摘要：本综述总结了当前7T质子磁共振成像（MRI）在肌肉骨骼系统应用的最新进展、相关技术挑战，并对现有及未来临床应用进行概述。7T的高信噪比主要被用于提升空间分辨率以显示解剖细节或微小病变，而非缩短扫描时间。对于肌肉骨骼MRI，快速自旋回波序列虽具优势，但在7T下需面对弛豫时间改变、B1不均匀性增加、伪影增多等问题，且比吸收率限制尤为突出。过去20年专用脉冲序列技术的发展与专用线圈的普及，现已推动多项肌肉骨骼临床应用。7T MRI已在膝关节等多个部位实现活体超高分辨率成像，包括神经显微成像与骨小梁微结构成像。然而，相比成熟的3T系统，7T是否具有临床优势（如早期组织损伤识别以实施预防性治疗，或影响治疗决策与患者预后）尚未得到系统验证。现有证据表明，7T MRI更可能用于解决特定肌肉骨骼问题而非广泛普及。未来临床实践数据将揭示：相比低场强MRI，7T肌肉骨骼应用能否通过更高诊断准确性使患者获益。
引言
肌肉骨骼系统临床MRI的空间分辨率在过去30年显著提升，这得益于3T高信噪比磁体的出现及高端专用肢体线圈的普及。对于多数肌肉骨骼临床问题，1.5T与3T MRI已能提供满意答案，显著改善了患者诊疗。如今，随着临床7T扫描仪的问世，肌肉骨骼成像迎来新机遇。
超高场肌肉骨骼MRI
首批超高场磁体（主磁场强度≥7T）于20余年前问世，包括7T与8T系统，但相关研究磁体更早已投入使用。然而超高场扫描仪的临床转化进程缓慢，直至近年才加速发展。化学位移与信号强度不均匀性等伪影在1.5T/3T影响有限，但在≥7T时会显著降低图像质量。
虽然二维快速自旋回波（TSE）序列凭借优异平面分辨率、组织边界显示及对比噪声比，成为低场强肌肉骨骼MRI的主力序列，但7T TSE图像质量长期逊色于3T。多项梯度回波研究证实7T可实现骨小梁级微结构成像，但视野内显著信号不均（尤其软组织区域）制约了其应用。此外，许多7T肌肉骨骼研究采用尸体标本，通过延长采集时间规避运动伪影，从而在实验环境中克服了部分技术难题。
随着新一代7T扫描仪、商用肢体线圈及伪影抑制技术的显著进步，7T MRI正引发广泛关注，我们即将迎来肌肉骨骼超高分辨率临床MRI的新范式（图1）。核心问题在于：7T临床MRI将带来何种变革？当前肌肉骨骼7T MRI发展至何阶段？不同于3T MRI，7T尚未实现全肌肉骨骼系统覆盖，但已证明其可为特定临床问题提供超越低场强的附加价值。
图1：作者所在机构采用的7T膝关节MRI快速自旋回波(TSE)序列方案。虽然TSE序列是低场强肌肉骨骼MRI的主要序列，但在7T MRI中实施TSE序列需要克服严重的化学位移伪影和信号强度不均匀性。A：冠状位T1序列；B：冠状位质子密度(PD)脂肪抑制(fs)序列；C：矢状位PD fs序列；D：轴向PD fs序列。注意股骨软骨的小范围分层(B)和浅表缺损(C)(图中箭头所示)在高分辨率7T MRI上显示清晰。
既往研究对≥7T临床MRI进行了多维度综述。本文重点阐述当前肌肉骨骼7T MRI的最新技术进展、应对技术挑战的方案及未来发展方向。需明确，提升空间分辨率仅是次要目标，关键需转化为诊断准确性的提高。因此我们首先从临床视角探讨：肌肉骨骼7T MRI的潜在应用场景有哪些？哪些领域与适应症能通过更高空间分辨率使患者与临床医师额外获益？
7T MRI的临床应用场景
