畢 帆，王龍辰，李 斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200233

MR射頻能量特定吸收率的計(jì)算及其臨床應(yīng)用

【作者】畢 帆，王龍辰，李 斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200233

該文綜述了MR射頻能量特定吸收率的基本原理和計(jì)算方法，同時(shí)討論了射頻能量特殊吸收率在臨床上的應(yīng)用。

射頻能量；特定吸收率；計(jì)算；臨床應(yīng)用

磁共振成像（MRI）系統(tǒng)以其出色的組織分辨率、任意方位斷層成像和無電離輻射等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于臨床，當(dāng)前正朝著高場(chǎng)和超高場(chǎng)方向發(fā)展。與低場(chǎng)MR相比，高場(chǎng)和超高場(chǎng)MR在成像速度、圖像信噪比和分辨率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，射頻場(chǎng)的安全問題變得不容忽視。患者在進(jìn)行MR檢查中，人體組織會(huì)與射頻線圈產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)相互作用，射頻電磁場(chǎng)所負(fù)載的能量被人體內(nèi)氫質(zhì)子吸收，其中一部分以射頻信號(hào)的形式發(fā)射，被接收線圈接收產(chǎn)生信號(hào)，而剩下的約70%被人體組織所吸收，組織內(nèi)的能量沉積通過熱能散發(fā)出來[1]，若能量不能及時(shí)通過患者的新陳代謝等方式散發(fā)，將導(dǎo)致受檢者組織溫度升高，甚至造成熱損傷[2]。早期研究者定義了射頻能量特定吸收率（specific absorption rate，SAR）這一指標(biāo)來確定單位質(zhì)量的生物組織中射頻能量的吸收功率。故研究MR射頻能量特定吸收率的計(jì)算及其臨床應(yīng)用對(duì)于保障患者受檢安全、最大限度利用MR服務(wù)臨床具有重要意義。

1 SAR基本原理

射頻(Radio Frequency，RF)的頻率范圍是0～30 000 GHz，射頻輻射最大的生物效應(yīng)是與電磁場(chǎng)相關(guān)的熱效應(yīng)[3]。研究表明，射頻輻射可導(dǎo)致包括視覺、聽覺、內(nèi)分泌、神經(jīng)、免疫系統(tǒng)在內(nèi)的疾病發(fā)生。通常，這些損害都是由于射頻能量所引起組織的熱效應(yīng)導(dǎo)致的。為了定量地說明在射頻場(chǎng)中組織吸收射頻能量的情況，避免受檢者產(chǎn)生局部熱損傷，SAR這一安全指標(biāo)被引入，它表示的是單位質(zhì)量的生物組織中射頻能量的吸收功率，其單位為W/kg。SAR是對(duì)組織中電磁能量吸收值或射頻能量沉積的度量，可分為全身SAR（global SAR或Whole-Body SAR）和局部SAR(Local SAR)，分別對(duì)應(yīng)全身組織和局部組織平均的射頻能量特定吸收率。SAR在掃描中人體各部位分布變化很大，其主要原因是人體各部位組織（容積、電特性等）差異較大，同時(shí)又受到MR硬件和掃描序列等因素的影響，如磁場(chǎng)強(qiáng)度、射頻脈沖的類型(90o或180o)、重復(fù)時(shí)間和帶寬、線圈效率等因素。

SAR作為評(píng)估射頻脈沖造成的組織內(nèi)能量分布的指標(biāo)，同時(shí)反映組織受到的熱損害的可能性。各國(guó)家和組織對(duì)于SAR的限制不盡相同，如國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)規(guī)定MRI系統(tǒng)中射頻信號(hào)產(chǎn)生的部分人體SAR不能超過8.0 W/kg，即用于研究的部分人體組織SAR的均值；局部SAR（任意10 g組織SAR的均值）不能超過10.0 W/kg。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）也規(guī)定在15 min內(nèi)全身平均SAR不能超過4.0 W/kg。這些規(guī)定限制了人體組織吸收掃描過程中產(chǎn)生的射頻能量，降低了掃描風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上保障了患者的受檢安全。

