引言
肌肉骨骼MRI代表了无创诊断检查和监测各种肌肉骨骼疾病的标准护理，提供无与伦比的软组织对比度和解剖细节。在过去的二十年里，硬件和序列设计的进步已经推动了图像质量和诊断准确性的边界。但直到最近，肌肉骨骼MRI才进入了一个新时代。先进的加速技术和基于深度学习的图像重建方法使我们能够从冗长的图像采集时间中削减数分钟，并重新定义了可能性的边界，就像巴里·艾伦获得超人的速度成为闪电侠一样。与传统MRI相比，深度学习增强的快速肌肉骨骼MRI通过提供更短的扫描时间、增强的患者舒适度和更好的图像质量，同时保持既定全面成像方案的诊断性能，正在改变临床实践。通过探索这一不断发展的领域并展示这些创新如何能在临床实践中有效应用，我们旨在提供实用的见解并激发人们对肌肉骨骼MRI这一激动人心的新篇章的热情。
回波链压缩：肌肉骨骼MRI的速度之力
在通往超快速高分辨率肌肉骨骼MRI的竞赛中，即使是最先进的加速策略也依赖于一个关键基础：精心调整的脉冲序列。正如闪电侠引导神速力来解锁他的全部潜能一样，肌肉骨骼MRI的性能取决于脉冲序列参数的优化，以在高级加速技术发挥作用之前就最大化效率。通过精心设计的脉冲序列，在回波链级别上看似微小的节时，通过先进的加速技术会实现大幅扩展。假设通过优化回波链获得了10秒的提速，再结合六倍加速技术，最终可使采集时间惊人地缩短60秒。节时效果随着采集的脉冲序列数量进一步倍增，例如，对于一个包含五个序列的膝关节MRI方案，可节省五分钟。因此，像准备冲刺的速跑者一样准备和启动快速自旋回波脉冲序列，是实现指数级速度增益的关键。
图1：采用回波链压缩快速自旋回波脉冲序列的3T膝关节磁共振成像，结合两倍同步多层采集与三倍并行成像加速技术，并应用基于深度学习的图像重建和超分辨率增强。磁共振图像显示内侧半月板纵向垂直撕裂（如箭头所示）。本图像采用3T MAGNETOM Vida磁共振系统及单发射通道-18接收通道膝关节线圈采集。具体扫描方案见表1。PD=质子密度加权，PD FS=脂肪抑制质子密度加权，T2 FS=脂肪抑制T2加权。
表1：3T快速六倍SMS2-PAT3加速膝关节磁共振扫描方案。Ax=轴位，Cor=冠状位，Sag=矢状位，PD=质子密度加权，FS=脂肪抑制，PI=并行成像加速因子，SMS=同步多层采集加速因子，FOV=视野
紧凑的回波链对于优化TSE脉冲序列以达到峰值性能至关重要。这涉及配置脉冲序列参数，以在尽可能短的时间窗口内容纳最多数量的强重聚回波，从而最小化图像模糊并最大化信号。回波间隔越短，每单位时间可以捕获的回波就越多。实现这种压缩的三个核心要素是快速射频脉冲、高性能梯度系统和高接收带宽。尽管在常被引用的脉冲序列时间方程中并不总是提及，但这些因素是推动图像加速的隐藏力量。
现代临床MRI系统允许用户选择在回波链中占用时间更少的快速RF脉冲，从而缩短回波间隔并加速图像采集。尽管这些快速RF脉冲确实会增加比吸收率，但它们是释放TSE脉冲序列全部潜力的关键。’性能’梯度模式让用户能够使用最强和最快的梯度系统，通过最小化RF脉冲之间的时间间隔来进一步加快回波链的完成。虽然强梯度偶尔可能引起周围神经刺激，但在肌肉骨骼MRI期间通常耐受良好。最后，高接收带宽通过最小化单个回波的长度也有助于缩短回波间隔。虽然增加的带宽可能会降低信噪比，但它为肌肉骨骼成像带来了关键益处，包括减少化学位移伪影和更清晰解剖细节。此外，通过早期采样更强的MR信号，信号损失得以限制。将快速RF脉冲、高性能梯度系统和高接收带宽相结合，可以缩小回波间隔，缩短重复时间，并延长回波链，从而为通过先进加速技术实现倍增的时间增益奠定基础。
深度学习增强并行成像：打破速度极限
