磁共振成像系统的生物效应 赵喜平 本文作者赵喜平先生西安第四军医大学西京医院高级工程师; 医学硕士工学 博士; 加拿大国立研究院生物诊断研究所访问学者2001 年 11 月 19 日收到 关键词: 磁共振成像 磁场 生物效应 1980 年以来MRI 技术获得了突飞猛进的发展但是进行 MRI 检查时受检者暴露于静磁场梯度磁场和射频磁场的辐射之中从理论上讲上述各种场 都将产生相关的生物学效应几十年来其生物效应有无临床意义即 MRI 是否安 全的问题一直受到人们关注因此关于 MRI 生物效应的研究从来就没有停止 过其报告无计其数然而目前还不能得出 MRI 对机体存在潜在危害的结论 或者说还没有理由认为它是有损的显然这方面的课题有待于更深入地 研究本文综述 MRI 对人体可能造成的种种影响即多年来人们在 MRI 生物学效 应研究方面所取得的成果 一 生物效应研究的特殊性 近年来先后出现的磁共振血管成像心脏 MRI电影 MRI快速与超快速成像准实时动态 MRI功能成像和介入 MRI 等技术给人以日新月异之感相比 之下MRI 的生物效应研究却远远滞后了其原因主要有以下几个方面 (1) 生物效应研究的难度大MRI 的生物效应可由静磁场梯度磁场和射频 (Radio FrequencyRF)电磁场引起相对来说对于三者单独作用时的影响还比 较容易观察但对其复合作用的结果是很难加以评价的因为梯度场和射频场的 生物作用还与所用的脉冲序列甚至脉冲参数有关另外某些动物实验的结果并 不能直接应用于人体这使动物模型的采用受到一定程度的限制 (2) 生物效应的影响因素多在磁共振成像过程中有可能导致生物效应的 三种场均受多种因素影响这也是不同研究报告中出现相反结果的原因 (3) MRI 系统千差万别 目前全世界有 MRI 系统近万台 场强从 0.1T 到 7T(也 可能更高)不等一般来说不同场强的机器其梯度场大小亦不同另外不同厂 家产品的 RF 发射功率RF 波形状等均有所不同这给研究结果的横向比较或引证造成了困难 (4) 硬件发展过快出于商业目的许多新技术的生物效应尚未开始评价就 已在临床应用美国食品和药物管理局(the U.S.Food and Drug Administration FDA)英国国家放射保护委员会(the National Radiology Protection Board NRPB)等机构所执行的有关 MRI 的条款还是十多年前所制定的 (5) 窗口效应的存在生物效应的窗口效应(Window Effect)是指那些仅在 一定的电磁波谱范围内才出现的生物反应它广泛存在于有关射频辐射的生物效 应过程中 由于 MRI 系统中场强和射频频率之间呈线性关系 故静磁场和 RF 场的 生物效应中均有窗口效应实际上目前为止的所有 MRI 生物效应研究实验都是 在特定的窗口中进行的亦即其实验结果不能任意推广 上述诸多原因使 MRI 生物效应的研究甚至表述都变得很复杂但是这一 领域的工作还将继续 从目前的观察资料(仅限于 1.5T 以下的场强)中可以得出这 样的结论: 常规 MRI 不会给人类健康造成任何有临床意义的危胁它对于人体健 康的影响远远小于 X 射线 CT也就是说MRI 是安全的另一方面生物效应的 存在又是肯定的因而有必要深入地进行评价 二 静磁场的生物效应 静(主)磁场 B0是磁共振成像系统的重要组成部分随着超导磁体技术的日益成熟其场强有不断提高之趋势但是静磁场对生物体的影响至今没有完全阐 明表明超高场(2T 以上)对人体影响的资料就更少为此美国 FDA 和英国 NRPB 分别将成像的最高场强限制在 3.0T 和 2.5T 以内FDA 还明确规定因场强超过 规定限值而造成的一切后果由 MRI 制造商承担在静磁场生物效应明确之前追 求超高场成像的努力只能限制在实验室中进行 1. 