超短回波时间和零回波时间MRI技术在骨肌系统中的应用进展

超短回波时间和零回波时间MRI技术在骨肌系统中的应用进展【摘要】在骨肌系统MRI临床应用中，皮质骨、半月板、肌腱韧带等主要组织结构均表现为“黑色”，即极低信号，影像上显示和诊断这些组织结构内部的早期病理改变比较困难，更无法对其进行定量分析研究。导致这一现象的原因是这些组织结构中可移动质子密度较低，横向弛豫时间（T2值）超短或极短，在常规临床扫描序列中，由于序列设计中的回波时间远超过了这些组织结构的横向弛豫时间，采集信号时这些组织结构的信号已经衰减为零。为了突破这个瓶颈，科学家们经过多年的努力，研发了超短回波时间（UTE）和零回波时间（ZTE）成像技术，并已应用于临床。这项新技术的开发和应用，极大地拓展了MRI在骨肌系统中的应用，不仅能从形态上显示这些组织结构，还能对其进行多参数定量研究，对研究骨肌系统早期病理生理改变、动态监测组织代谢变化、无创性评估和预测治疗效果等发挥极其重要的作用。本文详细介绍了UTE/ZTE技术原理，在临床诊断和应用研究中的价值和意义，以及目前存在的主要问题和面临的挑战，旨在让读者能够对这项新技术有所了解和掌握，便于在临床诊断和基础研究中加以推广和使用。【关键词】磁共振成像；超短回波时间；零回波时间；骨肌系统在MRI发展的初期，皮质骨、肌腱、韧带、半月板等关键结构在常规MRI上始终呈现“信号黑洞”，这种现象被归因于这些组织中较低的可移动质子密度和超短的横向弛豫时间（T2）。虽然骨肌组织呈现的低信号作为背景，有助于凸显某些具有显著高信号的病变，但无法对这些组织本身早期病理生理改变进行深入探索与定量分析。这一困境随着超短回波时间（ultrashortechotime，UTE）和零回波时间（zeroechotime，ZTE）技术的开发和应用得以解决。近30年来，随着UTE/ZTE技术的不断优化和完善，已从实验室走向临床，彻底改变了人们对骨骼、韧带、肌腱等“传统不可见”组织的认知和诊疗能力。本文旨在系统梳理UTE/ZTE技术的核心原理、发展脉络、当前瓶颈与未来方向，为其临床深化应用提供全景视角。一、UTE和ZTE技术原理常规MRI技术难以清晰显示骨皮质、肌腱、韧带等组织，这源于其固有的物理特性：极短的T2弛豫时间和较低的可移动质子密度［1］。生物组织的T2值从0.01ms至4000ms跨越5个等级，>100~4000ms称为长T2组织、>10~100ms称为中等T2组织、>1~10ms称为短T2组织、>0.01~1ms称为超短T2组织、≤0.01ms称为极短T2组织。常规MRI序列包括自旋回波、快速自旋回波序列的有效TE均>10ms，远超过短T2组织（T2≤10ms）的信号衰减周期，导致其信号在采集前已完全消减殆尽。主要的技术屏障在于，传统序列梯度爬升时间长，无法在信号衰减前完成信号采集和中心k空间填充。UTE和ZTE技术殊途同归，核心目标是在短T2组织信号衰减消失前极速采集信号并快速填充k空间中心数据［23］。UTE技术先施加半射频脉冲或硬射频脉冲后，极速开启梯度采集，理论最短TE为8μs，对超短T2组织灵敏度高［3］。代表序列如2DUTE、3DUTECones及AWSOS（acquisitionweightedstackofspirals）等技术。ZTE技术预先开启编码梯度，之后再施加射频脉冲，采样效率更高，同时梯度场由瞬间切换改为小幅度爬升（或下降），克服了梯度瞬间切换产生的噪声，因此更安静。但缺点是中心k空间缺失，需外插或混合序列弥补。为了提升UTE和ZTE技术的采集效率，k空间的填充从单点采集到快速容积成像不断进化。从最初的单次激发采集单k空间点，到采用放射状k空间填充，优先采集中心数据成为临床主流。另外，还可利用螺旋与放射状混合k空间填充提升速度，可变TE数据填充兼顾短T2对比与高分辨率。二、对比度生成与长T2信号压制：突出显示短/极短T2组织结构技术序列由于UTE和ZTE采集的TE时间极短，长T2组织和短T2组织信号均被采集，由于短T2质子密度通常低于长T2组织，导致两种组织间缺乏对比。因此，UTE/ZTE技术的核心挑战是如何分离并凸显目标短T2组织信号，同时抑制占主导的长T2组织（水/脂肪组织）信号［4］。有多种技术可以实现这个目标，其中代表性的有：（1）利用绝热反转恢复脉冲（adiabaticIR），将长T2组织信号完全反转，并在特定的反转时间点信号归零；而短T2组织因在反转脉冲期间发生快速横向弛豫，仅被部分反转或饱和，呈现相对高信号。通过组合多个反转恢复脉冲，精确独立抑制水/脂肪组织信号，如双反转脉冲抑制肌肉和脂肪信号，大幅提升对比度。（2）双回波减影（echosubtraction）是另外1种常用且容易操作的技术方法，分别采集超短TE和稍长TE时间回波信号，将两者相减后有效滤除长T2组织信号，突出显示短T2组织信号，是UTE最常用的对比机制。