Оценка уровней сар в гри: расчеты и рекомендации по безопасности

Понимание специфической скорости поглощения в магнитно-резонансной визуализации

Магнитно-резонансная томография (МРТ) произвела революцию в медицинской диагностике, предоставив подробные, неинвазивные изображения внутренних структур организма. Центральной для технологии МРТ является использование радиочастотной (РЧ) энергии, которая возбуждает протоны водорода в организме для генерации сигналов, необходимых для создания изображения. Однако во время МРТ импульсы РЧ, используемые для возбуждения протонов в организме, могут вызывать небольшое нагревание тканей, а SAR количественно определяет количество РЧ энергии, поглощаемой организмом на единицу массы с течением времени. Понимание и точная оценка Удельного коэффициента поглощения (САР) имеет важное значение для обеспечения безопасности пациента и поддержания соответствия международным стандартам безопасности.

SAR означает Специфический коэффициент поглощения и является мерой скорости, с которой энергия поглощается организмом при воздействии радиочастотных (RF) электромагнитных полей во время МРТ-сканирования, обычно выраженной в единицах ватт на килограмм (W / кг). Эта метрика служит критическим параметром безопасности, который помогает предотвратить чрезмерное нагревание тканей и потенциальное тепловое повреждение во время процедур МРТ. Это важное соображение безопасности в МРТ, чтобы гарантировать, что количество поглощенной энергии не превышает безопасных пределов и предотвратить чрезмерное нагревание тканей или потенциальные неблагоприятные эффекты.

Физика позади SAR в МРТ

Как энергия РФ создает отопление тканей

В МРТ для генерации сигналов, используемых при формировании изображения, используются импульсы радиочастотной энергии. Радиочастотные импульсы состоят из колеблющихся электромагнитных полей. Поскольку ткани пациента могут проводить электрический ток, воздействие ткани на радиочастотные импульсы приводит к электрическим токам, которые производят нагрев. Механизм нагревания является принципиально индуктивным, следуя Закону электромагнитной индукции Фарадея.

Физическое определение SAR может быть выражено математически. В МРТ SAR представляет скорость, с которой энергия RF поглощается тканью и выражается в ваттах на килограмм (W/kg). Физическое определение SAR: SAR = σ | E | 2/ρ, где: σ = электрическая проводимость ткани (S/m), | E | = сила электрического поля корневой средней квадратуры (RMS) (V/m), ρ = плотность ткани (kg/m3). Это уравнение показывает, что SAR зависит как от напряженности электромагнитного поля, так и от электрических свойств ткани, подвергающейся воздействию.

Поскольку (dU/dt) измеряется в джоулях в секунду (J/s) = ваттах (W), а m измеряется в килограммах (кг), единицы для SAR, следовательно, являются ваттами на килограмм (W/kg). Эта глобальная форма SAR отражает среднюю скорость нагрева для больших объемов ткани, таких как все тело или целая голова. Это макроскопическое определение на основе энергии обеспечивает практический способ оценки общего осаждения мощности RF во время МРТ-исследований.

Глобальный против локального SAR

Измерения SAR можно разделить на два основных типа: глобальные и локальные. Глобальные измерения SAR отражают, сколько энергии поглощается в целом, но не дают подробностей о том, где и как эта мощность рассеивается внутри. Например, важно выявить локальные «горячие точки» в определенных областях тела или вокруг имплантатов, которые могут вызывать ожоги или другие повреждения тканей.

Местные измерения SAR обеспечивают «микроскопическое», полевое определение осаждения мощности, ограниченное небольшим объемом ткани. Часто указывается образец 10 г. Местное определение SAR дается уравнением, где σ = электропроводность, измеренная в сименсах на метр (S/m), E = индуцированное электрическое поле, измеренное в вольтах на метр (V/m), и ρ = плотность ткани, измеренная в килограммах на кубический метр (кг/м3). Местный SAR особенно важен для оценки безопасности вокруг металлических имплантатов и других устройств, где энергия RF может концентрироваться.

