金屬植入物在磁共振檢查中的致升溫效應(yīng)及安全性分析

何偉，王傳兵，高虹，張暉，汪纓，孫小磊

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a. 臨床醫(yī)學(xué)工程處；b. 放射科，江蘇 南京 210029

引言

隨著科技的發(fā)展和醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，磁共振（Magnetic Resonance，MR）檢查越來越普及。當(dāng)患者接受MR檢查時，需將人體置于強(qiáng)大的外加磁場中，對于攜帶有金屬植入物的患者，磁場射頻與金屬物質(zhì)之間的相互作用可能會對患者或金屬裝置的位置、功能造成損害[1-5]，使得患者在接受MR檢查時的安全性問題再次引起人們的關(guān)注[6-12]。本研究主要探討在MR檢查中金屬植入物（不銹鋼鋼板、鈦合金鋼板）的產(chǎn)熱效應(yīng)及安全性分析，為以后的MR檢查提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中選用天津正大醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的橈骨鎖定板，鈦合金材料（圖1a）和不銹鋼材料（圖1b），六位半萬用表（美國福祿克公司，8845A），阿爾泰科技USB數(shù)據(jù)采集器一臺（阿爾泰科技，USB2085），高精密NTC型熱敏電阻（南京時恒電子科技有限公司，MF51E）。實(shí)驗(yàn)儀器選用美國GE公司1.5 T MR（HDXt）及3.0 T MR（750 W）[13-14]。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過程中為了實(shí)驗(yàn)有顯著效果，所選用的序列都是基于常規(guī)序列，調(diào)節(jié)各參數(shù)使得SAR值比較高，但不會超過射頻能量限值，序列包括自旋回波（SE）、梯度回波（GRE）、回波平面成像（EPI）。各掃描序列參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 兩種金屬植入物

表1 各掃描序列參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 熱敏電阻標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)前，先將熱敏電阻進(jìn)行精密標(biāo)定（圖2）。采用高精度溫度標(biāo)準(zhǔn)器（二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，精度約0.02℃），標(biāo)準(zhǔn)水槽（湖州唯立儀表廠；HTS-0A；溫度波動≤0.02℃/10 min；溫度均一性≤0.02；廠家編號2940）和萬用表（安捷倫34410）對熱敏電阻進(jìn)行精密標(biāo)定，標(biāo)定溫度范圍為30℃～ 42℃，溫度間隔為1℃。

圖2 熱電阻標(biāo)定

1.3.2 熱敏電阻阻值測量

研究中使用植入金屬鋼板的豬腿模擬具有金屬植入物的人體進(jìn)行磁共振掃描，選用鈦合金和不銹鋼兩種金屬植入物。實(shí)驗(yàn)時分別將兩個熱敏電阻貼合在鈦合金金屬植入物和不銹鋼金屬植入物附近。實(shí)驗(yàn)中將連接的導(dǎo)線全部包裹銅箔，以屏蔽射頻場的干擾（圖3）。

實(shí)驗(yàn)中采用兩種方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行比較。方案一是兩個熱敏電阻連接到切換開關(guān)，而切換開關(guān)與高精度數(shù)字萬用表相連，將萬用表連接至電腦，通過EXCEL內(nèi)置軟件記錄各時刻采集到的熱敏電阻阻值（Rt1，Rt2），根據(jù)熱敏電阻阻-溫曲線獲得相應(yīng)的溫度變化（圖4a）；方案二用自搭電路，借助采集卡采集精密電阻及熱電阻兩端的電壓，通過電壓比值得出熱電阻阻值（Rt1’，Rt2’），進(jìn)而獲取各時刻溫度值[15]（圖4b）。由圖4b可知，，通過自制電路與軟件記錄VINN1，VINN2，VINN3的值，已知精密電阻R的阻值，從而可得出Rt1’和Rt2’的值。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程圖片

