MR生物效應及其對受檢者的影響

張偉超，張景國

（中國中醫科學院望京醫院放射科，北京 100102）

生物效應是指某種外界因素（例如物理因素、生物物質、化學藥品等）對生物體產生的影響。許多實驗觀測表明，生物所處的環境磁場（如地球的磁場）和用人工方法對生物施加的外磁場，也可對生命活動產生影響，而且這些影響還與所處的環境磁場和所加外磁場的強度和均勻度以及是否隨時間變化等因素有關。

MR是通過對靜磁場中人體施加特定頻率的射頻（radio frequency,RF）脈沖，使人體組織中的氫質子受到激勵而發生核磁共振現象。在RF的激發下，人體組織內氫質子吸收能量處于激發狀態，RF終止后，處于激發狀態的氫質子恢復其原始狀態。MR設備是利用RF終止后，氫質子發射射頻信號 （MR信號），將所產生的MR信號進行接收、空間編碼、轉換后形成圖像的一種技術。由于上述特點，MR檢查無電離輻射，只有人為施加的主磁場和射頻脈沖。本文將就MR檢查中磁場和射頻脈沖所產生的生物效應進行論述。

1 分析與方法

1.1 主磁場的生物效應

主磁場是磁共振成像系統的重要組成部分。主磁場的產生依賴磁體，可以有永磁，常導，超導，目前高場強的都是超導。超導其實就是一個大磁鐵，一旦電流導入，就無需再提供電流，電流在超低溫下幾乎不會損耗，強大的電流產生強磁場，平時主要是補充液氦。隨著超導磁體技術的日益成熟，場強有不斷提高的趨勢，美國食品和藥品管理局（the U.S.food and drug administration,FDA）和英國國家輻射防護委員會（national radiation protection board,NRPB）分別將成像的最高場強限制在3.0T和2.5T以內，國內現在使用的多是3.0T以內，超過3.0T的限制在實驗室使用。目前并無MR主磁場對人體造成損傷的可靠依據。有些長期處于主磁場環境中的工作人員可出現頭暈、頭痛、胸悶、乏力、食欲缺乏等癥狀，但這是否與主磁場直接相關目前還缺乏依據。

主磁場對人體的影響主要包括三個方面：

1.1.1 溫度效應

溫度效應是指主磁場對哺乳動物體溫的影響。它是MR成像技術早期最受關注的生物效應之一。關于這一方面的研究曾經非常多，且多年來文獻報道一直存在不同的觀點。1989年富蘭克（G.S.Frank）采用熒光溫度計證實對處于1.5T場強中至少20分鐘內人體的深、淺體溫均無明顯影響。現已證實，主磁場對人體的體溫不產生影響。

1.1.2 磁流體力學效應

是指主磁場對人體血流及其他流動液體產生的效應，表現為血沉加快、心電圖的改變等。血液中脫氧血紅蛋白的順磁性有可能使強磁場中的紅細胞出現一定數量的沉積，使血液粘稠度發生改變，但是這些物質的順磁性微弱，與施加的磁場無明顯的相互作用。同時人們在血液循環正常者身上觀察不到這種現象，這是因為血液的流動幾乎可以阻止紅細胞的沉降。磁流體動力學效應所致的心電圖改變主要表現為T波幅度加大，但不會引起其他心臟功能或循環系統功能的異常，并且當患者離開MR檢查室后，其心電圖上所出現的異常改變也會消失，因此一般認為沒有生物學危險。

1.1.3 中樞神經系統效應

由于神經的傳遞是一種電生理活動，因此理論上講，磁場有可能影響神經的傳導活動。其次從磁流體動力學考慮，磁場改變了腦血流量（cerebral blood flow,CBF），從而引起中樞神經系統的效應。現在國際上公認3.0T以下的靜磁場對于人體中樞系統沒有顯著的不良影響。需要指出的是，有文獻報道靜磁場對中樞神經系統的作用會影響MR腦功能成像（fMRI）的結果。WHO報告認為，現在暫無證據證明MRI靜磁場對健康有影響，人體志愿者試驗在8T下觀察中樞與外周神經、行為與認知、感官知覺、心功能、呼吸頻率、體溫等均無明顯變化，但考慮到MRI發展在不斷提高磁場強度，所以對靜磁場的危險應給予關注。

