金属植入物在磁共振检查中的致升温效应及安全性分析

何伟，王传兵，高虹，张晖，汪缨，孙小磊

南京医科大学第一附属医院 a. 临床医学工程处；b. 放射科，江苏 南京 210029

引言

随着科技的发展和医学技术的进步，磁共振（Magnetic Resonance，MR）检查越来越普及。当患者接受MR检查时，需将人体置于强大的外加磁场中，对于携带有金属植入物的患者，磁场射频与金属物质之间的相互作用可能会对患者或金属装置的位置、功能造成损害[1-5]，使得患者在接受MR检查时的安全性问题再次引起人们的关注[6-12]。本研究主要探讨在MR检查中金属植入物（不锈钢钢板、钛合金钢板）的产热效应及安全性分析，为以后的MR检查提供数据参考。

1 材料及方法

1.1 实验材料

实验中选用天津正大医疗器械有限公司生产的桡骨锁定板，钛合金材料（图1a）和不锈钢材料（图1b），六位半万用表（美国福禄克公司，8845A），阿尔泰科技USB数据采集器一台（阿尔泰科技，USB2085），高精密NTC型热敏电阻（南京时恒电子科技有限公司，MF51E）。实验仪器选用美国GE公司1.5 T MR（HDXt）及3.0 T MR（750 W）[13-14]。

1.2 实验参数设置

实验过程中为了实验有显著效果，所选用的序列都是基于常规序列，调节各参数使得SAR值比较高，但不会超过射频能量限值，序列包括自旋回波（SE）、梯度回波（GRE）、回波平面成像（EPI）。各扫描序列参数设置如表1所示。

图1 两种金属植入物

表1 各扫描序列参数

1.3 实验方法

1.3.1 热敏电阻标定

实验前，先将热敏电阻进行精密标定（图2）。采用高精度温度标准器（二等标准铂电阻，精度约0.02℃），标准水槽（湖州唯立仪表厂；HTS-0A；温度波动≤0.02℃/10 min；温度均一性≤0.02；厂家编号2940）和万用表（安捷伦34410）对热敏电阻进行精密标定，标定温度范围为30℃～ 42℃，温度间隔为1℃。

图2 热电阻标定

1.3.2 热敏电阻阻值测量

研究中使用植入金属钢板的猪腿模拟具有金属植入物的人体进行磁共振扫描，选用钛合金和不锈钢两种金属植入物。实验时分别将两个热敏电阻贴合在钛合金金属植入物和不锈钢金属植入物附近。实验中将连接的导线全部包裹铜箔，以屏蔽射频场的干扰（图3）。

实验中采用两种方案进行数据采集并进行比较。方案一是两个热敏电阻连接到切换开关，而切换开关与高精度数字万用表相连，将万用表连接至电脑，通过EXCEL内置软件记录各时刻采集到的热敏电阻阻值（Rt1，Rt2），根据热敏电阻阻-温曲线获得相应的温度变化（图4a）；方案二用自搭电路，借助采集卡采集精密电阻及热电阻两端的电压，通过电压比值得出热电阻阻值（Rt1’，Rt2’），进而获取各时刻温度值[15]（图4b）。由图4b可知，，通过自制电路与软件记录VINN1，VINN2，VINN3的值，已知精密电阻R的阻值，从而可得出Rt1’和Rt2’的值。

图3 实验过程图片

图4 测量电路示意图

方案一中两个电阻通过手动切换的方式依次采集，各电阻阻值获得时刻不同步；而方案二则通过数据采集卡多通道同时测量，获取每个时刻的不同热电阻阻值，可实现同步测量。采集卡及测量电路实物如图5。

图5 采集卡及测量电路

2 实验结果

使用3.0 T磁共振进行不同序列产热试验，根据以上两种方案，采用不同序列进行扫描，测由于两种金属植入物引起的温升。

2.1 热电阻标定曲线及阻值-温度特性分析

根据1.3中所述热敏电阻标定方法，我们标定了3个热敏电阻（图6a，图6b，图6c），并对其进行曲线拟合，标定曲线，见图6。可以看到在所标定温度范围内，温度与阻值之间的线性度较高，超过0.99，热敏电阻之间的一致性也较高（见图6d）。在所标定温度区间内（16℃～24℃）热敏电阻的阻值-温度间关系为t=-0.374×r+43.07，其中t为温度值，单位为℃，r为对应温度下热敏电阻的阻值，单位为kΩ。随后我们选择其中的两个电阻分别采用方案一和方案二进行不同序列测温实验。

图6 热敏电阻标定曲线

2.2 采用方案一测量两种金属植入物附近组织的温度变化

两只热敏电阻（Rt1，Rt2）分别置于靠近钛合金金属植入物、不锈钢金属植入物的组织内，各序列测试结果温度-时间曲线如图7所示。

图7 采用方案一测量不同MR扫描序列下两种金属植入物的升温状况

在SE序列下，钛合金金属植入物温度（t1）由20.85℃升至21.35℃，升高0.5℃；不锈钢金属植入物温度（t2）由20.81℃升至22.32℃，升高1.51℃。