膝关节是MRI评估最频繁的关节：本世纪初尚普遍应用的诊断性关节镜检查，现已被1.5T/3T无创MRI取代。当前MRI可使放射科医师获得媲美开放手术甚至尸检的膝关节内部结构显示。虽然组织学与关节镜显微观察深化了我们对半月板/关节软骨微解剖的认识，但现有临床MRI技术无法实现同等分辨率的活体成像。CT与MR关节造影虽能更准确评估某些关节内病变，但其有创性限制了应用。而先进7T MRI可显著提升空间分辨率，即使在平扫中也能检测微小半月板撕裂与软骨分层（图1）。7T双回波稳态成像对焦磷酸钙沉积病的显示，甚至优于CT检查。
超高场MRI不仅能显示典型半月板撕裂，还可更准确评估内侧半月板后囊附着部。常规MRI易漏诊的半月板斜坡损伤，往往需在前交叉韧带重建术中通过探针检查才能发现。术前准确识别这类损伤可改变治疗策略。术前膝关节MRI检查或临床疑似ACL撕裂病例，正是7T MRI发挥特定临床价值的典型案例。其他潜在应用包括：软骨修复手术的术前评估与术后随访，超高分辨率软骨成像可优化手术规划并提升随访质量控制。
并非所有膝关节MRI均需7T检查，但其将为特定患者群体提供更深入的解剖与病理洞察。目前多项膝关节超高分辨率7T MRI研究正在进行，未来数年我们将获得更多数据，以明确7T具有显著优势的临床场景与低场强即足够的适应症。
除膝关节外，7T MRI还可应用于其他部位：如超高分辨率神经成像、髋关节软骨分层检测、踝关节骨软骨病变精细显示等。近期超高场金属伪影抑制技术的进步，通过联合增加接收带宽、视角倾斜及金属伪影校正切片编码，有效减少了植入物周围信号缺失与几何畸变。鉴于金属伪影程度与场强正相关，7T专用伪影抑制技术（如压缩感知加速）将有助于ACL/肌腱重建术后患者的均匀信号获取。
值得注意的是，从1.5T到3T的升级中，高场强常被用于加速扫描；而当前7T MRI则更侧重分辨率提升而非缩短扫描时间。这一方面源于伪影校正需额外时间，另一方面深度学习重建算法等技术进步已使低场强快速成像成为可能。因此，7T MRI在肌肉骨骼临床成像中的核心吸引力在于其空间分辨率优势。
7T的高信噪比还催生了质子成像外的潜在应用：如7T钠MRI可检测膝关节低级别软骨损伤或评估软骨刚度；磷MR光谱学可研究骨骼肌代谢，但这些技术尚处实验阶段。本综述将聚焦于近年来显著拓宽7T MRI临床吸引力的质子成像技术及其应用。
技术挑战与图像优化
弛豫时间
如表1所示，7T场强下肌肉骨骼组织的纵向磁化弛豫时间(T1)较3T延长20%-60%，其中滑液T1增幅最为显著。滑液及其他体液的弛豫时间变化与大分子含量和粘度密切相关。有趣的是，采用双翻转角法评估的髋关节软骨T1值却呈现相反趋势。虽然T1延长可能导致扫描时间增加，但实际应用中7T的加速因子选择和比吸收率(SAR)限制通常掩盖了这一差异。
相比之下，7T横向磁化弛豫时间(T2)仅较3T轻微缩短(4%-21%)，滑液T2缩减幅度最大。髋关节软骨T2值未见显著差异，而膝关节软骨T2值呈现5%-32%的中等程度降低。髌后软骨与髋关节软骨的T2*时间缩短12%-36%，骨小梁UTE测量显示T2*时间减少达50%。这种特性使得7T磁敏感加权成像可采用更短回波时间(TE)。自旋回波序列对弛豫时间变化的适应方案将在后文详述。
化学位移
氢原子因化学屏蔽差异导致的共振频率偏移随场强线性增加。水分子与脂肪组织/骨髓中亚甲基的共振频率差从1.5T的224Hz、3T的448Hz增至7T的1045Hz。因此，无空间梯度场时，射频脉冲(如非选择性磁化准备脉冲)带宽需超过1kHz才能等效激发水脂质子。若以水分子频率为中心，则需2kHz以上带宽。但提高射频带宽会以增加能量沉积和SAR为代价。
采用空间梯度场的低SAR二维或层块选择性射频脉冲虽可同时激发水脂质子，但这些质子实际位于体内相距d的不同层面(公式1)。
