肌肉骨骼 MRI 新突破：从硬件革新到 AI 重建，重塑临床诊断与科研实践

在肌肉骨骼疾病的诊断与长期监测中，MRI 凭借无电离辐射、高软组织分辨率的优势已成为 “主力军”。随着人口老龄化带来的关节置换需求激增，以及个性化医疗对精准成像的要求，传统 MRI 在效率、特异性和定量能力上的局限逐渐凸显。2023 年发表于《Radiology》的综述《MRI Advancements in Musculoskeletal Clinical and Research Practice》（Sneag et al.）系统梳理了肌肉骨骼 MRI 的技术突破，涵盖硬件升级、采集重建创新、特殊场景成像优化及 AI 应用，为临床与科研提供了全面指引。本文将提炼其核心精华，详解关键技术进展。

一、硬件革新：奠定高性价比、高分辨率成像基础

MRI 硬件是成像质量的 “基石”，近年来磁铁、梯度系统和射频线圈的升级，既解决了 “患者舒适度”“成本控制” 等临床痛点，又为高分辨率成像提供了可能。

1. 磁铁与梯度系统：从 “场强选择” 到 “性能优化”

当前肌肉骨骼 MRI 以宽孔径（70cm）1.5T 和 3.0T 系统为主流，核心进展集中在梯度性能提升与场强多样化：

• 梯度性能突破：早期宽孔径系统梯度振幅（33 mT/m）和 slew rate（120 mT/m/msec）远低于 60cm 孔径系统（50 mT/m、200 mT/m/msec）；2017-2021 年新机型通过高功率梯度放大器，将性能提升至 60-80 mT/m（振幅）、150-220 mT/m/msec（slew rate），可显著缩短回波间隔，减少快速自旋回波（FSE/TSE）序列的模糊伪影。

• 场强 “高低并举”：

  • 高场强（3.0T/7.0T）：3.0T 的信噪比（SNR）是 1.5T 的近 2 倍，配合专用射频线圈可缩短扫描时间或提升空间分辨率（如膝关节、腕关节成像）；7.0T 虽暂限于膝关节成像，但能提供更高 SNR，支持非质子成像等创新定量应用。
  • 低场强（0.55T/0.25-0.31T）：以 2021 年西门子 0.55T 全身系统为代表，其磁敏感性仅为 1.5T 的 1/3，适合骨科植入物周围成像（减少金属伪影）；同时具备 80cm 宽孔径（提升患者舒适度）、小磁 footprint、低氦气消耗（降低运营成本）的优势，可满足中低收入国家的普及需求。

2. 射频线圈：“多通道 + 定制化” 提升 SNR 与灵活性

肌肉骨骼成像涉及关节、脊柱、四肢等多部位，射频线圈的 “针对性设计” 是优化分辨率的关键：

• 通道数大幅增加：商用相控阵线圈通道数从过去的 4-16 通道提升至 8-72 通道（表 1），多线圈组合可实现 200 + 接收通道；高通道密度能同时提升浅表组织 SNR（如膝关节、手腕）和并行成像（PI）的加速能力，尤其缩短 3D 成像时间。

• 新型线圈技术：

  • 高阻抗线圈、丝网印刷线圈（适合儿科柔性成像）、液态金属线圈（可拉伸自调谐，适配关节活动成像）等，能更贴合目标解剖结构，进一步提升 SNR；
  • 专用线圈（如膝关节 18 通道收发一体线圈、脊柱 32-72 通道刚性线圈）已成为临床标配，支持动态关节成像等创新场景。
    表 1：主流厂商肌肉骨骼 MRI 高通道射频线圈配置（节选）

解剖部位	场强（T）	线圈类型（默认仅接收）	接收通道数
膝关节	1.5/3.0	刚性（收发一体）	15-18
膝关节	7.0	刚性（收发一体）	28
脊柱	1.5/3.0	刚性（台面线圈）	32-72
手 / 腕	1.5/3.0	柔性 + 刚性	16
大腿 / 手臂	1.5/3.0	柔性	18-21

二、采集与重建革新：从 “加速成像” 到 “定量整合”

传统 MRI 依赖 “延长扫描时间” 提升分辨率，而新一代采集与重建技术通过 “硬件 - 软件协同”，在缩短时间的同时实现 “定性 + 定量” 一体化成像。

1. 传统加速技术：4-8 倍加速，5 分钟完成关节 MRI

并行成像（PI）、压缩感知（CS）、同时多层（SMS）是当前临床普及的 “基础加速工具”，三者组合可实现 4-8 倍加速，将高质量关节 MRI 时间压缩至 5 分钟内：