2 SAR的仿真計(jì)算

在MR設(shè)備中，人體各組織和部位的SAR的閾值已經(jīng)存儲(chǔ)于設(shè)備中，主要包含局部組織（如肌肉、脂肪等）、各人體部位（如腹部、頭部等）和全身的SAR閾值。在正式掃描前準(zhǔn)備工作完成后，設(shè)備可根據(jù)采用的序列、受檢者體重、部位、采用的線圈等因素自動(dòng)計(jì)算出此次掃描的SAR值，若超過閾值將自動(dòng)停止掃描。但是由于受檢者身材、各組織成分分布不同等因素影響，機(jī)器算出的SAR對(duì)不同受檢者適用性不一，存在錯(cuò)誤計(jì)算SAR的情況，對(duì)受檢者造成潛在威脅。故對(duì)于SAR的仿真計(jì)算是極其重要的。

SAR的仿真計(jì)算可采用電磁場(chǎng)仿真和構(gòu)建病人模型的方法[4]來進(jìn)行。現(xiàn)有的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真方法主要包含時(shí)域有限差分法（fnite-differences time domain，F(xiàn)DTD）、矩量法（method of moment，MOM）和有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）三種方法[5]。其中，時(shí)域有限差分法應(yīng)用最為廣泛[6]，該方法是由Yee最早提出。該方法直接對(duì)麥克斯韋方程作差分處理，同時(shí)對(duì)電磁場(chǎng)的分量在時(shí)間和空間上交替采樣，在初始條件和邊界條件下逐步求解每一時(shí)刻空間中各個(gè)點(diǎn)的電磁場(chǎng)分布。計(jì)算SAR不僅需要對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，而且建立合適的人體仿真模型是計(jì)算SAR的關(guān)鍵，近年來以Visible Human Male and Female[7]、the Virtual Family[8]、the NORMAN和NAOMI[9]最為普遍。盡管上述人體仿真模型的出現(xiàn)，但由于人體組織的差異性和不確定性[10-11]，通過上述模型仿真計(jì)算出的SAR的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。有研究人員就認(rèn)為通過一般的人體模型仿真計(jì)算的局部SAR受到受檢者的身材、性別、組織脂肪分布[7]、受檢部位等因素影響，具有不確定性。基于上述缺點(diǎn)，Homann等[11]提出了一種基于全身水脂分離的原始MR數(shù)據(jù)來產(chǎn)生個(gè)性化的人體模型的方法，從而仿真計(jì)算出局部SAR。該方法利用FDTD方法對(duì)磁通密度為3 T的體線圈進(jìn)行仿真來確定建立人體模型所需要的空間分辨率和軟組織分級(jí)情況，結(jié)果表明空間分辨率為5 mm有助于局部SAR的仿真計(jì)算，同時(shí)將人體組織分為三種：脂肪組織、含水豐富組織以及肺組織?；谏鲜鎏岢隽艘环N基于個(gè)體的局部SAR仿真計(jì)算的方法。這種方法提供了一種新的建立個(gè)性化模型的方法，提供了較為準(zhǔn)確的SAR仿真計(jì)算。

全身SAR可以通過測(cè)算正向和反向的射頻能量差來進(jìn)行仿真計(jì)算，前提是忽略射頻能量損耗和線圈功率損耗[12]。通常的計(jì)算方法是在受檢時(shí)間內(nèi)平均輸入功率除以患者體重來得到的[13]。但局部SAR的計(jì)算不能采用全身SAR的計(jì)算方法，因?yàn)榫植縎AR與組織的介電性能、質(zhì)量密度和復(fù)雜的三維電場(chǎng)分布有關(guān)。Seifert等[14]采用FDTD方法，在磁通量密度為3 T的條件下，計(jì)算出由瓊脂糖凝膠構(gòu)成的圓柱形體模在4通道的陣列線圈下的SAR分布，但是由于體模是均勻的，不能模擬出人體內(nèi)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和三維電場(chǎng)模型，因而不能計(jì)算出人體各組織的SAR。針對(duì)這個(gè)劣勢(shì)，曾雁冰等[15]同樣使用FDTD方法仿真計(jì)算在磁通量密度為1.5 T條件下，女性盆腔下不同組織SAR的分布。采用的盆腔模型是通過電磁仿真軟件所建立的，分割出六種不同組織（皮膚、脂肪、肌肉、骨骼、子宮和子宮腔），運(yùn)用FDTD方法仿真16角鳥籠線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，從而計(jì)算出不同組織的SAR，研究了局部SAR在不同組織中的分布規(guī)律。但在更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下不同組織SAR分布規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。Zhang等[16]采用FEM方法在磁通量密度為3 T條件下，仿真計(jì)算了射頻線圈在人體頭部產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。但是FEM方法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)內(nèi)存要求高，網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度影響很大。所以在電磁場(chǎng)仿真，特別是模擬射頻線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中不常使用。