圖4 測量電路示意圖

方案一中兩個電阻通過手動切換的方式依次采集，各電阻阻值獲得時刻不同步；而方案二則通過數(shù)據(jù)采集卡多通道同時測量，獲取每個時刻的不同熱電阻阻值，可實(shí)現(xiàn)同步測量。采集卡及測量電路實(shí)物如圖5。

圖5 采集卡及測量電路

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用3.0 T磁共振進(jìn)行不同序列產(chǎn)熱試驗(yàn)，根據(jù)以上兩種方案，采用不同序列進(jìn)行掃描，測由于兩種金屬植入物引起的溫升。

2.1 熱電阻標(biāo)定曲線及阻值-溫度特性分析

根據(jù)1.3中所述熱敏電阻標(biāo)定方法，我們標(biāo)定了3個熱敏電阻（圖6a，圖6b，圖6c），并對其進(jìn)行曲線擬合，標(biāo)定曲線，見圖6?？梢钥吹皆谒鶚?biāo)定溫度范圍內(nèi)，溫度與阻值之間的線性度較高，超過0.99，熱敏電阻之間的一致性也較高（見圖6d）。在所標(biāo)定溫度區(qū)間內(nèi)（16℃～24℃）熱敏電阻的阻值-溫度間關(guān)系為t=-0.374×r+43.07，其中t為溫度值，單位為℃，r為對應(yīng)溫度下熱敏電阻的阻值，單位為kΩ。隨后我們選擇其中的兩個電阻分別采用方案一和方案二進(jìn)行不同序列測溫實(shí)驗(yàn)。

圖6 熱敏電阻標(biāo)定曲線

2.2 采用方案一測量兩種金屬植入物附近組織的溫度變化

兩只熱敏電阻（Rt1，Rt2）分別置于靠近鈦合金金屬植入物、不銹鋼金屬植入物的組織內(nèi)，各序列測試結(jié)果溫度-時間曲線如圖7所示。

圖7 采用方案一測量不同MR掃描序列下兩種金屬植入物的升溫狀況

在SE序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1）由20.85℃升至21.35℃，升高0.5℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2）由20.81℃升至22.32℃，升高1.51℃。

在GRE序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1）由20.84℃升至21.14℃，升高0.3℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2）由20.87℃升至21.65℃，升高0.78℃。

在EPI序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1）由21.6℃升至21.9℃，升高0.3℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2）由21.6℃升至22.11℃，升高0.51℃。

2.3 采用方案二測量兩種金屬植入物附近組織的溫度變化

兩只熱敏電阻（Rt1’，Rt2’）分別置于靠近鈦合金金屬植入物、不銹鋼金屬植入物的組織內(nèi)，各序列測試結(jié)果溫度-時間曲線如圖8所示。

圖8 采用方案二測量不同MR掃描序列下兩種金屬植入物的升溫狀況

在SE序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1’）由23.52℃升至23.87℃，升高0.35℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2’）由23.6℃升至24.81℃，升高1.21℃。

在GRE序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1’）由24.1℃升至24.4℃，升高0.3℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2’）由24.12℃升至24.9℃，升高0.78℃。

在EPI序列下，鈦合金金屬植入物溫度（t1’）由23.47℃升至23.5℃，升高0.03℃；不銹鋼金屬植入物溫度（t2’）由23.47℃升至23.6℃，升高0.13℃。

3 討論

兩種方案測量的升溫結(jié)果對比如表2所示。在SE、GRE、EPI序列掃描下，磁共振掃描所致兩種金屬植入物鈦合金和不銹鋼均會引起附近組織升溫，相對于不銹鋼金屬植入物，鈦合金金屬植入物所致升溫效應(yīng)較小，因此在實(shí)際使用中安全性更高。三種掃描序列下，升溫效應(yīng)按SE、GRE、EPI次序依次減弱。研究中采用兩種測溫方案均能反映這一現(xiàn)象，但采用切換電路測溫法（方案一）操作不方便，且同一時間內(nèi)數(shù)據(jù)獲取較少，相鄰數(shù)據(jù)間約間隔1 min，無法精確反應(yīng)細(xì)節(jié)變化，且連續(xù)性較差；而采用自制電路（方案二），經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集后送電腦經(jīng)LabVIEW[16]處理記錄時可獲得每秒甚至毫秒級的數(shù)據(jù)，且操作簡單，無須手動切換即可實(shí)時同步記錄多通道數(shù)據(jù)。

