任伊宾
, 李俊
REN Yibin, LI Jun
中图分类号: R318.08
文章编号: 0412-1961(2017)10-1323-08
通讯作者:
收稿日期: 2017-07-3
网络出版日期: 2017-10-11
版权声明: 2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介 任伊宾,男,1975年生,副研究员,博士
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摘要
磁共振成像(MRI)是医学领域中不可或缺的影像诊断技术。目前常规使用的金属医疗器械包括植入物在MRI下均会产生较大程度的伪影,影响病理诊断分析。尽管临床上通过技术操作可以减小金属伪影,但伪影仍然无法完全消除。本文综述了目前MRI磁兼容合金的研究进展,包括锆合金、铌合金、铜合金等。与临床应用的医用金属材料相比,本文所述磁兼容合金均能有效降低或消除MRI下的金属伪影。随着MRI诊断技术的普及,可在MRI下精确诊断的生物材料与器械会越来越受到重视,因此开发综合性能优异的磁兼容合金是医用金属材料的发展趋势之一。
关键词：
Abstract
Magnetic resonance imaging (MRI) is widely used in clinical applications. Metallic medical devices and implants used under MRI normally produce noticeable artifact which seriously affects image quality. Therefore, the artifact is an essential problem that should be solved for metallic biomaterials. Although artifact can be reduced by technical manipulation, it cannot be eliminated completely. This paper summarizes recent studies on MR-compatible alloys such as Zr alloys, Nb alloys and Cu alloys. Compared with normally clinical metallic materials, MR-compatible alloys described in this article can effectively reduce or eliminate artifacts under MRI. MR-compatibility will become an essential property to implant materials and devices. Thus developing metallic biomaterials with low magnetic susceptibility and excellent comprehensive performance becomes more important.
Keywords：
磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是一种无损伤性检查方式。通过多层面、多角度、多方位、多脉冲序列成像,MRI可获得多种病变信息。其对病变检出和特征显示有较强的敏感性和直观性,且MRI空间分辨率很高,对大脑、脑干和脊髓的病变尤其具有较高的探测灵敏度,已成为当前医学领域中不可缺少的影像诊断方法之一[1]。
MRI工作需要3种状态的电磁场产生人体的断层图像,分别为：主磁场B0、梯度磁场G和射频脉冲磁场B1。这3种电磁场对金属植入物的影响已有很多研究 [2-6],具体表现如下：(1) 磁力作用下的金属植入物的移位风险和射频脉冲诱导金属发热;(2) 产生伪影。MRI下伪影(artifact)的大小与金属植入物的磁性、形状、外磁场的相对方向、所使用的成像序列、金属移植物所在部位等因素有关,且伪影常大于植入物的实际尺寸[7]。伪影的存在会影响观察部位的成像效果进而影响对疾病的诊断,如图1[8]所示,不锈钢和纯Ti已经完全看不出原来的形状,且对周围组织有明显遮挡 [9-11]。
图1 金属材料的伪影[
Fig.1 Comparison of metal-related artifacts (left) and the mechanism that causes metal-related artifacts at magnetic resonance (MR) imaging (right) [
