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有源植入醫(yī)療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
發(fā)表時間:2022-04-19 14:33:48
李澍,郝燁,王權(quán),任海萍* (中國食品藥品檢定研究院,北京 102629)

摘要 目的:在同樣標(biāo)準(zhǔn)、尺度下進(jìn)行有源植入醫(yī)療器械“MR兼容”性評價,確保有源植入醫(yī)療器械 的使用安全和有效。方法:本文依據(jù)ISO/TS 10974:2018標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合中國食品藥品檢定研究院的工作, 針對標(biāo)準(zhǔn)中要求的各個試驗的試驗依據(jù)、試驗方法、接收準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。結(jié)果:標(biāo)準(zhǔn)共涉及6項已知 或可預(yù)見的風(fēng)險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預(yù)期的刺激以及器械故障。為了評價這些風(fēng)險,本文介紹了和6項風(fēng)險相對應(yīng)的9個試驗項目,以此評價有源植入醫(yī)療器械的核磁兼容性。結(jié)論:目前國內(nèi) 針對有源植入醫(yī)療器械核磁兼容性的評價剛剛起步,一些檢測手段和方法處在借鑒和摸索之中,本文系 統(tǒng)性介紹了評價項目的考慮角度和方法,為國內(nèi)從事有源植入物核磁兼容性設(shè)計及評價者提供參考。 關(guān)鍵詞: 有源植入性醫(yī)療器械;核磁兼容;ISO/TS 10974:2018 中圖分類號:R28 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-7777(2019)10-1109-07 doi:10.16153/j.1002-7777.2019.10.005 Study on Safety Evaluation Methods for Magnetic Resonance Imaging of Active Implantable Medical Devices Li Shu, Hao Ye, Wang Quan, Ren Haiping* (National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 102629, China) Abstract Objective: To evaluate the "MR compatibility" of active implantable medical devices under the same standards and scales to ensure the safe and effective use of active implantable medical devices. Methods: According to the ISO/TS 10974: 2018 standard and the work of National Institutes for Food and Drug Control, the test basis, test methods and acceptance criteria of each test required by the standard were studied. Results: Six known or predictable risks which were involved in the standard were found out, namely temperature rise, vibration, force, moment, unexpected stimulus and device failure. In order to evaluate these risks, nine experiments corresponding to six risks were introduced in the paper to evaluate the MR compatibility of active implantable medical devices. Conclusion: At present, the evaluation of MR compatibility of active implantable medical devices in China has just started, and some testing methods are still in the process of exploration. This paper systematically introduces the considerations and methods of evaluation in order to provide references for the design and evaluation of MR compatibility of active implantable medical devices in China. Keywords: active implantable medical devices; MR compatibility; ISO/TS 10974:2018


1 背景 

近年來,隨著生物電子技術(shù)的發(fā)展,有源植入醫(yī)療器械的使用范圍越來越廣泛,以起搏器及心 律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器、神經(jīng)肌肉刺激器、人工耳蝸、左心 室輔助裝置為代表的新型有源植入類醫(yī)療器械相繼 問世,挽救了無數(shù)人的生命。然而,由于有源植入 醫(yī)療器械內(nèi)部的電子元器件可能對電磁場較為敏 感,易受強(qiáng)電磁場干擾而導(dǎo)致設(shè)備功能異常。而 核磁共振成像(MRI)掃描時可產(chǎn)生3種類型的電 磁場:靜態(tài)場B0、梯度場G、射頻場RF。其中靜態(tài) 磁場B0引力可造成有源植入設(shè)備內(nèi)的磁敏感金屬發(fā) 生震動,導(dǎo)致設(shè)備故障、位移或者損壞;梯度磁場 可能造成設(shè)備工作模式的異常轉(zhuǎn)變和復(fù)位[1];射頻 磁場可通過經(jīng)皮電纜及導(dǎo)線導(dǎo)致與人體接觸的部位 組織溫度升高,造成器官受損甚至組織穿孔[2]。所 以,對于使用有源植入醫(yī)療器械的患者來說,核磁 共振檢查一直列為禁忌癥[3]。然而,MRI是重要的 臨床影像學(xué)手段,尤其對于神經(jīng)系統(tǒng)和軟組織病變 的評估具有獨到的價值[4-5]。與CT/PET相比,它無 放射線損害,無骨性偽影,有高度的軟組織分辨能 力,對顯示血管的結(jié)構(gòu)、軟組織之間相互鑒別,有 其獨到之處[6]。所以對于使用有源植入類醫(yī)療器械 的患者來說,核磁共振檢查應(yīng)用的限制可能會對疾 病的診斷產(chǎn)生較大的影響[7]。 