• 并行成像（PI）：分 “图像基”（如 GE 的 ASSET、Philips 的 SENSE）和 “k 空间基”（如 Siemens 的 GRAPPA、CAIPIRINHA），利用多线圈灵敏度差异重建图像；CAIPIRINHA 技术可减少混叠伪影，在儿童膝关节 3D TSE 成像中，诊断关节内紊乱的准确率达 84%-100%。
• 压缩感知（CS）：基于 “k 空间数据稀疏性” undersample 采集，配合迭代重建；在金属伪影校正序列（如 SEMAC）中，可缩短 70% 扫描时间，同时改善植入物周围图像失真。
• 同时多层（SMS）：单次激发同时采集 2-3 层，结合 PI 解卷叠，仅轻微损失 SNR；在 3.0T 膝关节成像中，SMS+PI 组合可实现 4 倍加速，5 分钟方案与 10 分钟标准方案诊断性能相当。

2. 合成 MRI 与 MR 指纹识别：单次采集实现 “多对比度 + 定量”

定量 MRI（如 T2 mapping、T1ρ）能捕捉组织微结构变化，但传统技术存在 “扫描时间长、分辨率低” 的问题，合成 MRI 和 MR 指纹识别为其提供了新路径：

• 合成 MRI：通过单次采集生成多对比度定性图像和定量参数图，典型技术包括：

  • GRAPPATINI：结合 PI 和多回波 k 空间 undersample，快速生成 T2 map 和合成 T2 加权像，在脊柱、膝关节成像中与传统 TSE 序列诊断一致性高；
  • QRAPMASTER：可同时输出 T1、质子密度、T2 参数图和任意对比度图像，无需多次扫描。

• MR 指纹识别（MRF）：采用伪随机脉冲序列（如翻转角、采样轨迹变化），生成 “组织指纹” 并匹配物理字典，输出 T1、T2/T2*、B0 等定量值；可减少骨科植入物的场不均匀性伪影，还能量化骨关节炎软骨退变、肌肉 dystrophy 的细胞外容积分数。

局限：目前二者以 2D 成像为主，且需解决长采集时间带来的运动伪影，未来需跨设备、跨场强验证定量准确性，才能普及临床。

3. 深度学习（DL）重建：AI 重塑 “加速 + 画质” 天花板

DL 重建突破传统技术的 “SNR - 加速比” 权衡，通过卷积神经网络（CNN）学习数据特征，实现超分辨率、去噪、伪影校正：

• 核心优势：无需依赖物理模型，端到端优化；例如 “k 空间 - 图像双域学习” 算法，可确保重建图像与原始 k 空间数据一致性，优于单一域学习。

• 临床应用：

  • 超分辨率重建：在脚踝 2D FSE 成像中，DL 可处理 6-8 倍加速（SMS+PI）的数据，生成高清晰度图像；
  • 3D 成像优化：在颈椎、腰椎 3D MRI 中，DL 重建可提升空间分辨率，改善神经孔狭窄评估；
  • 厂商产品落地：GE 的 AIR Recon DL、Siemens 的 Deep Resolve Boost、Philips 的 SmartSpeed 已用于临床，可同时去噪和锐化图像，提升 MR 神经成像（MRN）的神经分支清晰度。

• 挑战：需大量标注数据训练，且需建立 “感知相似性指标”（如结构相似性指数 SSIM）评估图像诊断价值，避免重建误差导致漏诊。

三、关键临床场景技术突破

针对肌肉骨骼成像的 “难点场景”（如植入物伪影、软骨微结构、短 T2 组织成像），专项技术优化显著提升诊断能力。

1. 骨科植入物周围成像：3D 多光谱技术攻克金属伪影

随着关节置换术增加，MRI 需评估植入物松动、滑膜炎、骨溶解，但金属（如钴铬合金）的磁敏感性会导致严重伪影，3D 多光谱成像成为核心解决方案：

• 主流技术：

  • MAVRIC（多采集可变共振图像组合）：区分金属与组织的共振频率，抑制伪影；可识别假体轴承类型相关的滑膜炎，还能纵向监测膝关节置换术后滑膜变化；
  • SEMAC（金属伪影校正切片编码）：结合 CS 可实现 8 倍加速，清晰显示植入物周围骨溶解。

• 未来方向：需提升 3D 多光谱成像的面内分辨率，减少模糊；同时整合定量技术（如 T2 mapping、弥散加权成像），区分滑膜炎与感染。

2. 软骨成像：从 “形态评估” 到 “微结构量化”

软骨损伤是骨关节炎、运动损伤的核心靶点，MRI 技术从 “2D 形态” 向 “3D + 定量” 升级：

• 3D 成像优势：3D FSE/TSE 序列通过各向同性分辨率（配合 PI/DL 加速），减少 2D 成像的部分容积效应，对软骨损伤的诊断性能优于 2D 序列；

• 定量技术全景（表 2）：不同技术针对软骨不同微结构，可早期发现退变：

  • T2 mapping：评估胶原纤维排列和水分子分布，临床验证充分，但易受魔角效应影响；

  • T1ρ、dGEMRIC、GagCEST：均针对蛋白多糖（PG/GAG）含量，dGEMRIC 需注射钆剂，GagCEST 无需对比剂但 3.0T 敏感性低；

  • UTE 技术：回波时间缩短至 30μs，可直接可视化软骨深层和骨软骨交界（短 T2 组织），结合 T2* mapping 实现全层软骨评估。
    表 2：软骨定量 MRI 技术核心参数