Нормативно-правовые ограничения SAR и стандарты безопасности

Международные стандарты электротехнической комиссии (IEC)

Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) совместно работало над разработкой международных стандартов безопасности оборудования MR, теперь кодифицированных как IEC 60601-2-33 Edition 4.0 (2022). Этот документ классифицирует SAR на различные подтипы и устанавливает три режима работы сканера на основе воспринимаемого риска для субъектов: 1) нормальный режим, 2) режим с контролем первого уровня и 3) режим с контролем второго уровня.

В нормальном рабочем режиме максимальный средний SAR всего тела составляет 2 Вт/кг, а для головы - 3,2 Вт/кг, усредненный в течение 6 минут. Эти пределы предназначены для предотвращения чрезмерного повышения температуры тела ядра и обеспечения безопасности пациента во время обычной клинической визуализации. Пределы IEC SAR (W/кг) основаны на температуре окружающей среды, составляющей ≤ 25oC. Для более высоких температур предел всего тела первого уровня (4 Вт/кг) ограничивается только 0,25 Вт/кг для каждого повышения на 1 oC до достижения нормального предела рабочего уровня (2 Вт/кг).

Руководство FDA по воздействию SAR

В США FDA установило SAR-лимиты для МРТ-сканирования, которые основаны на типе и времени воздействия, а не на силе магнитного поля. Например, максимальная средняя SAR всего тела составляет 4 Вт/кг, усредненная за 15 минут, а для головы — 3,2 Вт/кг, усредненная за 10 минут. Эти пределы FDA немного отличаются от стандартов МЭК в их усреднении, но поддерживают аналогичные пороги безопасности.

Частичные пределы тела масштабируются в соответствии с массовым коэффициентом (R) = массой пациента, подвергаемого воздействию РФ, ÷ общей массой пациента, давая диапазоны: a = [10 − 8 × R] W / кг и b = [10 − 6 × R] W / кг. Этот подход к масштабированию признает, что воздействие на частичное тело может обеспечить более высокие локальные значения SAR при сохранении общей безопасности.

Операционные режимы, основанные на уровнях SAR

Нормальный режим работы — это «рутинный» уровень, на котором сегодня проводится большинство клинических МРТ, считающийся безопасным для всех пациентов, независимо от их состояния. Этот режим охватывает подавляющее большинство диагностических МРТ-исследований, проводимых во всем мире.

Первый контролируемый режим работы определяется как режим, при котором определенные параметры визуализации могут вызывать физиологический стресс (например, стимуляцию периферических нервов или нагревание тканей). Для использования этого режима требуется активное медицинское наблюдение, чтобы обеспечить тщательную оценку преимуществ и рисков. Этот режим может быть необходим для некоторых расширенных протоколов визуализации, которые требуют более высокого осаждения мощности радиочастотного излучения.

Для 2-го уровня контролируемого режима работы не даются конкретные верхние пределы. Это считается ответственностью местного институционального наблюдательного совета (IRB), который санкционирует и контролирует вопросы исследований и безопасности. Этот режим обычно зарезервирован для исследовательских приложений, где потенциальные выгоды оправдывают тщательный мониторинг и надзор.

Факторы, влияющие на SAR в МРТ

Сила магнитного поля

SAR обычно увеличивается приблизительно с квадратом силы основного магнитного поля (B02). Поэтому более высокие силы магнитного поля, такие как 3T и 7T, могут привести к более высоким SAR по сравнению с 1,5T, потому что частота и осаждение мощности увеличиваются с силой поля. Это квадратичное соотношение означает, что переход от 1,5T к 3T потенциально может увеличить SAR в четыре раза, что делает управление SAR все более важным при более высоких прочностях поля.

Увеличение SAR при более высоких напряжённостях поля представляет как проблемы, так и возможности. В то время как более высокие поля обеспечивают улучшенное отношение сигнал/шум и лучшее качество изображения, они требуют более тщательного внимания к осаждению мощности радиочастотного излучения и могут потребовать модификации последовательностей импульсов, чтобы оставаться в пределах безопасности.

