国内医用磁共振声学噪声测试分析
引言
核磁共振广泛应用于医学诊断和临床研究。如今，3.0T核磁共振在医院中应用越来越多，高场强允许使用快速扫描序列而获得高空间分辨率图像，但随着磁场强度的增大，扫描过程中产生的噪声也随之增大。磁共振噪声主要来源于梯度线圈，扫描过程中梯度线圈导体电流切换与主磁场作用产生洛伦茨力，引起磁体构件和周围构件振动。此外，噪声还来源于涡流引起的金属结构振动如低温器内孔、RF线圈[1]。直接引起噪声辐射的结构振动的大小主要取决于磁场强度、梯度强度、扫描仪结构和几何结构、空间设施以及开关电流的频率和波形[2]。
磁共振扫描过程中的噪声是影响临床检查与研究的重要问题之一。噪声不仅干扰正常交流，影响听觉，甚至可能会导致患者心理问题，产生暂时听阈改变、焦虑、烦恼、精神疲劳和恐惧[3-5]，尤其对于精神病患者和儿童。磁共振噪声影响大脑激活模式[6]，对神经科学和精神病学研究——如大脑fMRI 成像——造成不可忽视的影响。由于磁共振噪音主要来自梯度线圈的振动，过强的振动甚至可能影响主磁场的波动，进而影响到磁共振成像质量[7- 8]。
目前国际上没有统一的噪声卫生标准。鉴于噪声对人体的各种危害，各个国家都制定了工作环境中的噪声限值[9]。IEC 60601-2-33：2010 规定MRI 设备在任何可接近区域内不应产生高于140 分贝（dB）的未加权峰值噪声；对于病人来说，该噪声不能大于99 dBA（A 计权声压级）[10]。我国医药行业标准YY0319-2008 对应于IEC60601-2-33:2002及《声环境质量标准》（GB3096-2008）规定医疗卫生等需要安静环境的1 类区域白天环境噪声不能超过55dBA[11]。美国职业安全与健康部（OSHA）提出以85 dBA为实施水平，超出该限值则要采取保护措施[12]。美国政府工业卫生学家协会（ACGIH）提出以80 dBA 为最高允许限值，若接触时间减半，可以增加至83 dBA[13]。澳大利亚，巴西，法国，德国，匈牙利，瑞典，英国等大部分欧洲国家采用85 dBA作为8小时等效噪声卫生标准[9]，每减半暴露时间的声级（通常称为交换率）允许增加值为3 dB，而巴西、美国允许增加5 dB，不同国家对制订噪声暴露最大声级有不同的标准，一般都定为115 dBA（F 档）或峰值140 dB（线性）。
为了评估国内医院核磁共振的噪音现状，本研究测量了国内69 台核磁共振（1.5T 和3.0T）运行SE-EPI、SE、FSE 和3DGE 序列产生的最大声级和扫描室背景噪声水平，并对照相关标准进行分析。
1 实验方法
如表1 所示，对52 家医院共69 台MRI 设备进行临床基本通用脉冲序列的噪声测量，测量工具使用Reed SD-4023 声级计（REED Instruments, North America）和CEM SC-05（Shenzhen Everbest Machinery Industry Co. Ltd.，深圳）噪音校准仪，将声级计放置于检查孔出口处，与磁体等中心水平。REED 声级计符合IEC 61672 Class 2 规范[14]，精度0.1 dB，准确度±1.4 dB 对磁场不敏感。声级计参数设置A-weighting，Fast（200 ms），采样间隔1 s。所有测试之前都经过校准器（CEM SC-05）校准，测量时传声器均加防风罩。
测量各磁共振磁体室环境背景噪声值，即没有序列运行时，其主要声源来自液氦循环系统，并对同型号测量值进行算术平均处理。MRI 设备扫描噪音的大小不仅与磁场强度B0，梯度幅值和切换率，TE，TR，FOV，层厚有关[2,15]，且噪音在检查孔的边缘会大于磁体中心[15-16]，检查孔内声学特性还与孔内是否有物体或测试者有关[15]。因此实验中声级计均摆放在检查孔出口边缘处，且序列运行时使用了Magphan SMR 170（The Phantom Laboratory, New York，USA）磁共振性能测试专用体模（1 L 蒸馏水+2 g五水硫酸铜+3.6 g 氯化钠）进行头部扫描。序列分别选用单激发SE-EPI，SE，FSE，3DGE，所有MRI 系统使用了相同的序列参数，序列的详细参数，见表2。