MRI 技术	靶点微结构	优势	局限
T2 mapping	胶原纤维、水分子	临床验证充分，跨场强可用	受魔角效应影响，无法量化深层软骨
T1ρ	PG/GAG、胶原纤维	敏感于早期退变	易受伪影干扰，定量误差大
T2* mapping	胶原纤维、水分子	可评估深层软骨和软骨下骨，速度快	受场不均匀性、魔角效应影响
dGEMRIC	PG/GAG	与 PG 含量负相关强（间接测量）	需钆剂，注射后 1.5 小时才能扫描
GagCEST	PG/GAG	无需对比剂，7.0T 下性能优	3.0T 低 GAG 含量敏感性低，验证不足
钠 MRI	PG/GAG	无需对比剂，敏感于早期退变	23Na 丰度低（1H 的 1/10000），需 7.0T + 专用线圈
弥散 MRI	水分子、胶原、PG/GAG	可同时评估胶原和 PG	受场不均匀性、运动伪影影响

图一 不同的定量Mapping图

3. UTE 与 ZTE MRI：捕捉 “短 T2 组织” 信号，替代 CT 辐射

皮质骨、韧带、肌腱、半月板的 T2/T2 * 极短（1μs-11ms），传统 FSE 序列（最小回波时间 10ms）无法显示其信号，UTE（超短回波时间）和 ZTE（零回波时间）技术填补了这一空白：

• 技术核心：通过 “射频激发后立即采集” 捕捉自由感应衰减信号，UTE 回波时间≈30μs，ZTE 理论上为 0μs（表 3）；

• 关键应用：

  • ZTE：3D 成像，皮质骨细节优于 CT（无辐射），可用于肩关节创伤、骶髂关节炎、脊柱退变评估，在儿童、孕妇群体中可替代 CT；
  • UTE：灵活性更高，可结合脂肪抑制、磁化传递等技术，定量评估肌腱微结构（如 T2* mapping），还能监测治疗响应（如肌腱修复术后）。
    表 3：GRE、UTE、ZTE 序列关键属性对比

属性	GRE（梯度回波）	UTE（超短回波）	ZTE（零回波）
最短回波时间	≈0.3ms	≈30μs	理论 0μs
商用可用性	标准配置	厂商支持原型机	GE/Philips（ZTE）、Siemens（PETRA）
成像维度	2D/3D	以 3D 为主	仅 3D
核心应用	韧带、肌腱接口	韧带、肌腱、软骨深层	皮质骨成像
多回波能力	支持	支持	不支持

4. MR 神经成像（MRN）：精准定位外周神经损伤

MRN 通过 “高分辨率 + 血管抑制”，成为外周神经病变（如臂丛神经损伤、周围神经瘤）的关键诊断工具，尤其适合电生理检查阴性的病例：

• 血管抑制技术：区分神经与邻近小血管，核心方法包括：

  • 非对比技术：如运动敏感驱动平衡（MSDE）、SHINKEI 序列，通过梯度去相位血流信号；
  • 对比增强：钆剂 + STIR 脉冲可同时抑制脂肪和液体；ferumoxytol（半衰期长、T2 缩短效应强）的 “超说明书应用” 可增强血管抑制效果，提升神经病变显示清晰度。

• 定量评估：T2 mapping 可量化失神经肌肉水肿（T2 值升高），弥散 - derived 肌径可评估慢性失神经萎缩，且 T2 升高比定性水肿更早出现（<21 天），有助于早期发现轴索变性。

四、未来方向与总结

肌肉骨骼 MRI 的发展将围绕 “效率提升、精准定量、个性化方案” 三大核心，关键方向包括：

1. 硬件持续优化：高场强（7.0T+）提升空间分辨率和定量敏感性，低场强（0.55T）扩大普及范围，宽孔径线圈进一步改善患者体验；
2. AI 深度整合：DL 不仅用于重建加速，还将结合自动化分割（如软骨厚度测量）、预后预测（如骨关节炎进展），推动 “非 interpretative 工具”（如重建算法）快速落地；
3. 定量技术标准化：建立跨中心、跨设备的 phantom 校准和协议规范，解决定量 MRI 的一致性问题；
4. 多模态融合：PET/MRI 可能用于定位不明原因的肌肉骨骼疼痛，提供功能 + 结构信息。
   总之，从硬件的 “高低场并举” 到软件的 “AI 驱动重建”，从 “形态诊断” 到 “微结构量化”，肌肉骨骼 MRI 正逐步满足临床对 “高效、精准、个性化” 的需求。未来，随着技术的成熟与普及，其在骨关节炎早期干预、运动损伤精准治疗、植入物长期监测等领域的价值将进一步凸显。

参考文献

Sneag DB, Abel F, Potter HG, et al. MRI Advancements in Musculoskeletal Clinical and Research Practice. Radiology. 2023;308(2):e230531. https://doi.org/10.1148/radiol.230531

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