(a) relative positions of a titanium alloy screw (diameter, 4.5 mm) and two stainless steel screws (diameters, 3.5 and 4.5 mm) within the phantom
(b) axial MR images of the phantom (gradient-recalled echo sequence)
(c) axial MR images of the phantom (fast spin-echo sequence)
金属植入物的伪影受到其磁化率(χ)的严重影响[7,8]。在其它条件,例如主场强、回波序列和植入部位等相同时,金属材料伪影体积与|χv-χwater|成正比[7] (其中,χv为金属的体积磁化率,χwater为水的体积磁化率)。因而,开发低伪影的磁兼容合金的方向很明确,对于顺磁性合金,尽可能降低其体积磁化率至与水的体积磁化率接近;对于抗磁性合金,通过合金成分调整使其体积磁化率与水的体积磁化率基本相同。不同的纯金属和合金的体积磁化率总结示于表1[7,12,13]。
表1 不同金属材料的体积磁化率[
Table 1 Volume magnet susceptibilities of different metals and alloys[
| Material | χv / 10-6 | Material | χv / 10-6 |
|---|---|---|---|
| Bi | -164 | Al | 20.7 |
| Au | -34 | Zr | 109 |
| Ag | -24 | Ti | 170 |
| Zn | -15.7 | Ta | 178 |
| Cu | -9.63 | Ti6Al4V alloy | 179[12] |
| Water (37 ℃) | -9.05 | Nb | 237 |
| α-Sn | -23 | NiTi alloy | 245 |
| Human tissue | -11~-7 | Pt | 279 |
| Si | -4.2 | Pd | 806 |
| β-Sn | 2.4 | L605 alloy | 960[13] |
| Mg | 11.7 | Stainless steel | 3520~6700 |
不同文献中给出的磁化率的表述方式不一致,如体积磁化率与质量磁化率,本文中提到的体积磁化率与质量磁化率换算如式(1)所示：
其中,χg为质量磁化率,单位为cm3/g;ρ为密度,单位为g/cm3。
尽管可以通过调整MRI扫描模式及参数降低MRI下的金属伪影,但是目前临床常用的医用金属材料由于磁化率较高,其伪影无法被完全消除。随着高场强MRI设备的使用,医用金属材料的伪影将会更加严重。由于医用金属材料具有的优良综合力学性能无法被替代,因此开发MRI磁兼容合金以降低金属伪影是亟待解决的问题和发展趋势。
常用的医用金属材料(包括奥氏体不锈钢、钴基合金、NiTi合金等)都具有顺磁性(表1),其在MRI扫描时虽然不会产生较大的移位和磁矩,但是较大的金属伪影对成像的质量会有很大影响(如图1b和c[8])。相对于以上的顺磁性合金,钛合金拥有更低的磁化率,从而具有相对较小的伪影,所以目前主流的磁兼容材料及器械主要由钛合金制成,如Yasargil Phynox Aneurysm Clips (Aesculap,Tuttlingen German)及Coax Needle High Flield 12G (Invivo,Schwerin German)等医疗器械及植入物。但其体积磁化率接近200×10-6,产生的伪影也很严重[8]。为了降低金属伪影,目前的研究主要集中在开发低磁化率金属材料,包括锆基合金、铌基合金及钯基合金等,潜在的应用方向包括心血管支架、齿科及其它医疗器械等。
Zr与Ti元素均处于IV B族,二者的物理和化学性质相似。纯Zr在空气中或者水溶液中能自发地形成2~5 nm 厚的氧化膜,具有优良的耐腐蚀性能,其在模拟体液中的点蚀电位为305 mV[14]。同时锆合金还具有良好的生物相容性,成骨细胞在Zr表面黏附、增殖和分化的响应不低于Ti6Al4V合金[15]。Zr的体积磁化率比纯Ti及钛合金低,因而其在 MRI 环境中使用具有一定优势。通过适当的合金化,能够进一步降低锆合金的体积磁化率,使其更适宜于在MRI环境中使用。磁兼容锆合金在血管支架及齿科中均有较好的应用前景。