表1 MRI系统信息和序列最大声级
注：所有MRI系统均为超导型。?宽65 cm，高44.6 cm；※宽50 cm，高42.1 cm。
MRI 场强 (T) 台数 (台) 最小安装面积 (m2) 检查孔 (cm) 最大声级 (dBA)直径 深度 SE-EPI SE FSE 3DGE A 3 10 34 60 105 108.2±11.7 94.9±9.9 94.3±2.6 99.2±11.8 B 1.5 6 29 60 90 98.0±12.2 89.4±4.5 92.7±2.7 94.0±3.1 C 3 9 33 70 173 93.5±3.8 89.2±3.9 86.5±4.1 88.6±8.3 D 1.5 9 27 60 160 89.5±10.6 79.3±3.4 75.8±1.4 87.2±9.1 E 3 9 18.02 70 162 108.5±13.0 87.3±8.4 92.1±2.4 96.9±11.2 F 3 6 22.8 65? 170 93.7±1.7 92.3±11.9 93.7±11.0 92.8±3.8 G 1.5 9 20.3 50※ 150 96.0±10.8 86.5±11.1 83.7±5.6 86.8±1.6 H 1.5 6 27.3 60 199 94.7±10.1 89.0±1.5 83.6±2.8 90.6±4.4 I 1.5 5 38 60 107 91.2±2.1 81.1±7.7 76.8±3.1 78.6±10.9
表2 序列参数
注：SE=spin echo，FSE=fast spin echo，SE-EPI= single sho SE-type echo-planar imaging，3DGE=3-dimensional gradien echo。SE-EPI的完成一次扫描时间极短，为方便测量而将扫描次数设置为32。
tt
序 列 SE-EPI SE FSE (ETL=4) 3DGE TR (ms) 2000 450 4000 23 TE (ms) 24 15 15 9层数 10 10 10 10层厚 (mm) 5 4 4 1扫描次数 32 1 1 1 FOV (mm) 230 320 320 170数据矩阵 128×128 256×256 256×256 160×256
数据处理中，采用曼-惠特尼U 检验（Mann-Whitney U-test）对1.5T 和3.0T 的噪声水平进行非参数检验。分别对SE-EPI、SE、FSE 和3DGE 序列下1.5T 和3.0T 各品牌噪声水平进行Kruskal-Wallis 检验，推断各品牌噪声水平是否存在统计学差异，若存在至少2 组数据存在统计学差异，进一步采用Dun's-Test 两两比较，P 值修正采用Bonferroni法，并与检验水平进行比较。
3 结果
图1 为各品牌特定型号MRI 系统磁体室环境噪声和4 种序列运行时的最大声级Lmax。所有MRI 磁体室的SEEPI、SE、FSE、3DGE 最大声级和环境噪声声级均值分别为98.1±11.5、87.7±8.6、91.1±9.5 和59.2±3.2 dBA。各 品牌MRI 运行SE-EPI、SE、FSE、3DGE 序列的最大声级均值和方差，见表1，最高值为品牌E 的3DGE 序列，达123 dBA。所有序列最大声级均在《医用电器设备 第2-33部分：医疗诊断磁共振设备安全专用要求》YY 0319-2008/IEC 60601-2-33:2002 标准规定的限值140 dB（线性，峰值）以下，但所有设备磁体室的背景噪声均超出了GB 3096-2008《声环境质量标准》Ⅰ类限值55 dBA （图1）。
图1 各MRI系统磁体室背景噪声和4种序列的最大声级（Means，SD）
注：横轴虚线分别为最大噪声限值（140 dBA）和GB 3096-2008医疗卫生环境噪声限值（55 dBA）。
1.5 T MRI 序列运行下的最大声级总体比3.0T MRI 低6.2～8.3 dBA （图2）（U 检 验PSE=0.0013，PFSE=1.5652e-04，PSE-EPI=0.0012，P3DGE=0.0057，P 值 均 小 于0.05）， 与Hattori[17]的测试结果相符。