因此，在非脂肪抑制的二维图像中同时成像的脂肪和水结构实际上来源于不同的成像层面。例如250Hz带宽的射频脉冲在7T下会使水脂信号源自相距4个层厚的不同层面，导致图像解读困难(图2)。1.5T时相同脉冲仅产生约1个层厚的偏移，通常不影响诊断。通过为激发脉冲和重聚脉冲选择’非匹配’带宽(极端情况下采用梯度反转)，可实现不同程度的脂肪抑制(图3)，但会降低水信号强度(尤其在B0不均匀区域)。近期提出的基于并行加速技术的低SAR脂肪抑制方案已在头部平面回波成像中得到验证。
图3：采用不匹配激发和重聚射频带宽的7T自旋回波MRI，显示右膝冠状位PD加权2D TSE图像。除重聚射频脉冲(130度)的标称射频带宽在A、B、C三组中分别设置为1000、750和500Hz外，其他参数相同。90度射频激发脉冲带宽为1000Hz。估计比吸收率(SAR)值分别为0.26、0.20和0.16W/kg。从A到C，激发和重聚脂肪质子的切片重叠减少导致脂肪信号强度降低。B图中适度不匹配可在显著降低SAR的同时实现可接受的脂肪信号损失，且由于切片轮廓主要由较高带宽的激发脉冲决定，仍能产生足够清晰的图像。C图中足够大的不匹配可在不增加SAR的情况下实现脂肪信号抑制。
静态场(B0)不均匀性
不同磁化率材料间的场强差异导致拉莫尔频率偏移随场强线性增加，这既为7T功能成像和磁敏感加权成像带来优势，也带来挑战。在膝关节成像中，该特性增强了对软骨和半月板钙化沉积的检测灵敏度，也有望提升相位和磁敏感加权成像或T2* mapping的敏感性。但扫描前匀场和偏中心成像仍面临挑战，目前脑部成像的解决方案最为成熟。与低场强相比，7T下金属植入物导致的磁敏感伪影更为显著。
射频线圈与SAR限制
多数7T局部射频线圈同时承担发射接收功能，使得身体局部接受的射频辐射高于采用体线圈的低场强检查。目前经CE认证和FDA批准的7T质子肌肉骨骼成像仅限膝关节领域。
实验性线圈已实现多种肌肉骨骼部位的活体成像，但即使膝关节这般小体积器官，要实现大范围的B1均匀性、信号强度和图像对比度一致性仍非易事。缺乏临床批准的专用肌肉骨骼线圈(需满足大体积均匀射频发射且不超出局部振幅安全限制，同时实现均匀信号接收)是限制7T系统临床推广的主要瓶颈(图4)。近期报道的7T并行发射体线圈展现出解决这一问题的潜力，而数据后处理匀场技术效果有限。
图4：中加权脂肪抑制矢状位手指MRI，采用相同TR和TE参数，分别使用专用手部接收线圈在3T场强下(A、C)和膝关节发射接收线圈在7T场强下(超适应症使用)(B、D)采集。采集参数(A-D)：TR 3000毫秒；TE 44毫秒；层厚2mm；平均次数2。平面内体素尺寸：0.19mm²(A、B)，0.06mm²(C、D)；采集时间：2分26秒(A、B)，4分50秒(C、D)；接收带宽：116kHz(A、B)，274kHz(B、D)。注意尽管场强更高，7T MRI的信噪比较低。不过这些脂肪抑制图像不一定需要调整接收带宽，且7T下应采用更长TR以获得相当的图像质量。
二维自旋回波MRI
考虑到快速/涡轮自旋回波序列在低场强肌肉骨骼成像中的核心地位，从3T升级至7T时需首先评估其性能。根据报道的弛豫时间数据，将TR和TE分别乘以1.3和0.9可作为参数调整的初始估计。
受SAR限制，常需减少扫描层数、降低重聚角、缩短回波链或增加重复时间和/或分包次数。低SAR脉冲虽有助于获取多层高分辨率抑脂图像，但所需射频带宽通常不足以获得高质量非抑脂图像，此时需解决前文所述化学位移问题(图2)。已有文献系统报道了7T图像伪影抑制方法，为肌肉骨骼7T MRI临床工作流程提供指导。
三维MRI
