MR射频能量特定吸收率的计算及其临床应用

毕 帆，王龙辰，李 斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处，上海市，200233

MR射频能量特定吸收率的计算及其临床应用

【作者】毕 帆，王龙辰，李 斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处，上海市，200233

该文综述了MR射频能量特定吸收率的基本原理和计算方法，同时讨论了射频能量特殊吸收率在临床上的应用。

射频能量；特定吸收率；计算；临床应用

磁共振成像（MRI）系统以其出色的组织分辨率、任意方位断层成像和无电离辐射等优势广泛应用于临床，当前正朝着高场和超高场方向发展。与低场MR相比，高场和超高场MR在成像速度、图像信噪比和分辨率等方面具有明显优势。但随着磁场强度的增大，射频场的安全问题变得不容忽视。患者在进行MR检查中，人体组织会与射频线圈产生的射频电磁场相互作用，射频电磁场所负载的能量被人体内氢质子吸收，其中一部分以射频信号的形式发射，被接收线圈接收产生信号，而剩下的约70%被人体组织所吸收，组织内的能量沉积通过热能散发出来[1]，若能量不能及时通过患者的新陈代谢等方式散发，将导致受检者组织温度升高，甚至造成热损伤[2]。早期研究者定义了射频能量特定吸收率（specific absorption rate，SAR）这一指标来确定单位质量的生物组织中射频能量的吸收功率。故研究MR射频能量特定吸收率的计算及其临床应用对于保障患者受检安全、最大限度利用MR服务临床具有重要意义。

1 SAR基本原理

射频(Radio Frequency，RF)的频率范围是0～30 000 GHz，射频辐射最大的生物效应是与电磁场相关的热效应[3]。研究表明，射频辐射可导致包括视觉、听觉、内分泌、神经、免疫系统在内的疾病发生。通常，这些损害都是由于射频能量所引起组织的热效应导致的。为了定量地说明在射频场中组织吸收射频能量的情况，避免受检者产生局部热损伤，SAR这一安全指标被引入，它表示的是单位质量的生物组织中射频能量的吸收功率，其单位为W/kg。SAR是对组织中电磁能量吸收值或射频能量沉积的度量，可分为全身SAR（global SAR或Whole-Body SAR）和局部SAR(Local SAR)，分别对应全身组织和局部组织平均的射频能量特定吸收率。SAR在扫描中人体各部位分布变化很大，其主要原因是人体各部位组织（容积、电特性等）差异较大，同时又受到MR硬件和扫描序列等因素的影响，如磁场强度、射频脉冲的类型(90o或180o)、重复时间和带宽、线圈效率等因素。

SAR作为评估射频脉冲造成的组织内能量分布的指标，同时反映组织受到的热损害的可能性。各国家和组织对于SAR的限制不尽相同，如国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)规定MRI系统中射频信号产生的部分人体SAR不能超过8.0 W/kg，即用于研究的部分人体组织SAR的均值；局部SAR（任意10 g组织SAR的均值）不能超过10.0 W/kg。美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）也规定在15 min内全身平均SAR不能超过4.0 W/kg。这些规定限制了人体组织吸收扫描过程中产生的射频能量，降低了扫描风险，一定程度上保障了患者的受检安全。

2 SAR的仿真计算

在MR设备中，人体各组织和部位的SAR的阈值已经存储于设备中，主要包含局部组织（如肌肉、脂肪等）、各人体部位（如腹部、头部等）和全身的SAR阈值。在正式扫描前准备工作完成后，设备可根据采用的序列、受检者体重、部位、采用的线圈等因素自动计算出此次扫描的SAR值，若超过阈值将自动停止扫描。但是由于受检者身材、各组织成分分布不同等因素影响，机器算出的SAR对不同受检者适用性不一，存在错误计算SAR的情况，对受检者造成潜在威胁。故对于SAR的仿真计算是极其重要的。