图2 不同场强MRI序列最大声级（Means，SEM）
3.0 T 的SE-EPI 序 列 中，Kruskal-Walls 检 验（chisquared=16.373，df=3，P-value=0.000951）表明至少有一个品牌其噪声水平与其他品牌存在统计学差异，其中C 的噪声水平显著低于A 和E，F 显著低于E。两两比较统计量和P 值，见表3。1.5T 的SE-EPI 序列中，Kruskal-Walls 检验（chi-squared =5.5324，df=4，P-value=0.2369）显示各品牌噪声水平无统计学差异。
表3 SE-EPI序列下各品牌两两比较Dun's-Test统计量和P值（Bonferroni，3.0T）
注：*表示差异具有统计学意义（P＜0.025）。
A C E C 2.84 (0.014*) — —E -0.42 (1.000) -3.17 (0.005*) —F 2.50 (0.037) -0.02 (1.000) 2.82 (0.015*)
3.0 T 的SE 序 列 中，Kruskal-Walls 检 验（chisquared=3.0797，df=3，P-value=0.3795）显示各品牌噪声水平无统计学差异。1.5T 的SE 序列中，Kruskal-Walls 检验（chi-squared=16.216，df=4，P-value=0.002742）表明至少有一个品牌其噪声水平与其他品牌存在统计学差异，其中D 的噪声水平显著低于B 和H，两两比较统计量和P 值，详见表4。
表4 SE序列下各品牌两两比较Dun's-Test统计量和P值（Bonferroni，1.5T）
注：*表示差异具有统计学意义（P＜0.025）。
B D G H D 3.23 (0.006*) — — —G 1.58 (0.566) -1.84 (0.329) — —H 0.03 (1.000) -3.20 (0.007*) -1.55(0.602) —I 2.20 (0.138) -0.66 (1.000) 0.89 (1.000)2.18 (0.148)
3.0 T 的FSE 序 列 中，Kruskal-Walls 检 验（chisquared=11.016，df=3，P-value=0.01164）表明至少有一个品牌其噪声水平与其他品牌存在统计学差异，其中C 的噪声水平显著低于A。1.5T 的FSE 序列中，Kruskal-Walls 检验（chi-squared=17.858，df=4，P-value=0.001315）表明至少有一个品牌其噪声水平与其他品牌存在统计学差异，其中D 的噪声水平显著低于B。两两比较统计量和P 值，详见表5 和表6。
表5 FSE序列下各品牌两两比较Dun's-Test统计量和P值（Bonferroni，3.0T）
注：*表示差异具有统计学意义（P＜0.025）。
A C E C 3.25 (0.004*) — —E 0.95 (1.000) -1.97 (0.146) —F 1.61 (0.321) -1.45 (0.439) 0.56 (1.000)
表6 FSE序列下各品牌两两比较Dun's-Test统计量和P值（Bonferroni，1.5T）
注：*表示差异具有统计学意义（P＜0.025）。
B D G H D 3.70 (0.001*) — — —G 1.97 (0.244) -2.30 (0.106) — —H 1.63 (0.514) -2.27 (0.116) -0.20(1.000) —I 3.27 (0.005*) -0.43 (1.000) 1.80 (0.356)1.81 (0.348)
3.0 T 的3DGE 序 列 中，Kruskal-Walls 检 验（chisquared=5.4305，df=3，P-value=0.1429）显示各品牌噪声水平无统计学差异。1.5T 的3DGE 序列中，Kruskal-Walls 检验（chi-squared=9.8412，df=4，P-value=0.04319）表明至少有一个品牌其噪声水平与其他品牌存在统计学差异，其中I 的噪声水平显著低于B，两两比较统计量和P 值，详见表7。
