楊夢旭，何 偉，王傳兵

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是影像學(xué)檢查的主要方法之一，近年來隨著MRI技術(shù)地不斷發(fā)展，去偽影算法的不斷改進(jìn)，金屬偽影已能被較好抑制[1~4]。另外，隨著金屬植入物越來越多地應(yīng)用到骨科的治療中，攜帶有金屬植入物患者的MRI檢查需求也日益增多。然而由于靜磁場、梯度磁場和射頻磁場的共同作用，會造成金屬植入物的特性變化，除了面臨優(yōu)化圖像、消除偽影的挑戰(zhàn)外，安全問題也日益受到醫(yī)患雙方的關(guān)注，成為亟待解決的問題之一[5~8]。其中梯度磁場和射頻脈沖會使金屬材料產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致金屬材料溫度的升高[9~11]，嚴(yán)重時會造成組織灼傷[12]，故其致熱效應(yīng)是不可忽視的問題。

射頻能級吸收率（apecific absorption rate，SAR）是衡量射頻脈沖所激發(fā)的射頻能量在人體內(nèi)聚集產(chǎn)生熱量的參數(shù)，與磁場強(qiáng)度的平方成正比。金屬植入材料的致熱效應(yīng)可用SAR值作為衡量指標(biāo)。但是由于MRI設(shè)備生產(chǎn)廠商對SAR計算方法標(biāo)準(zhǔn)的不一致，導(dǎo)致很難用單一的SAR值來確定安全閾值。目前也尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來控制致熱效應(yīng)的安全風(fēng)險。為了評估金屬植入物的致熱效應(yīng)，分析金屬植入物在例行MRI檢查中的安全性，筆者選取了4種骨科常用金屬植入材料，研究其在MRI掃描下的溫度變化，為MRI檢查的安全性分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用江蘇艾迪爾醫(yī)療科技有限公司（中國）生產(chǎn)的4種脛骨干和股骨干金屬植入材料，尺寸均為240 mm×9 mm×3 mm，材料分別是不銹鋼（S，型號00Cr17Ni14Mo3）、純鈦（Ti）和兩種鈦合金（TC20，型號Ti-6Al-7Nb；TC4，型號Ti-6Al-4V）。見圖1。

圖1 4種骨科金屬植入材料Fig.1 Images of orthopedics metal implants of 4 kinds

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1.1 溫度傳感器 實(shí)驗(yàn)使用精度為0.1%的負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻（型號為MF51E-503E3943。南京時恒電子科技有限公司，中國）作為溫度傳感器；此溫度傳感器在25℃時阻值為51 kΩ，在溫度升高時阻值下降，溫度下降時阻值升高。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前對熱敏電阻進(jìn)行了標(biāo)定。

1.2.1.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) 通過測溫電路來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。圖2為測溫電路的設(shè)計原理圖。熱敏電阻RA和RB作為溫度傳感器，R為阻值為51 kΩ的精密定值電阻，兩者之間相互串聯(lián)。其中：Vcc為9 V直流電源；VA、VB為所測電壓，由電路原理可知：

圖2 測溫電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature measuring circuit

待測的電壓值VA、VB由數(shù)據(jù)采集卡通過通用串行總線（universal serial bus，USB）（北京阿爾泰科技USB數(shù)據(jù)采集卡，產(chǎn)品型號為USB2085，中國）接口實(shí)時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端（圖3A）。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后實(shí)時顯示在LabVIEW程序前面板窗口中（圖3B）。在實(shí)驗(yàn)中，為了防止數(shù)據(jù)干擾，所有導(dǎo)線均使用銅箔包裹以屏蔽干擾（圖3C）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體實(shí)物圖如圖3D所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Diagrams of data acquisition system

數(shù)據(jù)后期處理使用MATLAB完成，首先將測得的電壓值VA、VB通過公式（1）和公式（2）計算得出RA和RB的阻值；再由標(biāo)定結(jié)果代入RA和RB的阻值，即可得出傳感器1和傳感器2的所測溫度。

