ISO/TS 10974 《患者携带有源植入物接受磁共振成像的安全评估规范》第二版与第一版的比较研究

李永华，王晶，张尉强，胡晟

1 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

2 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京市，100081

0 引言

随着医用磁共振（magnetic resonance，MR）设备的普及，有源植入式医疗器械（active implantable medical device，AIMD）的植入患者进行MR检查的需求越来越迫切，AIMD植入患者磁共振成像的安全评估也成为AIMD行业的重要研究课题。近十几年来，诸多研究机构和AIMD制造商针对上述课题开展了研究[1-5]，已陆续上市了数十款MR条件安全的AIMD产品，此类产品的普及已成为AIMD行业的发展趋势。为了指导和规范此类产品的磁共振成像安全评估测试，国际标准化组织于2012年发布了专用技术规范ISO/TS 10974的第一版，在2018年进行更新并发布了该技术规范的第二版[6-7]。该技术规范清晰归纳了磁共振成像扫描给AIMD植入患者可能造成的潜在危害，给出了各类危害的具体测试方法。该规范目前已得到广泛应用和认可[8-9]。

ISO/TS 10974第二版在第一版的基础上进行了大量修订，相关修订来源于第一版技术规范发布之后的实践经验，体现了近年来AIMD磁共振成像安全评估技术的发展及当前对相关问题的认知水平，必将对AIMD产品的磁共振成像安全评估测试方案产生深远影响，准确把握第二版的修订要点对于AIMD制造商、医学界、科研机构、产品检验检测和监管机构等各相关利益方具有重要意义。详细梳理了第二版技术规范相比于第一版的主要变化，分析了第二版的技术进步，并对第二版中仍存在的问题进行了探讨。

1 总体情况

MR扫描可能会给AIMD植入患者造成多种潜在危害，目前已知或可预见的潜在危害有热、振动、力、扭矩、非预期刺激和器械故障。总体来看，两个版本的技术规范对潜在患者危害的分类是一致的，仅表述略有差别，第二版中的非预期刺激与第一版中的外部电势和整流相对应，两个版本对各项危害的测试项目也是一致的（见表1）。不同的是，第二版对各项危害的具体测试方法有较大的调整与改进。因此，关注重点是测试方法的变化。

按照潜在患者危害产生的原因，将测试项目分为射频场相关测试项目、梯度场相关测试项目、静磁场相关测试项目以及复合场测试，进行逐类梳理分析。

2 射频场相关测试项目

射频场与AIMD之间的相互作用较为复杂，主要体现在两个方面：首先，AIMD会收集射频能量并转移到器械-组织界面，导致器械周围组织温度升高，可能导致组织热损伤，或器械预期的治疗效果减弱；另一方面，射频能量可能通过AIMD外部导体（比如电极导线）传输到内部电路，或穿透AIMD封装直接与内部电路产生相互作用，导致器械故障或整流，整流进一步可能产生对组织的非预期刺激。因此，射频场相关的测试项目主要是评估以上两方面风险，包括：射频致热、射频场导致的整流与器械故障。

表1 潜在患者危害及相应的测试项目Tab.1 Potential patient hazards and corresponding test items

对于射频场相关的测试项目，ISO/TS 10974第一版和第二版均给出了四层级（four-tier）测试方法。需要注意的是，第二版在测试层级定义和适用范围上作了重大调整。首先，第一版中层级1和层级2适用于任何类型的AIMD，而第二版将其适用范围限定为属于电气短导体范畴（electrically short）的AIMD，比如人工耳蜗植入体、植入式压力传感器、无导线植入式心脏起搏器等（见第二版8.2节）。由于层级1和层级2不要求进行AIMD建模，所以尚无合适的科学方法来评估非电气短导体的AIMD在射频场中可能出现的相位增强效应，故第二版将层级1和层级2限定为电气短导体的AIMD是保守和严谨的做法。其次，第二版调整了层级3和层级4的定义。由于第一版层级3和层级4的测试方案中均出现了AIMD建模，但又没有明确阐述二者的区别，导致该技术规范的使用者在定义理解上存在分歧。不仅如此，AIMD制造商普遍采用的传递函数方法既不完全符合层级3定义，也不完全符合层级4定义，导致第一版中规定的层级3和层级4的测试步骤均不能对其起到良好的规范作用。考虑到以上问题，第二版调整了层级3和层级4的定义，明确阐述了层级3和层级4均包括人体建模和AIMD建模，二者区别在于层级3是将人体建模和AIMD建模分开进行，也就是通常所说的传递函数方法，而层级4则是将人体和AIMD结合在一起进行建模。定义的调整不仅消除了分歧，而且随着定义调整，相应的测试方法也随之调整，从而起到更好的规范作用。