SAR的仿真计算可采用电磁场仿真和构建病人模型的方法[4]来进行。现有的电磁场数值仿真方法主要包含时域有限差分法（fnite-differences time domain，FDTD）、矩量法（method of moment，MOM）和有限元法（finite element method，FEM）三种方法[5]。其中，时域有限差分法应用最为广泛[6]，该方法是由Yee最早提出。该方法直接对麦克斯韦方程作差分处理，同时对电磁场的分量在时间和空间上交替采样，在初始条件和边界条件下逐步求解每一时刻空间中各个点的电磁场分布。计算SAR不仅需要对电磁场进行数值仿真计算，而且建立合适的人体仿真模型是计算SAR的关键，近年来以Visible Human Male and Female[7]、the Virtual Family[8]、the NORMAN和NAOMI[9]最为普遍。尽管上述人体仿真模型的出现，但由于人体组织的差异性和不确定性[10-11]，通过上述模型仿真计算出的SAR的准确性有待验证。有研究人员就认为通过一般的人体模型仿真计算的局部SAR受到受检者的身材、性别、组织脂肪分布[7]、受检部位等因素影响，具有不确定性。基于上述缺点，Homann等[11]提出了一种基于全身水脂分离的原始MR数据来产生个性化的人体模型的方法，从而仿真计算出局部SAR。该方法利用FDTD方法对磁通密度为3 T的体线圈进行仿真来确定建立人体模型所需要的空间分辨率和软组织分级情况，结果表明空间分辨率为5 mm有助于局部SAR的仿真计算，同时将人体组织分为三种：脂肪组织、含水丰富组织以及肺组织。基于上述提出了一种基于个体的局部SAR仿真计算的方法。这种方法提供了一种新的建立个性化模型的方法，提供了较为准确的SAR仿真计算。

全身SAR可以通过测算正向和反向的射频能量差来进行仿真计算，前提是忽略射频能量损耗和线圈功率损耗[12]。通常的计算方法是在受检时间内平均输入功率除以患者体重来得到的[13]。但局部SAR的计算不能采用全身SAR的计算方法，因为局部SAR与组织的介电性能、质量密度和复杂的三维电场分布有关。Seifert等[14]采用FDTD方法，在磁通量密度为3 T的条件下，计算出由琼脂糖凝胶构成的圆柱形体模在4通道的阵列线圈下的SAR分布，但是由于体模是均匀的，不能模拟出人体内复杂的组织结构和三维电场模型，因而不能计算出人体各组织的SAR。针对这个劣势，曾雁冰等[15]同样使用FDTD方法仿真计算在磁通量密度为1.5 T条件下，女性盆腔下不同组织SAR的分布。采用的盆腔模型是通过电磁仿真软件所建立的，分割出六种不同组织（皮肤、脂肪、肌肉、骨骼、子宫和子宫腔），运用FDTD方法仿真16角鸟笼线圈所产生的磁场分布，从而计算出不同组织的SAR，研究了局部SAR在不同组织中的分布规律。但在更高的磁场强度下不同组织SAR分布规律仍需进一步研究。Zhang等[16]采用FEM方法在磁通量密度为3 T条件下，仿真计算了射频线圈在人体头部产生的电磁场。但是FEM方法计算时间长，对内存要求高，网格划分方法对计算结果的精度影响很大。所以在电磁场仿真，特别是模拟射频线圈产生的电磁场中不常使用。

3 SAR的临床应用

SAR作为MR保障患者受检安全的重要参数在临床上应用广泛。SAR表示的是人体组织对于射频能量的吸收功率，可导致人体组织温度的升高。在MR受检过程中，人体组织温度的升高与多种复杂因素有关，如射频脉冲的持续时间、能量沉积的速率、磁体间的温度和湿度有关，同时也受到病人体温调节系统、所穿衣物厚度等因素影响。为了说明人体组织温度升高与MR静磁场或射频场是否有关，Frank等[17]利用荧光温度计（不受磁场影响）对1.5 T静磁场中人体的体温进行了研究。为了分别测定人体体表和深层体温，体表温度探头分别置于前额、前臂、胸前、小腿、大腿和腹部；测量深层体温时将探头置于舌下。每分钟记录一次数据，持续20 min。最后将6位受检者在磁体间内外温度做方差分析，发现无统计学意义。实验证实，在静磁场中，至少在20 min内人体体表和深层温度无明显变化。这一实验证明了人体体温的变化与静磁场无关，在MR硬件方面完全是由射频场造成的。射频能量对人体的生物效应主要是热效应，人体所吸收的射频能量会导致组织温度的升高。现有文献表明[18]，MR扫描可导致皮肤温度的显著升高，但是否对人体造成损伤，至今无确切定论。对于造成组织温度的升高也要考虑到一些其他因素。比如对于老年病人，发热病人，糖尿病人或肥胖病人等体温调节出现损伤的病人，接受MR检查产生的组织温度变化就需要进一步研究。除此之外，某些药物，如钙阻断剂、β受体阻断剂、利尿剂、血管舒张剂等，可能会影响病人的体温调节功能，这些病人在进行MR检查时也需进一步研究其体温变化。