在這樣的需求矛盾下,使用非磁性敏感元 件、并通過特殊設(shè)計的機(jī)殼和導(dǎo)線實現(xiàn)“MR兼 容”的有源植入醫(yī)療器械應(yīng)運而生。因此,在同樣 標(biāo)準(zhǔn)和尺度下進(jìn)行科學(xué)、有效的有源植入醫(yī)療器械 “MR兼容”性評價,確保有源植入醫(yī)療器械產(chǎn)品 的安全性和有效性,是世界各國的醫(yī)療器械生產(chǎn)者 以及監(jiān)管者的目標(biāo)[4,8]。在此背景下,國際標(biāo)準(zhǔn)化 組織于2012年首次發(fā)布了關(guān)于有源植入醫(yī)療器械核 磁兼容性的評價方法ISO/TS 10974:2012[9],并不斷 討論、更新評價方法,并于2018年4月發(fā)布了ISO/ TS 10974:2018《患者帶有有源植入性醫(yī)療器械用 核磁共振成像的安全性評定》[10]。 

目前,國內(nèi)針對有源植入醫(yī)療器械核磁兼容 性的評價剛剛起步,因此,在產(chǎn)品研發(fā)及質(zhì)量評價 過程中缺乏相應(yīng)評價和驗證平臺。本文旨在系統(tǒng)性 介紹ISO/TS 10974:2018標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))所考 慮的評價角度和方法,為國內(nèi)從事有源植入醫(yī)療器械核磁兼容性設(shè)計及評價者提供參考。 

2 總體概述 

ISO/TS 10974:2018標(biāo)準(zhǔn)共歸納出6項已知或可 預(yù)見的風(fēng)險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預(yù) 期的刺激以及器械故障。為了評價這些風(fēng)險,本文 介紹了和風(fēng)險相關(guān)的9個試驗項目,見圖1和表1。 其中,射頻場加熱試驗(編號1)評價由于射頻電 場輻射造成的局部比吸收率(SAR)升高以及器件 感應(yīng)電流增大所導(dǎo)致的溫升。梯度場加熱試驗(編 號2)評價梯度場產(chǎn)生渦流導(dǎo)致的器件溫升。梯度 場振動試驗(編號3)評價靜態(tài)場B0和梯度場的聯(lián) 合作用下器件的運動。力和力矩試驗(編號4和5) 評價靜態(tài)場B0與磁性材料相互作用下器件受力情 況。梯度場感生電勢試驗(編號6)評價梯度場在 器械外部產(chǎn)生的感應(yīng)電壓所引起的輸出脈沖的改 變,但不涉及器械故障。射頻場感應(yīng)整流電壓試驗 [編號8(1)]評價在感應(yīng)電壓足夠高的條件下,遠(yuǎn) 端電極上產(chǎn)生的非預(yù)期電壓脈沖對設(shè)備的影響。故 障試驗[編號7、編號8(2)和編號9]則評價在場的 作用下引發(fā)的設(shè)備故障所導(dǎo)致的性能下降、功能喪 失、意外反應(yīng)等。 

表1 MRI對有源植入醫(yī)療器械產(chǎn)生的潛在風(fēng)險和相應(yīng)的評價試驗方法 




圖1 MRI 3個輸出場(射頻場、梯度場和靜態(tài)場)及所包含風(fēng)險的相互關(guān)系

3 9個試驗項目的評價方法 

按照表1順序,依次介紹每一個潛在風(fēng)險產(chǎn)生 的原理、試驗方案設(shè)計及其評價方法。 
3.1 評價射頻場加熱對患者造成傷害(功率沉 積) 射頻場在與生物體相互作用的過程中,給予 生物體的電磁能量(宏觀上表現(xiàn)為加熱作用)稱為生物電磁劑量。為了精確衡量人體電磁輻射劑量, 學(xué)術(shù)界采用比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)來定量描述生物組織對電磁場能量的吸收。 