温度效应 静磁场对哺乳动物体温的影响称为温度效应(Temperature Effect) 它是 MRI 技术出现后最早受到关注的生物效应之一但是多年来由于存在磁场使体温升 高磁场不影响体温甚至磁场使身体某些部位的体温下降等多种观点温度效应 曾经成为文献报道中最令人费解的一个方面然而这正好说明人们对温度效应 的研究曾经是多么活跃 1989 年富兰克(G.S.Frank)等人采用荧光温度计在更精确的实验和环境条件下对 1.5T 磁场中人体的体温变化进行了测量 这种荧光温度计以很小的 不 导电的磷荧光体作为温度探头它在 4.7T 以下的场强中不受磁场影响(无塞曼效 应)其温度精确性可以达到0.1是一种理想的磁场内测温仪器在富兰克 的实验中测量深部体温的探头置于舌下(令被检者闭嘴)测表面温度的探头分 别固定于小腿大腿胸前臂上臂前额和腹部每分钟记录一次数据共 进行 20min 的连续观察(基本上相当于一次 MRI 扫描的时间)将 6 个受试者在磁 场内外的体温测量值分别进行方差分析后证实 在静磁中至少 20min 内人体的深 浅体温均无明显变化由于该实验所用的测温方案比较科学其结果很快被广泛 接受证明静磁场不影响人的体温 2. 磁流体动力学效应 磁流体动力学效应(Magnetohydrodynamic Effect)是指由磁场中的血流以及 其他流动液体产生的生物效应在静磁场中它能使红细胞的沉积速度加快心电图发生改变并有可能感应出生物电位 血液中的血红蛋白是氧的载体它的活性成分为血红素由于血红素含有一 个铁离子(血红素铁)使它具有一定的磁性但这种磁性与血红蛋白的氧合水平 有关: 氧离血红蛋白有非常大的磁矩表现为顺磁性; 氧合血红蛋白则没有磁矩 或顺磁性效果 氧离血红蛋白的顺磁特性 有可能使血液中的红细胞在强磁场(包 括强梯度场)中出现一定程度的沉积沉积的方向取决于血流在磁场中的相对位 置由于动静脉血含氧量不同(血红蛋白的氧合水平不同)沉积的程度也稍有 不同根据这一原理人们用场梯度实验成功地分离了血液 血液在磁场中的沉积现象又叫静态血磁效应但是在体内正常循环的血液中却观察不到这种沉降现象原因是血液的流动可以完全阻止血细胞的沉降或 者说它足以抵消红细胞微弱磁性所致的沉降加速度因此在一般成像场强下 静态血磁效应可以不加考虑 静磁场和心血管系统的相互作用是一个令人感兴趣的问题很早以前就有人 发现静磁场能在心血管系统中诱导出生物电位该生物电位与血流速度脉管 直径磁场强度磁场和血流方向的夹角以及血液的磁导率等因素有关且在肺 动脉和升主动脉等处最明显 心血管系统在磁场中发生的变化称为动态血磁效应 现在已经肯定磁场中 ECG 将出现变化其主要表现为 T 波幅度的抬高以及其 他非特异性的波形变化(如小尖头波的出现等)图 1 就是分别在磁体外磁体孔 洞中心(未扫描)以及磁体孔洞中心(开始扫描)三种情况下记录的 ECG所用的磁 场为 1.5T实际上场强对 ECG 的影响不是非常明显目前将上述情况归结为生 物电位变化的结果 在心脏学中T 波幅的抬高被认为是心肌梗塞心肌缺血或钾中毒的表现 但在 MRI 系统中由静磁场引起的 ECG 变化并不伴随其他心功能或循环系统的功 能不全因而一般认为没有生物风险然而对于心脏病患者有必要在 MRI 检 查中监测 ECG 的变化 3. 中枢神经系统效应 神经信息的传递是一种电活动因此完全有理由认为磁场有可能对神经 电荷载体或传导过程产生影响如果干扰发生在轴突或有突触联系的神经接头部 位就会引起神经活动的误传导也就是说磁场干扰有可能转变为突触处乙酰 胆碱和去甲肾上腺素等神经递质的释放但在很早就进行的神经肌肉标本与磁 场关系的研究中没有发现阳性结果 同静磁场的温度效应一样有关神经系统效应的文献中也出现了相互矛盾的信息: 有的研究组声称静磁场对中枢神经系统的功能和结构都有显著影响而 另一些研究组则证明它无任何作用相对来说这方面的临床资料并不多因而 是一个需要进一步研究的领域 目前公认 2.0T 以下的静磁场对人的中枢神经系统 没有明显不良影响 综上所述 急性 短期地暴露于 2.0T 以下的静磁场对人体不会产生明显的生物学影响但是1990 年以后全世界出现了多台 4.0T 以上的 MRI 系统大多数 志愿者在这种超高场系统中出现眩晕恶心头痛口中有异味等主观感觉显 然超高场磁体可导致人体某种显著的生理变化超高场的生理效应基础以及应 采取的对策等都是需要进一步研究的课题 三 梯度磁场的生物效应 1. 