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磁共振成像暴露的生物学效应:概述

摘要

本文综述了磁共振成像系统中常用的磁场和电磁场的生物效应的文献,在介绍了磁共振成像的基本原理和生物组织的电学和磁学性质后,描述了理解生物效应的基本现象ibed的经典术语。报告了这些诊断系统中常用的场强和频率值,以便将磁共振系统产生的生物效应的具体文献与电磁场产生的生物效应的大量文献相结合。这项工作给出了关于暴露于静态磁场、射频场和时变磁场梯度的安全问题的调查结果概述,主要关注这些电磁场和生物物质之间相互作用的物理学。对科学文献进行总结、整合和批判性分析d在公认专家权威审查的帮助下,还引用了国际安全指南。

介绍

在过去的十年中,安全问题和关于与磁共振成像(MRI)系统和程序相关的潜在危险的讨论一直存在极大的争议:部分原因是关于电磁场在癌症发生中的作用或促进生长和发育异常的有争议的断言[1- - - - - -3.]; 部分原因是认为MRI本质上是一种安全的检查方法降低了阴性结果公布的重要性[4].自20世纪80年代早期引入MRI作为一种临床方法以来,全球已完成了超过1亿例(估计)诊断程序,但主要事故相对较少[56].

最报道的MRI相关损伤病例是由金属物体,植入物和生物医学装置的安全方面相关的错误信息引起的[78].事实上,MR环境对植入某些植入物的患者可能是不安全的,主要是由于由铁磁材料制成的物体的移动或移动[9],但也因为加热和电流感应,这可能会对植入或外部设备的患者带来风险[10.]这些安全问题通常与具有加长配置或电子激活的植入物(例如神经刺激系统、心脏起搏器等)有关。在MR环境中,与磁场相关的平移吸引力和扭矩可能会对植入此类植入物的患者和个人造成危害。风险与静磁场强度、空间梯度强度、物体质量、形状和磁化率成正比。此外,植入物的必须考虑植入物或装置的非预期体内使用,因为可能存在有效防止物体移动或移位的现有反作用力。迄今为止,已有一千多个植入物和物体经过MR安全性或兼容性测试。MR healthcare可随时获取此信息专业人士,尽管这需要MR社区提高认识,以根据相关医学文献中的信息不断审查和更新其有关MR安全的政策和程序[11.].医生们都知道磁共振成像在可植入设备方面的绝对禁忌症,但不太熟悉的是,与患者身体接触的导体中产生的感应电流有关的磁共振成像诱发的热或电烧伤的可能性。虽然关于MRI烧伤危害的详细研究尚未报道,但最近的报道表明,与患者接触的环形电缆中的直接电磁感应可能是过度发热的原因[12.- - - - - -14.].

综合演示和讨论相关危险效应的超出本综述的范围,因此我们将讨论直接在人体上行动的MRI系统产生的生物效应。

在过去的30年里,为了评估与MRI诊断相关的潜在危险生物效应,已经进行了一些研究。由于这个问题的复杂性和重要性,这些工作中的大多数都致力于单独检查由MRI中使用的特定磁场或电磁场源产生的生物效应。此外,关于生物物质与电磁场相互作用所产生的生物效应的科学文献越来越多。因此,有必要整合和总结目前的研究成果,同时提供基本的知识,以理解电磁场与生物系统之间的相互作用的物理学。

在本工作中,在介绍了MRI系统的基本原理和生物组织的电和磁特性之后,描述了理解MRI程序中使用的三个主要电磁场源引起的生物效应所需的基本原理。

磁共振成像程序的基本原理

三种不同类型的电磁场被用于创建基于磁共振的图像:

  1. 1。

    静磁场,

    ,使质子自旋排列并产生净磁化矢量在人体中;

  2. 2.

    梯度磁场,根据排列的质子在梯度轴上的空间位置,产生不同的共振频率;这些梯度场允许二维MRI切片的空间定位,从而重建三维MRI图像;

  3. 3.