其中,P為功率沉積,E為感應(yīng)電場的均方根 值,σ為電導(dǎo)率,ρ為組織密度,c為比熱容, t表 示局部溫升,υ為功率沉積需要評估的體積,t為時 間, Tbackgnd為在未安裝有源植入醫(yī)療器械時所測得 的背景溫度, Ttotal為安裝有源植入式醫(yī)療器械時所 測得的系統(tǒng)溫度。 

需要說明的是,試驗要求體外測試環(huán)境與目 標(biāo)組織在電磁學(xué)參數(shù)上相一致,從而保證體外環(huán)境 和體內(nèi)環(huán)境的SAR值是大致相等的。這樣實驗室測 得的功率沉積也是有源植入醫(yī)療器械所產(chǎn)生的體內(nèi) 功率沉積。測試過程中,需要同時衡量功率沉積的 空間分布和強(qiáng)度??臻g分布與有源植入醫(yī)療器械的 局部幾何特性和周圍組織參數(shù)有關(guān)。強(qiáng)度與有源植 入醫(yī)療器械吸收射頻能量的能力相關(guān)。 

3.2 評價梯度感應(yīng)加熱對患者造成傷害 

梯度感應(yīng)加熱是由于梯度場BG(t)在有源植入醫(yī) 療器械導(dǎo)電外殼或內(nèi)導(dǎo)體表面(如電池組件表面比吸收率的具體定義為單位質(zhì)量的生物組織吸收的 電磁功率,單位是W/kg。射頻感應(yīng)加熱對患者造 成的傷害與環(huán)境溫度、射頻持續(xù)時間以及器械植入 方式有關(guān)。局部組織溫度升高最終會造成組織損傷 或植入器械療效降低。 測量射頻場加熱應(yīng)首先測量在未安裝有源植 入醫(yī)療器械條件下的背景比吸收率(溫升),然后 測量將器械植入后的系統(tǒng)比吸收率(溫升)。評價 指標(biāo)功率沉積是因植入器械所產(chǎn)生的凈比吸收率 (溫升),見公式(1)。 



和電路板表面)會產(chǎn)生渦流(Eddy Currents),進(jìn)而造成加熱作用。一般來說,測量梯度感應(yīng)加熱溫 升時,需要考慮特定核磁共振脈沖序列BG(t)的均方 根值、暴露時間、梯度場法線方向和器械平面形成 的夾角。植入物表面積越大,導(dǎo)電率越高,加熱就越大。 

評價渦流造成的感應(yīng)加熱需要將有源植入醫(yī) 療器械曝露在規(guī)定的梯度場BG(t)中,并測量由此產(chǎn) 生的溫升。試驗環(huán)境采用最小熱對流、只存在熱傳 導(dǎo)路徑的環(huán)境(如凝膠溶液或保溫箱)。試驗中, 不需要將器械曝露在核磁共振脈沖序列BG(t)的最大 值中,只要所用磁場產(chǎn)生的溫升足夠大,其信號與 噪音比至少達(dá)到10∶1,則可以按比例縮減暴露騷 擾信號BG(t)并進(jìn)行測試,在計算溫升時按相應(yīng)比例 還原即可。 

3.3 防止梯度感應(yīng)振動對患者造成傷害 

MRI的梯度場會在有源植入醫(yī)療器械導(dǎo)電表面產(chǎn)生渦流。這些渦流會形成時變磁矩,時變磁矩與 靜態(tài)場(B0)相互作用會使導(dǎo)電表面和器械產(chǎn)生振 動。梯度感應(yīng)振動與典型的有源植入醫(yī)療器械振動 (如運輸、患者活動)不同。梯度感應(yīng)振動的力和 力矩都是在器械內(nèi)部的,并可能會導(dǎo)致患者損傷, 并引起功能下降或治療水平減弱。 