3 SAR的臨床應(yīng)用

SAR作為MR保障患者受檢安全的重要參數(shù)在臨床上應(yīng)用廣泛。SAR表示的是人體組織對(duì)于射頻能量的吸收功率，可導(dǎo)致人體組織溫度的升高。在MR受檢過程中，人體組織溫度的升高與多種復(fù)雜因素有關(guān)，如射頻脈沖的持續(xù)時(shí)間、能量沉積的速率、磁體間的溫度和濕度有關(guān)，同時(shí)也受到病人體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、所穿衣物厚度等因素影響。為了說明人體組織溫度升高與MR靜磁場(chǎng)或射頻場(chǎng)是否有關(guān)，F(xiàn)rank等[17]利用熒光溫度計(jì)（不受磁場(chǎng)影響）對(duì)1.5 T靜磁場(chǎng)中人體的體溫進(jìn)行了研究。為了分別測(cè)定人體體表和深層體溫，體表溫度探頭分別置于前額、前臂、胸前、小腿、大腿和腹部；測(cè)量深層體溫時(shí)將探頭置于舌下。每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)20 min。最后將6位受檢者在磁體間內(nèi)外溫度做方差分析，發(fā)現(xiàn)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在靜磁場(chǎng)中，至少在20 min內(nèi)人體體表和深層溫度無明顯變化。這一實(shí)驗(yàn)證明了人體體溫的變化與靜磁場(chǎng)無關(guān)，在MR硬件方面完全是由射頻場(chǎng)造成的。射頻能量對(duì)人體的生物效應(yīng)主要是熱效應(yīng)，人體所吸收的射頻能量會(huì)導(dǎo)致組織溫度的升高?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明[18]，MR掃描可導(dǎo)致皮膚溫度的顯著升高，但是否對(duì)人體造成損傷，至今無確切定論。對(duì)于造成組織溫度的升高也要考慮到一些其他因素。比如對(duì)于老年病人，發(fā)熱病人，糖尿病人或肥胖病人等體溫調(diào)節(jié)出現(xiàn)損傷的病人，接受MR檢查產(chǎn)生的組織溫度變化就需要進(jìn)一步研究。除此之外，某些藥物，如鈣阻斷劑、β受體阻斷劑、利尿劑、血管舒張劑等，可能會(huì)影響病人的體溫調(diào)節(jié)功能，這些病人在進(jìn)行MR檢查時(shí)也需進(jìn)一步研究其體溫變化。

Oh等[19]為了證明由于SAR導(dǎo)致人體組織溫度上升，采用體模測(cè)試和人體前臂測(cè)試，利用基于水質(zhì)子共振頻率偏移的技術(shù)（proton resonance frequency shift technique，PRF）進(jìn)行MR測(cè)溫，通過體模和人體前臂測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明會(huì)使組織溫度升高，為將來提供組織溫度閾值。Boss等[20]采用人體實(shí)驗(yàn)的方式量化射頻能量對(duì)人體溫度影響大小，將18位志愿者分為三組，分別對(duì)盆腔、頭部和膝關(guān)節(jié)在3 T MR上進(jìn)行掃描，分別采用兩種序列，一種是利用現(xiàn)有SAR最高的序列進(jìn)行掃描，另一種采用所謂“安慰劑”序列，即無射頻能量產(chǎn)生。利用光纖溫度計(jì)和紅外熱像儀測(cè)量受檢者檢查前后的體溫進(jìn)行比較，結(jié)果顯示在進(jìn)行頭部和盆腔掃描時(shí)，應(yīng)用SAR較高序列，受檢者組織溫度會(huì)明顯上升相對(duì)于無射頻能量產(chǎn)生序列。但是對(duì)于膝關(guān)節(jié)掃描無此現(xiàn)象。Wang等[21]利用數(shù)值仿真的方法分別計(jì)算出頭部在1.5 T、3 T、4.7 T、7.0 T、8.0 T和9.4 T場(chǎng)強(qiáng)下SAR和體溫的變化，結(jié)果表明，場(chǎng)強(qiáng)和SAR、體溫上升程度成正相關(guān)。