    以质子共振频率为中心的射频电磁波,使矢量旋转

    在静磁场方向外;每个组织的磁化矢量恢复平衡的时间是不同的,这就产生了两个主要的成像参数,T1和T2,这与图像对比度直接相关。

这三个领域是MRI程序的基本特征,每个领域都与生物组织的电磁特性相互作用。

生物组织的电磁特性

众所周知,生物组织的电学性质基本上是由极性分子和离子的电相互作用决定的。由中性分子偶极子组成的材料被称为电介质,然而,在生命系统的胞外和胞内空间中,阳离子和阴离子物种产生了电流的传导路径。因此,生物组织必须被认为是一种导电介质。因此,生物物质的电行为可以通过定义两个主要参数来描述:

  1. 1。

    介电常数ε与材料的介电特性有关;和

  2. 2.

    与施加在组织上的电场相互作用的电导率σ(

    )。

电流(

),由欧姆定律得出,为:

活组织的阻抗随其介电常数和电导率而变化。因此,电流的大小和组织内部电磁场的衰减在很大程度上取决于这两个参数。对于生物组织,介电常数和电导率都是频率的强非线性函数。此外,如果外部施加的电磁场的频率发生变化,电磁场与组织之间的相互作用也会发生变化。特别是在低频率时,电磁场在细胞或多细胞水平上相互作用;随着频率的逐渐增加,生物电磁相互作用与细胞膜和细胞内细胞器发生,然后是分子相互作用,最后,在微波频率下,场仅与水分子相互作用[15.].

由于这些原因,介电常数和电导率表现出三种主要行为,也称为色散,取决于频率。数字1显示介电常数和电导率是如何强烈地依赖于频率的[16.](描述磁共振成像中使用电磁波的频率范围)。

图1
图1

相对介电常数ε(x)和电导率σ(o)的频率依赖性;主要分散区α,β和γ表示。报告了MRI器件的频率范围。(改编自Ref。[16])

不能永久磁化的材料的特征是一个物理参数,磁化率(χ),这描述了他们的行为,当放置在一个磁场。当这些材料被置于外部磁场中时,它们的反应是产生磁极化(

),通过每单位体积的磁偶极矩测量,根据方程:

Δτ是包含微观偶极矩μ的体积.磁极化的强度局部是否与外部磁场成正比通过磁化率χ,根据方程:

这两个磁场都与磁通量密度有关系,

,由公式描述:

在μo是真空的磁导率。对于大多数材料,激发磁极化与,在这种情况下,这种材料称为“各向同性”。因此,χ是一个标量,也是向量, 和方向相同。

根据材料的磁化率可分为3大类:抗磁材料(-1 < χ < 0)、顺磁材料(0 < χ < 0.01)和铁磁材料(χ > 0.01)。数字2显示磁化率谱,表明大多数人体组织是反磁或弱顺磁的[17.].

图2
图2.

磁性敏感度的光谱。该图表明大多数人体组织是抗磁的或弱副铠凝。(来自ref。[17])

静态磁场的生物效应

与暴露在静态磁场中有关的安全问题已经讨论了一个多世纪:1892年彼得森和肯纳利[18.]研究了暴露于当时可用的最大磁铁(约0.15 T)的影响。他们将一只狗和一个小男孩暴露在全身磁场中,没有发现任何积极的结果。大约30年后的1921年,德林克和汤普森[19.]调查了工业工人接触磁场可能造成的健康后果。他们在神经肌肉细胞和活体动物身上进行了大量的体外实验,他们得出结论,静态磁场对健康没有危害。从那时起,进行了几项研究,一项综述[20],1962年出版,收集了大约400份关于磁场生物效应的报告。根据申克[17.],这篇文献中关于磁场的假定病理或治疗作用的部分是矛盾和混乱的。此外,未提供基本信息,例如场强及其在身体上的变化。

随着80年代初MRI的发明,人们对静磁场的生物效应的兴趣增加。在过去的二十年中,为了了解与暴露在强静磁场下相关的潜在危险,进行了几项研究。这些研究中的大多数没有报告有阳性反应结果,因此假定对人类健康没有不良影响。1981年,Budinger[21]总结了在此之前所做的工作,总结说,从对大量关于细胞培养、动物和人的文献的分析中,没有发现任何实验方案,当其他研究人员重复时,能给出可重复的阳性结果。二十年后,Schenck [17.]证实了这一点,并在总结中指出,由于很难得出否定的结论,因此不应得出已证明静态磁场没有显著生物效应的结论。然而,实现更强磁体的能力的稳步增长,使我们有理由相信,这种效应最终可以建立,但可能是在磁场强度远远高于目前MRI所使用的磁场强度。在最近的一份报告中[22],成年雄性和雌性大鼠及其后代在极高磁场(9.4 T)亚慢性(10周)暴露后未发现不良生物学效应。