Параметры последовательностей импульсов

Количество нагрева ткани зависит от величины радиочастотных импульсов и того, как часто применяются радиочастотные импульсы. Методы спин-эхо МРТ используют большие радиочастотные импульсы для манипулирования намагниченностью ткани на 90° и 180°. Методы быстрого спин-эхо (FSE) применяют большие радиочастотные импульсы очень быстро. В результате методы спин-эхо, особенно FSE, обеспечивают большую радиочастотную мощность, что приводит к более высокому SAR и относительно большему нагреву ткани.

Методы градиент-эхо используют гораздо меньшие радиочастотные импульсы. Несмотря на то, что методы градиент-эхо применяют радиочастотные импульсы очень быстро, чистое осаждение мощности ниже, что приводит к более низкому SAR и меньшему нагреванию тканей. Однако некоторые последовательности градиент-эхо, например, МР-ангиография во время полета, применяют радиочастотные импульсы с такой высокой скоростью, что они также приводят к высокому SAR.

Факторы, специфические для пациента

SAR пропорционален электропроводности ткани (σ). Ткани проводимости изменяется в 10 раз по всему телу, будучи крупнейшим в высоких содержании воды материалов, таких как кровь и моча и самый низкий в тканях, таких как кости, жир и легкие. Это изменение означает, что различные анатомические области будут поглощать РЧ энергии с разной скоростью.

SAR значительно увеличивается с размером тела. В 2-мерной модели SAR пропорционален A2, квадрату площади поперечного сечения тела. Поскольку A = πr2 (где r - радиус), модель предсказывает SAR пропорционально r4. При рассмотрении третьего измерения такие факторы, как проникновение поля, эффекты стоячих волн, масштабирование объема и геометрия петли тока, добавляют дополнительную зависимость от размера, и SAR фактически оказывается более тесно пропорционален r5. Эта сильная зависимость от размера тела означает, что более крупные пациенты обычно испытывают более высокие значения SAR.

RF Coil дизайн и конфигурация

Конструкция и размещение передающей RF катушки влияют на распределение SAR. Целые передающие катушки распределяют энергию RF более равномерно, в то время как локальные передающие или многоканальные катушки могут концентрировать энергию в меньших областях, иногда увеличивая локальную SAR, но уменьшая общее воздействие на тело. Только приемные катушки не способствуют непосредственно передаче SAR, что является важным отличием при оценке конфигураций катушки.

Специфическое аппаратное и программное обеспечение МРТ-сканера также влияет на SAR. Современные сканеры, оснащенные такими технологиями, как параллельное изображение, RF-симминг и параллельная передача (pTx), могут уменьшить как общий, так и локализованный SAR за счет оптимизации распределения мощности RF, что делает их более эффективными и безопасными, чем старые системы.

Методы расчета и оценки SAR

SAR-оценка на основе сканера

Для помощи в нагреве тканей пациента МРТ-сканер оценивает САР каждого приобретения на основе технических деталей сканирования приобретения и веса пациента. Оценка САР отображается на консоли сканера до начала сканирования. Эта оценка в реальном времени позволяет операторам проверить, что запланированные последовательности останутся в пределах безопасности до начала обследования.

МРТ-сканеры не вычисляют SAR непосредственно из параметров последовательности, таких как TR, TE или FOV. Вместо этого каждый производитель использует собственные модели, которые объединяют: измеренную мощность радиочастотной связи (мощность передачи и рабочий цикл). Эти параметры используются для оценки полного тела, головы и местного (частичного тела) SAR. Система постоянно контролирует и ограничивает передаваемую мощность радиочастотной связи для обеспечения соответствия международным стандартам безопасности (IEC 60601-2-33 и руководящие принципы FDA).

Однако важно отметить, что каждый вендор отличается тем, как оценивать SAR. Поэтому число, сообщаемое сканером, не следует воспринимать как солидный «лимит» по безопасности. SAR, сообщаемый сканером, следует воспринимать как количественную оценку с некоторой степенью неточности. Эта изменчивость между производителями подчеркивает важность понимания ограничений значений SAR, сообщаемых сканером.