1.2.2 環(huán)境模擬和傳感器安裝

根據(jù)美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會（American Society of Testing Materials，ASTM）標(biāo)準(zhǔn)要求，使用組織補(bǔ)償液來模擬人體環(huán)境（圖4）；該介質(zhì)在射頻磁場下具有類似于人體組織的平均物理屬性，即在電導(dǎo)率、介電常數(shù)、熱導(dǎo)率、熱容量和質(zhì)量密度等參數(shù)上與人體組織相似。

圖4 組織補(bǔ)償液和傳感器Fig.4 Diagram of tissue substitute and installation of sensors

研究發(fā)現(xiàn)MRI設(shè)備掃描導(dǎo)致的金屬致熱效應(yīng)在兩端的更為明顯[12，13]，所以實(shí)驗(yàn)將溫度傳感器1固定在金屬植入材料的一端，用以監(jiān)測金屬植入材料溫度的變化；溫度傳感器2放置在距離金屬植入材料大約8 cm處，用以監(jiān)測背景溫度的變化。組織補(bǔ)償液提前1 d放置在檢查室內(nèi)，確保補(bǔ)償液與環(huán)境溫度一致。

1.2.3 金屬植入材料溫度測試步驟

選用的MRI設(shè)備分別為磁場強(qiáng)度為1.5 T的中國聯(lián)影uMR 560和3.0 T的美國GE 750 W，掃選序列均采用快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）序列，兩者參數(shù)：視野（field of view，F(xiàn)OV）=27 cm，層厚=6 mm，層數(shù)=20，重復(fù)時間（time of repeatation，TR）=215 s，回波時間（time of echo，TE）=2 s，掃描時間=5 min。

（1）溫度傳感器1固定在待測的金屬植入材料的一端，將金屬植入材料放入組織補(bǔ)償液中，使用固定支架保持其位置不變；溫度傳感器2放置在組織補(bǔ)償液中，兩個傳感器均連接測溫系統(tǒng)。

（2）將組織補(bǔ)償液放置在1.5 T MRI檢查床上，設(shè)置掃描參數(shù)進(jìn)行掃描，采集并保存數(shù)據(jù)。

（3）更換其余3種金屬植入材料，重復(fù)步驟1和2，采集并保存數(shù)據(jù)。

（4）更換3.0 T MRI，重復(fù)測試4種金屬植入材料的溫度變化曲線，保存數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 熱敏電阻標(biāo)定結(jié)果

熱敏電阻的標(biāo)定結(jié)果如圖5所示，溫度傳感器1的阻值和溫度之間線性關(guān)系為y=-0.403 7x+44.954 0，溫度傳感器2的阻值和溫度之間線性關(guān)系為y=-0.404 4x+44.971 0，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 1，可知兩個溫度傳感器的阻值和溫度均具有高度的線性負(fù)相關(guān)性。

圖5 熱敏電阻標(biāo)定結(jié)果Fig.5 Diagrams of thermistor calibration results

2.2 1.5 T MRI掃描后金屬植入材料結(jié)果

1.5 T MRI掃描時的數(shù)據(jù)結(jié)果見圖6。圖中藍(lán)色曲線代表金屬植入材料溫度，紅色曲線代表環(huán)境溫度。由S金屬植入材料的溫度變化曲線（圖6A）可見，開始掃描6 s后，環(huán)境溫度由24.3℃上升到24.7℃，該金屬植入材料溫度由23.7℃上升到25.5℃，該金屬植入材料溫度與環(huán)境溫度的最大溫差為0.94℃。TC20金屬植入材料的溫度變化曲線（圖6B）所示，開始掃描后，10 s內(nèi)該金屬植入材料的溫度由24.0℃上升至26.4℃，環(huán)境溫度也有略微的上升，該金屬植入材料的溫度相比環(huán)境溫度明顯升高了1.81℃。TC4金屬植入材料的溫度變化曲線（圖6C）所示，開始掃描后，該金屬植入材料的溫度由23.5℃上升至27.0℃，環(huán)境溫度也上升了大約1.0℃，該金屬植入材料溫度相比環(huán)境溫度最大溫差為2.10℃。Ti金屬植入材料的溫度變化曲線（圖6D）所示，開始掃描后5 s，金屬植入材料溫度由22.7℃升高至24.4℃，環(huán)境溫度有較小的升高，該金屬植入材料溫度相比環(huán)境溫度最大溫差為1.22℃。