并行成像是肌肉骨骼MRI中加速TSE脉冲序列最有效且应用最广泛的方法。通过利用多单元接收线圈的空间灵敏度分布，并行成像能够对相位编码数据进行欠采样，而相位编码数据历来是图像采集中最耗时的部分。节时是通过在k空间中仅采样每第二条、第三条或第四条线来实现，分别对应两倍、三倍或四倍加速，同时保持视野、矩阵大小和空间分辨率不变。加速因子与采集时间之间的关系是直接的：省略更多的相位编码步骤会按比例减少扫描持续时间。然而，SNR的可预测权衡（与加速因子的平方根成正比），以及与g因子相关的损失（由线圈几何结构和空间编码限制引起），传统上阻止了在临床中使用高于2-3（对于2D TSE成像）和4（对于3D TSE成像）的加速因子。更快的加速通常会引入不均匀的噪声放大和混叠伪影，特别是在超过相位编码方向上可用接收线圈单元的有效数量时。例如，一个由18个独立线圈单元组成的膝关节线圈，其几何结构可能是三个纵向线圈环，每个环有6个线圈单元，当在这三个环上应用四倍加速时，通常会导致无法校正的混叠伪影。
表2：3T快速六倍SMS2-PAT3加速踝关节磁共振扫描方案。Ax=轴位，Cor=冠状位，Sag=矢状位，PD=质子密度加权，FS=脂肪抑制，PI=并行成像加速因子，SMS=同步多层采集加速因子，FOV=视野
基于深度学习的图像重建方法的最新发展，现在使我们能够克服这些长期存在的限制。Deep Resolve Boost增强了并行成像加速的TSE脉冲序列，并且需要更少的采样原始数据来形成诊断质量的图像。图像重建将物理MRI模型与基于神经网络的正则化相结合，结合k空间数据和线圈灵敏度图，以自适应地处理异质噪声模式和混叠伪影，同时确保数据一致性。DL重建方法由此产生的能够从四倍并行成像加速的2D TSE数据集中生成图像，其质量可与甚至优于传统从两倍加速数据重建的图像，这是范式转变。通过减轻SNR损失和校正混叠伪影，这些工具允许更大的加速灵活性，而不会牺牲诊断图像质量，从而重新定义了现代肌肉骨骼MRI的速度和效率阈值。用于TSE成像的Deep Resolve Boost在0.55T至7T的场强下均可临床使用，并在保持图像质量的同时，为肌肉骨骼MRI提供了前所未有的速度增益。
深度学习增强同步多层成像：突破层间屏障
同步多层成像（SMS）是下一代超快速肌肉骨骼MRI的关键推动者。它与并行成像和椭圆k空间扫描相结合，显著增强了加速能力，为以前所未有速度进行的DL驱动MRI奠定了基础。
与TSE脉冲序列传统的顺序层间采集模式不同，SMS同时激发并采集来自多个层面的MR信号。与并行成像加速类似，SMS依赖于解卷积算法（如CAIPIRINHA）来分离混合的MR信号，利用线圈灵敏度图、视野偏移和梯度编码，准确重建特定层面的图像数据。SMS方法减少了TSE脉冲序列的有效重复时间，这可以带来直接和间接的时间节省。直接益处包括重复时间的减少、分组采集的免除、延长回波链的能力，以及为基于Dixon的成像同时采集同相位和反相位回波。间接收益包括在时间不变的情况下增加层间覆盖范围、减少层间距和层厚，以及整合其他耗时脂肪抑制方法（如SPAIR）。
表3：3T快速四倍SMS2-PAT2加速前足/中足磁共振扫描方案。Sag=矢状位，PD=质子密度加权，FS=脂肪抑制，STIR=短时反转恢复，PI=并行成像加速因子，SMS=同步多层采集加速因子，FOV=视野
也许最重要的是，SMS与并行成像的协同作用特别有效。并行成像以加速因子比例性和g因子相关的SNR损失为代价来减少扫描时间，而SMS仅引入轻微的、依赖于g因子的SNR降低。然而，同时施加RF脉冲以一次激发多个层面会增加能量沉积和SAR。在四肢关节MRI中，可以使用局部发射线圈、优化的RF脉冲设计以及125°至150°之间的中等翻转角来缓解对SAR的担忧。
当协同应用时，SMS和并行成像产生乘性加速效益。例如，将两倍SMS采集与TSE脉冲序列的两倍并行成像相结合，可实现四倍TSE加速。即使不整合DL重建方法，自2020年以来，这已能在1.5T和3T下实现临床五分钟、五序列的膝关节MRI方案，且诊断性能与传统两倍并行成像加速相比保持不变。相比之下，在膝关节单独使用四倍并行成像超出了传统图像重建的能力范围，会导致图像质量显著下降，SNR急剧降低，伪影负担增加。
当前针对组合SMS-并行成像加速的端到端DL重建方法的开发及未来整合将进一步改变格局。将DL增强的图像重建能力扩展到同步加速的数据集，如SMS2-PAT3、SMS3-PAT3、SMS2-PAT4、SMS3-PAT4和SMS2-PAT6，可能实现总加速因子超过10，同时保持或提升图像质量。DL增强的SMS-并行成像加速肌肉骨骼MRI的融合是一个强大的构建框架。就像速跑者突破维度屏障一样，这些技术使肌肉骨骼MRI能够超越以前的极限。
