量缺血后肢的Cr浓度变化验证了该技术的可靠性。因此，利用机体中组织的代谢过程开发相关的CEST图像，特异性地显示组织病变的过程对疾病的诊断、检测及疗效评估意义重大。

2.3.2 MRS

       MRS技术利用MRI的化学位移现象及不同化合物中1H频率的差异，在1H-MRS中的不同位置显示共振峰，根据结果对化合物进行分类。KLEPOCHOVÁ等^[36]利用UHF-MR下利用1H-MRS成像动态监测到了有氧条件下人体腓肠肌在休息、跖屈运动和恢复过程中骨骼肌乙酰肉碱的变化情况。NANGA等^[37]报告了在7 T下人体小腿肌肉的新共振谱，包括9.7 ppm处的共振为NR/NMN（烟酰胺核糖苷/烟酰胺单核苷酸）和10.1 ppm处的共振为L-色氨酸，并认为这两个共振可作为研究骨骼肌新陈代谢的新型生物标记物。因此，UHF-MR实现了分子成像的可能性，在克服固有物理特性外，实现了相对高分辨率分子成像。UHF-MR下带宽的增加，谱线精确性增加，有望开发出更多未知的代谢物成像。

2.4 UHF-MR的X核成像

2.4.1 钠成像

       钠（23Na）成像是一种无创成像技术，可量化组织中的钠含量。Na是人体内的主要阳离子，与细胞稳态的生理状态有关^[38]。在UHF-MR中，23Na的波长较H质子更高，B1不均匀性和B0磁化率问题更少，成像更容易^[18]。由于其较短的T2弛豫时间，UTE序列是最合适的序列。23Na成像对软骨中GAG含量具有高度的特异性，软骨基质中Na浓度与GAG的浓度直接相关。在退变软骨中，GAG的丢失会导致Na含量的相应下降。Na在健康软骨中的浓度为250~350 mM，在骨关节炎软骨中的浓度开始低于250 mM^[39]。在骨关节炎及关节软骨修复的研究中，UHF-MR中23Na成像被证实可用于定量GAG含量^[40]。TRATTNIG等^[41]通过UHF-MR的23Na成像评估自体软骨细胞移植后患者的修复组织和原生软骨的差异，发现UHF-MR下23Na成像的图像SNR明显增高，软骨移植和原生软骨的GAG含量存在明显区别，这将有助于无创性检测治疗效果，从而预防后续疾病的发生。此外，在骨骼肌中，Na+多位于细胞外，当产生动作电位时，Na+-K+-ATP酶使Na+快速流入细胞，导致肌肉收缩。WEBER等^[42]利用7 T下23Na和35Cl成像观察到周期性瘫痪中Na+和Cl-的平衡变化，以此证实了23Na成像无创性诊断肌病的可行性。

2.4.2 31P-MRS和31P-MRI

       31P-MRS可以检测磷酸肌酸（PCr），无机磷酸盐（Pi）和其他磷酸基团，为研究静息和运动后肌肉代谢以及测定细胞pH提供了影像学工具^[36]。在UHF-MR下，随着SNR和光谱分辨率的提高，31P成像的T1弛豫时间减小，采集时间加快，因此31P-MRI和31P-MRS研究具有独特的优势。NIESS等^[43]利用UHF-MR下31P成像研究了健康人跖屈运动的代谢和功能反应，发现31P成像可以更全面地展示肌肉新陈代谢以及灌注、供氧和能量消耗之间的相互作用。HOOIJMANS等^[44]利用31P-MRS成像发现杜氏肌营养不良症患者磷酸二酯酶水平升高。KASSEY等^[45]报告了7 T下31P成像作为计算骨密度的非电离诊断工具的可行性。此外，13C、35Cl及39K^{[10, 46]}均被证实了UHF-MR在肌肉离子通道疾病定量诊断中的可行性。

       由于X核的内在磁敏感度和体内浓度低，UHF-MR的X核成像实现了对疾病无创性诊断的可能，越来越多在体内分布的原子核的代谢物（23Na、31P、17O、13C等）被用来研究某些组织或疾病相关的代谢与生理生化过程。期待未来在射频线圈、图像采集、图像重建及后处理技术的优化下进一步提高X核成像的能力，争取早日从科学研究转化到临床应用中来。

3 总结

       UHF-MR在骨肌系统研究和临床应用中展示出卓越的优势。首先，其高分辨率和优化的对比度能够精确展示骨肌系统的微细结构，有助于早期病变的检测和诊断；其次，UHF-MR提供的详细解剖信息和功能成像技术，如肌肉功能成像和软骨成分分析，提升了手术规划的精确性和术后疗效评估的可靠性；此外，未来UHF-MR的发展前景广阔，包括新型对比剂的开发、多模态成像技术的应用以及人工智能辅助诊断的结合，这些都将进一步推动其在骨肌系统中的临床应用和研究价值。然而，UHF-MR也面临诸多挑战，如设备成本高、操作复杂性增加以及潜在的安全性问题。这些挑战需要在未来的研究和应用中加以克服和优化。总之，尽管面临挑战，UHF-MR将为骨肌系统疾病的早期诊断、治疗和评估提供更有效的工具。