Методы электромагнитного моделирования

Оценка SAR обычно выполняется численным моделированием с использованием общих моделей человеческого тела. Однако концепции SAR для одноканальной радиочастотной передачи не могут быть непосредственно применены к многоканальным системам. Для решения этих проблем были разработаны передовые вычислительные методы.

Концепция прогнозирования SAR состоит из двух последующих этапов: на первом, подготовительном этапе, который проводится только один раз, E и B определяются посредством относительно трудоемкого численного моделирования на основе моделей катушек TX RF, а также моделей человеческого тела. Эти моделируемые поля соответствующим образом предварительно обрабатываются и хранятся для последующего этапа расчета SAR. Вторая фаза содержит фактическую оценку SAR в реальном времени для желаемого сканирования с использованием подходящей модели тела и положения внутри катушки, которая является частью процедуры проверки параметров сканирования, выполняемой перед каждым сканированием.

Для моделирования SAR используется несколько вычислительных подходов. Наиболее распространенными методами являются конечно-разностная временная область (FDTD) и метод конечных элементов (FEM). Для адекватного анализа этого типа конструкции требуется полностью трехмерный подход для моделирования распространения электромагнитных полей. В течение ряда лет исследователи в области МРТ использовали программное обеспечение моделирования FDTD для вычисления полей, внутренних для тела, которые практически невозможно измерить экспериментально и спроектировать структуры, такие как катушки.

Экспериментальные методы измерения SAR

Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) разработала методические рекомендации по измерению SAR, генерируемого оборудованием с использованием фантомов, включенные в их стандарт MS 8-2016. Эти процедуры используются производителями для расчета SAR для своих систем МРТ. Допускаются два основных метода: 1) импульсно-энергетический метод и 2) калориметрический метод.

В Калориметрическом методе используется изолированный нагрузочный фантом с прямым измерением температуры. Из степени повышения температуры можно вычислить поглощенную энергию и SAR. Этот метод обеспечивает прямое измерение осаждения энергии, но требует тщательного контроля термических граничных условий.

В ходе недавних исследований были изучены альтернативные подходы к измерению. Целью данного исследования было измерение удельной скорости поглощения (SAR) при МРТ-сканировании с использованием человеческого торс-фантома посредством количественной оценки коэффициентов диффузии независимо от тех, которые сообщаются программным обеспечением сканера для пяти 1,5 и 3 Т клинических МРТ-систем от разных поставщиков. При диффузионной тензорной визуализации значения SAR для трех последовательностей МРТ измерялись на пяти сканерах и сравнивались с номинальными значениями, рассчитанными сканерами.

Специальное SAR моделирование пациента

В этом исследовании мы разработали и продемонстрировали новую методологию для быстрого, специфичного для пациента расчета распределения SAR и B1 +, которая приносит персонализированную стратегию медицины для прогнозирования безопасности в МРТ. Ключевым компонентом подхода является быстрый EM-решитель MARIE, который позволяет вычислять специфичный для пациента SAR в общей сложности ~ 8 минут. Хотя это время выполнения все еще слишком долго для рутинного клинического использования, мы считаем, что это хороший первый шаг в усилиях по обеспечению мониторинга безопасности для конкретного пациента.

На столе часть состоит из быстрого сканирования DIXON с последующей автоматической сегментацией объемов воздуха, костей, жира и мягких тканей с использованием быстрого сегментера компьютерного зрения. Заключительным этапом является вычисление E- и B-полей с использованием быстрого EM-решителя MARIE. Этот рабочий процесс демонстрирует потенциал для оценки SAR в реальном времени, специфичной для пациента в клинической практике.

Стратегии управления и сокращения SAR

Изменения последовательностей импульсов

Несколько подходов к управлению SAR включают: Увеличение TR, которое может привести к более длительному времени сканирования; Уменьшение углов перевертывания (для последовательностей FSE, используйте импульсы перефокусировки 60-130 °, а не 180°, которые могут изменить соотношение контраста изображения к шуму или отношение сигнала к шуму; Уменьшите количество срезов в приобретении, что может привести к более длительному времени сканирования; Уменьшите количество эхо в многоэхо-последовательности, что может привести к более длительному времени сканирования.