深度学习超分辨率重建：速度与精度兼得
在肌肉骨骼MRI中实现更高的空间分辨率对于显示微小解剖细节和检测细微病变至关重要。然而，空间分辨率与SNR之间固有的权衡（由平方反比关系定义）直到最近一直构成持续挑战。更高分辨率的采集通常需要更长的扫描时间，并以降低SNR为代价，这体现了众所周知的’MRI中没有免费午餐’理论。
最近引入的基于DL的超分辨率增强提供了一种变革性方法，以打破速度、图像细节和SNR之间的相互制约。通过计算性地增强低分辨率采集的空间分辨率，这些方法能够实现更快的成像，而不会牺牲诊断细节。这使得可以在更短的采集窗口内以更小的矩阵采集MRI原始数据，同时产生高分辨率的输出图像数据。或者，在相同的扫描时间内，可以将图像细节提升到超越传统技术所能达到的水平。
表4：3T快速四倍SMS2-PAT2加速肘关节磁共振扫描方案。Ax=轴位，Cor=冠状位，Sag=矢状位，PD=质子密度加权，FS=脂肪抑制，PI=并行成像加速因子，SMS=同步多层采集加速因子，FOV=视野
历史上，曾采用插值方法（如零填充）来估算更高分辨率的图像，但这些方法在肌肉骨骼MRI中效果有限。相比之下，Deep Resolve Sharp已在各种序列和对比度设置下配对的低分辨率和高分辨率图像的大型数据集上进行了训练，似乎能增强图像细节水平和对微小结构异常的显示。对于2D采集，Deep Resolve Sharp可以有效地将两个层面内方向的矩阵大小加倍；对于3D数据集，可以将层厚分辨率提高两倍，从而增强图像分辨率。
最重要的是，Deep Resolve Sharp可以与先进的加速和图像重建方法（包括并行成像、SMS采集和Deep Resolve Boost）集成，进一步提升了肌肉骨骼MRI的速度和质量。这种多层次方法能够从快速采集、欠采样的数据集中生成超分辨率图像，带来显著的视觉改善和诊断信心的实际提升。
整合应用：现状与未来方向
将具有紧凑回波链的精细调整TSE脉冲序列、先进的图像加速技术（如并行成像和SMS采集）以及基于DL的图像重建和超分辨率增强方法结合使用，促进了临床膝关节六倍（SMS2-PAT3）加速DL超分辨率MRI（图1，表1）的实现，该方案在检测关节内结构异常方面具有优异的诊断性能。类似地，踝关节（图2，表2）、足部（图3，表3）、肘关节（图4，表4）和手指（图5，表5）的四倍（SMS2-PAT2）至六倍（SMS2-PAT3）加速DL超分辨率MRI已在临床实践中常规使用，采集时间为五到六分钟。如此全面而快速的MRI方案可以容纳在10到15分钟的MRI预约时间内，并在架构优化的环境中实施，以最大化运营效率和可持续性。与肩、髋等中央关节和脊柱相比，四肢关节成像受益于封闭式线圈设计和有利的单个线圈元件几何排列，这防止了广泛的混叠伪影和不完全的层间分离。对于这些中央关节，即使采用当前的DL方法，组合并行成像和SMS加速也可能导致图像重建过程中伪影去除不完全。然而，对于肩关节等部位，三到四倍并行成像加速的DL超分辨率MRI可以在低于七分钟的采集时间内实现，并具有优异的诊断性能（图6，表6）。未来的方向包括临床实施当前正在开发的、用于组合PI-SMS加速的端到端DL重建方法，这些方法有望消除残留的混叠伪影，并在不久的将来使无伪影的八到十二倍加速DL超分辨率肌肉骨骼MRI（采集时间低于三分钟）成为临床现实。
表6：3T快速三倍PAT3加速肩关节磁共振扫描方案。Ax=轴位，Cor=冠状位，Sag=矢状位，PD=质子密度加权，FS=脂肪抑制，PI=并行成像加速因子，SMS=同步多层采集加速因子，FOV=视野
这些发展通过打破物理上的相互制约，以几年前无人相信可能达到的图像细节水平实现了高加速因子，从而突破了肌肉骨骼MRI的边界。然而，通往新视野的旅程可能才刚刚开始，我们对提升肌肉骨骼MRI效率和价值的热情正在呈指数级加速。我们正处于进一步打破时间和物理规则的边缘，并奔向一个超快速超分辨率MRI不仅可能、而且成为全球常规临床实践的未来。