脑深部电刺激装置的MRI相容性

脑深部电刺激(Deep brain stimulation,DBS)是目前唯一能够与大脑深部直接接触并干预大脑活动、治疗大脑疾病的技术手段，为众多药物难治性的脑疾病提供了一种可能的疗法，自1987年首次被用于震颤的控制以来，全世界共有超过10万名患者植人了DBS装置(又称“脑起搏器”)u}，用于治疗震jn、帕金森病、癫痛、肌张力障碍、阿尔兹海默症、抑郁症、强迫症、戒毒等神经和精神疾病侧。而磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)在临床中应用越来越广泛，已经成为脑科学研究和脑疾病诊断最主要的工具。因此，DBS在MRI下的特性也越来越受到关注。

1 DBS概述

DBS装置包括脉冲发生器(Implantable pulse generator,IPG)、延长导线(Extension)以及电极(Lead)三部分(如图1所示)，其中电极刺激端植人脑深部特定靶点核团，通过向其输出特定的高频脉冲电流达到调控大脑功能、改善疾病症状的目的。

目前国外有三家美国公司开发了DBS装置，即美敦力(Medtronic)，圣犹达(St.Jude)和波士顿科学(Boston Scientific)，其中美敦力公司在这一领域具有领先地位，到目前为止仍是唯一获得FDA批准的DBS装置制造商。我国在DBS的研究和应用方面起步都较晚，1998年北京天坛医院第一次进行DBS手术，之后清华大学逐步筹备并开始研制DBS装置，2009年作为六项重大科技成果之一落户中关村国家自主创新示范区，由北京品驰医疗设备有限公司实施产业化[3]，2009年I1月26日实施了首例清华脑起搏器治疗帕金森病临床试验手术四。

2 DBS装置的MRI相容性

MRI主要基于氢核的磁共振现象进行成像，实现其功能需要使用三种磁场，即提供均匀静磁场环境的主磁场、对空间信息进行编码的三个方向的梯度磁场以及激发磁共振信号的射频(Radio Frequency,RF磁场，分别产生三种磁场的线圈结构如图2所示[5]。

DBS装置作为有源植人式医疗器械，MRI相容性可分为三个方面:

(1)MR工对电子电路的影响。关注MRI是否会引起DBS装置电子电路永久性失效或暂时性功能失常，包括MRI磁场是否会导致电路故障、软件复位、功能失常、装置内部存储器内容变化等。从已有的临床资料看，这方面报道极少，曾有过两个病例报道，一个是患者脊柱MRI扫描后DBS装置故障，一个是患者头颅MRI扫描后刺激参数复位，但后果只是DBS装置停止工作，未对患者造成伤害

(2)MRI对材料的影响。MRI磁场对DBS装置使用的金属材料(如电极的铂铱合金)具有一定的影响，包括静磁场对磁性材料作用产生的磁致位移力和磁致扭矩，射频磁场引起的发热(尤其在电极端部)，以及电极导线上的感生电压，都会对患者产生安全风险。

(3)材料对MRI图像影响。由于DBS装置中金属材料的存在，MRI图像会产生伪影，可能影响医生对疾病的诊断。

针对MRI和材料的相容性问题，美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)从2006年一2011年制定了一系列标准，提出了磁致位移力、磁致扭矩，射频致热、图像伪影的评价方法，对MRI安全性的标志进行了规定，分为磁共振安全、有条件磁共振和磁共振不安全三类，如图3所示。当前的DBS装置是有条件磁共振类型，对MRI参数做出了限定，并要求扫描过程中DBS关机.

射频磁场导致的发热是影响DBS在MRI下应用的最主要的安全问题，此外DBS装置的成像特性也是其在MRI下应用时需要评估的非常重要的方面。电极是直接接触脑的部件，其结构如图4所示，包括外部的套管(聚氨醋材料)、内部的4丝螺旋导线(具有绝缘涂层的铂铱合金材料)、前端的刺激触点(铂铱合金材料)以及尾部的连接触点(MP35N材料)，其中螺旋导线各路之间绝缘，在两端分别与刺激触点和连接触点相连，形成4路电气通道p z7。电极前端的铂铱合金刺激触点与脑组织直接接触，其性质十分关键，是评价MRI相容性的主要位置。

3 DBS电极在MRI下的发热

MRI所使用的时变的射频磁场会在人体中产生感生电场，而人体组织具有一定的生物电阻，因而会产生热效应，植人装置的存在可能会造成局部电场的集中从而导致发热加剧，尤其是在细长导体的尖端最易产生严重的发热问题，例如DBS电极刺激端。美国FDA推荐的MRI中射频发热的最大限度为脑部不超过1 0C，躯干为2 0C，四肢为3 0.根据射频消融方面的研究，人体局部温升达到(4244)0C产生的热损毁是可恢复的(超过45 0C后损伤将不可逆)，又由于在一些发烧至40 0C的患病案例中没有神经组织损伤的证据，因此持续几分钟(1}2)0C的温升对人体脑组织应是可以承受的.