因梯度感應(yīng)振動導(dǎo)致的有源植入醫(yī)療器械故 障的評估方法詳見圖2。首先根據(jù)制造商宣稱所能 耐受的最大磁場強(qiáng)度確定試驗用MRI掃描儀的輸出,并確定尺度因子(若輸出值是臨床最大值的 20%,則尺度因子為5)。在此輸出的條件下,測 試有源植入醫(yī)療器械的振動響應(yīng),由此響應(yīng)乘以尺度因子,則為實際振動水平??紤]到不同的核磁序 列條件下有源植入醫(yī)療器械振動的形式和水平不同,試驗中需要記錄所有序列的振動狀態(tài),并合 并成最嚴(yán)酷的振動波形,通過振動臺復(fù)現(xiàn)此振動水平,并在振動試驗中評估有源植入醫(yī)療器械的性能。

圖2 梯度感應(yīng)振動測試流程圖

3.4 防止B0位移力對患者造成傷害 

靜磁場(B0)產(chǎn)生的位移力可能會導(dǎo)致含有磁 性材料的器械發(fā)生非預(yù)期移動。有源植入醫(yī)療器械 一般包含順磁性材料、抗磁性材料和鐵磁材料。對于順磁性材料、抗磁性材料或低磁化飽和度的鐵磁 材料,最大位移力點位于靜磁場(B0)和磁場的空 間梯度( △ B0)的乘積最大的點。對于高磁化飽和度的鐵磁材料,最大位移力出現(xiàn)在磁場的空間梯度( △ B0)最大的位置。此部分內(nèi)容具體測試方法可 參考YY/T 0987.2《外科植入物磁共振兼容性第2部 分 磁致位移力試驗方法》[11]。

3.5 防止B0感應(yīng)力矩對患者造成傷害 

靜態(tài)磁場(B0)產(chǎn)生的磁感應(yīng)力矩可能會導(dǎo)致 含有磁性材料的器械發(fā)生非預(yù)期移動。磁感應(yīng)力矩 隨B0變化,應(yīng)在靜態(tài)磁場均勻的位置進(jìn)行測量(如 核磁共振掃描儀的等中心點,即MRI機(jī)架的旋轉(zhuǎn) 中心點)。此部分內(nèi)容具體測試方法可參考YY/T 0987.5《外科植入物磁共振兼容性第5部分 磁致扭 矩試驗方法》中的規(guī)定[12]。 

3.6 防止梯度場感應(yīng)電勢對患者造成傷害 

外部感應(yīng)電勢是由于有源植入醫(yī)療器械單個 導(dǎo)線電極之間、多導(dǎo)線電極之間或電極和組織接觸 的外殼之間會形成梯度場感應(yīng)電壓。此電壓使得有 源植入醫(yī)療器械端口和導(dǎo)電外殼之間產(chǎn)生電流。若 有源植入醫(yī)療器械阻抗過低,所產(chǎn)生的電流會很 大,則會導(dǎo)致與電極接觸的組織受到非預(yù)期刺激。 這些刺激可能不會導(dǎo)致器械失效或故障,但可能會使患者受到不同程度的傷害。 

梯度場感應(yīng)電勢對患者造成的傷害通過評估 梯度場產(chǎn)生的非預(yù)期電荷、電流或治療輸出失真來 衡量。試驗適用于含有兩個或以上組織接觸電極的 有源植入醫(yī)療器械。通過將組織等效接口電路連接 到有源植入醫(yī)療器械進(jìn)行測試,分別進(jìn)行以下3個 試驗來評估梯度感應(yīng)效應(yīng):1)測量每個梯度脈沖 下的梯度感應(yīng)電荷和電流;2)測量有源植入醫(yī)療 器械暴露在長梯度脈沖序列中的平均整流電流; 3)評估掃描期間,有源植入醫(yī)療器械在輸出治療 運行狀態(tài)下的梯度脈沖失真。 

3.7 防止B0感應(yīng)故障對患者造成傷害 

有源植入醫(yī)療器械暴露在MRI的B0場中會影響 其功能,包括器械重置、程序改變、剩磁、電池耗 竭以及永久性損壞。本試驗根據(jù)有源植入醫(yī)療器械 在MRI 1.5T靜態(tài)磁場(B0)下的潛在風(fēng)險類別,通 過分級并定義合適的試驗來評估潛在影響。 

表2列出了會受到靜態(tài)磁場影響的有源植入醫(yī) 療器械組件。若組件在MRI掃描期間禁止使用,則 不需要進(jìn)行附加試驗。3個級別關(guān)注的問題及試驗 方法不同。主體思想是根據(jù)器械的預(yù)期用途來選擇 恰當(dāng)?shù)脑囼灧椒?,所有器械需要在試驗后迅速檢測 B0剩磁的潛在影響。