Многие производители МРТ предоставляют такие варианты, как быстрые, нормальные и низкочастотные импульсы. Выбор импульса с низким SAR обычно увеличивает продолжительность RF-импульса и снижает его пиковую амплитуду, что эффективно снижает SAR. Эти варианты, предоставляемые поставщиком, предлагают простой способ уменьшить SAR при необходимости, хотя они могут иметь компромиссы в качестве изображения или времени сканирования.

Передовые технологии передачи РЧ

Современные системы МРТ включают в себя сложные технологии для более эффективного управления SAR. Системы параллельной передачи (pTx) используют несколько независимых радиочастотных каналов передачи для более точной формы радиочастотного поля. Этот подход может уменьшить как глобальные, так и локальные SAR при сохранении или даже улучшении качества изображения. Методы радиочастотного сияния корректируют амплитуду и фазу радиочастотных импульсов по нескольким каналам для оптимизации однородности поля и минимизации горячих точек.

Параллельные методы визуализации, такие как SENSE и GRAPPA, также могут способствовать уменьшению SAR за счет уменьшения количества радиочастотных импульсов, необходимых для получения изображения.Приобретая меньше k-пространственных линий и используя информацию о чувствительности катушки для реконструкции полного изображения, эти методы могут значительно уменьшить общее осаждение мощности радиочастотного излучения.

Экологический и пациентский менеджмент

Помимо технических модификаций, практические меры могут помочь управлять тепловыми эффектами. Контроль температуры и влажности сканирующей комнаты (следуйте спецификациям производителя), что может повлиять на комфорт для легких пациентов. Одевайте пациента в легкую одежду, что может повлиять на скромность пациента. Адекватный поток воздуха через сканер и соответствующее позиционирование пациента также могут помочь более эффективно рассеивать тепло.

Особые соображения по безопасности пациентов

Уязвимые группы пациентов

Некоторые органы (например, глаз и яички) особенно чувствительны к тепловому повреждению, в то время как другие нет. Хотя SAR является доминирующим источником нагрева тканей, он является только одним определяющим фактором температуры ткани. Другие критические факторы включают: региональную перфузию, базовую температуру тела пациента, терморегуляторную способность пациента, температуру окружающей среды, воздушный поток через сканнер, относительную влажность, одежду и способность потеть.

Пациенты, подверженные риску перегрева, включают пациентов с пониженной терморегуляторной способностью — младенцев, беременных женщин, пожилых людей, страдающих ожирением, диабетиков, пациентов с лихорадкой и пациентов с сердечной декомпенсацией. Некоторые лекарства, включая бета-блокаторы, диуретики, блокаторы кальциевых каналов, амфетамины и седативные средства, также могут ухудшать терморегуляторные реакции. Эти факторы всегда следует учитывать при сканировании восприимчивого пациента, даже если прогнозируемые значения SAR, по-видимому, находятся в допустимых пределах.

Пациенты с имплантированными медицинскими устройствами

Наличие имплантированных медицинских устройств представляет уникальные проблемы, связанные с SAR. MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI) обследования пациентов с активными имплантируемыми медицинскими устройствами (AIMD), такими как кардиостимуляторы и стимуляторы глубокого мозга (DBS), представляют несколько рисков, связанных с безопасностью. Потенциальные риски, возникающие в результате взаимодействия AIMD с магнитными полями МРТ, могут вызывать необратимое повреждение устройства или ткани. RF-индуцированный нагрев является одной из основных проблем безопасности, поскольку он может повредить как AIMD, так и окружающую ткань.

Рекомендуемый предел скорости поглощения (SAR) для систем Medtronic DBS составил 0,1 Вт / кг (по сравнению с обычным нормальным режимом, который требует SAR < 3,2 Вт / кг). Эти резко сниженные пределы SAR требуют значительных изменений в стандартных протоколах визуализации.

Предыдущие исследования продемонстрировали возможность создания протокола МРТ с специфичными для головы ограничениями WB-SAR 0,1 Вт/кг при сохранении качества изображения. Целью этой работы является разработка и оценка рабочего процесса для модификации обычных протоколов МРТ с низкими целями WB-SAR (0,1 Вт/кг) и локальной головкой (LH-SAR, 0,3 Вт/кг) при одновременном снижении влияния на качество изображения или время сканирования.

