MRI检查中骨科金属植入材料的致热效应

杨梦旭，何 伟，王传兵

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是影像学检查的主要方法之一，近年来随着MRI技术地不断发展，去伪影算法的不断改进，金属伪影已能被较好抑制[1~4]。另外，随着金属植入物越来越多地应用到骨科的治疗中，携带有金属植入物患者的MRI检查需求也日益增多。然而由于静磁场、梯度磁场和射频磁场的共同作用，会造成金属植入物的特性变化，除了面临优化图像、消除伪影的挑战外，安全问题也日益受到医患双方的关注，成为亟待解决的问题之一[5~8]。其中梯度磁场和射频脉冲会使金属材料产生感应电流，导致金属材料温度的升高[9~11]，严重时会造成组织灼伤[12]，故其致热效应是不可忽视的问题。

射频能级吸收率（apecific absorption rate，SAR）是衡量射频脉冲所激发的射频能量在人体内聚集产生热量的参数，与磁场强度的平方成正比。金属植入材料的致热效应可用SAR值作为衡量指标。但是由于MRI设备生产厂商对SAR计算方法标准的不一致，导致很难用单一的SAR值来确定安全阈值。目前也尚未有统一的标准来控制致热效应的安全风险。为了评估金属植入物的致热效应，分析金属植入物在例行MRI检查中的安全性，笔者选取了4种骨科常用金属植入材料，研究其在MRI扫描下的温度变化，为MRI检查的安全性分析提供数据依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选用江苏艾迪尔医疗科技有限公司（中国）生产的4种胫骨干和股骨干金属植入材料，尺寸均为240 mm×9 mm×3 mm，材料分别是不锈钢（S，型号00Cr17Ni14Mo3）、纯钛（Ti）和两种钛合金（TC20，型号Ti-6Al-7Nb；TC4，型号Ti-6Al-4V）。见图1。

图1 4种骨科金属植入材料Fig.1 Images of orthopedics metal implants of 4 kinds

1.2 方法

1.2.1 数据采集系统的设计

1.2.1.1 温度传感器 实验使用精度为0.1%的负温度系数（negative temperature coefficient，NTC）热敏电阻（型号为MF51E-503E3943。南京时恒电子科技有限公司，中国）作为温度传感器；此温度传感器在25℃时阻值为51 kΩ，在温度升高时阻值下降，温度下降时阻值升高。为确保实验数据的准确度，在进行实验前对热敏电阻进行了标定。

1.2.1.2 数据采集与处理系统 通过测温电路来实现实验数据的采集。图2为测温电路的设计原理图。热敏电阻RA和RB作为温度传感器，R为阻值为51 kΩ的精密定值电阻，两者之间相互串联。其中：Vcc为9 V直流电源；VA、VB为所测电压，由电路原理可知：

图2 测温电路示意图Fig.2 Schematic diagram of temperature measuring circuit

待测的电压值VA、VB由数据采集卡通过通用串行总线（universal serial bus，USB）（北京阿尔泰科技USB数据采集卡，产品型号为USB2085，中国）接口实时传输到计算机端（图3A）。数据经处理后实时显示在LabVIEW程序前面板窗口中（图3B）。在实验中，为了防止数据干扰，所有导线均使用铜箔包裹以屏蔽干扰（图3C）。数据采集系统的整体实物图如图3D所示。

图3 数据采集系统实物图Fig.3 Diagrams of data acquisition system

数据后期处理使用MATLAB完成，首先将测得的电压值VA、VB通过公式（1）和公式（2）计算得出RA和RB的阻值；再由标定结果代入RA和RB的阻值，即可得出传感器1和传感器2的所测温度。

1.2.2 环境模拟和传感器安装

根据美国材料实验协会（American Society of Testing Materials，ASTM）标准要求，使用组织补偿液来模拟人体环境（图4）；该介质在射频磁场下具有类似于人体组织的平均物理属性，即在电导率、介电常数、热导率、热容量和质量密度等参数上与人体组织相似。

图4 组织补偿液和传感器Fig.4 Diagram of tissue substitute and installation of sensors

研究发现MRI设备扫描导致的金属致热效应在两端的更为明显[12，13]，所以实验将温度传感器1固定在金属植入材料的一端，用以监测金属植入材料温度的变化；温度传感器2放置在距离金属植入材料大约8 cm处，用以监测背景温度的变化。组织补偿液提前1 d放置在检查室内，确保补偿液与环境温度一致。

1.2.3 金属植入材料温度测试步骤

选用的MRI设备分别为磁场强度为1.5 T的中国联影uMR 560和3.0 T的美国GE 750 W，扫选序列均采用快速自旋回波（fast spin echo，FSE）序列，两者参数：视野（field of view，FOV）=27 cm，层厚=6 mm，层数=20，重复时间（time of repeatation，TR）=215 s，回波时间（time of echo，TE）=2 s，扫描时间=5 min。