三、从形态诊断到定量研究：精准生物标志物的量化分析UTE和ZTE技术的价值不仅在于将短/极短T2组织结构“看见”，更在于精准量化曾被忽视的组织特性。定量成像通常比形态学成像更能早期检测组织病理变化，在形态学改变前早期发现及预测疾病进展。UTE序列可用于短T2组织的定量成像，具有重要意义。目前已实现多种定量UTE技术用于测量超短T2组织弛豫时间（即T1、T2*、T1ρ）和其他组织特性，如质子密度、磁化转移率（magnetizationtransferratio，MTR）、大分子分数（macromolecularfraction，MMF）等。这些技术对研究超短T2组织病理生理改变具有巨大潜力。1.T2*定量：由于缺乏可检测信号，常规序列无法为短T2组织提供准确的T2*测量，而UTE序列解决了这一难题。UTET2/T2*mapping可通过在一系列TE时间点采集的3DCones图像生成［5］。另外，生物组织常包含具有不同T2*值的多个组织成分，还可使用多组分T2*分析用于评估短T2*组织中的不同T2*值的组分［6］。基于UTET2*mappping可定量评估深部关节软骨、半月板、韧带和肌腱等短T2组织中胶原纤维的完整性和组织结构。在骨关节炎（osteoarthritis，OA）受试者中，深部关节软骨的UTET2*值随着软骨退化程度增加而升高［7］。Williams等［8］应用UTET2*mapping技术研究了受试者前交叉韧带重建2年后胫股内侧软骨基质的改变，发现92%受试者的膝关节软骨形态完整，55%显示完整软骨伴局部信号增强，结果表明UTET2*mapping是评估膝关节退行性变的有效方法。2.T1定量：临床MRI序列中基于反转或饱和恢复的常规T1定量技术在短T2组织的定量测量中存在问题。可变重复时间（variablerepetitiontime，VTR）和可变反转角（variableflipangle，VFA）方法已用于T1定量［9］。通过UTE与VTR、VFA技术的组合可解决对短T2组织T1定量测量的挑战［1011］，实现膝关节组织的T1拟合。长T2组织，如软骨的T1为（1133±40）ms、肌肉的T1为（1406±63）ms、脂肪的T1为（386±2）ms，而短T2组织则呈现相对较短的T1值，如半月板T1为（832±18）ms、股四头肌腱T1为（779±7）ms、髌腱T1为（637±16）ms、前交叉韧带T1为（870±13）ms［12］。3.T1ρ定量：T1ρ可用于评估组织内大分子环境特性。但由于缺乏可检测信号，常规T1ρ成像序列无法评估短T2组织。UTET1ρ序列能评估短T2组织的大分子变化［13］，该技术采用连续波自旋锁定脉冲进行磁化准备，随后通过UTE数据采集检测磁化适量的变化，此技术可实现跟腱、韧带和半月板等多种短T2组织的T1ρ成像。常规梯度回波T1ρ序列上跟腱信号极其微弱，无法进行定量研究，UTET1ρ序列则能很好地检测到跟腱信号，并提供优异的参数拟合，用以评估跟腱内部早期退变引起的蛋白聚糖丢失［14］。同时UTE序列结合绝热反转恢复（adiabaticIR）脉冲序列可有效减少T1ρ成像的魔角效应。4.磁化转移（magnetizationtransfer，MT）定量：MT已用于定量评估长T2组织的水和大分子质子池。但由于缺乏可检测信号，临床MT序列无法评估短T2组织。基于UTE的MT序列解决了这一限制，可用于间接评估皮质骨等短T2组织的大分子含量。采用3DUTEMT序列可计算皮质骨MTR［15］，双池MT模型提取组织中自由水质子池和大分子池的信息［16］。UTEMT技术可以提供1组生物标志物，包括MTR、MMF，以及交换率和弛豫率的MT建模，适用于短T2和长T2成分含量的评估［15］。有研究表明UTEMT生物标志物比常规T2和T1ρ更不易受魔角效应影响［17］。该技术在检测肌肉骨骼组织退行性变方面具有良好的效能。四、UTE和ZTE在肌肉骨骼系统中的临床应用1.关节软骨：关节软骨的修复能力较弱，一旦变性，其结构和功能的变化是不可逆的。因此，在关节软骨形态改变之前，早期检测软骨代谢改变格外重要。定量MRI有助于在宏观损伤出现之前评估退行性变化。UTE序列将TE缩短至微秒级，可以检测短T2组织信号，通过T2*值、T1ρ值、MMF等定量参数对组织进行定量分析，尤其是对深层软骨层的检测。Imamura等［18］发现OA早期软骨层T2*弛豫时间明显长于对照组，UTET2*值与组织学软骨退变有关，提示其在早期软骨退变监测中的潜在价值。UTET2*mapping、T1ρmapping、MMF等还可用于动态检测关节软骨退变的治疗效果，并进行随访观察［19］。2.