MR生物效应及其对受检者的影响

张伟超，张景国

（中国中医科学院望京医院放射科，北京 100102）

生物效应是指某种外界因素（例如物理因素、生物物质、化学药品等）对生物体产生的影响。许多实验观测表明，生物所处的环境磁场（如地球的磁场）和用人工方法对生物施加的外磁场，也可对生命活动产生影响，而且这些影响还与所处的环境磁场和所加外磁场的强度和均匀度以及是否随时间变化等因素有关。

MR是通过对静磁场中人体施加特定频率的射频（radio frequency,RF）脉冲，使人体组织中的氢质子受到激励而发生核磁共振现象。在RF的激发下，人体组织内氢质子吸收能量处于激发状态，RF终止后，处于激发状态的氢质子恢复其原始状态。MR设备是利用RF终止后，氢质子发射射频信号 （MR信号），将所产生的MR信号进行接收、空间编码、转换后形成图像的一种技术。由于上述特点，MR检查无电离辐射，只有人为施加的主磁场和射频脉冲。本文将就MR检查中磁场和射频脉冲所产生的生物效应进行论述。

1 分析与方法

1.1 主磁场的生物效应

主磁场是磁共振成像系统的重要组成部分。主磁场的产生依赖磁体，可以有永磁，常导，超导，目前高场强的都是超导。超导其实就是一个大磁铁，一旦电流导入，就无需再提供电流，电流在超低温下几乎不会损耗，强大的电流产生强磁场，平时主要是补充液氦。随着超导磁体技术的日益成熟，场强有不断提高的趋势，美国食品和药品管理局（the U.S.food and drug administration,FDA）和英国国家辐射防护委员会（national radiation protection board,NRPB）分别将成像的最高场强限制在3.0T和2.5T以内，国内现在使用的多是3.0T以内，超过3.0T的限制在实验室使用。目前并无MR主磁场对人体造成损伤的可靠依据。有些长期处于主磁场环境中的工作人员可出现头晕、头痛、胸闷、乏力、食欲缺乏等症状，但这是否与主磁场直接相关目前还缺乏依据。

主磁场对人体的影响主要包括三个方面：

1.1.1 温度效应

温度效应是指主磁场对哺乳动物体温的影响。它是MR成像技术早期最受关注的生物效应之一。关于这一方面的研究曾经非常多，且多年来文献报道一直存在不同的观点。1989年富兰克（G.S.Frank）采用荧光温度计证实对处于1.5T场强中至少20分钟内人体的深、浅体温均无明显影响。现已证实，主磁场对人体的体温不产生影响。

1.1.2 磁流体力学效应

是指主磁场对人体血流及其他流动液体产生的效应，表现为血沉加快、心电图的改变等。血液中脱氧血红蛋白的顺磁性有可能使强磁场中的红细胞出现一定数量的沉积，使血液粘稠度发生改变，但是这些物质的顺磁性微弱，与施加的磁场无明显的相互作用。同时人们在血液循环正常者身上观察不到这种现象，这是因为血液的流动几乎可以阻止红细胞的沉降。磁流体动力学效应所致的心电图改变主要表现为T波幅度加大，但不会引起其他心脏功能或循环系统功能的异常，并且当患者离开MR检查室后，其心电图上所出现的异常改变也会消失，因此一般认为没有生物学危险。

1.1.3 中枢神经系统效应

由于神经的传递是一种电生理活动，因此理论上讲，磁场有可能影响神经的传导活动。其次从磁流体动力学考虑，磁场改变了脑血流量（cerebral blood flow,CBF），从而引起中枢神经系统的效应。现在国际上公认3.0T以下的静磁场对于人体中枢系统没有显著的不良影响。需要指出的是，有文献报道静磁场对中枢神经系统的作用会影响MR脑功能成像（fMRI）的结果。WHO报告认为，现在暂无证据证明MRI静磁场对健康有影响，人体志愿者试验在8T下观察中枢与外周神经、行为与认知、感官知觉、心功能、呼吸频率、体温等均无明显变化，但考虑到MRI发展在不断提高磁场强度，所以对静磁场的危险应给予关注。