表2 有源植入醫(yī)療器械基于靜磁場感應(yīng)故障的分級及試驗方法

3.8 保護(hù)患者不受射頻感應(yīng)故障及射頻整流傷害 

有源植入醫(yī)療器械暴露在MRI的射頻場可能會出現(xiàn)如下問題:未能提供預(yù)期治療功能、編程錯誤、器械重置、器械永久損傷以及射頻整流引起的 組織刺激等。這些影響可能是短暫或永久的,而且可能會產(chǎn)生對使用者造成安全隱患。射頻感應(yīng)故障 測試方法將包含輻射暴露測試和注入射頻測試, 取決于受測試的有源植入醫(yī)療器械系統(tǒng)類型,見表3。 

輻射暴露測試:對于沒有外部導(dǎo)體或只含電 小長度外部導(dǎo)體(物理尺寸遠(yuǎn)小于電磁波波長)的 有源植入醫(yī)療器械,可采用TEM橫電波小室產(chǎn)生所 需要的射頻電場,進(jìn)行測試。由于器械尺寸很小, 因此測試所用的均勻域體積可以很小。 

注入射頻暴露測試:通過射頻注入網(wǎng)絡(luò)將射頻能量注入射頻傳導(dǎo)路徑,若有源植入醫(yī)療器械外 殼包含屏蔽,射頻注入網(wǎng)絡(luò)需將屏蔽作為參考地或 參考節(jié)點。若有源植入醫(yī)療器械含有可能刺激組織 的電極,則射頻輸入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能在注入騷擾的同時監(jiān)控端口整流電流。

3.9 保護(hù)患者不受梯度感應(yīng)故障傷害 

MRI梯度磁場可能對有源植入醫(yī)療器械運行或 性能造成負(fù)面影響,如導(dǎo)致無法提供預(yù)期治療、內(nèi)存損壞、短暫或永久器械編程設(shè)置丟失等。這些副作用可能由于梯度磁場穿透器械外殼到達(dá)內(nèi)部電路所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓,或是植入器械的導(dǎo)線所產(chǎn)生的外部感應(yīng)電壓。這些影響可能是短暫或永久的,而且可能會產(chǎn)生對有源植入醫(yī)療器械使用者造成不 良影響的安全隱患。梯度感應(yīng)故障傷害測試同樣根 據(jù)其預(yù)期用途進(jìn)行測試,如果有源植入醫(yī)療器械在 MRI掃描時輸出保持激活,則應(yīng)設(shè)置器械工作在典 型治療模式上,測試中重點觀察輸出電流、電壓和 輸出極性。若器械可選擇MRI掃描時禁用輸出,則測試需重點考察試驗后足夠短的時間內(nèi)器械是否能恢復(fù)輸出,是否存在瞬態(tài)故障等。 

具體的測試內(nèi)容包括輻射騷擾測試和注入騷擾 測試,詳見表4。所有有源植入醫(yī)療器械都需進(jìn)行輻射測試,根據(jù)器械類型,考慮是否進(jìn)行注入騷擾測試。一般來說,如果器械含有長導(dǎo)線電極,或器械外殼外部安裝多個電極,則應(yīng)進(jìn)行注入騷擾測試。

表3 射頻電磁兼容性測試方法選擇


表4 各種有源植入醫(yī)療器械適用的測試方法


4 結(jié)論 

本文針對國際標(biāo)準(zhǔn)《在體有源植入性醫(yī)療器 械用核磁共振成像安全性評價研究》進(jìn)行簡單的介紹和歸納整理。針對使用有源植入醫(yī)療器械并進(jìn)行核磁共振掃描患者,歸納出6項已知或可預(yù)見的風(fēng)險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預(yù)期的刺激以及器械故障。為了評價這些風(fēng)險,共設(shè)計了9個試驗項目。本文針對每個試驗的設(shè)計依據(jù)、試驗方 法、接收準(zhǔn)則進(jìn)行了介紹,希望對國內(nèi)從事有源植入醫(yī)療器械核磁兼容性設(shè)計及評價者有所幫助。

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