Zhou等[12]研究结果表明,含1% (质量分数)的Ti、Nb、Mo、Cu、Au、Pd、Ag、Ru、Hf和Bi的Zr-1X二元合金的体积磁化率均在94×10-6~140×10-6之间,表现出顺磁性,且均低于纯Ti与Ti6Al4V的磁化率。其中铸态Zr-1Ru合金的综合力学性能较好(抗拉强度752 MPa,延伸率32.9%)。进一步调整Ru含量(0.5%~10% (质量分数)),铸态合金的相组成变化为α→α+β→ω→β+ω→β,Zr-Ru合金的质量磁化率随着Ru的含量增加呈现先减小后增大的趋势,并在Zr-1Ru时最小[14]。加入Ru能提高Zr的开路电位和腐蚀电位,Zr-Ru合金的浸提液没有明显的细胞毒性,且表现出良好的血液相容性。
Nb 是锆合金中重要的合金元素。Zr-Nb合金的力学性能和磁化率随着相组成而变化,其磁化率会随着Nb的含量增加先降低后增加,并在Nb含量为3%~5% (质量分数)之间处于最低值[16]。Zr-9Nb合金中ω相含量高,为脆性材料。在Zr-14Nb合金中,由于冷加工诱发产生ω相,其磁化率会有所降低。在冷变形量为30%时,ω相达到饱和,之后磁化率变化很小[17]。90%冷变形的Zr-14Nb再退火后,其磁化率与无冷变形时相似。而纯Zr,由于冷变形导致织构的影响,其磁化率稳步增大,如图2[17]所示。
图2 冷变形量对冷加工态纯Zr与Zr-14Nb合金质量磁化率的影响[
Fig.2 Mass magnetic susceptibilities of cold-rolled Zr-14Nb (solid symbols) and Zr (open symbols) as a function of reduction ratio[
铸态Zr-Mo合金随着Mo含量的增加,磁化率先减小后增大,如图3[14,16,18]所示。Zr-3Mo合金由于存在ω相,磁化率最低[18]。热处理对Zr-3Mo合金的磁化率有一定影响。500 ℃处理24 h后,Zr-3Mo合金相对铸态合金的磁化率下降7%左右[19]。Zr-(0~100%)Ag (质量分数)合金的磁化率随着Ag含量的增加而基本呈现线性降低[20]。锆基非晶合金Zr61Ti2Cu25Al12[13]及近等原子合金(TiZrNbTa)90Mo10[21]也具有较低的磁化率。
图3 铸态Zr-Ru[
Fig.3 Effect of alloying element content on mass magnetic susceptibility of as-cast Zr-Ru[
综上所述,合金化对锆合金中的相组成会产生较大改变。一般认为,对于锆合金,不同相的磁化率有以下规律,χβ>χα>χω[19]。但由于ω相是脆性相,同时Zr本身是一种顺磁性较强的元素,合金化并不能完全消除其伪影。如图4[20]所示,Zr-36Ag合金的伪影仍然较为严重。如何通过调节合金元素和相组成,在力学性能与低磁化率之间取得平衡,是磁兼容锆基合金未来研究的一个重要方向。
图4 纯Zr、纯Ag、Zr-Ag合金的典型MR伪影图像及三维重建的伪影图像[
Fig.4 Representative 2D MR images (upper) and 3D renderings (lower) of the Zr, Ag and Zr-Ag alloy [
Nb的体积磁化率为237×10-6,与钛合金处于同一个数量级,远低于目前应用于血管支架的316L不锈钢、L605合金以及NiTi合金等材料。铌合金具有较好的力学性能,在血管支架领域有潜在的应用前景。
O'Brien等[22]对Nb28Ta3.5W1.3Zr合金的研究表明,其具有优良的力学性能(见表2),同时其在生理盐水中浸泡7 d的离子溶出浓度为μg/L量级[23],具有良好的耐腐蚀性。Nb28Ta3.5W1.3Zr合金的质量磁化率为0.8×10-6 cm3/g,优于Nb-1Zr的1.3×10-6 cm3/g,并且远低于316L不锈钢的26.7×10-6 cm3/g。在MRI测试中,Nb28Ta3.5W1.3Zr合金的金属伪影也明显小于316L不锈钢[23]。Li等[24]在研究Nb-xTa-2Zr合金的磁化率过程中发现,合金的磁化率随着Ta含量的增加而呈现线性降低,并且Ta达到70% (质量分数)时,合金的体积磁化率降至205×10-6。Li等进一步研究了Nb60Ta2Zr合金的耐蚀性[25]和生物相容性[26],其在模拟体液中具有良好的耐蚀性,且血液相容性满足ISO10993-4标准。Nb60Ta2Zr合金的力学性能如表2[22,24,27]所示。Zhou等[21]将Nb60Ta2Zr合金植入处死的新英格兰大白兔体内,MRI扫描结果表明,其金属伪影明显小于L605合金的伪影,如图5[21]所示。
表2 Nb28Ta3.5W1.3Zr[
Table 2 Mechanical properties of Nb28Ta3.5W1.3Zr[
| Alloy | Hardness | σ0.2 / MPa | σb / MPa | δ / % | E / GPa |
|---|---|---|---|---|---|
