梯度磁场的生物学效应

第二节　梯度磁场的生物学效应

MRI梯度磁场是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场，因而梯度磁场每单位长度上的磁场强度呈线性变化。衡量梯度系统最重要的指标是梯度强度和梯度切换率，前者表示磁场随空间的变化，后者反映磁场随时间的变化率。为了得到任意层面上的空间信息，MRI系统由互相垂直的3个梯度线圈在x、y、z三个坐标方向上产生梯度磁场，它们分别被称为G_x梯度、G_y梯度和G_z梯度。

众所周知，2.0T以下的静磁场不会对人体产生明显的生物效应，但梯度磁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。梯度磁场的这种感应电流是其生物学效应的主要来源。随时间变化的梯度磁场可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度磁场安全的上限指标。在足够强度下，可以产生外周神经兴奋（如刺痛或叩击感），甚至引起心脏兴奋或心室颤动。

梯度磁场仅在扫描时产生，感应电流是梯度磁场高速切换的产物，其大小与梯度磁场的切换率、最大磁通强度（梯度磁场强度）、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。梯度磁场与生物组织之间的作用机制包括以下多种因素：梯度磁场的谐波频率、梯度磁场强度的最大磁通强度和平均磁通强度、梯度磁场的波形参数和脉冲极性、组织细胞膜的电磁特性及其敏感性。Bourland等报道，在MR检查过程中，变化的梯度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，从而刺激人体神经肌肉组织。梯度磁场的这种感应电流是其生物学效应的主要来源。梯度磁场变化引起的法拉第感应电流在人体内部构成回路，越是靠近机体外周的组织电流越大，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，例如脂肪和骨组织等低电导的组织可以改变感应电流的方向。

目前，MRI系统产生的时变梯度磁场可引发外周神经刺激已经被证实，其可表现为针刺样酥麻感或其他不适。但MRI时变梯度磁场引发的心脏刺激是一个更值得密切关注的问题，这是由于：第一，只要有一个心肌细胞受刺激，就能将兴奋传递给其他未兴奋心肌细胞；第二，感应涡流完全有可能引发心室颤动，从而导致患者死亡。目前的仿真研究表明，常用梯度磁场和几千赫兹切换频率条件下的感应电流不足以引发人体心室颤动；但高切换率的梯度磁场会引发外周神经刺激，并有可能引发心室颤动。

梯度感应电流在神经系统的主要表现是视觉磁致光幻视（phosphene），又名光幻视或磁幻视，是指在梯度磁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被检者视网膜感光细胞受到电刺激后形成的视觉紊乱，是梯度磁场最敏感的生理反应之一。光幻视与梯度磁场切换率和静磁场强度均有关系，且在梯度磁场停止后自动消失。进行常规1.5T以下MR检查时梯度磁场的切换率在20T/s以下，产生的电流密度不足以出现上述幻视觉。但当双眼暴露于4.0T的静磁场中时，梯度磁场的变化则很容易使正常人产生光幻视。