（1）温度传感器1固定在待测的金属植入材料的一端，将金属植入材料放入组织补偿液中，使用固定支架保持其位置不变；温度传感器2放置在组织补偿液中，两个传感器均连接测温系统。

（2）将组织补偿液放置在1.5 T MRI检查床上，设置扫描参数进行扫描，采集并保存数据。

（3）更换其余3种金属植入材料，重复步骤1和2，采集并保存数据。

（4）更换3.0 T MRI，重复测试4种金属植入材料的温度变化曲线，保存数据。

2 结果

2.1 热敏电阻标定结果

热敏电阻的标定结果如图5所示，温度传感器1的阻值和温度之间线性关系为y=-0.403 7x+44.954 0，温度传感器2的阻值和温度之间线性关系为y=-0.404 4x+44.971 0，相关系数R2=0.996 1，可知两个温度传感器的阻值和温度均具有高度的线性负相关性。

图5 热敏电阻标定结果Fig.5 Diagrams of thermistor calibration results

2.2 1.5 T MRI扫描后金属植入材料结果

1.5 T MRI扫描时的数据结果见图6。图中蓝色曲线代表金属植入材料温度，红色曲线代表环境温度。由S金属植入材料的温度变化曲线（图6A）可见，开始扫描6 s后，环境温度由24.3℃上升到24.7℃，该金属植入材料温度由23.7℃上升到25.5℃，该金属植入材料温度与环境温度的最大温差为0.94℃。TC20金属植入材料的温度变化曲线（图6B）所示，开始扫描后，10 s内该金属植入材料的温度由24.0℃上升至26.4℃，环境温度也有略微的上升，该金属植入材料的温度相比环境温度明显升高了1.81℃。TC4金属植入材料的温度变化曲线（图6C）所示，开始扫描后，该金属植入材料的温度由23.5℃上升至27.0℃，环境温度也上升了大约1.0℃，该金属植入材料温度相比环境温度最大温差为2.10℃。Ti金属植入材料的温度变化曲线（图6D）所示，开始扫描后5 s，金属植入材料温度由22.7℃升高至24.4℃，环境温度有较小的升高，该金属植入材料温度相比环境温度最大温差为1.22℃。

图6 1.5 T MRI扫描时4种金属植入材料的温度变化曲线Fig.6 Temperature curves of 4 metal implants by 1.5 T MRI scanning

2.3 3.0 T MRI扫描后金属植入材料结果

3.0 T MRI扫描4种金属植入材料的温度变化见图7。S金属植入材料（图7A）的温度由23.7℃升高至24.3℃，环境温度大约升高了0.3℃，环境温度与金属植入材料温度相对温差最高值为0.99℃。TC20金属植入材料在开始扫描之后，温度由23.7℃升高至26.4℃，环境温度小幅升温，两者最大温差3.03℃。TC4金属植入材料在3.0 T MRI扫描时，温度由23.0℃上升至26.0℃，同时环境温度也有小幅度的上升，该金属植入材料的温度与环境温度之间的最大温差为2.27℃。Ti金属植入材料使用3.0 T MRI扫描时，温度由23.8℃上升至25.9℃，该金属植入材料的温度与环境温度之间的最大温差为1.96℃。

图7 3.0 T MRI扫描时4种金属植入材料的温度变化曲线Fig.7 Temperature curves of 4 metal implant plates by 3.0 T MRI scanning

3 讨论

笔者通过MRI扫描下对金属植入物进行的温度监测与分析，研究了4种骨科常用的金属植入材料，即S、TC20、TC4和Ti在1.5 T和3.0 T MRI扫描下的升温情况，对带有金属植入材料患者的检查安全性分析有一定的参考意义。

MRI的致热效应在金属植入材料的不同位置上有很大差异，其热量分布通过金属植入材料的磁轴左右对称；另外，相关文献资料也指出射频磁场导致的金属升温情况在细长的物体上表现得更加明显，且在两端的升温更多[13，14]。参考了最近颁布的ASTM标准F2182[15]，为了控制风险，尽可能测出最高的升温状况，笔者选用了长为24 cm细长型骨科金属植入材料，并将温度传感器贴合于金属板的一端。这样的实验设计是为了找出“最坏的情况”，以更好地控制MRI检查时的安全风险。

笔者实验结果表明，对比同种金属材料，1.5 T MRI设备产生的致热效应明显小于3.0 T，即致热效应随场强的增大而增大。对比不同材料，磁场强度为1.5 T的MRI设备，扫描时致热效应情况由小到大依次为：S

综上所述，在对带有金属植入材料患者进行MRI检查时，必须综合考虑金属植入材料的种类、形状、尺寸，提前评估检查的安全性，避免引起因致热效应导致的患者灼伤和其他损伤。

4 结论

MRI设备的致热效应和金属材料种类密切相关，相同的MRI扫描条件下，钛合金材料的致热效应最明显，纯钛材料次之，不锈钢材料最弱；另外，MRI设备的场强越大，金属植入材料的致热效应越明显。