| Nb28Ta3.5W1.3Zr | - | 350 | 476 | 16.7 | 129 |
| Nb-60Ta-2Zr | 1705 MPa | 332 | 432 | 20 | 142 |
| ABI (Pd-Ag) | 220 HV | - | - | 30 | 110 |
图5 含植入物的兔组织的典型MR图像[
Fig.5 Representative MR images taken under 3-T field strength and FSE acquisition for rabbit tissue containing an implanted [
(a) Nb-60Ta-2Zr and (c) L605 tubes of 10 mm in length, 3 mm in outer diameter and 0.5 mm in wall thickness, representing the most severe artifacts produced among respective sets of slices (b) and (d) are magnified images focused on blocked areas in Figs.5a and c, respectively
钯基合金主要应用于牙科材料,其具有良好的耐蚀性和较高的强度[28]。由于磁化率相对于传统不锈钢较低,钯基合金也被用于血管支架。van Dijk等[27]对ABI合金(Pd-Ag)的力学性能(如表2中所示)和MRI伪影性能进行了初步探索。结果表明,ABI合金拥有与NiTi合金支架及Ta支架相似的伪影表现,并且其伪影比316L不锈钢更小。
相对于顺磁性金属,抗磁性金属具有与水更接近的磁化率,因此开发抗磁性合金更容易获得优异的无伪影表现。MRI下成像质量要求极高的领域,如MR引导的介入手术,对材料的磁兼容性提出了极高的要求。而伴随着MR引导的介入手术越来越普及,介入设备的主磁场越来越高,介入器械需要采用无伪影并具有优异综合性能的材料[29]。常见的抗磁性金属,除了金合金和纯Cu分别作为齿科材料和宫内节育环材料使用外,鲜有其作为生物材料的应用。目前对此类磁兼容合金仅开展了一些探索性工作,其中包括铜基合金、金基合金和锌基合金。其可能的应用包括MR引导的介入手术及齿科应用等。
Cu是一种传统而又现代的重要金属材料,是人类应用制造工具的最古老的金属。其中青铜(Cu-Sn合金)、黄铜(Cu-Zn合金)等至今仍在生活中广泛使用[30]。在常规金属中,Cu的磁化率与水最接近,已有的实验结果也都证明,纯Cu在MRI下基本上无伪影[31,32],如图6[33]所示。因此可以推测,适当成分的铜合金可以在MRI下精确定位,在如MRI引导的介入手术上具有广阔的应用前景。
图6 10种不同金属在同一条件(主磁场B0=3 T快速自旋回波(FSE))下的三维重建伪影[
Fig.6 3D artifact renderings of ten different metals under same imaging conditions (static field B0=3.0 T fast spin echo, FSE) [
Spuentrup等[31,34]用铜合金(Cu>90% (质量分数))制作了原型血管支架,将其植入6只健康猪的肾动脉内,并在1.5 T下对其进行了伪影检测。如图7[31]所示,在MRI环境下能够清晰地观察到支架轮廓和支架筋。他们进一步设计了一种Cu8Ag2Pt14Au1Pd合金,其具有与不锈钢相似的强度,且该合金支架在MRI下基本无伪影,支架筋仍然清晰可见[35]。Astary等[36]研究了二元Cu-Sn合金,其磁化率随着Sn含量的增加呈线性降低,且均呈抗磁性。
图7 铜合金支架(箭头)植入猪肾动脉后的伪影表现(B0=1.5 T,使用MR血管造影技术,支架内腔完全无伪影)[
Fig.7 Corresponding anteroposterior digital conventional angiogram obtained in the same pig with Cu alloy stents (arrows) in both renal arteries (With both MR angiographic techniques, the in-stent lumen is completely artifact free)[
本文作者对硅黄铜作为MRI 导引的定位活检材料进行了初步探索。MRI 导引的定位活检具有优异的软组织对比度,无辐射,能够发现隐藏病灶的特点,是对计算机断层扫描定位活检和超声引导乳腺定位活检的重要补充,为微创手术治疗提供了又一种精确导向的方式,因而越来越受到重视[37,38]。本文作者研究[32]发现,硅黄铜的力学性能优异,并且在3 T主磁场扫描下的伪影与纯Cu基本一致,如图8[32]所示。铜合金在MR引导的介入手术方向具有一定的应用前景。
