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有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究

嘉峪檢測網        2019-10-30 15:12

作者:李澍 , 郝燁 , 王權 , 任海萍

中國食品藥品檢定研究院, 北京 102629 
 
摘要:
目的:在同樣標準、尺度下進行有源植入醫療器械“MR兼容”性評價,確保有源植入醫療器械的使用安全和有效。
方法:本文依據ISO/TS 10974:2018標準,結合中國食品藥品檢定研究院的工作,針對標準中要求的各個試驗的試驗依據、試驗方法、接收準則進行了研究。結果:標準共涉及6項已知或可預見的風險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預期的刺激以及器械故障。為了評價這些風險,本文介紹了和6項風險相對應的9個試驗項目,以此評價有源植入醫療器械的核磁兼容性。
結論:目前國內針對有源植入醫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,本文系統性介紹了評價項目的考慮角度和方法,為國內從事有源植入物核磁兼容性設計及評價者提供參考。
關鍵詞:有源植入性醫療器械    核磁兼容    ISO/TS 10974:2018
 
1 背景
 
近年來,隨著生物電子技術的發展,有源植入醫療器械的使用范圍越來越廣泛,以起搏器及心律轉復除顫器、神經肌肉刺激器、人工耳蝸、左心室輔助裝置為代表的新型有源植入類醫療器械相繼問世,挽救了無數人的生命。然而,由于有源植入醫療器械內部的電子元器件可能對電磁場較為敏感,易受強電磁場干擾而導致設備功能異常。而核磁共振成像(MRI)掃描時可產生3種類型的電磁場:靜態場B0、梯度場G、射頻場RF。其中靜態磁場B0引力可造成有源植入設備內的磁敏感金屬發生震動,導致設備故障、位移或者損壞;梯度磁場可能造成設備工作模式的異常轉變和復位[1];射頻磁場可通過經皮電纜及導線導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手段,尤其對于神經系統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,對顯示血管的結構、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療器械的患者來說,核磁共振檢查應用的限制可能會對疾病的診斷產生較大的影響[7]。
 
在這樣的需求矛盾下,使用非磁性敏感元件、并通過特殊設計的機殼和導線實現“MR兼容”的有源植入醫療器械應運而生。因此,在同樣標準和尺度下進行科學、有效的有源植入醫療器械“MR兼容”性評價,確保有源植入醫療器械產品的安全性和有效性,是世界各國的醫療器械生產者以及監管者的目標[4, 8]。在此背景下,國際標準化組織于2012年首次發布了關于有源植入醫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月發布了ISO/ TS 10974:2018《患者帶有有源植入性醫療器械用核磁共振成像的安全性評定》[10]。
 
目前,國內針對有源植入醫療器械核磁兼容性的評價剛剛起步,因此,在產品研發及質量評價過程中缺乏相應評價和驗證平臺。本文旨在系統性介紹ISO/TS 10974:2018標準(以下簡稱標準)所考慮的評價角度和方法,為國內從事有源植入醫療器械核磁兼容性設計及評價者提供參考。
 
2 總體概述
 
ISO/TS 10974:2018標準共歸納出6項已知或可預見的風險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預期的刺激以及器械故障。為了評價這些風險,本文介紹了和風險相關的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)升高以及器件感應電流增大所導致的溫升。梯度場加熱試驗(編號2)評價梯度場產生渦流導致的器件溫升。梯度場振動試驗(編號3)評價靜態場B0和梯度場的聯合作用下器件的運動。力和力矩試驗(編號4和5)評價靜態場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生的感應電壓所引起的輸出脈沖的改變,但不涉及器械故障。射頻場感應整流電壓試驗[編號8(1)]評價在感應電壓足夠高的條件下,遠端電極上產生的非預期電壓脈沖對設備的影響。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的設備故障所導致的性能下降、功能喪失、意外反應等。
 
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
圖 1 MRI 3個輸出場(射頻場、梯度場和靜態場)及所包含風險的相互關系
  
 
表 1 MRI對有源植入醫療器械產生的潛在風險和相應的評價試驗方法
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
  