在目前的文献中,只有一些感觉效应与静磁场的暴露有关。有统计学意义(p<0.05)在暴露于1.5和4 T静磁场的受试者中发现恶心、眩晕和金属味的感觉,但在头痛、打嗝、耳鸣、呕吐和麻木等其他影响方面未发现统计学意义。暴露于4 T磁场的受试者中阳性报告的发生率较高。然而,在没有证据表明这些影响是有害的[23].

很少有研究报告对人类健康有危险影响,但这些研究既没有得到证实,也没有被后续工作所混淆。例如,据报道,暴露于0.35 T静态磁场中的受试者的听觉诱发电位发生相移[24];在磁曝光后终止后缓慢(15分钟)缓慢(15分钟)。但是,进一步的研究没有确认这些发现[2526].

Pacini等人在1999年进行的研究[27描述了0.2 T磁共振成像仪产生的静态磁场对正常人体神经元细胞培养的影响。他们观察到,暴露15分钟后,细胞的形态发生了戏剧性的变化,形成了具有突触按钮的树枝状树突。一些细胞生理功能的改变也被报道过,但在这里,这些发现还没有被证实。

我们可以得出这样的结论,通过对现有文献的检查,并在我们的知识范围内,暴露于静态磁场对患者健康的唯一显著相关的危害与铁磁材料或心脏起搏器的存在有关[28- - - - - -30].虽然没有证据表明患者暴露于强静态磁场会对健康造成危害,但我们在此报告了组织与静态磁场之间相互作用的几种物理机制,这些机制可能导致潜在的病理效应。

组织中的流动和运动诱导电流

如上所述,电流密度

在暴露于外部电场的生物组织中流动,,由欧姆定律确定:,其中σ是电导率。如果组织以速度移动,它暴露在一个静态磁场中,在组织中流动的电流密度表达式中有一个附加项,由方程描述:

这个词

可以看作是一个运动诱导电场,它可以通过破坏人体的生理电信号(如神经元传导和生物电位)来产生生物效应。据报道[31暴露于强静磁场下的猴子心电图显示出磁场诱导的t波形状的形态学改变。有人认为这可能表明对心脏电活动有生物效应。然而,后来这些变化被解释为在静态磁场中血液流动所产生的电动势(EMF)的存在,而电动势与数量成正比3233].电磁场对神经或肌肉细胞刺激的影响,最近已经在磁场强度高达8t的人体上进行了研究[34].在目前可用的最高场强下,流致电流密度低于引起神经或肌肉刺激效应所需的阈值水平,并且在这些高场强下未报告重大生命体征变化,例如心电图记录[35].

磁效应对化学反应

人体组织的代谢功能需要大量的化学反应,因此,假设强磁场可能会改变这些反应的速率或平衡条件是合理的。例如,如果化学反应的产物比反应物更顺磁性,磁场的存在可以改变反应平衡,从而增加产物的浓度。人体中一个非常常见和重要的化学反应是氧血红蛋白(抗磁性)分解为氧分子和血红蛋白(均顺磁性)。在这种情况下,外加磁场可以降低解离的能量势垒。计算表明,即使在1t的应用领域中,解离自由能垒的变化也仅为1j /mol [36].这种小的能量偏移对反应平衡的影响较小,而不是0.01℃的温度变化。

静磁场的另一个化学效应包括改变动力学和自由基对反应的重组。自由基被认为参与了生物系统中的有害反应,因此任何可能增加其反应性或浓度的效应都可能产生或增强有害效应[37]根据这一观察,自由基对机制被提出作为磁场对生物系统可能产生不利影响的工作假设。事实上,根据最为公认的理论[38- - - - - -40,磁场将自由基对分成两个能级,这就增加了逃避重组反应的自由基对的数量[41,即自由基的浓度。实验研究表明,弱磁场可以降低反应的二阶衰变速率常数[42].一些研究分析了磁场对胶束中自由基对重组反应的影响,证实外加磁场增加了逃逸重组反应的自由基的数量[373943].然而,在生物组织或动物和人身上进行的研究很少。关于低磁场损害健康的说法引发了广泛的医学、化学和物理研究,但尚未出现有关危害的确凿证据[44].

