磁共振成像已被广泛应用于骨骼肌肉系统疾病的早期诊断、预后评估及疗效预测。但一部分骨骼肌肉组织的T2值很短，给疾病的诊断带来很大阻碍。超短回波时间（ultrashort echo time，UTE)MRI序列可采集更多短T2组织的信号，弥补了常规MRI不能清晰显示短T2组织成像的缺陷，并可对相关组织的成分变化进行定量分析。通过对UTE序列的开发和应用，研究者们进行了许多关于UTE成像应用的探索，本文对近年来UTE应用于骨骼肌肉系统的相关技术进行综述。

1　UTE-MRI技术及原理

       UTE MRI序列是一种采用硬脉冲激发并直接检测自由感应衰减的一种新型成像技术^[1]。由于其回波时间(time of echo ，TE)较常规MRI序列短10~ 200倍，因此可采集到短T2组织的信号，以二维UTE(two-dimensional UTE，2D UTE）为例，临床1.5 T-2D UTE的TE最短可达到8 μs^[2]。该技术的超短TE是由于使用两个半sinc函数型脉冲，选择梯度激发其相反层面，避免了对射频脉冲（radio frequency ，RF）进行相位编码。同时，利用k空间的径向成像，在k空间中心开始采集、进行相位编码，该编码属初始编码无需梯度，可再次缩短TE。此外，自由感应衰减仅受RF的发射和信号采集时间的限制，由此进一步缩短、控制TE。同理利用短硬脉冲进行激发，结合三维放射状数据采集技术即为三维UTE (three-dimensional UTE，3D UTE）序列^[3,4,5]。

       UTE在对短T2组织的成像中，其他长T2组织往往具有更高的信号，从而影响了短T2组织图像的对比度。为此，学者们调整参数、采用多种技术抑制长T2组织，目前可分为两种类型：第一种类型利用图像减法或求和的后处理技术，主要为组合使用不同TE射频脉冲获取的图像，进而提高T2对比度^[6]。以双回波UTE(dual-echo UTE ，dUTE）为代表，从第一个回波图像中减去后来仅包含长T2信号的回波图像，即可获得短T2对比度较高的图像。具体可分为复数减影法和幅度减影法，前者在血管检测、脑脱髓鞘成像、脂-水分离技术中进行脂肪评估等具有优势，后者常应用于骨骼肌肉系统中短T2组织的成像^[7]。然而，这类方法在提高短T2组织对比度的同时降低了信噪比。此外，由于大多数方法需要进行两次UTE的单独采集，增加了潜在的运动伪影。相反，第二种类型利用长T2饱和或反转恢复的短T2组织的选择性成像，仅需要单次采集。例如长T2饱和UTE (long-T2 saturation UTE，sUTE)，利用90°矩形硬脉冲进行长时间激发，对长T2组织进行选择性反转，并用扰流器选择性地抑制来自长T2组织的信号^[8,9]，由此采集到的图像仅有短T2组织，但短T2对比度略有减低。此外，单绝热反转恢复UTE (single adiabatic inversion recovery UTE ，SIR-UTE)、双绝热反转恢复UTE(dual adiabatic inversion recovery UTE，DIR-UTE）用长绝热反转脉冲来选择性反转和清空水和脂肪等长T2的磁化，使来自短T2组织的信号被随后的UTE数据采集选择性地检测到^[10,11]。IR-UTE可同时、有效抑制水和脂肪信号，因此在肌肉和骨髓等长T2组织背景下仍可获得极高对比度的骨皮质图像，且伪影较少。