 
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險產生的原理、試驗方案設計及其評價方法。
 
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,學術界采用比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)來定量描述生物組織對電磁場能量的吸收。比吸收率的具體定義為單位質量的生物組織吸收的電磁功率,單位是W/kg。射頻感應加熱對患者造成的傷害與環境溫度、射頻持續時間以及器械植入方式有關。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。
 
測量射頻場加熱應首先測量在未安裝有源植入醫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比吸收率(溫升)。評價指標功率沉積是因植入器械所產生的凈比吸收率(溫升),見公式(1)。
 
 有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究 (1)  
 
其中,P為功率沉積,E為感應電場的均方根值,σ為電導率,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療器械時所測得的背景溫度,△Ttotal為安裝有源植入式醫療器械時所測得的系統溫度。
 
需要說明的是,試驗要求體外測試環境與目標組織在電磁學參數上相一致,從而保證體外環境和體內環境的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療器械所產生的體內功率沉積。測試過程中,需要同時衡量功率沉積的空間分布和強度。空間分布與有源植入醫療器械的局部幾何特性和周圍組織參數有關。強度與有源植入醫療器械吸收射頻能量的能力相關。
 
3.2 評價梯度感應加熱對患者造成傷害
 
梯度感應加熱是由于梯度場BG(t)在有源植入醫療器械導電外殼或內導體表面(如電池組件表面和電路板表面)會產生渦流(Eddy Currents),進而造成加熱作用。一般來說,測量梯度感應加熱溫升時,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,導電率越高,加熱就越大。
 
評價渦流造成的感應加熱需要將有源植入醫療器械曝露在規定的梯度場BG(t)中,并測量由此產生的溫升。試驗環境采用最小熱對流、只存在熱傳導路徑的環境(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,只要所用磁場產生的溫升足夠大,其信號與噪音比至少達到10:1,則可以按比例縮減暴露騷擾信號BG(t)并進行測試,在計算溫升時按相應比例還原即可。
 
3.3 防止梯度感應振動對患者造成傷害
 
MRI的梯度場會在有源植入醫療器械導電表面產生渦流。這些渦流會形成時變磁矩,時變磁矩與靜態場(B0)相互作用會使導電表面和器械產生振動。梯度感應振動與典型的有源植入醫療器械振動(如運輸、患者活動)不同。梯度感應振動的力和力矩都是在器械內部的,并可能會導致患者損傷,并引起功能下降或治療水平減弱。
 
因梯度感應振動導致的有源植入醫療器械故障的評估方法詳見圖 2。首先根據制造商宣稱所能耐受的最大磁場強度確定試驗用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,測試有源植入醫療器械的振動響應,由此響應乘以尺度因子,則為實際振動水平。考慮到不同的核磁序列條件下有源植入醫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,并合并成最嚴酷的振動波形,通過振動臺復現此振動水平,并在振動試驗中評估有源植入醫療器械的性能。
 
圖 2 梯度感應振動測試流程圖
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
  
 
3.4 防止B0位移力對患者造成傷害
 
靜磁場(B0)產生的位移力可能會導致含有磁性材料的器械發生非預期移動。有源植入醫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,最大位移力出現在磁場的空間梯度(▽B0)最大的位置。此部分內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感應力矩對患者造成傷害
 
靜態磁場(B0)產生的磁感應力矩可能會導致含有磁性材料的器械發生非預期移動。磁感應力矩隨B0變化,應在靜態磁場均勻的位置進行測量(如核磁共振掃描儀的等中心點,即MRI機架的旋轉中心點)。此部分內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》中的規定[12]。
 
3.6 防止梯度場感應電勢對患者造成傷害
 
外部感應電勢是由于有源植入醫療器械單個導線電極之間、多導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電壓。此電壓使得有源植入醫療器械端口和導電外殼之間產生電流。若有源植入醫療器械阻抗過低,所產生的電流會很大,則會導致與電極接觸的組織受到非預期刺激。這些刺激可能不會導致器械失效或故障,但可能會使患者受到不同程度的傷害。
 
梯度場感應電勢對患者造成的傷害通過評估梯度場產生的非預期電荷、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療器械。通過將組織等效接口電路連接到有源植入醫療器械進行測試,分別進行以下3個試驗來評估梯度感應效應:1)測量每個梯度脈沖下的梯度感應電荷和電流;2)測量有源植入醫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,有源植入醫療器械在輸出治療運行狀態下的梯度脈沖失真。
 