梯度场及其感应电流 我们已经知道2.0T 以下的静磁场不会对人体产生明显的生物效应但是 梯度场的情况就大不相同梯度磁场是一种时变场根据法拉第电磁感应定律 变化的磁场将在导体中感应出电流人体组织作为导体当穿过它的磁通量发生 变化时同样会产生电流梯度场的这种感应电流是其生物效应的主要来源 梯度场变化引起的法拉第感应电流在人体内部构成回路因此越是靠近机 体外周的组织电流密度越大(作用半径大)而越接近身体中心的组织电流越小 电流通路还因组织类型的不同而异例如脂肪和骨等低电导的组织将改变感应电流的方向另外如果组织的导电性能很好感应电流还会进一步加大 梯度场仅在扫描时产生即工作在开关状态或脉冲状态感应电流就是梯度 场高速切换的产物它的大小与梯度场的切变率最大磁通强度(梯度场强度) 平均磁通强度谐波频率波形参数脉冲极性体内电流分布组织细胞膜的 电特性和敏感性(导电性)等诸多因素有关 梯度脉冲的参数是由序列进行编码的 因而不同序列所产生的感应电流大小不同随之而来的生物效应也就不同典型 的梯度场为1015mT/m 上升时间是0.51.0ms 对应的磁场变化率为1.53T/s(磁 体中心附近)在标准的成像技术中梯度场每隔 1050ms 变化一次因而体内感 应电流的频率为 10020Hz 需要补充指出的是不仅梯度场的开启会在被检者体内感应出电流静磁场 中运动的导电物体也会产生电流因此病人被送入磁体的过程中体内有感生电 流出现 2. 梯度场的心血管效应 强电流对心血管系统的作用为直接刺激血管和心肌纤维等电敏感性细胞使其发生去极化过程引起心律不齐心室或心房纤颤等有计算表明当 17mA 以上的直流电通过心脏时就会发生心室纤颤一般将皮肤(感觉)神经或外周骨 骼肌神经受到刺激(抽搐或收缩)看作心律不齐或心室纤颤出现的先兆 3. 磁致光幻视 据计算 当磁场变化率为 1T/s 时 每平方厘米组织范围内产生的感生电流还不足 1A而神经活动的电流密度高达 3000A/cm2可见常规 MRI 检查时组织 内产生的感应电流非常小 但是 当梯度变化率加快 并使组织电流密度达到 300 A/cm2左右即达到神经活动电流密度阈值的 10%时就有可能导致误动作因 此组织中比较显著的感应电流对生物组织有害无益 梯度感应电流在神经系统的主要表现是所谓视觉磁致光幻视磁致光幻视 (Wagnetophosphene)又叫光幻视或磁幻视是指在梯度场的作用下受试者眼前出 现闪光感或色环的现象这种现象目前被认为是电刺激被检者视网膜感光细胞后 形成的视觉紊乱是梯度场最敏感的生理反应之一光幻视与梯度场变化率和静 磁场强度均有关系且在梯度场停止后自动消失进行常规 MRI 检查时(1.5T 以 下)梯度场的变化率在 20T/s 以下产生的电流密度也不足 3A/cm2因而不会 出现上述幻视觉但当双眼暴露于 4.0T 的静磁场中时梯度场的变化(2040Hz)便很容易使正常人产生磁幻视 4. 梯度场的有关安全标准 美国 FDA 和英国 NRPB 是两家权威的梯度场安全标准发布机构 FDA 安全标准 的基本内容是MRI 扫描过程中病人所经受的梯度场变化率不能达到甚至超过使 外周神经出现误刺激的阈值且至少要有三倍以上的安全系数具体标准为: (1) 最大梯度场变化率)(dtdBmax在 6T/s 以下 (2) 对于轴向梯度(Gz梯度)设梯度脉冲的波宽(对于矩形梯度脉冲)或半波 宽(对于正弦梯度脉冲)为 r则在 r120s 时dtdB必须小于 20T/s; 当 12 sr120ms 时dtdB应小于r2400T/s;当 r12s 时d