Oh等[19]为了证明由于SAR导致人体组织温度上升，采用体模测试和人体前臂测试，利用基于水质子共振频率偏移的技术（proton resonance frequency shift technique，PRF）进行MR测温，通过体模和人体前臂测试，实验结果均表明会使组织温度升高，为将来提供组织温度阈值。Boss等[20]采用人体实验的方式量化射频能量对人体温度影响大小，将18位志愿者分为三组，分别对盆腔、头部和膝关节在3 T MR上进行扫描，分别采用两种序列，一种是利用现有SAR最高的序列进行扫描，另一种采用所谓“安慰剂”序列，即无射频能量产生。利用光纤温度计和红外热像仪测量受检者检查前后的体温进行比较，结果显示在进行头部和盆腔扫描时，应用SAR较高序列，受检者组织温度会明显上升相对于无射频能量产生序列。但是对于膝关节扫描无此现象。Wang等[21]利用数值仿真的方法分别计算出头部在1.5 T、3 T、4.7 T、7.0 T、8.0 T和9.4 T场强下SAR和体温的变化，结果表明，场强和SAR、体温上升程度成正相关。

在临床中进行MR扫描过程中，系统通过序列参数、病人体重等信息实时计算出SAR，当达到系统设定的阈值时，MR将自动停止扫描。暂停一段时间后，待组织所吸收的能量释放到安全范围内时，MR将会开始扫描。故在扫描前根据病人的实际情况采用合适的序列进行SAR的预估十分重要，这有助于避免病人在受检过程灼伤，近年来在国内外文献中均有报道[22]。正如前文所述，SAR与多种复杂因素有关，但主要影响因素是主磁场的强度、均匀度和梯度线圈的强度和切换率。故在高场和超高场磁共振中，SAR问题更为突出。在临床上，为了保证病人安全，通过采用合适的扫描序列和参数可以最大限度的控制SAR问题。在自旋回波类（spin echo，SE）序列中，以主磁场的因素为主，梯度线圈几乎没有影响，而在自旋回波（gradient recalled echo，GRE）类序列中，以梯度线圈的因素为主，主磁场的因素为次。在不同的序列中，长回波链（echo train length，ETL）的FSE序列或单次激发FSE序列的SAR问题更为严重，因为此类序列利用连续的180°脉冲进行激发，射频能量较大，会对病人造成潜在威胁。在高场强下减小SAR通常是采用权衡措施，如增加图像的采集时间，降低分辨力或者降低信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。故可在满足临床需求的前提下，采用GRE和EPI序列代替FSE或单次激发FSE序列。同时也可采用缩短回波链长度、延长重复时间（repetition time，TR）、延长回波间隙（echo spacing，ES）或减少扫描层数。对于特殊病人可采用修改射频脉冲，减低射频能量，保障病人安全。

4 讨论与展望

MR射频能量是一把双刃剑，一方面用于激励信号的产生，另一方面过高的射频能量会对受检者造成潜在伤害。对于射频能量特殊吸收率的计算和在临床上应用研究有助于进一步探讨MR的生物效应，如何最大限度的利用MR服务临床同时保障受检者的安全是值得进一步研究的课题。

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Calculation of MR Radiofrequency Specifc Energy Absorption Rate and Clinical Application

【Writers】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

毕帆，E-mail: bifan_felix@126.com

李斌，教授级高级工程师，E-mail: libin2001@hotmail.com