半月板：半月板退变与OA密切相关，但由于其T2弛豫时间短，常规序列在半月板评估中的价值有限。UTEMT序列可以提供更全面的组织特性评估，如MMF等。这些生物标志物对“魔角效应”不敏感，使其成为半月板退变定量评估的理想指标。UTEMT序列对健康志愿者和不同程度OA患者半月板MMF和MTR的定量结果表明，与健康人相比，轻度或晚期OA患者半月板的MMF和MTR减低，与正常半月板（0级）相比，撕裂与变性半月板（2~4级）的MMF和MTR减低。特别是MMF，可以检测半月板的成分变化，并将健康受试者与轻度或晚期膝关节OA患者进行区分［20］。3.肌腱：Moazamian等［21］将3DUTEMT应用于银屑病关节炎患者，发现跟腱附着点MMF显著降低，对微结构改变的敏感性优于T1值。研究体现了UTET1和UTEMT参数在银屑病关节炎患者肌腱定量评估中的潜力。Chen等［22］发现银屑病关节炎患者跟腱插入部的T2*值高于正常对照人群。朱诞恬等［23］发现在经历长距离马拉松后，运动员髌腱的T2*值升高。MMF和T2*参数还可以揭示肩袖肌腱病的亚临床退变本质，成为肩袖远端病变的可靠诊断工具，为无症状高风险患者的早期干预提供了客观影像依据［24］。4.OA和脊柱退变：常规MRI虽然能显示骨髓水肿、软骨损伤及其他软组织改变，但不易检出骨质增生、软骨下骨硬化。该类病变可在ZTE影像中显示，运用ZTE序列可改善MRI对早期OA患者的检出［25］。在脊柱退变的传统评估中，椎体的骨皮质、增生骨赘等需要依赖CT评价。Argentieri等［26］将ZTE序列用于评估颈椎神经孔狭窄，结果显示其效能与CT相当。在常规MRI、ZTE及CT图像上测量腰椎骨质形态参数，如侧隐窝、椎弓根宽度、高度等，发现ZTE序列相比于常规MRI可提供更多皮质骨的信息，有望成为CT的替代检查方式［27］。五、UTE和ZTE技术临床应用中存在的瓶颈与挑战第一，UTE和ZTE技术对硬件性能要求严苛，其核心依赖于超高梯度场强及其爬升速率，以及高功率射频系统，这限制了其在普及型设备上的应用。即使采用高场强（≥7.0T）系统可提升信噪比，但伴随而来的B0和B1场不均匀性问题以及射频能量吸收限制也更为突出。第二，图像质量方面存在显著挑战。信号快速衰减导致成像时出现空间模糊现象，尤其在使用UTE技术采集时更为明显。ZTE技术因中心k空间数据缺失需要复杂算法进行弥补，否则会产生中心伪影。此外，常用的放射状或螺旋采样轨迹容易受磁场不均匀性影响，产生特征性的条纹伪影。第三，脂肪信号抑制是UTE成像中的关键难题。短T2组织信号本身微弱，未受抑制的邻近脂肪组织强信号会对其形成严重干扰。常规的频率选择饱和法在短T2组织区域常因带宽限制而失效。虽然Dixon类水脂分离技术或双反转恢复技术更为有效，但这些方法显著增加了扫描的复杂性。第四，定量分析的准确性受到诸多因素影响。快速弛豫导致射频激发与空间编码期间信号发生衰减，现有模型未能完全准确描述这一过程。微量的长T2信号组织成分（如骨髓腔脂肪对骨皮质的污染）会对短T2组织的定量指标产生显著影响。同时，富含胶原组织的T2*值对主磁场方向极度敏感（魔角效应），干扰诊断判读和定量结果的一致性。第五，标准化缺失和效率问题构成系统性障碍。目前缺乏统一的序列参数、后处理流程和定量模型标准，阻碍了多中心研究的开展和临床推广。此外，实现高分辨率、三维容积覆盖以及多对比度成像所需的扫描时间仍然较长，影响临床可行性和患者流通量。六、UTE和ZTE技术未来发展第一，硬件系统将迎来革命性升级。智能射频系统通过并行发射技术，可有效克服高场强下的B1场不均匀性；针对性改进线圈设计，提升短T2组织的信噪比。5.0T及以上超高场设备将实现信噪比的大幅提高，推动骨皮质微结构定量等应用走向常规化。专用短T2成像平台的整合设计，将进一步释放高端科研与临床潜能。第二，人工智能（artificialintelligence，AI）深度赋能成像全链条。在重建环节，深度学习可从欠采样、低信噪比原始数据中快速生成高质量图像，并有效校正中心伪影、放射状条纹伪影及运动伪影。定量分析中，通过AI对复杂物理过程进行精准建模，显著提升定量参数的测量精度。AI自动分割技术可精准识别骨、肌腱等结构，并有望基于深度学习提取角度无关的生物标志物，突破魔角效应限制。疾病诊断方面，基于多参数（T2*、MMF、定量磁化率成像等）的影像组学模型将实现早期病变的自动识别、分型及疗效预测。第三，序列创新将拓展多维对比机制，混合序列设计成为趋势。ZTE与UTE技术融合可兼顾采集效率与对比度调控，结合高级准备脉冲能“一站式”实现水脂分离、弛豫定量与短T2成像。利用化学交换饱和转移技术结合UTE可以探测短T2组织代谢物。超快速与功能成像方面，利用动态UTE和ZTE技术可捕捉关节运动，扩散加权UTE则有望量化短T2组织内的扩散过程。