磁流体动力和压力

当静磁场作用于生物组织,且存在离子电流时,则为净力,其矢量可计算为

,应用于移动的离子。

虽然这些力主要采用流动的液体,如血液,研究表明,当外部磁场施加到身体时保持恒定的心脏输出不需要增加的心脏活性,但是在没有要求期间的心脏活动中没有要求。4546]另一方面,作用在内耳内淋巴组织上的一个非常小的磁流体动力可能是在较高场强下有时报告的恶心和眩晕感觉的来源[2336].

时变梯度场的生物效应

在MRI检查中,梯度磁场经常是开关的;因此,磁场(

)诱导患者电场(),根据麦克斯韦的第三个方程式:

这些梯度诱导的电场,在足够高的值,可以刺激神经和肌肉,在非常高的水平,可以产生心脏刺激,甚至心室颤动[47].为了保护患者免受这些潜在的健康危害,一些研究人员已经建立了理论模型,并收集了动物和人体实验数据,以便制定适当的安全标准。1985年,Bergeron [48]提出了评估周围神经刺激阈值作为高梯度诱导电场的一个有价值的指标。根据这种方法,患者可以通过不超过这些阈值来防止梯度诱导的心室颤动。

Reilly应用他的电极数值刺激模型来确定梯度诱导神经[49和心脏刺激阈值[5051[刺激作为波形的函数(脉冲持续时间,波孔和脉冲系长)所需的预测电场幅度。Reilly将患者模拟为具有半径r =0.2μm的均匀圆筒,轴与静态磁场平行因此,z梯度感应电场的值通过以下公式计算:

S是圆柱体的横截面积。如果z梯度磁场在面积S上是均匀的,积分方程容易解,电场强度也容易

取决于磁场的时变(,截面半径R,公式为:

Reilly将其模型获得的电场值与文献中报道的实验结果进行了比较,并提出神经刺激阈值的最佳近似值为指数曲线。可能使用双曲线形式进行了更好的近似,这似乎更适合于最近的实验实验数据[5253]因此,据估计,平均心脏刺激阈值比最敏感人群百分位数(1%)高2倍,而平均心脏纤颤阈值比平均心脏刺激阈值高2.5倍。图形3.显示最敏感人群的外周神经和心脏刺激的平均阈值。当磁场时间变化的斜坡持续时间小于1000 μs时,神经阈值与心脏阈值之间的差距较大,但当斜坡持续时间超过几毫秒时,周围神经刺激阈值与心脏神经刺激阈值之间相互接近[54].

图3
图3.

Reilly估计的最敏感人群百分位数的平均周围神经刺激阈值和心脏刺激阈值。(改编自参考文献[47])

除了理论模型外,还在动物和人体内进行了一些研究,以获得梯度诱导的刺激阈值。Bourland等[55- - - - - -57]和Nyenhuis等[58]在狗身上发现梯度诱导神经刺激的强度-持续时间曲线。这些研究包括z和横向梯度线圈,有和没有1.5 T静磁场。观察到的最低刺激阈值是周围神经,在这些阈值下还观察到肌肉抽搐。刺激发现,与1.5 T暴露相比,0 T时的n阈值没有显著差异,并且,当对脉冲形状和脉冲序列长度进行校正时,似乎与Reilly模型大致一致[49激发所需的感应电场。

