金屬植入物在磁共振檢查中的致升溫效應及安全性分析

何偉，王傳兵，高虹，張暉，汪纓，孫小磊

南京醫科大學第一附屬醫院 a. 臨床醫學工程處；b. 放射科，江蘇 南京 210029

引言

隨著科技的發展和醫學技術的進步，磁共振（Magnetic Resonance，MR）檢查越來越普及。當患者接受MR檢查時，需將人體置于強大的外加磁場中，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）的產熱效應及安全性分析，為以后的MR檢查提供數據參考。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

實驗中選用天津正大醫療器械有限公司生產的橈骨鎖定板，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數據采集器一臺（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）。實驗儀器選用美國GE公司1.5 T MR（HDXt）及3.0 T MR（750 W）[13-14]。

1.2 實驗參數設置

實驗過程中為了實驗有顯著效果，所選用的序列都是基于常規序列，調節各參數使得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）。各掃描序列參數設置如表1所示。

圖1 兩種金屬植入物

表1 各掃描序列參數

1.3 實驗方法

1.3.1 熱敏電阻標定

實驗前，先將熱敏電阻進行精密標定（圖2）。采用高精度溫度標準器（二等標準鉑電阻，精度約0.02℃），標準水槽（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）對熱敏電阻進行精密標定，標定溫度范圍為30℃～ 42℃，溫度間隔為1℃。

圖2 熱電阻標定

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行磁共振掃描，選用鈦合金和不銹鋼兩種金屬植入物。實驗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。實驗中將連接的導線全部包裹銅箔，以屏蔽射頻場的干擾（圖3）。

實驗中采用兩種方案進行數據采集并進行比較。方案一是兩個熱敏電阻連接到切換開關，而切換開關與高精度數字萬用表相連，將萬用表連接至電腦，通過EXCEL內置軟件記錄各時刻采集到的熱敏電阻阻值（Rt1，Rt2），根據熱敏電阻阻-溫曲線獲得相應的溫度變化（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 實驗過程圖片

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；而方案二則通過數據采集卡多通道同時測量，獲取每個時刻的不同熱電阻阻值，可實現同步測量。采集卡及測量電路實物如圖5。

圖5 采集卡及測量電路

2 實驗結果

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

2.1 熱電阻標定曲線及阻值-溫度特性分析

根據1.3中所述熱敏電阻標定方法，我們標定了3個熱敏電阻（圖6a，圖6b，圖6c），并對其進行曲線擬合，標定曲線，見圖6?？梢钥吹皆谒鶚硕囟确秶鷥龋瑴囟扰c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）。在所標定溫度區間內（16℃～24℃）熱敏電阻的阻值-溫度間關系為t=-0.374×r+43.07，其中t為溫度值，單位為℃，r為對應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行不同序列測溫實驗。

圖6 熱敏電阻標定曲線

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，各序列測試結果溫度-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，各序列測試結果溫度-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較小，因此在實際使用中安全性更高。三種掃描序列下，升溫效應按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，且同一時間內數據獲取較少，相鄰數據間約間隔1 min，無法精確反應細節變化，且連續性較差；而采用自制電路（方案二），經數據采集卡采集后送電腦經LabVIEW[16]處理記錄時可獲得每秒甚至毫秒級的數據，且操作簡單，無須手動切換即可實時同步記錄多通道數據。

表2 兩種方案測量的升溫結果對比（℃）

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條件下進行產熱檢測。SE序列產熱效應最大，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，不銹鋼升溫結果均高于鈦合金升溫結果，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準ISO5832-3、中國標準GB/T13810-2007，牌號為Ti-6Al-4V合金；不銹鋼橈骨鎖定板符合國際標準ISO5832-1、中國標準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：① 人體仿真物的溫度要與磁共振機房環境溫度高度一致，否則會造成溫度測量值不準確，值偏高或偏低，試驗用豬腿需提前12 h放進磁共振檢查室內，并將機房精密空調波動范圍調節至最小；②實驗中連接傳感器和測量電路的導線需外裹銅箔，多次實驗發現未包裹銅箔的導線在射頻掃描時會對采集結果造成很嚴重的干擾；③ 實驗過程不能隨意打開機房屏蔽門，如果打開屏蔽門則會造成機房溫度波動，實驗數據會出現偏差；④ 實驗用導線是從屏蔽門縫引出來的，所以屏蔽門容易關不嚴，本試驗過程中出現過因屏蔽門未關好，導致外界干擾造成所采集數據波動很大的情況。

研究結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致局部組織溫度的升高。SE序列產熱效應最大，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，其產生磁場感應的電流效應作用也要弱于不銹鋼金屬植入物，故醫用鈦合金金屬植入物表現為弱磁性，醫用不銹鋼金屬植入物表現為強磁性。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較小，因此在實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，其體內的金屬植入物在檢查時有潛在危險，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險更高。建議在做磁共振檢查前一定要有專業醫師、技師評估，確定對其沒有傷害、傷害較小及不會造成醫療事故后，方可同意病人接受檢查。