Металлические имплантаты и инородные предметы

Инородные металлические предметы в организме часто имеют высокую проводимость и могут возникать значительные (даже опасные) уровни нагрева вокруг них. Ортопедические имплантаты, такие как протезы бедра и колена, могут концентрировать энергию РЧ и создавать локализованное нагревание.

Для пяти различных систем МРТ 1,5 Т и 3 Т измеренное температурное положение показало, что высокие повышения температуры происходили вблизи как головных, так и хвостовых областей металлических тазобедренных суставов. Измеренное значение SAR 24,6 Вт/кг и высокое повышение температуры (= 4,22 °C) наблюдалось в хвостовой области тазобедренного сустава при 1,5 Т, что было выше пределов температуры, требуемых международной электротехнической комиссией 60601-2-33. Эти результаты подчеркивают важность тщательной оценки при сканировании пациентов с металлическими имплантатами.

Концепции температурного мониторинга и тепловой дозы

От SAR до температуры

Хотя SAR обеспечивает измерение осаждения мощности RF, температура является более прямым показателем потенциального теплового повреждения. Хотя повышение температуры более непосредственно связано с потенциальной опасностью, SAR, а не температура часто используется из-за проблем в измерении или прогнозировании повышения температуры in vivo. Текущие широко принятые руководящие принципы в МРТ обеспечивают правила для температуры тела и температуры в различных местах в организме, но также и для среднего SAR всего тела, среднего SAR головы, SAR части тела и максимального SAR в любых 10 г ткани (максимальный локальный SAR).

МЭК определила пределы максимальных температур человеческого тела при МРТ-исследованиях как по температуре ядра, так и по температуре локальной ткани. Максимально допустимые температуры ядра и локальные температуры составляют 39 oC и 40 oC как для режима работы Нормального, так и Первого уровня.

Тепловая доза и концепция CEM43

Новый подход к оценке тепловой безопасности включает концепцию тепловой дозы, выраженной в виде кумулятивных эквивалентных минут при 43 ° C (CEM43). Эффективность клеточного уничтожения коррелирует с тепловой дозой, выраженной в виде температурного воздействия ткани при кумулятивных эквивалентных минутах при 43 ° C (CEM43). Предполагается, что тепловой риск не возникает, если основное ограничение безопасности для тепловой дозы установлено на самом низком уровне CEM43, при котором не сообщалось об апоптотическом воздействии.

Диагностическое ультразвуковое сообщество оценило полезность CEM43 для обеспечения обратной связи пользователей с потенциальными тепловыми рисками и установило, что 1 CEM43 является консервативным порогом безопасности для воздействия на плод, новорожденных и взрослых. Для МРТ были предложены более высокие пороги с учетом типа ткани и состояния здоровья пациента, при этом 2 CEM43 предложены в качестве консервативного порога безопасности для МРТ при всех условиях.

Техника термометрии MR

Прямое измерение температуры во время МРТ является сложным, но возможным с использованием специализированных методов. Важно точно охарактеризовать нагрев тканей за счет радиочастотной энергии, применяемой во время МРТ. Это привело к увеличению использования численных методов для прогнозирования конкретных распределений скорости поглощения энергии для обеспечения безопасности в МРТ. Недавние усилия экспериментально отображают изменение температуры и удельную скорость поглощения энергии в фантоме и in vivo, где единственным источником тепла являются радиочастотные поля, создаваемые катушкой визуализации.

Протонно-резонансная частотная (PRF) сдвиговая термометрия является одной из наиболее часто используемых методов измерения температуры на основе MR. Этот метод использует зависящий от температуры химический сдвиг водных протонов для создания температурных карт неинвазивно. Хотя в основном используется в сфокусированных ультразвуковых процедурах с MR-наведением, термометрия PRF потенциально может быть адаптирована для мониторинга безопасности в обычной МРТ.