1.2 梯度磁場的生物學效應

梯度磁場是位于磁體腔內的幾組線圈通過電流而產生，附加在主磁場上，可以增加或減弱主磁場強度，使沿梯度方向的自旋質子具有不同的磁場強度，因而有不同類型的共振頻率。梯度磁場的用處主要在空間定位，包括相位編碼及頻率編碼，并可以通過梯度場明確空間上的任意位置。高場強MR系統梯度性能較高，由此帶來的高切換率會引起人體的周圍神經組織刺激效應，高切換率會使刺激反應更為明顯，梯度場對心臟、外周神經的刺激非常強，受檢者可能出現肢體發麻、肌肉不隨意的收縮或跳動等現象。由于梯度場對人體具有潛在的危險性，美國FDA為此發布了相關的安全標準，其基本內容如下：在MR檢查過程中受檢者所經受的梯度場變化率必須小于外周神經出現誤刺激的閾值，且至少應具有3倍以上的安全系數。最大梯度場變換率應在6T/s以下。平面回波序列（echo planar imaging,EPI）是引起梯度電流最大的序列，單次激發快速自旋回波（single shot fast spin echo,SSFSE）序列引起的梯度電流最小。用EPI掃描時，應告知受檢者雙手不能交叉放在一起，雙手亦不要與身體其他部位的皮膚直接接觸，這樣可以減少外周神經刺激效應的出現。

1.3 射頻脈沖的生物學效應

射頻脈沖主要作用是發射信號及采集信號，通過回波信號來了解組織的特性，主要形成T1加權像（T1 weighted image,T1WI），T2加權像 （T2 weighted image,T2WI）， 質 子 密 度 加 權 像 （proton density weighted image,Pd）及流動信號等。MR機在信號采集過程中需要利用射頻脈沖對氫質子進行激勵，射頻輻射量一般用特殊吸收率 （specific absorption rate,SAR）來表示，SAR指單位質量組織中RF功率的吸收量，單位為W/kg。美國國家標準協會（the American national standards institute,ANSI）和FDA推薦全身平均SAR值應該在0.4W/kg以下。SAR值的大小與靜磁場強度、射頻功率、射頻的持續時間、射頻的時間間隔、發射線圈類型和受檢者體重及受檢部位有關。射頻對人體的生物效應主要在于其致熱效應，即人體組織吸收射頻的能量可導致組織溫度升高。人體溫度上升只要不超過1℃，頭和軀干不會有副作用，但對嬰幼兒、孕婦、心臟病患者不能超過0.5℃。而0.4W/kg的SAR值不會超出限值。體溫升高的程度與射頻脈沖的持續時間、能量沉積速率、環境的溫度及濕度及受檢者體溫調節系統的狀態有關，不管何種射頻脈沖都會產生熱量。以SSFSE射頻脈沖產生的熱量最多，其次是快速自旋回波（fast spin echo,FSE）序列，EPI序列產生的熱量最少。梯度回波 （gradient recalled echo,GRE）序列射頻能量居中。因此在掃描中，先完成SAR值較高的SSFSE或FSE掃描，中間可穿插SAR值相對較低的擾相GRE（spoiled GRE,SPGR）和EPI掃描，以保證掃描的順利進行。

回波鏈長度（echo train length,ETL）越長，回波間隙（echo spacing,ES）越小，SAR值增加越明顯。掃描層數增加，飽和帶增寬增多，SAR值也會相應增加。重復時間（repetition time,TR）時間越短，SAR值越高。腹部、盆腔、脊柱FSE掃描中，有時為保證掃描，在不影響圖像質量的前提下，可適當增加TR時間。此時，雖然增加了一點掃描時間，卻能有效降低SAR值。

2 結論

目前在臨床應用的3.0T及以下的MR設備，其所產生的生物學效應對于受檢者是安全的，且不會造成受檢者不可逆的身體損傷。同時，檢查者在檢查前應詳細告知受檢者檢查的注意事項及可能產生的正常生理心理反應，檢查中選用恰當的脈沖序列，受檢者如有不適，應立即停止檢查。檢查后讓受檢者等待30分鐘再離開醫院。以上措施可以使生物效應對人體的影響降到最低限度并保證受檢者的安全。

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