MRI导致的过度发热有可能会对患者产生严重伤害，Spiegel等呀民道过1例植人双侧DBS的帕金森病患者在使用1.0 T的MRI扫描头部时出现肌张力异常以及腿部的弹震动作，其症状数月后得以完全康复;Henderson等则报道了1例MRI检查对植人DBS的患者造成射频损毁并导致严重的永久性神经损伤的案例;最近Zrinzo等也报道了MRI导致I位患者出现运动障碍以及激动表现的事件，检查发现电极周围出现水肿，由于及时中止了MRI扫描，患者没有受到严重的伤害。

特异性吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)是一个衡量人体组织对射频能量吸收量的指标，鉴于植人DBS后进行MRI的风险，美国FDA批准的指南中规定仅可以在1.5T设备下使用头线圈进行扫描，并且头部SAR值应小于0.1 W/kg。植人DBS导致可安全应用的SAR值大大降低，不仅使MRI的成像参数受极大限制，其安全性也影响了MRI的临床开展。Tagliati等}z}]对美国国家帕金森基金会下的卓越中心(Center of Excellence,COE)进行了问卷调查，结果显示40家COE中仅有23家(580%)会使用MRI对植人DBS的患者进行脑部检查，其他的COE之所以不进行MRI检查，多数是出于安全性的考虑或是由于行业指南的警告。而由于风险显著提高，在植人DBS的患者进行3.0 T的高场MRI仍被普遍视为禁忌，随着当前3.0 T的MRI设备以其更强的成像能力在临床中逐渐普及，会为植人DBS的患者将带来更大的限制。

4 DBS电极导致MRI图像伪影现有DBS电极的导线和刺激触点均采用铂铱合金材料，在MRI环境中会由于磁化等原因对其周围的磁场产生很大的干扰，从而导致磁共振信号失真而在MRI图像中产生严重的伪影。根据Poll。等目的测量结果，电极的铂铱合金刺激触点在1.5 T的MRI图像中轴向上扩大了2倍，极大地影响了对植人患者脑部图像的判读。目前在临床中多采用低场MRI进行术后电极植人位置的确认，由于DBS的疗效同电极的植人位置密切相关，因此对电极植人位置的准确判断对术后刺激参数的选择、刺激效果以及副作用的诊断分析都具有重要的指导意义，对深人理解DBS的作用机制也具有积极的意义[23]。但是现有的铂铱合金刺激触点所产生的伪影严重影响了局部图像质量，导致难以准确判断刺激触点植入的位置，妨碍了对电极的术后检查[24]。在应用fMRI研究DBS刺激后的脑功能变化时，铂铱合金刺激触点的伪影也极大地影响了局部核团的血流信号，给研究带来了障碍

MRI图像的获取依赖于对生物组织中水的氢核激发后的磁共振信号检测，因此质子所处的磁场环境极为关键，金属植人物的存在扰乱了周围磁场的分布从而导致信号畸变引起图像伪影。引起磁场扰动的因素有多种，其中植人材料同生物组织的磁化系数差异是其在MRI的图像中产生伪影的主要原因之一，材料的磁化系数和组织越接近，这一伪影的程度越小四。近年来研究表明MRI中的射频磁场以及梯度磁场在开关过程中也会导致伪影的产生，这是因为时变磁场会在金属植人物中感生涡流，引起局部磁场的畸变[[26-27]J讨论提高MRI相容性是DBS最受关注的发展方向之一，抑制电极触点处的射频发热是其中最关键的问题，而目前尚没有妥善解决这一问题的方法回。在当前情况下，为保障患者安全，临床上推荐使用保守的参数，即患者仅可以在1.5 T设备下使用头线圈进行扫描，头部SAR值应小于0.I W/kg，而且应提前关闭DBS装置的刺激输出。对DBS装置制造商而言，应在建模、设计、风险评估等方面充分考虑到MRI相容性的问题，通过体外试验获得定量的数据，进而在动物试验和临床试验中验证MRI安全性lzHl未来DBS的重要研究方向之一是探索新材料在DBS电极中的应用。近年来，碳纳米管薄膜和导电聚合物等材料发展很快，生物相容性和电化学性能均得到了初步证实，尝试用于制造电极刺激触点或者对铂铱合金刺激触点进行表面改性、改善RF发热和图像伪影，可能是未来研究思路之一。

参考文献

[1]Medtronic.New research shows significant benefits of medtronic deep brain stimulation earlier in progression of Parkinson's disease[EB/OL].http://wwwp.medtronic.com/Newsroom/NewsReleaseDetails.do itemId=1360783948456&lang=en_CA,.

[2]Krames ES,Peckham PH,Rezai AR.Neuromodulation[M].Academic Press,2009.

[3]中关村国家自主创新示范区.中关村自主创新六项重大科技成果[EB/OL].http://www.zgc.gov.cn/zgctop10/zgc2009top10/51200.htm,.

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[9]Standard test method for measurement of radio frequency induced heating on or near passive implants during magnetic resonance imaging[S].

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