除了以上定义和适用范围调整之外，第二版对射频致热、射频场导致的整流与器械故障的具体测试方法也有较大调整。

2.1 射频致热

ISO/TS 10974第二版主要对射频致热的测试方法作了两方面的改进。一方面，第二版结合实践经验扩充了部分测试方法，例如，扩充组织模拟介质中确定沉积功率的方法，第一版中需要先确定“热点”（hot pot）沉积功率的空间分布，然后才能确定“热点”的总沉积功率，第二版在该方法的基础上，新增了“由点温升（point temperature）测量值或点SAR测量值直接校正到总沉积功率”的方法（详见第二版8.4.4.4节），使得测试方法的选择更加灵活；扩充AIMD模型验证方法，提供了详细的测试步骤指导（详见第二版8.8节）。另一方面，第二版也对部分测试环节提出了新的要求，比如，第一版中规定的高介电常数组织模拟介质只有一种，其电导率为0.47 S/m，第二版在此基础上根据不同组织（肌肉、脑组织、血液等）的特点增加了电导率为0.65 S/m和1.2 S/m的高介电常数介质，并要求根据AIMD所处的身体位置选择相应的组织模拟介质进行AIMD模型验证（详见第二版8.3.2节），使得AIMD模型的验证更加贴近临床实际情况。此外，第二版还强调测试评估时应考虑多根导线的电极之间的邻近耦合增强效应（详见第二版8.5节）；强调当MR标签中采用SAR值限制时，测试中应当考虑到出现2倍SAR值的最坏情况，防止最坏情况被低估（详见第二版8.7.1节）等。这些新增要求体现了第二版对该项测试的要求更加细化和严谨。

2.2 射频场导致的整流与器械故障

由于射频场导致的整流与器械故障采用同一套测试方案，ISO/TS 10974第二版将其合并为一个章节。与第一版相比，第二版的主要变化是射频测试信号的调整。第二版新增了sinc函数调制的射频信号作为可选的测试信号，同时简化了射频测试序列。第一版中需要按照技术规范第8章表4和表5规定的组合进行测试，完整测试需要重复上百次，虽然制造商可根据理论分析排除掉一些测试组合，但测试负担仍然很重。根据近几年的实践经验，有些测试组合是冗余的，故第二版简化了测试序列，明确规定了只需选择射频场的最大瞬时峰值RFmaxpeak和最大均方根值RFmaxrms进行测试，大大减少了测试量。此外，关于射频场中AIMD配置了多根电极导线或导线内多个导体共存的情况，器械RF输入端口的感应信号之间可能存在较大的相位差。若忽略端口间的相位差问题，可能导致故障测试的不完备，故第二版提出了关于相位差的测试要求，并给出了两种相位差设置方法（详见第二版15.5.5节）。对于相位问题的重视是第二版技术规范的一个重大进步。

3 梯度场相关测试项目

梯度场与AIMD之间的相互作用主要包括三个方面：第一，时变梯度场（dB/dt）会在导电的AIMD外壳或内部导电体表面产生涡流。涡流导致器械发热，同时产生磁矩，时变的磁矩与静磁场相互作用产生振动；第二，时变梯度场（dB/dt）会在电极之间及电极与器械外壳之间产生感应电势，进而可能对邻近组织产生非预期刺激；第三，梯度场直接与内部电路产生相互作用或通过外部电极导线耦合到内部电路，可能会导致器械故障。为了评估以上相互作用中可能造成的潜在患者危害，ISO/TS 10974规定了以下四项测试：梯度致热、梯度场导致的振动、梯度场导致的外部电势和梯度场导致的器械故障。