1.2 梯度磁场的生物学效应

梯度磁场是位于磁体腔内的几组线圈通过电流而产生，附加在主磁场上，可以增加或减弱主磁场强度，使沿梯度方向的自旋质子具有不同的磁场强度，因而有不同类型的共振频率。梯度磁场的用处主要在空间定位，包括相位编码及频率编码，并可以通过梯度场明确空间上的任意位置。高场强MR系统梯度性能较高，由此带来的高切换率会引起人体的周围神经组织刺激效应，高切换率会使刺激反应更为明显，梯度场对心脏、外周神经的刺激非常强，受检者可能出现肢体发麻、肌肉不随意的收缩或跳动等现象。由于梯度场对人体具有潜在的危险性，美国FDA为此发布了相关的安全标准，其基本内容如下：在MR检查过程中受检者所经受的梯度场变化率必须小于外周神经出现误刺激的阈值，且至少应具有3倍以上的安全系数。最大梯度场变换率应在6T/s以下。平面回波序列（echo planar imaging,EPI）是引起梯度电流最大的序列，单次激发快速自旋回波（single shot fast spin echo,SSFSE）序列引起的梯度电流最小。用EPI扫描时，应告知受检者双手不能交叉放在一起，双手亦不要与身体其他部位的皮肤直接接触，这样可以减少外周神经刺激效应的出现。

1.3 射频脉冲的生物学效应

射频脉冲主要作用是发射信号及采集信号，通过回波信号来了解组织的特性，主要形成T1加权像（T1 weighted image,T1WI），T2加权像 （T2 weighted image,T2WI）， 质 子 密 度 加 权 像 （proton density weighted image,Pd）及流动信号等。MR机在信号采集过程中需要利用射频脉冲对氢质子进行激励，射频辐射量一般用特殊吸收率 （specific absorption rate,SAR）来表示，SAR指单位质量组织中RF功率的吸收量，单位为W/kg。美国国家标准协会（the American national standards institute,ANSI）和FDA推荐全身平均SAR值应该在0.4W/kg以下。SAR值的大小与静磁场强度、射频功率、射频的持续时间、射频的时间间隔、发射线圈类型和受检者体重及受检部位有关。射频对人体的生物效应主要在于其致热效应，即人体组织吸收射频的能量可导致组织温度升高。人体温度上升只要不超过1℃，头和躯干不会有副作用，但对婴幼儿、孕妇、心脏病患者不能超过0.5℃。而0.4W/kg的SAR值不会超出限值。体温升高的程度与射频脉冲的持续时间、能量沉积速率、环境的温度及湿度及受检者体温调节系统的状态有关，不管何种射频脉冲都会产生热量。以SSFSE射频脉冲产生的热量最多，其次是快速自旋回波（fast spin echo,FSE）序列，EPI序列产生的热量最少。梯度回波 （gradient recalled echo,GRE）序列射频能量居中。因此在扫描中，先完成SAR值较高的SSFSE或FSE扫描，中间可穿插SAR值相对较低的扰相GRE（spoiled GRE,SPGR）和EPI扫描，以保证扫描的顺利进行。

回波链长度（echo train length,ETL）越长，回波间隙（echo spacing,ES）越小，SAR值增加越明显。扫描层数增加，饱和带增宽增多，SAR值也会相应增加。重复时间（repetition time,TR）时间越短，SAR值越高。腹部、盆腔、脊柱FSE扫描中，有时为保证扫描，在不影响图像质量的前提下，可适当增加TR时间。此时，虽然增加了一点扫描时间，却能有效降低SAR值。

2 结论

目前在临床应用的3.0T及以下的MR设备，其所产生的生物学效应对于受检者是安全的，且不会造成受检者不可逆的身体损伤。同时，检查者在检查前应详细告知受检者检查的注意事项及可能产生的正常生理心理反应，检查中选用恰当的脉冲序列，受检者如有不适，应立即停止检查。检查后让受检者等待30分钟再离开医院。以上措施可以使生物效应对人体的影响降到最低限度并保证受检者的安全。

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