2　临床应用

2.1　骨皮质

       骨皮质约占人体骨量的80%，主要由45％的羟基磷灰石、40％的Ⅰ型胶原和15％的水组成。这些成分的结合使骨皮质具有独特的生物力学特性，包括抗压缩力、抗拉强度和粘弹性。UTE脉冲序列能够以与常规脉冲序列相当的空间分辨率、信噪比和对比噪声比直接对骨皮质进行成像，还可对骨皮质的组成成分进行测量、评估。Reichert等^[12]采用常规UTE、脂肪抑制UTE序列对健康志愿者和骨疾病患者相同部位的骨皮质进行成像，获得了不同的T1、T2^*值，并发现二者的值随着年龄的增长而增加，且在不同的羟磷灰石晶体中具有差异性，可反映骨的代谢过程。目前多采用饱和恢复UTE (saturation recovery UTE，SR-UTE）以及基于绝热反转、T2归零的UTE技术，结合指数信号恢复模型拟合骨信号进行T1、T2^*的量化。骨皮质中的水分为结合水和游离水，前者与胶原基质结合，是胶原基质的间接量度，后者位于骨孔隙内，与骨孔隙率高度相关，二者的T2^*值具有差异，可用UTE结合双组分指数拟合进行区分和评价^[5]。Ma等^[13]通过模拟大分子到水的磁化转移（magnetization transfer，MT）测量出大分子质子分数，证实该序列可检测束缚在大分子上的水和自由水之间的相互作用，以上为目前对骨中水测量的主要方法。Jerban等^[14]将基于上述两种方法获得的数据集同组织学切片的显微图像作对比，发现该技术还可检测到骨小孔隙(<40 μm）的微弱变化，敏感度优于μCT。骨孔隙率决定了骨的力学性质，可反映骨疾病的发展、骨应激损伤和骨重塑过程。此外，Lu等^[15]在3.0 T-MRI上使用3D UTE锥序列的多峰脂肪信号模型对人体骨皮质的游离水、结合水以及脂肪的T2^*值及其组分进行研究，证实三组分拟合可提供对游离水和结合水进行更准确的评估，并且该方法得到的游离水和脂肪组分之和与测得的孔隙度的相关性最高，表明未来临床实践中它可能成为评价骨质量的新型生物标志物。

       骨具有丰富血液供应：骨小梁和内2/3层骨皮质通过骨髓腔获得血供，外1/3层骨皮质接受骨膜灌注。骨皮质修复与炎症反应均伴随着血流量的增加，骨矿物质密度降低时，血管通透性和血浆清除率也随之减低。因此，骨血流灌注可反映骨质疏松、骨的生长和修复。先前对于骨皮质的灌注研究多结合经典Tofts模型处理数据，Wan等^[16]换用数据拟合更好的药代动力学Brix模型，对使用2D UTE和2D IR-UTE序列采集的兔和人类志愿者的骨皮质数据进行处理，计算转移常数(the transfer constant，K^trans)、速率常数（the elimination rate，Kep）等参数，反映对比剂可穿透的无血管细胞外间隙的大小、对比剂进入和退出速率。其结果表明IR-UTE序列可获得更高的灌注参数，在临床实践中采集骨皮质灌注信号更具有可行性。

2.2　肌腱和韧带

       磁共振成像是评估肌腱、韧带疾病的首选影像学检查，然而由于肌腱和韧带的T2非常短，常规MRI技术对肌腱的敏感度为13%～79%^[17]。UTE-MRI序列可以清楚地显示肌腱和韧带的走行，Chen等^[18]采用11.7 T-UTE获得具有精细胶原纤维结构的跟腱图像，证实在较高场强的情况下可获得高对比度的图像。

       UTE-MRI序列还可对肌腱、韧带疾病进行早期诊断、程度评估。在3.0 T-UTE和1.5 T-UTE对健康志愿者的跟腱与发生慢性损伤及退行性改变的跟腱进行T1值测量，具有明显差异性，证实T1值可用于上述疾病的诊断^[19]。此外，Wright等^[20]采用三维翻转角可变UTE (variable flip angle UTE ，VFA-UTE)对正常人与脊柱关节炎肌腱起止点病患者跟腱的T1值进行测量，该技术使用3个优化的翻转角度在10 min内即可获得肌腱的高分辨三维T1图，且敏感性更高。3D UTE序列的双T2^*值分析可区分跟腱炎与正常跟腱，并可以对损伤或术后的跟腱进行量化评估^[21]。采用脂肪抑制的UTE T2^*作图可以反映韧带和肌腱的生物组成和结构完整性，可检测早期退变^[22]。除外T1、T2^*值，使用UTE-MT序列对施加张力前后的肌腱计算出的不同的过饱和比（off-saturation ratio，OSR)，OSR值在区分正常和退变肌腱具有应用价值^[23]。Zhu等^[24]利用3D UTE-MT锥序列对在体肩袖肌腱进行两池MT建模，结果表明大分子质子分数更能抵抗魔角效应，在区分不同程度的肌腱病变方面具有更高的敏感性。