在臨床中進(jìn)行MR掃描過程中，系統(tǒng)通過序列參數(shù)、病人體重等信息實(shí)時(shí)計(jì)算出SAR，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，MR將自動(dòng)停止掃描。暫停一段時(shí)間后，待組織所吸收的能量釋放到安全范圍內(nèi)時(shí)，MR將會(huì)開始掃描。故在掃描前根據(jù)病人的實(shí)際情況采用合適的序列進(jìn)行SAR的預(yù)估十分重要，這有助于避免病人在受檢過程灼傷，近年來在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中均有報(bào)道[22]。正如前文所述，SAR與多種復(fù)雜因素有關(guān)，但主要影響因素是主磁場(chǎng)的強(qiáng)度、均勻度和梯度線圈的強(qiáng)度和切換率。故在高場(chǎng)和超高場(chǎng)磁共振中，SAR問題更為突出。在臨床上，為了保證病人安全，通過采用合適的掃描序列和參數(shù)可以最大限度的控制SAR問題。在自旋回波類（spin echo，SE）序列中，以主磁場(chǎng)的因素為主，梯度線圈幾乎沒有影響，而在自旋回波（gradient recalled echo，GRE）類序列中，以梯度線圈的因素為主，主磁場(chǎng)的因素為次。在不同的序列中，長(zhǎng)回波鏈（echo train length，ETL）的FSE序列或單次激發(fā)FSE序列的SAR問題更為嚴(yán)重，因?yàn)榇祟愋蛄欣眠B續(xù)的180°脈沖進(jìn)行激發(fā)，射頻能量較大，會(huì)對(duì)病人造成潛在威脅。在高場(chǎng)強(qiáng)下減小SAR通常是采用權(quán)衡措施，如增加圖像的采集時(shí)間，降低分辨力或者降低信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。故可在滿足臨床需求的前提下，采用GRE和EPI序列代替FSE或單次激發(fā)FSE序列。同時(shí)也可采用縮短回波鏈長(zhǎng)度、延長(zhǎng)重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）、延長(zhǎng)回波間隙（echo spacing，ES）或減少掃描層數(shù)。對(duì)于特殊病人可采用修改射頻脈沖，減低射頻能量，保障病人安全。

4 討論與展望

MR射頻能量是一把雙刃劍，一方面用于激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生，另一方面過高的射頻能量會(huì)對(duì)受檢者造成潛在傷害。對(duì)于射頻能量特殊吸收率的計(jì)算和在臨床上應(yīng)用研究有助于進(jìn)一步探討MR的生物效應(yīng)，如何最大限度的利用MR服務(wù)臨床同時(shí)保障受檢者的安全是值得進(jìn)一步研究的課題。

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Calculation of MR Radiofrequency Specifc Energy Absorption Rate and Clinical Application

【W(wǎng)riters】Bi Fan, Wang Longchen, Li Bin Department of Medical Equipment, the 6th People’s Hospital Affliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200233

This paper reviews the basic principles and calculation methods of MR specifc absorption rate, discusses the clinical
application of MR specifc absorption rate.

radiofrequency energy, specifc absorption energy, calculation, clinical application

R445.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.009

1671-7104(2014)06-0423-04

2014-07-29

畢帆，E-mail: bifan_felix@126.com

李斌，教授級(jí)高級(jí)工程師，E-mail: libin2001@hotmail.com