对于梯度场相关的测试项目，ISO/TS 10974第二版最大的改进是明确了dB/dt均方根值（梯度致热测试）及dB/dt峰值（梯度场导致的振动、外部电势和器械故障测试）暴露水平。由于第一版未明确规定梯度场暴露水平，测试者只能自行确定，不仅需要花费大量的时间和精力，而且标准难于统一。第二版将大量临床调研结果及建模仿真结果进行了总结，以列表形式给出了dB/dt均方根值及dB/dt峰值暴露水平与AIMD最大z轴径向距离的对应关系（详见第二版表5和表A.2），不仅起到了规范作用，也更便于使用。除此之外，第二版对每项测试的具体测试方法也有一定的调整。

3.1 梯度致热

在梯度致热测试项目中，ISO/TS 10974第二版的主要变化是调整了测试信号波形及参数，将层级1的测试信号波形由三角波修改为正弦波，频率选定为270 Hz。相对于三角波或梯形波，低频正弦波不含高阶谐波成分，可以降低涡流自感效应的影响，在相同的dB/dt均方根值暴露水平下得到最大的温升，其测试结果更加保守（详见第二版附录D）。

3.2 梯度场导致的振动

ISO/TS 10974第二版对振动测试的主要变化有两个方面：

第一，测试范围调整。第一版的振动测试包括三项：振动导致的故障、振动导致的患者不适和振动导致的组织损伤，而第二版只包括振动导致的故障测试。由于振动导致的患者不适已不再认为是一种患者危害，故不需进行测试。至于振动导致的组织损伤，如有必要可进行评估，但不包含在第二版的范围内。与第一版相比，第二版的定位更加清晰明确，即只规定AIMD与磁共振磁场相互作用的评估方法，而相互作用进一步导致的组织损伤或治疗效果减弱等具有组织依赖性的危害评估则不再纳入第二版的范围内。

第二，测试方法调整。首先，合并简化测试方案。第一版中规定了4种可选测试方案：研究用MR扫描仪测试、临床用MR扫描仪测试、模拟场测试和振动台测试。对于该测试项目，研究用MR扫描仪测试和临床用扫描仪测试并无本质区别，第二版将其合并统称为MR扫描仪测试；模拟场很少被选用，删除；振动台测试保留。其次，第二版调整了测试条件，明确规定了MR扫描序列的频率范围至少从300 Hz到1 150 Hz，且频率步长不得超过300 Hz（详见第二版10.3.5节），以尽量覆盖临床应用中可能用到的梯度序列频率范围；调整了测试时长的规定，由原来的固定测试时长调整为基于风险分析确定测试时长（详见第二版10.3.6节）；考虑到部分AIMD元件的弹性模量可能会受到温度的影响，新增了关于测试温度的要求（详见第二版10.3.7节）。

3.3 梯度场导致的外部电势

ISO/TS 10974第一版对外部电势测试的指导是框架性的，非常简略。第二版中对该项测试的测试方法进行了大量扩充。

首先，第二版明确规定对于梯度场导致的外部电势应进行3项测试：梯度脉冲泄漏测试、梯度整流测试和AIMD输出脉冲畸变测试，其中梯度整流测试是第二版新增的。第一版技术规范只关注单个梯度脉冲造成的影响，是不全面的。与射频整流原理类似，AIMD的非线性元件也有可能受到梯度脉冲序列影响而产生整流，并导致非预期刺激，故增加梯度整流测试是有必要的。

其次，第二版扩充了以上3种测试的测试方法，详细给出了测试信号波形、幅度、脉宽等参数，测试布置图，组织界面网络及测试步骤等。对于AIMD输出脉冲畸变测试，明确规定了测试信号与AIMD输出脉冲之间的时序要求（详见第二版13.5节）。第二版的测试方法已具有较高的可操作性，但制造商仍需根据各自的产品特点确定具体的组织网络参数。

3.4 梯度场导致的器械故障

对于梯度场导致的器械故障测试，ISO/TS 10974第二版的主要变化是是调整了测试信号参数，同时简化了测试序列（详见第二版表11和12），减轻了测试负担。除此之外，对于辐射测试，第二版强调若AIMD含有导线，应带导线或电极/导线模拟器进行测试。因为基于目前认知，电极导线引入电压与梯度场直接耦合到内部电路的电压共同作用时，属于最恶劣情况。对于注入测试，第一版未对测试配置作明确要求。考虑到临床实际使用中，AIMD不同导线的电极之间或同一电极导线间隔较远的电极之间的梯度场感应电压可能存在显著差别，可能在AIMD端口之间引入差模电压，该差模电压可能导致器械故障。综上，第二版要求测试不仅应在共模配置下进行，必要时还应在差模配置下进行，并且给出了两种配置下的4种测试布置图（详见第二版16.5.5节），使得该测试更加严谨和完备。