3.7 防止B0感應故障對患者造成傷害
 
有源植入醫療器械暴露在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。本試驗根據有源植入醫療器械在MRI 1.5T靜態磁場(B0)下的潛在風險類別,通過分級并定義合適的試驗來評估潛在影響。
 
表 2列出了會受到靜態磁場影響的有源植入醫療器械組件。若組件在MRI掃描期間禁止使用,則不需要進行附加試驗。3個級別關注的問題及試驗方法不同。主體思想是根據器械的預期用途來選擇恰當的試驗方法,所有器械需要在試驗后迅速檢測B0剩磁的潛在影響。
 
表 2 有源植入醫療器械基于靜磁場感應故障的分級及試驗方法
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
 
3.8 保護患者不受射頻感應故障及射頻整流傷害
 
有源植入醫療器械暴露在MRI的射頻場可能會出現如下問題:未能提供預期治療功能、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,而且可能會產生對使用者造成安全隱患。射頻感應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療器械系統類型,見表 3。
 
表 3 射頻電磁兼容性測試方法選擇
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
  
 
輻射暴露測試:對于沒有外部導體或只含電小長度外部導體(物理尺寸遠小于電磁波波長)的有源植入醫療器械,可采用TEM橫電波小室產生所需要的射頻電場,進行測試。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:通過射頻注入網絡將射頻能量注入射頻傳導路徑,若有源植入醫療器械外殼包含屏蔽,射頻注入網絡需將屏蔽作為參考地或參考節點。若有源植入醫療器械含有可能刺激組織的電極,則射頻輸入網絡應能在注入騷擾的同時監控端口整流電流。
 
3.9 保護患者不受梯度感應故障傷害
 
MRI梯度磁場可能對有源植入醫療器械運行或性能造成負面影響,如導致無法提供預期治療、內存損壞、短暫或永久器械編程設置丟失等。這些副作用可能由于梯度磁場穿透器械外殼到達內部電路所產生的感應電壓,或是植入器械的導線所產生的外部感應電壓。這些影響可能是短暫或永久的,而且可能會產生對有源植入醫療器械使用者造成不良影響的安全隱患。梯度感應故障傷害測試同樣根據其預期用途進行測試,如果有源植入醫療器械在MRI掃描時輸出保持激活,則應設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器械是否能恢復輸出,是否存在瞬態故障等。
 
具體的測試內容包括輻射騷擾測試和注入騷擾測試,詳見表 4。所有有源植入醫療器械都需進行輻射測試,根據器械類型,考慮是否進行注入騷擾測試。一般來說,如果器械含有長導線電極,或器械外殼外部安裝多個電極,則應進行注入騷擾測試。
 
 
表 4 各種有源植入醫療器械適用的測試方法
有源植入醫療器械核磁共振成像安全性評價方法研究
 
4 結論
 
本文針對國際標準《在體有源植入性醫療器械用核磁共振成像安全性評價研究》進行簡單的介紹和歸納整理。針對使用有源植入醫療器械并進行核磁共振掃描患者,歸納出6項已知或可預見的風險,分別為溫升、振動、力、力矩、非預期的刺激以及器械故障。為了評價這些風險,共設計了9個試驗項目。本文針對每個試驗的設計依據、試驗方法、接收準則進行了介紹,希望對國內從事有源植入醫療器械核磁兼容性設計及評價者有所幫助。
 
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[9] ISO/TS 10974: 2012 Assessment of the Safety of Magnetic Resonance Imaging for Patients with an Active Implantable Medical Device[S]. 2012.  
[10] ISO/TS 10974: 2018 Assessment of the Safety of Magnetic Resonance Imaging for Patients with an Active Implantable Medical Device[S]. 2018.  
[11] YY/T 0987.2-2016《外科植入物磁共振兼容性第2部分磁致位移力試驗方法》[S]. 2016.  
[12] YY/T 0987.5-2016《外科植入物磁共振兼容性第5部分磁致扭矩試驗方法》[S]. 2016.  
 
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來源:中國藥事

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