Bourland等[5557研究还发现了磁刺激呼吸和梯度心脏刺激的平均阈值。观察到呼吸刺激阈值约为周围神经刺激阈值的3倍,心脏刺激阈值约为周围神经刺激阈值的9倍,斜坡持续时间为530 μs。在这些研究中,他们还报告说,在530 μs的梯度磁场中,狗的平均心脏刺激阈值所需的能量是平均外周刺激阈值所需能量的80倍。回顾Reilly对最敏感人群的心脏刺激阈值百分比的估计[51是平均值的一半,并且认识到梯度磁场中存储的能量与磁场强度的平方成正比,因此,在最敏感人群的百分位中,心脏刺激所需的能量应该是周围神经刺激平均所需能量的20倍。最后,在这些研究中,无论是否在1.5 T静磁场下进行心脏刺激,以及是否在心脏被阻断或跳动的情况下进行心脏刺激,均未观察到显著差异。

除了对动物的研究,一些研究人员还对人类进行了梯度诱导刺激实验:其中,Budinger [59Cohen), (60], Schaefer [6162],布尔兰[63]和Ham [64].Schaefer等人2000年的审查。[47]收集这些研究中获得的实验数据,并比较报告的不同结果4我们展示了z梯度的实验数据点,以及Reilly的估计作为曲线拟合。赖利的模型适合100-1000 μs范围内的实验数据,这是目前临床MRI工作的典型情况。

图4
图4.

通过z梯度是指人体神经刺激阈值;在图中,示出了实验数据和REILLY FIT。(改编自REF。[47])

此外,假设在平均周围神经刺激阈值下的DB / DT水平的心脏刺激的概率估计[47].如图所示5,对于梯度斜坡持续时间小于1000 μs的患者,在周围神经刺激阈值处心脏刺激的概率非常低(从10-29年从100 μs到10-101000μs)。因此,当每年接受MR扫描的患者数量接近10时,刺激概率随着梯度斜坡持续时间的增加而增加7,保持良好的刺激概率远低于1/10是很重要的7

图5
图5.

假设dB/dt水平处于平均周围神经刺激阈值,心脏刺激的估计概率。(改编自参考文献[47])

根据这些发现,谢弗。et al。47]建议按照表中报告的安全标准(由国际电工委员会制定)保护患者1.最近,一项研究发现,大体解剖测量结果之间没有显著相关性;如年龄、体重、身高、平均体重和脂肪百分比;外周神经刺激[65].

表1国际电工委员会(IEC)制定的时变磁场安全标准

射频电磁波的生物学效应

在MRI考试期间,患者暴露于8.5至340MHz的电磁辐射。这被称为电磁辐射谱的射频(RF)范围,并且是非离轴的,也就是说与该辐射频率(波长)相关的光子没有足够的能量来电离生物物质的原子,因此可能导致损坏细胞水平。

因此,在电离辐射可能导致分子或原子吸收器的能量中的离散增加,而导致原子构型的不可逆变化,例如电离或共价键破坏,非离子辐射(例如射频电磁波)不能引起不可逆的改变living systems via single-photon quantized molecular interactions, but only via multiphoton absorption, i.e. direct heating [15.].

另一个区别是“远场区域”和“近场区域”的电磁波。在第一种情况下,如果距离电磁辐射的来源(L)大于电磁波的波长(λ),即L > >λ,电磁辐射可以表示成一个扩散波组成的横电(E)和磁场(H)字段,其中E和H之间的比率等于介质中的“波阻抗”(这被称为平面波近似)。在第二种情况下,如果L小于或等于λ,可以使用“静态”近似,电场和磁场是有效地分离,这意味着从一个特定的源字段的“近场区域”是主要电气(E > > H)或磁15.6667].

在核磁共振检查中,患者处于“近场区域”,因此射频电磁波的生物效应主要是由磁场引起的,而电场的作用可以忽略不计[68].

由射频电磁波引起的生物效应可以分为两个主要类别:

  • 热的影响,这是由于直接吸收电场能量引起的组织加热,以及法拉第定律引起的感应电流[66].这些影响构成了当代国际安全准则的基础,也被称为ICNIRP准则[67];

  • 非热能的影响,这是由于直接磁场与组织相互作用的机制尚不清楚[66].

就热效应而言,生物组织的温度升高源于直接的射频能量吸收。能量在体内的沉积和分布高度不均匀,取决于入射电磁辐射的频率范围。至于人体的能量吸收特性,电磁铁c频谱可分为四个范围[67]:

  1. 1。

    从100 kHz到20 MHz,躯干中的吸收随着频率的降低而迅速降低,颈部和腿部可能出现显著的吸收;

  2. 2.

