MR骨皮质成像研究进展

张琪明，祁 良，顾晓清，李俊华，郑 凯

(1.南京医科大学附属江苏盛泽医院放射科，江苏 苏州 215200;2.南京医科大学第一附属医院放射科，江苏 南京 210000)

MRI软组织对比度好,无电离辐射损伤,可任意体层成像，不仅能反映解剖信息，还可用于检测组织的生理、生化特征[1]。骨皮质包含骨基质、矿物质及少量水，T2极短，常规序列MR成像中，骨皮质信号尚未被采集到k空间中心时已大幅度衰减到几乎为零而呈低信号[2]，使得仅凭常规MRI无法有效诊断骨皮质病变而易造成误诊。CT对于诊断骨皮质病变具有重要作用，但电离辐射较高，用于对电离辐射敏感人群如孕妇和儿童时需要非常谨慎。近年来，随着MR硬件的提升、新序列的开发和新方法的应用，MRI显示骨皮质的能力已接近或达到CT。本文就骨皮质MR成像研究进展进行综述。

1 翻转灰度图像

MR翻转灰度图像是显示骨皮质的最简单的方法，在T1WI基础上直接进行灰度翻转[3]，可使骨皮质显示为高信号、骨髓腔为低信号；对某些特殊群体可利用MR翻转图像形成类似CT的图像，以大体显示骨皮质。

GERSING等[3]通过翻转3D-T1WI生成类似CT图像，发现其可评估骨肿瘤骨皮质破坏方式及骨膜反应，区分侵袭性与非侵袭性肿瘤，诊断效果与X线平片相当。游婷婷等[4]观察100例长骨病变的翻转T1WI，发现其检出长骨骨皮质异常的能力大致与常规X线平片相当而略低于CT，提示该方法可在一定程度上提高常规MR诊断骨皮质病变的能力。但另一方面，尽管对常规T1WI进行灰度翻转可使骨皮质呈现高信号而更便于观察，但同时也使得让部分其他组织的信号翻转而影响图像质量，进而增加疾病误诊率；且常规序列MRI层厚远大于CT，故其显示细微病变的能力仍不及CT，目前仅用为常规MRI的补充。

2 超短回波时间

超短回波时间(ultra short echo time, UTE)是较新的MR成像技术，通过以硬脉冲激发并直接检测自由感应衰减而成像[5]，其回波时间仅为临床常规最短回波时间的0.5%～10%，可采集到骨皮质等短T2组织的信号。常规2D-UTE序列于以2个带有相反层面选择梯度的半辛格(Sinc)函数型射频(radio frequency, RF)脉冲激发后立即采集信号，以获得超短TE，避免对射频脉冲进行相位编码；同时利用k空间的径向成像，在k空间中心开始采集并进行相位编码，此类编码属初始编码，无需梯度，可再次缩短TE；而自由感应衰减仅受RF发射和信号采集时间的限制，由此可进一步缩短TE；利用短硬激发脉冲，结合三维放射状数据采集技术，以圆锥形自内向外填充k空间，可实现3D-UTE[6-7]。因此，UTE序列并不属于传统(spin echo, SE)或梯度回波(gradient echo, GRE)序列[8]。

REICHERT等[9]以UTE成像对比观察10例骨病患者与7名健康志愿者的骨皮质信号，发现UTE序列能检出正常及异常的骨皮质信号，且其信号差异具有诊断价值。UTE序列图像中，骨皮质一般呈最高信号，与其他组织形成明显对比，故可较好地诊断骨折、骨赘和肿瘤病变累及骨皮质等。近年来出现很多UTE成像衍生技术，包括脂肪抑制 UTE(fat suppressed UTE, fUTE)、短反转时间 UTE (short inversion time UTE, stUTE)、双 通 道 UTE (dual-echo UTE, dUTE)、长T2饱和 UTE(long-T2 saturation UTE, sUTE)、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)及UTE光谱成像(UTE spectroscopic imaging, UTESI)等[10]，使得图像对比度进一步提高，并能定量评价骨皮质的T1、T2*，以及其中的自由水、结合水、质子密度、磷钠含量、灌注参数及骨有机基质密度等，为UTE序列成像的临床应用提供了广阔前景。

但是，UTE序列对场强及扫描线圈的转换速度有一定要求，且扫描时间过长、后处理技术较为繁琐，对操作者的要求亦较高，故其目前仍处于临床试验阶段。

3 零回波时间

零回波时间(zero echo time, ZTE)数据采集比UTE更为有效，具有快速、稳定和低噪声等特点[11]。目前常规序列MR基于傅立叶变换法进行成像，其信号编码和采集过程如下：先以RF脉冲激发自旋质子，再通过RF脉冲或切换梯度场而产生信号，这种先激发后编码的信号采集模式使其回波时间(echo time, TE)大于骨皮质等短T2组织的信号衰减时间，导致其无法有效采集骨皮质等组织的信号[12]。与经典SE及GRE序列不同，ZTE序列基于投影重建法[13]，以先编码后激发的采集模式，通过RF激励自旋质子，并在预先开启的梯度场中进行直接检测，使其TE几乎为零；以纯频率编码的径向k空间填充方式采集信号，实现了最大k空间填充速度，可减少信号采集时间延迟。因此，ZTE序列能在骨皮质组织信号完全衰减前采集其信号，以实现骨皮质成像。