圖6 1.5 T MRI掃描時4種金屬植入材料的溫度變化曲線Fig.6 Temperature curves of 4 metal implants by 1.5 T MRI scanning

2.3 3.0 T MRI掃描后金屬植入材料結(jié)果

3.0 T MRI掃描4種金屬植入材料的溫度變化見圖7。S金屬植入材料（圖7A）的溫度由23.7℃升高至24.3℃，環(huán)境溫度大約升高了0.3℃，環(huán)境溫度與金屬植入材料溫度相對溫差最高值為0.99℃。TC20金屬植入材料在開始掃描之后，溫度由23.7℃升高至26.4℃，環(huán)境溫度小幅升溫，兩者最大溫差3.03℃。TC4金屬植入材料在3.0 T MRI掃描時，溫度由23.0℃上升至26.0℃，同時環(huán)境溫度也有小幅度的上升，該金屬植入材料的溫度與環(huán)境溫度之間的最大溫差為2.27℃。Ti金屬植入材料使用3.0 T MRI掃描時，溫度由23.8℃上升至25.9℃，該金屬植入材料的溫度與環(huán)境溫度之間的最大溫差為1.96℃。

圖7 3.0 T MRI掃描時4種金屬植入材料的溫度變化曲線Fig.7 Temperature curves of 4 metal implant plates by 3.0 T MRI scanning

3 討論

筆者通過MRI掃描下對金屬植入物進(jìn)行的溫度監(jiān)測與分析，研究了4種骨科常用的金屬植入材料，即S、TC20、TC4和Ti在1.5 T和3.0 T MRI掃描下的升溫情況，對帶有金屬植入材料患者的檢查安全性分析有一定的參考意義。

MRI的致熱效應(yīng)在金屬植入材料的不同位置上有很大差異，其熱量分布通過金屬植入材料的磁軸左右對稱；另外，相關(guān)文獻(xiàn)資料也指出射頻磁場導(dǎo)致的金屬升溫情況在細(xì)長的物體上表現(xiàn)得更加明顯，且在兩端的升溫更多[13，14]。參考了最近頒布的ASTM標(biāo)準(zhǔn)F2182[15]，為了控制風(fēng)險，盡可能測出最高的升溫狀況，筆者選用了長為24 cm細(xì)長型骨科金屬植入材料，并將溫度傳感器貼合于金屬板的一端。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計是為了找出“最壞的情況”，以更好地控制MRI檢查時的安全風(fēng)險。

筆者實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對比同種金屬材料，1.5 T MRI設(shè)備產(chǎn)生的致熱效應(yīng)明顯小于3.0 T，即致熱效應(yīng)隨場強(qiáng)的增大而增大。對比不同材料，磁場強(qiáng)度為1.5 T的MRI設(shè)備，掃描時致熱效應(yīng)情況由小到大依次為：S

綜上所述，在對帶有金屬植入材料患者進(jìn)行MRI檢查時，必須綜合考慮金屬植入材料的種類、形狀、尺寸，提前評估檢查的安全性，避免引起因致熱效應(yīng)導(dǎo)致的患者灼傷和其他損傷。

4 結(jié)論

MRI設(shè)備的致熱效應(yīng)和金屬材料種類密切相關(guān)，相同的MRI掃描條件下，鈦合金材料的致熱效應(yīng)最明顯，純鈦材料次之，不銹鋼材料最弱；另外，MRI設(shè)備的場強(qiáng)越大，金屬植入材料的致熱效應(yīng)越明顯。