2.3　关节软骨

       关节软骨是由软骨细胞、水、胶原蛋白和蛋白多糖组成的一层薄薄的结缔组织，其厚度、细胞密集度和基质成分等在不同关节内呈现出不同的差异。常规MRI成像通过与周围高信号组织的对比显示软骨轮廓，从而进行观察或诊断。UTE MRI对关节软骨成像可直接显示软骨深层^[25]，在关节软骨的最深一层存在明显的线性高信号。Bae等^[26]利用组织学实验确定是未钙化软骨和钙化软骨导致了这一信号。钙化软骨和软骨下骨是关节软骨与血管进行溶质运输的主要部位，钙化软骨还具有代谢作用，可调节软骨的重塑，采用UTE对关节软骨的未钙化软骨、钙化软骨和软骨下骨成像将有助于对疾病进行早期诊断。Ma等^[27]采用3D IR-UTE锥序列获得浅、中和深层未钙化软骨、钙化软骨和软骨下骨的高分辨率图像及其拟合曲线、T1值。

       关节软骨的压缩、拉伸等生物力学性能主要由细胞外基质中的间质水提供，而细胞外基质则由胶原纤维、蛋白多糖(proteoglycan，PG）和糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）组成。使用UTE MRI对关节软骨进行旋转坐标系的自旋晶格弛豫时间（T1ρ）的定量测量，可评估对关节软骨PG/GAG的变化，进而反映其生化和生物力学情况。T1ρ是自旋锁定射频脉冲期间磁化指数衰减的时间常数，对水分子及其局部大分子环境之间的相互作用非常敏感。PG/GAG含量改变时，通过T1ρ机制对与其结合水分子弛豫的时间随之变动^[28]。Bae等^[29]的研究表明，变性软骨的T1ρ值有明显增高趋势，证实T1ρ值可评价软骨退变。Ma等^[30]的研究表明，三维绝热T1ρ超短回波时间锥序列技术对魔角效应不敏感，其绝热全通道脉冲序列对发生RF磁场的空间均匀性要求低，且允许对RF进行调节，因此可进行较为准确的软骨体T1ρ值测量。除外T1ρ值，T2^*值也可反映软骨的生化改变。Pauli等^[31]发现UTE T2^*值降低程度与软骨退变严重程度呈正相关。这是由于软骨内的游离水、胶原纤维网间隙内水、与PG结合的水和与胶原蛋白结合的水的T2^*值均不同，因此可通过T2＊值的变化间接反映软骨生化成分的变化。

2.4　椎间盘软骨终板

       终板作为椎间的组成部分，可分为软骨终板(cartilaginous endplate，CEP）和骨性终板（bony endplate，BEP)。其中，软骨终板不仅是髓核和椎体之间的生物力学屏障，还是椎间盘物质运输的主要通道，它的改变对椎间盘退行性变具有重要作用^[32]。

       Bae等^[33]采用常规MRI序列和UTE序列对比预处理和非预处理的离体椎体终板进行重复扫描，发现钙化与未钙化软骨终板层可以在UTE序列上显示。对在体CEP形态的影像研究，得出腰椎CEP缺陷与腰椎间盘退变具有一定的相关性^[34]。在此基础上，Law等^[35]的研究证实UTE技术可使CEP的软骨裂缝和微骨折可视化，发现了Schneiderman等^[36]提出的椎间盘退变分级法与终板损伤呈正相关，这些结果均支持终板损伤与椎间盘退变具有相关性的观点，为临床椎间盘退变的预测、预防提供了新方法。而潘希敏等^[37]对腰椎软骨终板采用3D UTE多回波脉冲序列T2^* mapping成像技术进行定量评价，发现UTE对早期软骨水含量和生化成分改变敏感，可对CEP进行定量研究，为研究终板疾病提供新方向。UTE MRI技术使对CEP的形态学评价、定量分析和组织学特性的研究成为可能。

3　小结

       UTE作为一种可以显示短T2组织的新型序列，在提高对短T2组织相关疾病诊断的同时，弥补了既往MRI分辨率较低的缺陷。目前，利用UTE MRI技术对各种短T2组织的定性观察、定量测量和相关生物标志物的发现已非常广泛。同时，有研究者为获得不同部位的详细参数，选择划分部位并对该部位的所有组织进行研究，以望获得更加精准的扫描参数及数值。即使如此，这方面的工作仍多处于测试、实验的阶段，还未能做到广泛的临床应用和推广。此外，研究者们虽致力于改进UTE MRI技术的相关序列，以缩短扫描时间，但于临床应用而言，UTE的扫描时间仍较长，医务工作者仍需进行更多的临床测试，以制定细致、安全、规范的UTE临床应用流程。