WRIGHT等[13]探讨将ZTE用于MRI观察健康人群骨皮质的可行性，并实现了几乎无噪声成像。ARGENTIERI等[14]通过对比ZTE序列及CT扫描评估颈神经孔狭窄，发现二者测量结果一致，提示ZTE序列在某些情况下可代替CT扫描。SANDBERG等[15]以ZTE序列行儿童骨骼肌肉系统MR检查，与CT图像进行比较，评估其图像质量及骨皮质厚度，认为ZTE序列图像对骨皮质病变的诊断能力与CT相当，可将其作为儿童骨骼肌肉常规MR检查的补充。

近年出现的ZTE相关序列包括傅立叶变换扫描成像序列[16]、逐点编码时间减少及径向采集序列[17]、水和脂肪抑制质子投影成像序列[18]等，进一步拓宽了ZTE的应用范围。但ZTE对硬件要求很高，包括更快的收发切换速度、精确的RF波形传输、高梯度性能和校准。此外，通常不会影响常规序列的线圈等硬件产生的背景信号对ZTE序列影响较大，故需要使用专用线圈[19]来抑制背景信号。ZTE序列需要额外向开发商购买，也限制了其应用。

4 Dixon技术

Dixon技术也被证实可用于骨皮质成像。传统Dixon技术是基于水和脂肪中质子的进动频率不同，分别采集同相位和反相位两种回波信号，通过相加及相减运算，各产生一幅水相及脂肪相图像，从而达到脂肪抑制的目的。与标准T1或T2加权成像相比，Dixon成像有更好的骨对比度[20-21]。

LANSDOWN等[22]分析16例复发性肩关节不稳定患者的3D-CT及3D-Dixon MRI，后者通过算法自动生成水脂分离图像，再通过后处理对水相图进行减影，得到具有类似CT图像的“减影图像”，其中骨组织呈高信号，周围肌肉组织呈低信号，并以重建3D MRI建立关节盂模型；结果显示模型的肩关节盂表面骨皮质缺损测量值与关节镜检查对骨皮质缺损的估计值高度相关，其诊断效能类似于三维CT重建，并有可能替代后者。但Dixon技术受B0场不均匀影响较大，B0场不均匀可致图像信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)明显降低，其临床应用目前仅限于肩关节。

5 黑骨序列

黑骨(black bone)序列是利用优化后的低翻转角度梯度回波及预先设定的TE和重复时间(repetition time, TR)，通过减少软组织对比度在骨皮质及其周围软组织之间形成高对比的成像序列，并能同时抑制水和脂肪信号。黑骨序列图像能清晰显示特殊部位，如下颌区域等骨被软组织包裹区域中的骨皮质及周围组织，其最大优势是可用于诊断颅面骨良性病变。

ELEY等[23]利用黑骨序列测量颅内各孔径的宽度，发现其结果与CT测值及解剖获得值的相关性良好。ROBINSON等[24]以黑骨序列评估36胎脊柱侧弯及脊髓脊膜膨出胎儿骨异常，发现与常规序列相比，黑骨序列图像中，骨对比度更高。DREMMEN等[25]对比黑骨序列成像与CT检测儿童急性头部创伤性颅骨骨折的价值，认为黑骨序列有望替代头颅CT平扫用于儿童头部创伤。ELEY等[26]采用黑骨序列3D打印颅面骨模型，KANAWATI等[27]以黑骨序列3D打印腰椎模型，所获模型尺寸均与CT重建打印模型相近，提示通过骨皮质成像并重建，黑骨序列可媲美3D CT重建。但是，对骨皮质与空气接触部位(如鼻窦及口腔)进行成像时，空气和骨骼均呈低信号，使得黑骨序列难以区分[18]；且黑骨序列的敏感度与磁场强度呈负相关，其在高场MR中的敏感度较低[20]。另外，黑骨序列为短TE、短TR的GRE序列，易出现伪影，运动伪影、牙套和植入物(如引流管等)均可能降低图像质量，限制了其临床应用。

6 FRACTURE序列

FRACTURE序列是JOHNSON等[28]提出的基于高分辨率3D GRE的MR技术，利用具有恒定回波间隔的多个回波和后处理减法获得对比度类似CT的图像；通过精确的回波间隔记录多个回波，其间隔对应MR场强的同相TE(即3T时为2.3 ms，1.5T时为4.6 ms)；以同相时间分辨率获取TE有助于形成更好的骨皮质和骨小梁对比度和轮廓，同相TE则能最大限度地减少化学位移伪影，更好地描绘和定位骨皮质信号，减少边缘模糊，且可减少T2*衰变引起的额外失相位，进而减少骨组织界面处信号丢失。采集FARACTURE序列后，需执行2个额外的后处理步骤：第1步为所有3D GRE求和，第2步是从求和图像中减去末次回波图像，以反转灰度并赋予骨皮质类似CT的对比度。骨皮质T2*衰减时间很快，末次回波的减影也会加剧骨骼信号衰减，通过以上步骤可在骨皮质、骨髓和周围组织之间形成更高的对比度。之后可在MR设备中保存上述操作，并将其转换为自动化后处理，通过改进工作流程使其与特定的图像存储与传输系统兼容。

FRACTURE序列可作为常规骨骼肌肉MR序列的补充，用于复杂骨折、肩关节不稳定、腰椎峡部裂和炎症性关节病等相关病变时，其与CT具有良好的一致性。FRACTURE序列能在几乎所有MR设备上获得并操作，无需额外购买，并可在较短时间内产生类似CT的图像，在MR骨皮质成像中具有很大潜力。

总之，近年来新技术的发展不仅弥补了传统MR的不足而实现骨皮质成像，使之能在一定程度上代替CT，并简化了检查流程。但目前这些新技术缺乏统一的参数标准，且大多仅开展单一序列临床研究；设定上述序列的标准化参数及其应用组合是未来的方向。