表7 3DGE序列下各品牌两两比较Dun's-Test统计量和P值（Bonferroni，1.5T）
注：*表示差异具有统计学意义（P＜0.025）。
B D G H D 1.68 (0.462) — — —G 2.16 (0.154) 0.53 (1.000) — —H 0.84 (1.000) -0.67 (1.000) -1.13 (1.000) —I 2.91 (0.018*) 1.57 (0.579) 1.12 (1.000) 1.98 (0.236)
4 讨论
所有品牌MRI 系统的环境噪声均超过55 dBA，医院磁体室噪声水平还需进一步加强控制。同一个品牌的磁共振系统，在不同医院运行同一序列的最大噪声值波动较大，最大标准差达13 dBA，可能与磁体室几何结构，装修材料等有关，各品牌厂家在医院安装MRI 系统对环境噪声还需严格控制，以降低各医院环境如安装面积、建筑材料等因素的差异。3.0T MRI 中C 品牌机型的序列噪声水平表现最低，A 和E 品牌机型则较高。1.5T MRI 中，D 品牌机型的序列噪声水平则低于B 和H 品牌。实验测量中的最大声级与峰值为不同概念，通常最大声级比峰值小3 dB，69 台磁共振的序列最大声级测量值高达123 dBA，与标准YY0319-2008 规定的限值140 dB 相差甚远，可以认为这些被测磁共振系统运行SE-EPI、SE、FSE 和3DGE 序列所产生噪声水平在峰值限制以内。一些国家规定噪声暴露最大限值不能超过115 dBA，本次测试中12 台设备最大声级超过115 dBA，主要在A、E 品牌的EPI 序列。
IEC60601-2-33 规定当病人暴露于99 dBA 以上环境时必须采取保护措施，事实上，病人体质处于脆弱状态，英国药监局MHRA 认为尽管低于99 dBA，也应该采取听觉保护措施[18]。病人通过佩戴耳机或耳塞，在一定频率范围内可降低39～41 dBA[16]，对病人免于遭受高分贝噪音伤害具有可观的保护作用，且既经济又实效。一些耳机提供的放松音乐甚至可以显著缓解病人因为接受检查而产生的紧张情绪[18]，但这在一定程度上也不可避免地阻碍操控室技师与病人之间的交流[19]，对于一些部位如胆囊汁水成像检查需要技师与病人在检查中途进行沟通配合的情况下，通常不会给病人佩戴耳机，导致病人必须完全暴露于噪声之下。
佩戴耳机与耳塞属于被动降噪手段，并未从根源解决磁共振噪声问题。通常，在高于1 kHz 频段的噪音，通过耳机可降低约30 dB，但对于低频段，降噪效果只能达到10 dB[20]。MR 系统产生的噪声峰值出现在1 kHz 以下[17,20]，所以佩戴耳机只能解决部分噪声问题。设计一个更安静的磁共振才是解决问题根源的办法，这也是很多研究者和生产厂家正努力研究的一个方向。其他被提出的解决方法有通过引入反相声波在磁体室特定区域产生破坏性干扰以降低噪声[21]；真空外壳以降低梯度线圈振动在空气中的传播[22]；基于亥姆霍兹谐振器的吸音材料覆盖梯度线圈内表面，过滤特定频段的声波[23]；通过设计“软”脉冲序列降低噪声[24-26]。
5 结论
国内大部分医院的医疗磁共振系统的磁体室的背景噪声级高于GB3096-2008 医疗卫生环境噪声限值。同一序列在3.0T 系统的最大声级要高于1.5T。各磁体室的最大声级均在YY0319-2008 规定的峰值140 dB（线性）之下，但有少数磁共振系统的最大声值超过115 dBA。各品牌在各医院安装MRI 系统时应加强噪声水平控制，尽量降低水平差异。同时病人在接受检查过程中，应严格按要求佩戴耳机或耳塞。医院部门在购置磁共振系统时，可要求在购买说明中加入相关的声学噪声测试参数，方便医院方采取相应的噪声控制措施，包括对操控室或是磁体室建筑材料的声学设计、隔音隔振装置的采用，以降低长期暴露于高声级的工作人员的听力损伤风险。
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Measurement and Evaluation of Clinical MR-Related Acoustic Noise According to Related Regulations