磁共振噪声

第五节　磁共振噪声

磁共振系统在运行过程中会产生多种噪声。噪声对患者和医务工作人员可造成多种问题，包括烦躁、语言交流障碍、焦虑以及暂时性听力减退，严重者可造成永久性听力损伤。对于某些患者来说，噪声可能会造成特殊的问题或伤害。例如，当精神病患者听到高音量或突然出现的噪声时，可能会产生精神错乱或深度焦虑；镇静中的患者可能会因MR检查时出现的噪声而有不舒服的感觉。另外，噪声也会对身体结构尚未发育完全的新生儿产生多种影响。

一、噪声对听力的影响

人的听觉系统是一个非常灵敏的声音接收器，正常听力的频率范围在20～20 000Hz，人耳还具有选择性以及判别声音的强弱、音调和音色的本领。人耳并不能以绝对的参数来判断声音的强度，响度是人耳对声音强弱程度的主观反映。

噪声（“旧称噪音”），从物理特性来讲，主要是指振动频谱极宽、振动振幅极不规则的声音，是一类引起人烦躁或音量过强而危害人体健康的声音。噪声作用于机体后，对听觉功能的影响主要表现为听觉敏感度下降、听阈提高，即噪声性听觉损伤。人短期暴露于噪声环境中，离开噪声环境后，也会造成短期的听力下降，但下降的听力经过较短的时间即可以恢复，这种现象叫听觉适应；如果较长时间无防护地在较强的噪声环境中工作，就会造成听力损失，这种经数小时或十几小时还可以恢复的听力损失称为听觉疲劳；听觉疲劳不断加重就会造成听觉功能恢复不全，导致出现不可逆的听力下降甚至噪声性耳聋。

噪声性听觉损伤在功能改变上主要有2种表现形式：暂时性阈移（temporary threshold shift，TTS）和永久性阈移（permanent threshold shift，PTS）。TTS主要与噪声的强度、频率、暴露时间等因素有关。强度是影响TTS的主要因素，在60～90 dB（A）时TTS随之增大，当达90dB（A）以上时TTS急剧上升；在频率方面，主要表现为同等暴露强度、时间条件下，高频刺激声引起的TTS较低频刺激声大；对于中等强度［80～105dB（A）］的噪声，暴露时间在8h以内时，TTS的大小与暴露时间的对数大致成正比。与TTS相似，PTS也主要受强度、频率和暴露时间等因素影响，但PTS有2个特点：首先，PTS一般先在4 000～6 000Hz范围内开始出现，即便是频率＜250Hz的强噪声暴露，听力损失也常出现在高频区，这种特点与基底膜上听毛细胞分布和耳蜗声－电能转换有关；其次，必须在一定暴露量基础上才可以诱发PTS，暴露量指声强度和时间的积分，而且接触时间减半稳态噪声强度容许增加3dB（A）（等能量法则），主要原因可能是机体本身有一定代偿、修复机制。在此基础上，暴露时间越长、暴露强度越大，PTS越大。

Brummett等报道，MRI扫描时，未采取听力保护的患者中有43%发生TTS，这同样也可见于耳塞使用不恰当的患者。这些患者离开MRI环境即可恢复正常听力。但如果噪声损害较重，则需要几周的时间才能完全恢复正常听力。当反复接触噪声而没有适当的休息时，会造成PTS，一般而言在90dB（A）的环境中8h或95dB（A）4h、100dB（A）2h，极易发生永久性听力丧失。

二、与MRI相关的噪声

MRI噪声主要与梯度磁场的切换有关。在此首先要明确梯度磁场的概念，才能理解MRI噪声产生的原理。在MRI中用到的磁场包括2个成分：一是主磁场，在空间上均匀分布，是产生磁共振信号的基本条件；二是梯度磁场，强度随空间位置不同而变化，用于定位不同人体组织的位置。主磁场由永磁体或超导线圈产生，不随时间变化。梯度磁场由梯度线圈产生，扫描过程中随时间变化。根据电磁感应定律，在线圈中通电流I产生相应的磁场B。如果电流I随时间变化，即产生相应的变化的磁场，当需要梯度切换（梯度磁场变化）时，改变梯度线圈中的电流I即可。一般情况下，梯度线圈位于主磁场内，由于线圈中通有电流，根据Fleming左手定律，线圈中的金属丝受洛伦兹力的作用。当电流I急剧变化时，金属丝受力也相应变化，从而产生剧烈的振动，这就是梯度磁场切换产生的噪声源。一般说来，同一系统，要求梯度磁场做快速切换的扫描程序如EPI产生的噪声比其他扫描要大。不同系统，梯度磁场越强，切换性能越好，噪声越大。MRI扫描过程中所产生的噪声有2种扩散路径：一是空气传播，二是固体接触扩散。噪声由梯度线圈经过这2种扩散方式或者直接传到受检查的患者耳朵里，或者引起别的部件振动，产生新的噪声源，再传入人耳朵里。