4 静磁场相关测试项目

静磁场相关的测试项目相对简单，主要包括：静磁场导致的位移力、扭矩和器械故障。其中，静磁场导致的位移力的测试方法引用ASTM F2052，静磁场导致的扭矩的测试方法引用ASTM F2213，ISO/TS 10974的两个版本内容基本是一致的。关于静磁场导致的器械故障测试，第二版技术规范的主要变化是根据产品特征将AIMD划分为三类，分别对每一类AIMD列出了测试方法和相应要求。在第二版技术规范的实际应用中，制造商应说明AIMD类别，并提供科学合理的判别依据。

5 复合场测试

复合场测试的目的是为了评估AIMD同时暴露于静磁场、梯度场和射频场时，其预期产品功能是否依然符合制造商要求。通过该测试，可进一步确保临床真实应用场景中AIMD的安全性。

ISO/TS 10974第一版对复合场测试的规定较为粗略，第二版则提供了非常详细的规定和指导，包括测试布置、测试设备、测试流程等。附录S进一步给出了大量的可供参考的MR扫描方案、体模中AIMD的摆放位置和导线路径布置等关键测试信息。第二版的复合场测试相关章节内容具有了较好的可操作性和规范作用。

综上，将第二版相比于第一版的主要修订进行了归纳总结，如表2所示。

表2 ISO/TS 10974第一版和第二版的修订对比汇总Tab.2 The comparison between ISO/TS 10974 Ed.1 and Ed.2

6 讨论与结论

本研究针对ISO/TS 10974第二版和第一版的主要变化进行了梳理和分析。ISO/TS 10974第二版在测试方法上进行了大量的修订，包括扩充和完善，比如梯度场导致的外部电势、静磁场导致的器械故障、复合场测试等项目测试方法的扩充；也包括简化和调整，比如简化射频场和梯度场导致的器械故障测试中的测试序列，调整射频致热测试方法层级划分，修改梯度致热测试信号，强调射频场导致的器械故障测试中注入测试的相位问题等。上述修订工作使得测试方法更加严谨和明确，体现了近年来相关领域的技术进步和认知水平的提升。

尽管ISO/TS 10974第二版相比于第一版有较大的改进，但是考虑到医疗器械行业的飞速发展，该技术规范仍然存在诸多亟待研究和解决的重要问题。例如：射频致热测试项目，第二版已经提示应考虑多根导线的电极之间的邻近效应，但未给出推荐的评估方法；射频场导致的整流与器械故障测试项目，对于非屏蔽式AIMD（比如人工视网膜）未给出相应的测试方法；静磁场导致的器械故障测试项目，未提供适用于第二类有源植入器械（Class 2 AIMD）的测试方法等。上述问题都值得持续深入研究，应在ISO/TS 10974的后继版本更新中进行明确和完善。

值得指出的是，未来技术规范或标准修订工作应充分考虑高场MR设备、AIMD新型产品、MRI安全评估新方法等重要技术的发展趋势。首先，3.0 T MR设备的临床应用日益普遍，而第二版技术规范的适用范围依旧局限于1.5 T MR设备，将适用范围扩展至3.0 T MR设备已是迫切需求。高场MR设备（3.0 T及以上）一般采用多通道射频激发模式以改善射频场的均匀性，与1.5 T MR设备的单通道、圆极化激发模式相比，高场MR环境的射频测试项目的难度大幅增加[10-12]。其次，随着AIMD行业发展，关于某些新型AIMD产品（比如人工视网膜、植入式压力传感器等）的研究较少，需要对其安全评估技术开展进一步的研究[13-15]。第三，近年来MRI安全评估技术的研究领域十分活跃，尤其是射频建模仿真技术，已经涌现了诸多新的研究成果[16-20]，所以技术规范或标准的未来修订工作应充分考虑相关评估技术的发展和更新。

综上，ISO/TS 10974第二版相比于第一版有较大的技术进步，在测试方法的严谨性和可操作性等方面有较大提升，对测试的规范作用也大幅增强。随着医疗器械行业的快速发展，该技术规范仍有较大的提升空间，在未来的修订工作中依然需要扩大适用范围和引进新的研究成果以起到更好的指导规范作用。