7T三维成像可采用多种梯度回波序列和可变翻转角快速自旋回波序列(图5)。与低场强相比需注意：(1)B1不均匀性和穿透深度问题按2D SE>3D SE>3D GRE序列依次减轻，可能与所需高翻转角射频脉冲数量相关；(2)梯度回波图像中骨髓信号显著降低(即使未抑脂)，可能与短T2*有关。层块选择性3D采集中，’层间’化学位移伪影仅见于首末数层，而采用非选择性高带宽射频脉冲时，水脂信号在两个相位编码方向上空间位置一致，仅需通过调整接收带宽处理频率编码方向的传统化学位移伪影。
图5：膝关节矢状位3D毁损梯度回波7T MRI(A)(FLASH；TR、TE、翻转角=17.2毫秒、2.04毫秒、10度)和矢状位快速自旋回波图像(B)(SPACE；TR、有效TE、翻转角、回波链长度=1500毫秒、42毫秒、120度、43)，均未使用脂肪信号抑制。A图中TE对应第二个同相位回波时间。注意梯度回波图像中骨髓和脂肪的暗区表现，以及快速自旋回波图像中不均匀的信号亮度(如相对较暗的Hoffa脂肪垫[*]与较亮的后部皮下脂肪[‡])。
临床应用
尽管7T脑部成像已在临床上得到较广泛应用，肌肉骨骼系统的7T成像发展相对滞后。这种情况与3T早期临床应用阶段类似，部分原因在于商用7T肌肉骨骼专用阵列线圈的供应有限，以及射频硬件、成熟成像序列和评估软件的缺乏。然而过去十年间，关于肌肉骨骼临床应用和专用肢体线圈的研究成果令人鼓舞，自建线圈的应用也日益增多。
最重要的是，7T更高的空间分辨率有助于在不使用对比剂的情况下清晰显示解剖细节和微小病变，这已在膝关节、足部肌肉、外周神经、机械感受器（图6）以及上肢血管成像中得到证实。本部门开展的一项研究显示，3T和7T双回波稳态成像（DESS）均可无创显示构成颈神经根的神经根丝显微结构，而7T更高的场强能识别更多数量的颈神经根丝（图7）。
图7：34岁健康男性志愿者颈椎的3D双回波稳态(DESS)MRI。5mm最大强度投影的矢状斜位重建图像显示C3-C7神经根的左侧椎管内神经根丝(箭头)。A、B：3T MRI；C、D：7T MRI。注意7T下更高的对比度和更多可识别的神经根丝。
此外，超高场强MRI能更清晰地显示软骨、半月板、肌腱、韧带和骨骼的细微结构，有助于早期发现这些结构的病理改变（图8），为早期干预提供机会。然而，仍需进一步评估这些技术进步相比低场强在临床环境中能为患者带来哪些额外益处。同时需要考虑的是，7T MR系统对安装、操作和维护的要求更高。目前的研究结果表明，7T可以成为低场强成像的重要补充工具。超高场强MRI在临床常规应用中的潜在优势和用途将在下文针对特定靶组织进行总结。
图8：66岁男性患者的空间匹配3D双回波稳态(DESS)图像。左膝7T MRI(A-C)和3T MRI(D-F)。7T下可清晰锐利显示股胫关节和髌骨软骨中的低信号钙晶体沉积(箭头)，而3T MRI中这些沉积即使没有等效信号改变也较难辨认(箭头所示)。
关节软骨
采用专用线圈和优化协议，7T MRI能清晰显示传统MRI难以察觉的关节软骨细微异常和早期结构改变（图9），如低级别损伤等。一项系统性7T MRI研究首次在活体证实了膝关节与踝关节软骨T2弛豫时间的显著差异，这与此前的生化和生物力学研究结果一致。
图9：43岁无症状业余运动员的矢状位3D双回波稳态(DESS)7T MRI(A)，显示膝关节内侧间室股骨软骨的分层(箭头所示)，以及对应的矢状位3T DESS MRI(B)，其中软骨缺损显示较不清晰(箭头所示)。