表2 兩種方案測量的升溫結(jié)果對比（℃）

本研究將鈦合金和不銹鋼等常用金屬植入物在磁共振檢查中的極端參數(shù)條件下進(jìn)行產(chǎn)熱檢測。SE序列產(chǎn)熱效應(yīng)最大，鈦合金和不銹鋼植入物引起的組織附近平均升溫分別約為0.5℃和1.5℃，且在所有序列掃描中，不銹鋼升溫結(jié)果均高于鈦合金升溫結(jié)果，且升溫明顯。由圖7和圖8可以確定磁共振檢查時間越長升溫越高。

研究中所使用鈦合金橈骨鎖定板符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5832-3、中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T13810-2007，牌號為Ti-6Al-4V合金；不銹鋼橈骨鎖定板符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5832-1、中國標(biāo)準(zhǔn)GB4234-2007，牌號為OOCr18Ni14Mo3。以上兩種橈骨鎖定板均為目前最常用金屬植入物材料成分，具有代表性。

該研究過程需注意以下四點(diǎn)：① 人體仿真物的溫度要與磁共振機(jī)房環(huán)境溫度高度一致，否則會造成溫度測量值不準(zhǔn)確，值偏高或偏低，試驗(yàn)用豬腿需提前12 h放進(jìn)磁共振檢查室內(nèi)，并將機(jī)房精密空調(diào)波動范圍調(diào)節(jié)至最?。虎趯?shí)驗(yàn)中連接傳感器和測量電路的導(dǎo)線需外裹銅箔，多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未包裹銅箔的導(dǎo)線在射頻掃描時會對采集結(jié)果造成很嚴(yán)重的干擾；③ 實(shí)驗(yàn)過程不能隨意打開機(jī)房屏蔽門，如果打開屏蔽門則會造成機(jī)房溫度波動，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偏差；④ 實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)線是從屏蔽門縫引出來的，所以屏蔽門容易關(guān)不嚴(yán)，本試驗(yàn)過程中出現(xiàn)過因屏蔽門未關(guān)好，導(dǎo)致外界干擾造成所采集數(shù)據(jù)波動很大的情況。

研究結(jié)果中不銹鋼金屬植入物和鈦合金金屬植入物兩種材料均會導(dǎo)致局部組織溫度的升高。SE序列產(chǎn)熱效應(yīng)最大，鈦合金和不銹鋼植入物引起的組織附近平均升溫分別約為0.5℃和1.5℃，且在所有序列掃描中，不銹鋼植入物的升溫均高于鈦合金植入物的升溫，且前者較后者升溫明顯，磁共振檢查時間越長升溫越高。原因可能為鈦合金金屬植入物鐵磁性要弱于不銹鋼金屬植入物，其產(chǎn)生磁場感應(yīng)的電流效應(yīng)作用也要弱于不銹鋼金屬植入物，故醫(yī)用鈦合金金屬植入物表現(xiàn)為弱磁性，醫(yī)用不銹鋼金屬植入物表現(xiàn)為強(qiáng)磁性。所以相對于不銹鋼金屬植入物，鈦合金金屬植入物所致升溫效應(yīng)較小，因此在實(shí)際使用中安全性更高?；颊呓邮艽殴舱駲z查時，對于有多序列多部位檢查的患者，其體內(nèi)的金屬植入物在檢查時有潛在危險(xiǎn)，且攜帶不銹鋼金屬植入物的患者比攜帶鈦合金的患者檢查風(fēng)險(xiǎn)更高。建議在做磁共振檢查前一定要有專業(yè)醫(yī)師、技師評估，確定對其沒有傷害、傷害較小及不會造成醫(yī)療事故后，方可同意病人接受檢查。