Проблемы и ограничения в оценке SAR

Переменная в Scanner-Reported SAR

Для значений SAR клинические пользователи часто полагаются исключительно на значения SAR, сообщаемые системой МРТ для конкретных последовательностей МРТ. Поэтому точность и согласованность значений SAR, сообщаемых системой МРТ, становятся более актуальными и критическими для безопасности пациентов. Однако, насколько нам известно, эти значения SAR не проверяются или не проверяются независимо клиническими пользователями в любой точке современной клинической практики.

Хотя физические принципы РЧ нагревания просты и понятны, точный расчет САР (измеряется в W/kg) осложняется многими факторами, включая размер пациента, неоднородность проводимости тканей и различия в профилях распределения мощности РЧ различных последовательностей МРТ-сканирования, а также специфические параметры сканирования. В целом значения САР увеличиваются с массой тела пациента. Однако, по большей части, расчет значений САР является собственностью каждого производителя системы МРТ.

Подробности процедуры калибровки SAR, используемой поставщиками, не известны конечному пользователю. Значения SAR, рассчитанные системами МРТ, не были надежными. Обычно SAR, сообщаемый сканером МРТ, больше, чем фактический SAR, но два 3 Т-блока той же модели показали более высокое измеренное значение SAR, чем сообщенное системой. Эта изменчивость подчеркивает необходимость стандартизации и независимой проверки расчетов SAR.

Сложность электромагнитного моделирования

Из-за сложности электромагнитных взаимодействий ручной расчет SAR не является ни практичным, ни точным.Внутренняя система безопасности сканера обеспечивает мониторинг SAR в реальном времени и автоматически обеспечивает пределы для предотвращения перегрева тканей.Электромагнитные взаимодействия в организме человека чрезвычайно сложны, включающие такие факторы, как неоднородность тканей, эффекты стоячей волны и связь между RF катушкой и пациентом.

Этот эффект становится все более важным при более высоких магнитных полях и должен быть включен в сложные модели для SAR. При сверхвысоких напряженности поля (7T и выше) эффекты длины волны становятся значительными, что приводит к неравномерному распределению радиочастотного поля и потенциальным локальным точкам SAR, которые трудно предсказать без детального электромагнитного моделирования.

Индивидуальная изменчивость пациента

Общие модели тела, используемые в расчетах SAR, могут не точно представлять всех пациентов. Своевременное построение и развертывание модели, специфичной для пациента, является вычислительно осуществимым. Преимущество решения неоднородности популяции по сравнению с умеренной ошибкой моделирования. Это предполагает, что индивидуализированные оценки SAR могут улучшить электромагнитную безопасность в МРТ и, возможно, уменьшить консервативные пределы безопасности, которые учитывают несоответствие модели пациента, особенно у нестандартных пациентов.

Новые технологии и будущие направления

B1+rms как альтернативный метрик безопасности

Новый подход к оценке безопасности РЧ использует B1+rms (корневой средний квадрат положительного вращающегося компонента поля B1) как более прямую меру воздействия РЧ. B1+rms является более точной метрикой воздействия РЧ, чем SAR, поскольку B1+rms является фундаментальным параметром поля РЧ, связанным с созданием изображения MR. Сканнер калибрует значение поля РЧ импульса B1+ во время предварительного сканирования, а значение B1+rms для последовательности визуализации определяется параметрами сканирования, необходимыми для получения желаемого контраста ткани. B1+rms для протокола сканирования является фундаментальным параметром электромагнитного поля, который является независимым от пациента. Напротив, SAR является консервативной оценкой мощности РЧ, отложенной в определенной области исследуемого пациента для конкретного значения B1+rms. Прогнозирование SAR от известного значения B1+rms является сложной функцией веса пациента, морфологии, состава ткани, осанки, ориентировочного местоположения и усреднения времени.