软骨修复手术方案包括微骨折术、骨软骨移植、自体软骨细胞移植和幼年软骨细胞移植等。基于影像学的术后监测是评估治疗效果、比较预后结果的重要工具，有助于制定循证治疗决策。为此，Chang等使用7T MRI对11例软骨修复患者和11例健康对照者的软骨厚度和T2值进行量化分析，发现修复组织与邻近自体软骨及健康对照者的软骨均存在厚度和T2值差异。他们还观察到修复区邻近的自体软骨虽然厚度正常，但T2值低于健康对照者，并探讨了这种现象是由于含水量降低/压缩性增高导致的正常术后状态，还是早期退变的表现。
有趣的是，在采用幼年微粒异体移植物治疗距骨骨软骨损伤的患者中，7T MRI对踝关节原生胫距软骨与修复组织的T2值量化比较也得出了类似结果。Lazik-Palm等重点研究了髋关节软骨移植患者的形态学和定量分析，他们比较了9例自体髋臼软骨移植患者在7T和3T MRI下的图像质量、软骨结构可评估性以及关节软骨、关节液和软骨下骨之间的对比噪声比（CNR），同时测量了移植区和参照区的弛豫时间。结果显示7T MRI在图像质量、软骨移植评估和对比度方面优于3T MRI，而T2弛豫时间在7T下虽比3T长，但无统计学显著性差异。
半月板
Chang等使用7T MRI比较无症状舞者和非运动员女性的优势膝，发现舞者虽无软骨损伤，但存在隐匿性内侧半月板病变。鉴于这种现象在早期骨关节炎中已有报道，他们认为7T MRI可为舞蹈运动员的长期膝关节健康维护提供预防性干预依据。
最近一项研究对41例疑似半月板损伤或轻度骨关节炎患者同时进行7T和3T MRI检查，两种场强的PD加权成像采集时间几乎相同，但7T的空间分辨率提高了一倍以上。三位阅片者采用改良的膝关节骨关节炎全器官MRI评分和国际软骨修复学会评分系统对图像进行分析。最重要的发现是，在12例接受关节镜检查的患者中，7T MRI对软骨和半月板的评分结果比3T MRI更接近关节镜所见。作者还对全部41例患者（包括未行关节镜者）进行混合模型分析，发现7T MRI对软骨和半月板损伤的评分显著高于3T。因此得出结论：7T MRI诊断低级别软骨和半月板损伤的准确性显著更高。
为评估半月板缝合后的愈合过程，Stelzeneder等使用7T MRI对11例患者的半月板组织进行矢状位T2 mapping检查，分别在术后6个月和12个月测量内外侧半月板红区与白区的T2值并与健康受试者比较。结果显示术后12个月，外侧半月板后角红区的T2值与健康受试者相当，表明愈合反应良好；而内侧半月板在12个月随访时T2值仍未恢复正常。
骨密度与微结构
超高场强MRI技术有助于显示骨微结构，可对松质骨小梁进行详细分析，从而了解与年龄和疾病相关的结构变化，这对评估治疗效果和监测病情进展具有重要意义。基于自旋回波的脉冲序列对磁场不均匀性敏感性较低，更适合高分辨率骨小梁成像，但往往伴随较高的功率输出。
Magland等提出一种改良的低SAR三维快速自旋回波脉冲序列，专门优化用于1.5T、3T和7T下胫骨远端骨小梁的活体成像，证明7T下可实现显著的SAR降低而信噪比损失可忽略不计。采用GRAPPA并行成像技术（加速因子1.8）使7T扫描时间从13分钟缩短至10.2分钟。另一项研究显示，7T MRI对胫骨远端骨小梁微结构的测量具有高度可重复性，无论是同日还是不同日扫描。类似结果也见于7T腕关节和膝关节骨小梁微结构成像的可行性研究。
现有经验表明，7T MRI通过提供更高空间分辨率、有效扫描时间和足够的信噪比（即使采用并行成像）改善了骨小梁成像。令人鼓舞的结果显示，7T MRI能检测出双能X线骨密度测量未能发现的脆性骨折女性患者的骨微结构退化。
肌腱