    从20兆赫兹到300兆赫兹,整个身体都可以发生相对高的吸收,如果考虑到部分身体共振,吸收甚至更高的值;

  3. 3.

    从300 MHz到几个GHz,发生显着的本地,不均匀的吸收;

  4. 4.

    高于10GHz,能量吸收主要发生在体表处。

必须注意的是,MRI技术中通常使用的电磁波处于第二个吸收范围内,在该范围内,全身都会发生高吸收。

用于描述射频能量的吸收的剂量术语是特定的吸收率(SAR),其通常以W / kg测量。但是,特别是对于人类受试者,SAR水平的测量或估计不是微不足道的,因为MRI检查期间的身体SAR是多个变量的复杂功能,包括频率,使用的RF脉冲类型及其重复时间,配置暴露的解剖区域和其他因素[69- - - - - -71].

过去35年进行的许多研究表明,暴露于射频辐射可能产生各种生理影响,这是由于射频能量在组织中引起的加热,包括与视觉、听觉、内分泌、神经、心血管、免疫、生殖、及发育功能[68].

其中一些研究已经在实验室动物上进行,以确定生物系统对暴露于射频辐射相关的组织加热的热调节反应。然而,这些实验直接不适用条件发生在磁共振成像过程中,由于射频吸收的模式,或辐射的耦合生物组织,取决于体型,解剖特点,暴露的持续时间,组织的敏感性,和其他几个因素。因此,在动物实验中获得的数据并不能严格预测在MR检查中暴露于射频辐射下的人体受试者的体温调节或其他生理变化[697273].

除了在动物身上进行实验外,还提出了一些模型来预测人体对MR过程中身体吸收的射频能量的反应[74- - - - - -76].虽然所提出的模型的主要局限性是难以考虑到众多影响人体体温调节反应的关键变量(年龄、皮下脂肪量、身体状况),但更重要的是,这些模型都没有经过人体实验的验证[67].

为了评估MR过程中的实际热响应,有必要进行几个实验,在这些实验中,志愿者在MR检查之前、期间和之后都被连续监测。这些实验的主要结果是对一些对热负荷有显著反应的生理参数的个性化,如舌下或鼓膜温度(“深体”或“核心”温度的良好指标)、皮肤温度、心率、氧饱和度、血压、呼吸频率、皮肤血流;所有这些都是重要的生理变量,它们会随着热负荷的变化而变化[68].

1985年,Schaefer在磁共振过程中进行了第一次人体热反应实验[77].在本研究中,监测了暴露于相对较高的全身平均SARs(约4.0 W/kg)的受试者的温度变化和其他生理参数。结果表明,没有过度的温度上升或其他有害的生理后果相关的暴露。

进一步的研究是对暴露于全身平均SARs(约0.05 W/kg至4.0 W/kg)的志愿者进行的[78- - - - - -84].这些实验证明,体温变化始终小于0.6°C,尽管皮肤温度在统计上有显著升高,但没有严重的生理后果。此外,在血流动力学参数,如心率、血压和皮肤血流中没有相关的有害改变。最近进行了一项研究,目的是确定生物组织的头体模中由典型射频能量与8T MR系统相关引起的热是否导致过度的温度变化。发现的唯一值得注意的影响是超高场系统(> 4 T)中不均匀的射频分布[85].

通过将志愿者暴露于全身平均SAR为6.0 W/kg的MRI程序进行研究[86].这是人类受试者在MRI程序中暴露的最高级别的SAR。该研究在凉爽(22℃)和温暖(33°C)环境中进行。在暴露于RF电磁能之前,在接触之前,期间和之后监测鼓膜膜和皮肤的温度,以及心率,血压,氧饱和度和皮肤血流。在凉爽的环境中,鼓膜,腹部,上臂,手和大腿温度以及皮肤血流存在统计学显着的增加。在温暖的环境中,鼓膜,手和胸部温度以及收缩压和心率存在统计学上显着的增加。然而,生理参数的所有变化都是可接受的安全水平。该发现表明,具有6.0W / kg的全身平均SAR的MR程序可以通过热调节功能没有受到损害的受试者生理学耐受[6886].