第四，临床应用将向精准化与多元化发展。骨量综合评估，融合骨密度、T2*或MMF、定量磁化率成像矿物质测量，将超越传统双能X线吸收测定法，精准预测骨折风险。OA的诊断可通过软骨深层T1ρ或MMF异常实现早期预警。肌腱、韧带康复可基于T2*或MMF动态监测，个体化的定制治疗方案。七、总结UTE与ZTE技术打破了MRI对短T2及超短T2组织的“成像禁忌”，将皮质骨、肌腱、韧带、半月板等传统“黑暗地带”清晰呈现在临床视野中。当前技术正处于从形态显示向精准定量、从单一组织评估向全身多系统整合的关键转型期。硬件性能的持续飞跃、AI的深度赋能、序列设计的创新融合，以及标准化体系的构建，将共同推动该技术迈向更高水平的发展新阶段。未来，UTE和ZTE不仅将成为肌肉骨骼系统疾病不可或缺的影像学生物标志物平台，更将深刻融入精准医学的各个环节——从早期风险预测、个体化治疗规划到实时介入引导和疗效动态监控。其终极目标，是让MRI真正实现对人体所有组织成分的“无盲区”可视化与定量解析，为理解生命机制、攻克重大疾病提供更精准、可靠的科学依据。参考文献[1]YoungIR,SzeverenyiNM,DuJ,etal.Pulsesequencesastissuepropertyfilters(TP-filters):awayofunderstandingthesignal,contrastandweightingofmagneticresonanceimages[J].QuantImagingMedSurg,2020,10(5):1080-1120.DOI:10.21037/qims.2020.04.07.[2]MadioDP,LoweIJ.Ultra-fastimagingusinglowflipanglesandFIDs[J].MagnResonMed,1995,34(4):525-529.DOI:10.1002/mrm.1910340407.[3]RobsonMD,GatehousePD,BydderM,etal.Magneticresonance:anintroductiontoultrashortTE(UTE)imaging[J].JComputAssistTomogr,2003,27(6):825-846.DOI:10.1097/00004728-200311000-00001.[4]MaY,JangH,JerbanS,etal.Makingtheinvisiblevisible-ultrashortechotimemagneticresonanceimaging:technicaldevelopmentsandapplications[J].ApplPhysRev,2022,9(4):041303.DOI:10.1063/5.0086459.[5]GurneyPT,HargreavesBA,NishimuraDG.Designandanalysisofapractical3Dconestrajectory[J].MagnResonMed,2006,55(3):575-582.DOI:10.1002/mrm.20796.[6]LuX,JerbanS,WanL,etal.Three-dimensionalultrashortechotimeimagingwithtricomponentanalysisforhumancorticalbone[J].MagnResonMed,2019,82(1):348-355.DOI:10.1002/mrm.27718.[7]ChuCR,WilliamsAA,WestRV,etal.QuantitativemagneticresonanceimagingUTE-T2*mappingofcartilageandmeniscushealingafteranatomicanteriorcruciateligamentreconstruction[J].AmJSportsMed,2014,42(8):1847-1856.DOI:10.1177/0363546514532227.[8]WilliamsAA,TitchenalMR,DoBH,etal.MRIUTE-T2*showshighincidenceofcartilagesubsurfacematrixchanges2yearsafterACLreconstruction[J].JOrthopRes,2019,37(2):370-377.DOI:10.1002/jor.24110.[9]DeoniSC,RuttBK,PetersTM.RapidcombinedT1andT2mappingusinggradientrecalledacquisitioninthesteadystate[J].MagnResonMed,2003,49(3):515-526.DOI:10.1002/mrm.10407.