在GRE序列下，钛合金金属植入物温度（t1）由20.84℃升至21.14℃，升高0.3℃；不锈钢金属植入物温度（t2）由20.87℃升至21.65℃，升高0.78℃。

在EPI序列下，钛合金金属植入物温度（t1）由21.6℃升至21.9℃，升高0.3℃；不锈钢金属植入物温度（t2）由21.6℃升至22.11℃，升高0.51℃。

2.3 采用方案二测量两种金属植入物附近组织的温度变化

两只热敏电阻（Rt1’，Rt2’）分别置于靠近钛合金金属植入物、不锈钢金属植入物的组织内，各序列测试结果温度-时间曲线如图8所示。

图8 采用方案二测量不同MR扫描序列下两种金属植入物的升温状况

在SE序列下，钛合金金属植入物温度（t1’）由23.52℃升至23.87℃，升高0.35℃；不锈钢金属植入物温度（t2’）由23.6℃升至24.81℃，升高1.21℃。

在GRE序列下，钛合金金属植入物温度（t1’）由24.1℃升至24.4℃，升高0.3℃；不锈钢金属植入物温度（t2’）由24.12℃升至24.9℃，升高0.78℃。

在EPI序列下，钛合金金属植入物温度（t1’）由23.47℃升至23.5℃，升高0.03℃；不锈钢金属植入物温度（t2’）由23.47℃升至23.6℃，升高0.13℃。

3 讨论

两种方案测量的升温结果对比如表2所示。在SE、GRE、EPI序列扫描下，磁共振扫描所致两种金属植入物钛合金和不锈钢均会引起附近组织升温，相对于不锈钢金属植入物，钛合金金属植入物所致升温效应较小，因此在实际使用中安全性更高。三种扫描序列下，升温效应按SE、GRE、EPI次序依次减弱。研究中采用两种测温方案均能反映这一现象，但采用切换电路测温法（方案一）操作不方便，且同一时间内数据获取较少，相邻数据间约间隔1 min，无法精确反应细节变化，且连续性较差；而采用自制电路（方案二），经数据采集卡采集后送电脑经LabVIEW[16]处理记录时可获得每秒甚至毫秒级的数据，且操作简单，无须手动切换即可实时同步记录多通道数据。

表2 两种方案测量的升温结果对比（℃）

本研究将钛合金和不锈钢等常用金属植入物在磁共振检查中的极端参数条件下进行产热检测。SE序列产热效应最大，钛合金和不锈钢植入物引起的组织附近平均升温分别约为0.5℃和1.5℃，且在所有序列扫描中，不锈钢升温结果均高于钛合金升温结果，且升温明显。由图7和图8可以确定磁共振检查时间越长升温越高。

研究中所使用钛合金桡骨锁定板符合国际标准ISO5832-3、中国标准GB/T13810-2007，牌号为Ti-6Al-4V合金；不锈钢桡骨锁定板符合国际标准ISO5832-1、中国标准GB4234-2007，牌号为OOCr18Ni14Mo3。以上两种桡骨锁定板均为目前最常用金属植入物材料成分，具有代表性。

该研究过程需注意以下四点：① 人体仿真物的温度要与磁共振机房环境温度高度一致，否则会造成温度测量值不准确，值偏高或偏低，试验用猪腿需提前12 h放进磁共振检查室内，并将机房精密空调波动范围调节至最小；②实验中连接传感器和测量电路的导线需外裹铜箔，多次实验发现未包裹铜箔的导线在射频扫描时会对采集结果造成很严重的干扰；③ 实验过程不能随意打开机房屏蔽门，如果打开屏蔽门则会造成机房温度波动，实验数据会出现偏差；④ 实验用导线是从屏蔽门缝引出来的，所以屏蔽门容易关不严，本试验过程中出现过因屏蔽门未关好，导致外界干扰造成所采集数据波动很大的情况。

研究结果中不锈钢金属植入物和钛合金金属植入物两种材料均会导致局部组织温度的升高。SE序列产热效应最大，钛合金和不锈钢植入物引起的组织附近平均升温分别约为0.5℃和1.5℃，且在所有序列扫描中，不锈钢植入物的升温均高于钛合金植入物的升温，且前者较后者升温明显，磁共振检查时间越长升温越高。原因可能为钛合金金属植入物铁磁性要弱于不锈钢金属植入物，其产生磁场感应的电流效应作用也要弱于不锈钢金属植入物，故医用钛合金金属植入物表现为弱磁性，医用不锈钢金属植入物表现为强磁性。所以相对于不锈钢金属植入物，钛合金金属植入物所致升温效应较小，因此在实际使用中安全性更高。患者接受磁共振检查时，对于有多序列多部位检查的患者，其体内的金属植入物在检查时有潜在危险，且携带不锈钢金属植入物的患者比携带钛合金的患者检查风险更高。建议在做磁共振检查前一定要有专业医师、技师评估，确定对其没有伤害、伤害较小及不会造成医疗事故后，方可同意病人接受检查。