Уровни SAR, сообщаемые различными сканерами, также могут варьироваться для одной и той же фактической доставляемой энергии, и это побудило производителя использовать средний квадрат корня B1 + в качестве показателя безопасности для имплантатов DBS. Этот переход к B1 + Rms представляет собой более фундаментальный и воспроизводимый подход к оценке безопасности RF.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Методы глубокого обучения могут потенциально прогнозировать распределения SAR на основе легкодоступных данных визуализации, таких как карты B1+. Разработан метод глубокого обучения для прогнозирования SAR на основе картирования B1+. Вероятность недооценки пикового локального SAR была снижена с 24% (метод на основе EPT) до 13%, как проверено с помощью эксперимента с участием МРТ добровольцев при 7 Т.

Эти подходы на основе ИИ могут обеспечить более точные, специфичные для пациента оценки SAR в режиме реального времени, потенциально позволяя обеспечить более безопасные протоколы сканирования при сохранении качества изображения.По мере того, как вычислительная мощность продолжает увеличиваться, а алгоритмы становятся более сложными, такие методы могут стать стандартными функциями в клинических системах МРТ.

Ультравысокопольные МРТ соображения

По мере продвижения технологии МРТ к более высоким значениям силы поля (7 Т и более), управление SAR становится все более критическим. Квадратная связь между напряженностью поля и SAR означает, что системы сверхвысокого поля сталкиваются со значительными проблемами в поддержании безопасного уровня осаждения мощности RF при достижении желаемого качества изображения.

Передовые стратегии передачи радиочастот, включая параллельную передачу с местным управлением SAR, необходимы для сверхвысокопольной МРТ. Эти системы могут динамически регулировать формы и фазы радиочастотного импульса по нескольким каналам передачи, чтобы минимизировать локальные точки доступа SAR, сохраняя при этом адекватные углы сгибания для визуализации.

Практические рекомендации по клиническому внедрению

Предварительная оценка безопасности сканирования

Комплексный скрининг пациентов имеет важное значение для безопасности SAR. Ключевые практики включают:

Мониторинг в реальном времени во время сканирования

Непрерывный мониторинг уровней САР на протяжении всего обследования имеет решающее значение. Современные системы МРТ отображают прогнозируемые значения САР перед каждой последовательностью и контролируют фактическое осаждение мощности РЧ во время сканирования. Операторы должны:

Стратегии оптимизации протокола

Когда SAR ограничивает протоколы визуализации, можно использовать несколько стратегий оптимизации:

Документация и обеспечение качества

Ведение всеобъемлющих записей воздействия САР поддерживает как безопасность пациентов, так и соблюдение нормативных требований.

Регулярные программы обеспечения качества должны проверять точность расчетов SAR сканера и обеспечивать надлежащую работу систем безопасности. Периодические фантомные измерения могут проверять вычислительные модели и выявлять потенциальные проблемы калибровки.

Заключение

Специфическая скорость поглощения остается краеугольным камнем безопасности МРТ, обеспечивая количественную основу для управления осаждением энергии РФ и предотвращения тепловых травм.По мере того, как технология МРТ продолжает развиваться с более высокими полевыми силами, передовыми последовательностями импульсов и новыми клиническими применениями, понимание и точная оценка SAR становится все более важной.

Эта область движется к более сложным подходам к оценке SAR, включая моделирование для конкретных пациентов, мониторинг в режиме реального времени и альтернативные показатели, такие как B1 + Rms. Эти достижения обещают повысить как безопасность, так и диагностику, позволяя клиницистам расширять границы производительности МРТ при сохранении строгих стандартов безопасности.

Эффективное управление САР требует комплексного подхода, который сочетает в себе соблюдение нормативных требований, техническую оптимизацию, скрининг пациентов и постоянный мониторинг.Понимая физику осаждения энергии РФ, факторы, влияющие на САР, и доступные стратегии сокращения САР, специалисты МРТ могут обеспечить безопасные обследования при предоставлении диагностической визуализации самого высокого качества.

Для получения дополнительной информации о безопасности МРТ и воздействии РЧ, посетите FDA's MRI Safety Information, American College of Radiology MRI Safety Resources, или проконсультируйтесь с International Society for Magnetic Resonance in Medicine Safety Resources. Дополнительное техническое руководство можно найти через Международную комиссию по неионизирующей радиационной защите и профессиональные организации по физике МРТ по всему миру.