[10]MaYJ,LuX,CarlM,etal.AccurateT1mappingofshortT2tissuesusingathree-dimensionalultrashortechotimeconesactualflipangleimaging-variablerepetitiontime(3DUTE-ConesAFI-VTR)method[J].MagnResonMed,2018,80(2):598-608.DOI:10.1002/mrm.27066.[11]MaYJ,ZhaoW,WanL,etal.WholekneejointT1valuesmeasuredinvivoat3Tbycombined3Dultrashortechotimeconesactualflipangleandvariableflipanglemethods[J].MagnResonMed,2019,81(3):1634-1644.DOI:10.1002/mrm.27510.[12]GoldGE,HanE,StainsbyJ,etal.MusculoskeletalMRIat3.0T:relaxationtimesandimagecontrast[J].AJRAmJRoentgenol,2004,183(2):343-351.DOI:10.2214/ajr.183.2.1830343.[13]DuJ,CarlM,DiazE,etal.UltrashortTET1rho(UTET1rho)imagingoftheAchillestendonandmeniscus[J].MagnResonMed,2010,64(3):834-842.DOI:10.1002/mrm.22474.[14]MaYJ,CarlM,ShaoH,etal.Three-dimensionalultrashortechotimeconesT1ρ(3DUTE-cones-T1ρ)imaging[J].NMRBiomed,2017,30(6):10.1002/nbm.3709.DOI:10.1002/nbm.3709.[15]SpringerF,MartirosianP,MachannJ,etal.Magnetizationtransfercontrastimaginginbovineandhumancorticalboneapplyinganultrashortechotimesequenceat3Tesla[J].MagnResonMed,2009,61(5):1040-1048.DOI:10.1002/mrm.21866.[16]SledJG,PikeGB.QuantitativeinterpretationofmagnetizationtransferinspoiledgradientechoMRIsequences[J].JMagnReson,2000,145(1):24-36.DOI:10.1006/jmre.2000.2059.[17]MaYJ,ShaoH,DuJ,etal.Ultrashortechotimemagnetizationtransfer(UTE-MT)imagingandmodeling:magicangleindependentbiomarkersoftissueproperties[J].NMRBiomed,2016,29(11):1546-1552.DOI:10.1002/nbm.3609.[18]ImamuraR,TeramotoA,MurahashiY,etal.Ultra-shortechotime-MRIT2*mappingofarticularcartilagelayersisassociatedwithhistologicalearlydegeneration[J].Cartilage,2025,16(1):118-124.DOI:10.1177/19476035231205685.[19]陈凯,刘晓彤,王一,等.定量超短回波绝热T1ρ诊断膝关节软骨退变的价值[J].中华放射学杂志,2024,58(12):1424-1430.DOI:10.3760/112149-20241019-00638.[20]ZhangX,MaYJ,WeiZ,etal.Macromolecularfraction(MMF)from3Dultrashortechotimeconesmagnetizationtransfer(3DUTE-Cones-MT)imagingpredic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