通过调整MRI参数来改变梯度输出，可以引起噪声水平的变化。当减少层厚、视野、重复时间及回波时间时，噪声就会增强。除了成像参数，噪声也与磁共振系统硬件、结构及周围环境有关。

三、与磁共振系统特性相关的噪声

已经有作者对静磁场强度为0.35～4.0T的磁共振系统应用不同脉冲序列扫描时梯度磁场产生的噪声强度进行了测量。Hurwitz等报道，MR检查过程中所产生的噪声为82～93dB不等，因而作者认为梯度磁场引起的噪声虽然令患者烦扰，但其仍处于安全指标范围内。

随后的文献报道对多种磁共振参数与噪声强度之间的关系进行了研究，包括同时采用多个梯度脉冲的“最差”脉冲序列，即产生噪声最大的序列，其产生的噪声强度峰值为103～113dB。另有研究测量了回波平面序列和快速自旋回波序列产生的噪声强度，回波平面序列是迄今最快的MRI成像序列，它是在一次射频脉冲激励后在极短的时间（30～100ms）内连续采集一系列梯度回波，用于重建一个平面的MRI图像。EPI技术需要梯度磁场快速转换和较高的梯度振幅（gradient amplitude，GA），对硬件要求较高，而且梯度磁场转换产生的噪声也较大。Shellock等在2个不同的高场强磁共振系统中，均运用“最差”脉冲参数的平面回波成像序列，产生的噪声强度高达114～115dB。尽管其噪声强度相当高，但其仍在现行许可的范围之内。为了提高成像速度和其他的临床应用价值，磁共振技术的现今发展趋势为增大静磁场场强和提高梯度磁场场强，这些发展均可造成磁共振噪声强度增加。

四、MRI噪声与许可界限

如前文所述，不同研究者在不同的磁共振环境中对噪声强度进行了测定，但其强度值均低于美国职业安全与健康管理局限定的许可最大限度。其次，暴露在噪声中的持续时间被认为是影响患者听力的最重要物理因素之一，暴露在噪声中单位时间和总时间愈久，听力损害愈明显。提示：患者偶然及短期暂时性暴露在磁共振操作产生的噪声中，在某种程度上还是安全的；但当存在潜在健康问题的某些患者暴露在某一频率的噪声中时，就有可能产生不良后果。类似于前文所述，对高音噪声敏感的患者行MR检查时，梯度线圈产生的噪声可能会对其造成听力损伤。

噪声对磁共振工作人员以及其他医疗工作者的影响同样是不容忽视的，例如磁共振介入操作医生和在磁体间内监视患者的医务人员。因此，在磁共振扫描过程中，如果磁体间内有医务人员，其也应当常规佩戴耳塞。英国健康部颁布的标准建议，每天在平均85dB环境中工作超过8h的员工，必须采取听力保护措施。

五、噪声控制技术

（一）被动噪声控制

在磁共振操作过程中，最简单和最廉价的降低噪声的办法是使用耳塞或双耳式耳机。耳塞通常能显著地降低噪声，正确使用耳塞能降低10～30dB的噪声，从而预防听力损伤。因此，患者在行MR检查前，MRI室工作人员有必要推荐患者使用听力保护装置。除耳塞外，可与MRI兼容的耳机同样能显著降低噪声，也可用于在MR检查过程中保护患者听力。但在实际工作中，被动噪声控制技术的应用受到很多限制。例如，在MR检查过程中耳塞或双耳式耳机的应用，使得MRI工作人员难以与患者进行语言交流。此外，儿童患者的外耳道直径明显小于MRI室所提供的标准耳塞的大小。重要的是，被动的噪声控制可导致超出听力范围的不均匀噪声衰减。