最后,有必要考虑减少散热能力的器官,因此可能受到温度升高的温度,例如Gonads和眼睛。研究表明,如果阴囊或睾丸组织温度超过38°C,则RF辐射诱导的加热可能对睾丸功能有不利影响[76].研究[88]在全身平均SAR为1.1 W/kg的情况下,测量暴露于MRI程序的志愿者的阴囊皮肤温度。阴囊皮肤温度的最大升高为2.1℃,记录的最高阴囊皮肤温度为34.2℃,即低于已知损害睾丸功能的阈值[87]。关于磁共振检查期间眼睛的加热,已对暴露于SARs峰值高达3.1 W/kg的脑部MRI的患者进行了角膜温度测量[89]。最高角膜温升为1.8°C,测得的最高温度为34.4°C。进行了另一项研究,以检查疑似眼部病变患者的角膜温度,使受试者暴露在3.3至8.4 W/kg的SARs峰值范围内[90].在该研究中测量的最高角膜温度为35.1°C。随着在这些研究中测量的温度低于认可的安全阈值,临床MR程序并不似乎对眼组织产生热损伤[68]最后,我们应该注意到,当前文献中缺乏关于患有损害散热的疾病的患者的研究。

射频辐射也可能在生物系统中引起非热的、特定于场的变化,这些变化是在没有温度升高的情况下产生的。然而,射频电磁波的非热效应还没有得到很好的理解,最重要的是,还没有与磁共振系统的使用相关的研究[68].有兴趣深入讨论这个话题的人可以参考Beers的广泛综述[91].在这里,我们将仅限于报告由于这一主题日益重要而引起的一些质的考虑[92].毫无疑问,在人类中,电磁场在控制和维持有序的生理功能方面发挥着至关重要的作用。因此,活性系统是一种极敏感性的电磁器具;因为在人类暴露于人造电磁波的相对较短的时间里,没有任何对这种辐射可能具有的不良反应的进化免疫证据。然而,从外部领域和人体组织之间的能量转移出现热效应,而非热效应可能会导致从现场到生物系统的“信息转移”。(从电磁场转移到生物系统的一个很好的例子是闪光的能力,以一定的速度,以患有光敏性癫痫的人们触发癫痫发作;这种效果是由于,而不是亮度光,而是闪光的频率。)这种类型的相互作用可能是强烈的非线性的并且取决于外部电磁场的频率。尽管如此,ICNIRP安全指南[67允许人类暴露在比目前市场上所有电子消费品的辐射限制强十倍以上的电场中。

结论

也许核磁共振检查最安全的部分是静态磁场。通过对现有文献的检查,在我们的知识范围内,暴露于静态磁场的唯一健康危害与铁磁材料或患者心脏起搏器的存在有关。自1980年初以来进行的超过1亿次核磁共振检查中,几乎没有任何证据表明静态磁场对患者产生有害影响。然而,由于高场MRI系统的信噪比优势,静态磁场的增加是不可避免的。

MRI检查中的第二个潜在风险源来自脉冲场梯度的使用。高转换率可能会对患者造成周围神经和/或心脏刺激。然而,周围神经刺激虽然对受试者无害,但可能是痛苦的,其阈值低于潜在危险所需的水平目前的MR系统通常在神经刺激水平以下工作,因此,在目前的技术水平下,心脏刺激是不太可能的。

射频功率沉积是MRI检查中对患者安全的最大风险。科学家们普遍认为,健康人局部温度升高1°C绝对没有风险。在MRI检查中,SAR值为8w /kg,但需要足够短的暴露时间,以避免产生超过1°C的核心体温上升。然而,就安全性而言,临床MR系统最好配备传感幻影,当SAR水平接近国际安全指南所确定的极限时,传感幻影可以关闭射频源的电源。

基于这些考虑,我们希望对磁共振成像系统安全性的了解不仅能够帮助指导这些仪器的未来设计,而且能够影响程序的选择,以确保系统的安全、有效和高效运行。

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核磁共振成像的生物学效应:综述。生物医学Eng在线3.11 (2004). https://doi.org/10.1186/1475-925X-3-11

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