图8 纯Cu、硅黄铜和纯Ti的典型MR伪影图像(B0=3.0 T,FSE)[
Fig.8 Representative 2D MR images of FSE in 3 T magnetic field for pure Cu (a1), silicon brass (b1) and pure Ti (c1), with cylinder samples in the phantom perpendicular to B0; pure Cu (a2), silicon brass (b2) and pure Ti (c2), with cylinder samples in the phantom parallel to B0[
Au是最早用于临床的医用材料之一,其具有良好的化学稳定性和加工性能。金合金在齿科被广泛应用,同时Au本身是一种良好的抗磁性材料。通过添加合金元素,金合金能够获得与人体组织极其接近的磁化率,并具有很好的抗伪影效果。用于齿科的一些商用合金包括Au-Pd、Au-Pt等,在MRI下基本无伪影[39]。Taniyama等[40]对齿科材料Au10Ag14Cu3Pt3Pd合金制成的2种环状样品(闭环样品O型和部分开口样品C型)的伪影进行了检测,其在2 T场下的抗伪影表现良好,但当O型环与射频脉冲磁场方向一致时,成像会受到射频磁场干扰。Silvestri等[41]发现通过调节Au-Pt合金中的Pt含量,合金的磁化率能够调节到与人体组织一致。另外还发现,微量的Fe元素(0.1%,质量分数)加入即可将Au-Pt合金从抗磁性转为顺磁性,即Fe元素对磁性影响极大。Uyama等[42]研究了Au-xPt-yNb合金的磁化率和伪影表现,发现固溶态Au-xPt-yNb合金的体积磁化率基本满足以下公式：
其中,x为Pt含量（质量分数,%）,y为Nb含量(4%~11%,质量分数)。从该公式可以看出,合金的磁化率基本上与Pt含量关系不大。该结论与Silvestri等[41]的结果并不完全一致,但其文章中并未讨论原因。热轧和不同热处理态Au-xPt-8Nb合金的体积磁化率也均介于-12×10-6~-6×10-6之间,因而可以判断其基本无伪影。
Zn的体积磁化率为-15.8×10-6,是一种几乎无伪影的磁兼容材料,如图9所示。同时Zn是生物可耐受元素,也是人体中的必需微量元素之一[43]。Zn的标准电极电位为-0.763 V (vs SCE),现有对锌合金的研究主要集中于其作为可降解金属材料的探索,如纯Zn[44]与Zn-Mg合金[45]等,其具有比可降解镁基金属更高的自腐蚀电位,其析氢速率和pH上升均慢于镁合金,这些优势有利于组织恢复。锌基合金还是一种很好的磁兼容生物材料,其同时兼具了可接受的生物相容性和基本无伪影的特征[46]。
图9 纯Zn在3 T下的伪影表现(FSE,样品平行于B0)
Fig.9 Representative 2D MR image of FSE in 3 T magnetic field for pure Zn (arrow), with cylinder sample in the phantom parallel to B0
文中列举了目前研究中的各种磁兼容合金。目前从降低伪影角度去研究磁兼容性合金的报道还相对较少,开发生物医用材料对于其MRI兼容效果的考虑仍然不充分。锆基合金已经被证明其在磁化率方面优于钛合金。如何通过合金化进一步降低锆合金等低磁化率顺磁性合金的磁化率,并对其力学性能、耐蚀性等进行优化,使其能够满足医疗环境下的应用要求,将是下一步的研究方向。铌基及钯基合金作为磁兼容合金表现出了优良力学性能与较低伪影,但作为磁兼容合金还需深入研究。抗磁性材料在MRI环境中的金属伪影最小,Au、Ag等贵金属价格昂贵以及力学强度较低影响了其应用范围。铜基合金具有与水相近的的磁化率,在MRI环境中呈现出优良的成像质量,同时具有优良的力学性能,作为MRI兼容合金将有较为广阔的应用前景。锌基合金尽管无伪影,但是力学性能和加工性能限制了其应用范围,还需要进一步研究。
随着MRI设备的普及、高场强MRI的应用以及MRI引导下的精准医疗技术的发展,外科植入物的伪影影响MRI下精准医疗的问题越来越突出,MRI磁兼容性将成为未来生物材料必须满足的性能之一,未来的磁兼容合金不但具有优良的力学性能、耐蚀性能、生物相容性,而且具有与水接近的磁化率。
The authors have declared that no competing interests exist.
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