一项研究采用三维超短回波时间脉冲序列比较7T与3T MRI对健康志愿者和慢性跟腱病患者跟腱的评估效果。出乎意料的是，3T的信噪比高于7T，作者将其归因于各线圈噪声特性的差异以及7T图像更明显的放射状条纹伪影。然而，7T下肌腱与小腿肌肉的对比噪声比几乎是3T的两倍。研究者发现T2值存在区域性差异，且在不同场强间以及健康与退变肌腱间均有差异，表明7T的T2计算精度高于3T MRI。他们得出结论：T2*可能成为早期检测跟腱病和形态学成像无法显示的亚临床肌腱损伤的有用量化标志物。
肩袖肌腱的7T MRI面临更大挑战。Lazik-Palm等使用C形8通道发射/接收线圈和7通道接收线圈证实了7T肩关节MRI的诊断可行性，但其诊断准确性低于3T或1.5T。在他们的MRI方案中，脂肪抑制PD加权序列选择了较短回波时间（30-35毫秒），优先保证高信噪比而非减少魔角效应，这可能导致冈上肌腱病的过度诊断。
肌肉
7T MRI更高的空间和时间分辨率有助于显示肌肉水肿和脂肪浸润范围。例如，二维化学位移成像可区分和量化肌细胞外与肌细胞内脂质，后者可作为糖尿病患者全身胰岛素敏感性的标志物。
7T更高的信噪比也有利于扩散张量成像(DTI)，可更详细研究肌纤维结构，从而为运动员肌肉撕裂等损伤提供研究工具。Giraudo等比较3T与7T对小腿肌肉的DTI参数，发现高场强下纤维追踪效果显著改善。但结果存在异质性：例如比目鱼肌在7T下的平均各向异性分数(FA)较高而平均扩散率(MD)较低，但胫骨前肌却呈现完全相反的趋势。作者认为这种异质性支持7T对特定区域研究更具优势的假设。最终结论是两种场强总体等效，只是7T在整个小腿的纤维追踪数量上表现更优，而3T下腓肠肌外侧头的FA更高。需注意的是，肌肉DTI目前仍主要用于科研而非日常临床实践。
肌肉组织灌注及其相关氧供应对评估肌肉功能至关重要，这对周围动脉疾病患者具有临床意义。动脉自旋标记(ASL)技术可在无需钆对比剂的情况下量化灌注，但低信噪比和T1弛豫导致的流入信号衰减限制了ASL测量。Schewzow等在一项可行性研究中，采用脉冲ASL定量测量健康受试者腓肠肌在跖屈运动前、中、后的灌注值。他们优化数据采集以获得高信噪比和足够时间分辨率，成功检测到运动后的显著灌注变化，反映了肌肉灌注的动态特征。
周围神经
周围神经高分辨率MRI为神经病变的检测和监测提供了潜在应用，包括炎症性病变、创伤性周围神经损伤或神经再生，以及治疗后的随访检查。
最近，一项研究采用12通道腕关节线圈和三回波稳态(TESS)序列评估正中神经轴突束(神经束)数量并确定正常T2值范围，这些参数似乎与神经病理生理变化相关。该研究发现特发性腕管综合征患者的T2值(24.27±0.97毫秒)高于健康志愿者(21.01±0.65毫秒)。得益于7T的高分辨率，作者还能识别相对细小的正中神经的超微结构成分。
另一项研究比较了7T与3T对上肢神经的成像效果。定量分析显示7T的信噪比和对比噪声比几乎是3T的两倍，这使得通过容积再现和三维成像清晰显示前臂神经走行成为可能。采用非增强时间飞跃法成像，手部、前臂和腕部的宏观与微观血管解剖结构也能清晰显示。
结论
随着新一代7T扫描仪问世、商用肢体线圈普及以及伪影抑制技术的显著进步，肌肉骨骼7T MRI受到越来越多关注。我们正站在临床超高分辨率MRI的门槛上。与1.5T到3T的升级不同（高场强主要用于加速成像），7T更高的场强更常用于获取更高空间分辨率以显示细小的肌肉骨骼解剖结构和关节内部紊乱。为实现这一目标，必须实施特定的序列改进以减轻各种曾影响7T图像质量的伪影。膝关节等肌肉骨骼区域（如足部和脊柱）的临床7T MRI还需要专用线圈。通过确定和验证临床应用场景，将有助于判断何时低场强MRI已足够，而何时7T MRI能提供附加价值。