另一方面，由于磁共振运行过程中所产生的噪声主要为低频噪声，低频噪声与高频噪声不同，高频噪声随距离变远或遭遇障碍物能迅速衰减，而低频噪声却递减得很慢，声波又较长，能轻易穿越障碍物，长距离奔袭和穿墙透壁直入人耳。因此使用耳塞或双耳式耳机的被动噪声控制方法，对于磁共振产生的低频噪声的降低程度不尽如人意。

（二）主动噪声控制

利用现有的音频系统主动发出反相噪声（anti－phase noise）以达到主动消除噪声或抗噪的目的，能显著降低磁共振噪声水平。Goldman等对用于被动削减噪声的双耳式耳机进行了改进，使其能发出反相噪声，结果使噪声平均减少大约14 dB。数字信号程序技术：同样能有效地主动控噪。在噪声环境中能进行连续声音采样的信息反馈线圈，可削减梯度磁场产生的噪声，其优点在于：在不影响医患之间语音交流的条件下降低伪周期噪声（pseudo－periodic noise）。McJury等应用主动控噪系统降低磁共振噪声，其使用反馈控制算法削减噪声的能量，取得了较好的降噪效果。

随着MRI软硬件技术的进展，很多MRI生产厂商致力于磁共振噪声控制技术，如西门子公司最新推出的高端MAGNE－TOM Avanto 1.5TMRI系统，采用Audiocomfort技术可将噪声降低30dB，可降低总体噪声的97%，将几乎所有的临床常规序列都控制在99dB以下运行，大大地提高了患者的舒适度，在高梯度磁场强下可以做到无需耳机的MR检查。且即便对于脑功能成像这样的临床应用，患者也不需要再佩戴耳机。GE公司的Signa TwinSpeed 1.5TMRI系统，除了核心的梯度磁场技术的革命性突破外，还带有多项独特的硬件技术，其中最重要的一项是静音技术（quiet technology），其通过特殊的硬件设计，可将噪声强度降低40%。

六、磁共振系统的其他相关噪声

（一）射频幻听

20多年前，一名雷达操纵手偶然被传过来的无线波束照射到头部，他立刻明显地听到了一种奇怪的嗡嗡声和嘶嘶声。更有趣的是，这“声音”的频率竟好像与雷达电波脉冲的重复频率相一致，是货真价实的5 000Hz脉冲声波。这名操纵手叫来同伴，在相同的条件下，现场的人都听到了“声音”。不久，美国微波生物学家弗雷和林在消声室内用矩形脉冲调制微波照射人的头部，受试者“听”到了清晰的“咔嗒”声，从而证实了人类的确可以听到射频和微波辐射。电波所产生的这种幻听现象，被命名为“射频幻听（RF hearing）”或者“微波听效应”。随后，美国学者盖伊等人进一步研究，证明了某些动物也能听见脉冲电波。当然，绝不是所有的电波都能够被人听见。研究表明，只有某些特定频率、适当强度的声频脉冲调制电波，才能使人产生听觉反应。

人耳鼓膜只能响应于能使空气振动的声波，而电波并不会引起空气振动，那么人为什么又能听见电波呢？科学家通过大量实验终于揭开了其中的奥秘。科学家发现，不管受试者相对于电波场的方向如何，都立即产生听觉，而且感到“声音”仿佛就在头部或头后附近；不论电波的频率如何，受试者“听”到声音的频率都是一样的。这是因为人脑吸收微波能量之后迅速发生极微弱的温度变化，约为1×10^－6℃，使脑物质出现热弹性膨胀而发射声波，其压强通过骨的传导，由耳蜗细胞检测出来，从而引起听觉。而声音却是以机械波直接经鼓膜传导，再由耳蜗细胞检测产生听觉，二者传导途径有所不同。

射频幻听与磁共振扫描仪的操作有明确的关系，频率在2.4～170MHz时才能产生射频幻听。磁共振运行过程中磁场产生的噪声显著高于射频幻听。目前尚无证据证实射频幻听是否对健康有害。R9schmann等建议头线圈的射频脉冲能量不应超过30kW，MRI和波谱所用的表面线圈的射频脉冲能量不应超过6kW，以避免射频幻听的强度高于110dB而给患者造成不适。

（二）辅助系统噪声

辅助系统噪声包括风扇和制冷系统在内的磁共振辅助设备也是产生噪声的重要来源，但其产生的噪声明显低于梯度磁场所造成的噪声。因此，磁共振辅助设备产生的噪声只会给患者和MRI工作人员带来烦恼，而不会对人体造成伤害。