核磁共振

核磁共振究竟是什麼？

經常聽到「核磁共振」這個詞

不過它究竟是什麼？
核磁共振科學第一次聽到康寧兄的名字

是在一九八八年初

我剛加入美國麻省總醫院(MGH)的工作行列之時。

在哈佛大學傳統古樸的核磁共振研究室中

看到早在一九八一年

以康寧為首之一群專家

共同安裝完成的世界第一台動物活體核磁造影儀(MRI)。

這台MRI雖早已「退休」

但至今仍陳列在MGH-MRI中心。

正式認識康寧

是於次年國際醫學磁振年會中

經由當時MGH同事介紹。

他給人的第一印象是那豪邁的態度

爽朗的笑聲

特有的廣東國語

以及眼光中所透析出學者所獨有的精銳及智慧。

一九九三年秋

我不但有幸與康寧共事於生醫所

而且彼此的研究室近在咫尺。

即使晚間及週末

總仍見他在電腦前孜孜不倦。

在這段時日中

工作之餘

我們時有接觸

或是討論核磁共振科學

或是閒談時事

逐漸體會其剛正不阿的個性及勤儉平實的生活習慣

及他在中外文學上的精深造詣

幽默銳利的文筆

細緻的思路

以及對事物獨特的見解。

更體會到他對國家民族的熱愛及對自由民主的珍惜。

康寧兄在其專業領域中

學有專精

但是他在MRI發展過程中的某些特殊貢獻

在國內卻鮮為人知﹔這也正反映出他個性之謙虛及內斂。

自從一九七三年

當時在紐約州立大學的化學教授Paul Laterbur發現Magnetic Resonance (MR) 的訊號可以重組成影像後

到七０年代末及八０年代初

方有二、三家儀器公司成功地引用其理論及製造出MRI儀器

其中最具代表性的是美國Technicare公司。

而康寧即是該公司當時的研發及推廣部經理

在這段時期

他不但在MRI理論的研究上貢獻良多

而且也在臨床及基礎醫學動物實驗上提出應用的方法(1-7)。

儘管多年來

有更好的技術及方法問世

但康寧在MRI上披荊斬棘

開山闢路

功不可沒。

MR影像是利用生物體中水分子之氫質子所產生的MR訊號加以重組而成。

而對於生物體中

有機成分中之碳

卻只能偵測到碳-13同位素之訊號

而且其靈敏度遠遜於氫質子者。

反之

若有MRI的技術可直接觀測碳-13所產生的影像

則將是MRI技術之一大革新。

康寧有感於此

毅然踏入此研究領域

接受艱難的挑戰。

並在一九八七年率先發表了碳-13訊號所組成的影像(6-7)之研究報告。

自一九八七年後

康寧在密西根大學擔任放射科副教授期間

更上層樓

應用極性轉移的方法

將碳-13的靈敏度提高到與氫質子相似

俾使碳-13造影技術

可應用到生物活體(8-9)。

康寧在生醫所工作的四年中

將此技術擴大應用到生物體中各代謝物質所組成的影像(10)。

故康寧研發出的碳-13造影技術

對於未來十年的MRI相信有著不可忽視的貢獻及影響。

一九八九年美國NIH的Robert Balabar博士提出﹕由於生物組織中巨分子與水之相互作用

導致水中氫質子之磁振鬆弛改變

因此可以應用磁性轉移之技術

來增加MR影像之對比

而這種MR影像更可反映出生物體內分子間相互作用之機轉。

康寧本著他在磁振鬆弛理論之紮實基礎

提出了更有效率及更安全的相關理論及技術

並應用在各種生物器官上

以探討此技術在臨床上的實用性(11-17)。

其中二篇論文(11

12)已成經典

凡是相關的研究報告

必被引註。

康寧在生醫所服務期間

經常接受邀請在學術機構及醫院巡迴學術演講及教授課程。

常風塵僕僕地趕到台北

台中或高雄榮總授課及指導研究(17-19)。

不遺餘力地將其專業知識及經驗傳注於國內的學術及臨床界。

康寧兄走得太早

也太突然。

他對於台灣學術界的期許言猶在耳﹔他許多計劃中提昇台灣MR研究及應用水準的行動尚未完成

他即已遠行。

在MR研究的路上遽然少了一名尖兵

少了一名同行者

路途勢必更難行

更寂寞。

寄語所有核磁共振的工作者

能學習他的執著、專注及嚴謹的治學態度

用心地體會他的智慧的結晶

使康寧兄所熱愛的科學能在這塊土地上發芽

成長及茁壯。

核磁共振的原理是應用材料中核子於一個VHF或UHF磁場與另一個固定磁場中的能量共振吸收現象(Resonant absorption)

而MNR訊號則是由於材料中核子的磁矩(Magnetic moment)變化所產生。

材料中核子於適當頻率之VHF或UHF磁場脈衝結束後

微弱的能量釋放訊號(Free induction decay

FID)常形成不同時間常數的指數函數衰減

而此訊號則可進一步加以分析以辨識材料中具有不同Larmor頻率的核子之數量。

應用核磁共振分析材料之物化特性屬於非破壞性的檢測方法

相對於同為非破壞性檢測的X光檢測或近紅外光檢測等方法而言

是各有優劣與各有不同之應用。

核磁共振分析的特色為檢測速度快

因此增加了其在自動化檢測與程序控制上應用的可行性

同時其受材料樣本大小與外觀色澤的影響較小。

而由一維核磁共振訊號發展至二維核磁共振訊號

使得複雜材料的成份

可以由多方面的資訊得以深入解析。

當然

核磁共振分析方法也有其缺點

即儀器的造價昂貴與訊號分析方法的專門性與複雜性

使得此項技術在應用的擴散上無法很迅速的推廣至一般產業界。

這種情形直到近十年來隨著電子技術與微電腦的發展

漸有突破

目前已有少數產業應用較低價位的低解析度核磁共振儀進行產品的品管與線上程序控制。

核磁共振是 1983年開始臨床運用

由於其提供相當清晰的醫學影像

給予臨床診斷莫大的幫助‧尤其是神經系統如腦部、脊髓等更是目前臨床不可或缺的診斷工具。

雖然核磁共振這項高科技不僅提供了很多寶貴的臨床影像。

其將來發展空間依然不可限量

其技術研發也隨著電腦科技的突發猛進而持續發展之中。

譬如功能性核磁共振、動態式核磁共振、核磁血管攝影、核磁脊椎攝影、核磁心臟攝影等等都不斷的被引進到臨床上使用。

使臨床的診斷更趨正確與快速。

絕大部分的醫學影像都是病人在靜態時所攝製的

所提供的也是靜態的資訊。

但是有些症狀或疾病是在行動才會出現或加劇。

「腰酸背痛」或「頸背疼痛」就是最典型的例子。

目前病人因這些症狀到醫院來

如果要安排放射科檢查都是以臥姿姿勢接受攝影。

其結果往往與症狀不完全配合。

有時病人症狀很清楚、很厲害

檢查可能正常或輕度異常而已。

因此「動態攝影的觀念」就顯得很重要。

事實上動態醫學的重要性早已不是新鮮事

許多醫療高科技廠商都已投入鉅資從事這方面之研究與設計。

但是目前因限於設計與技術的關係

即時知道

但是卻作不到。

目前本院對「頸脊椎病變」的病人都已「動態醫學之觀念」安排「動態核磁共振」攝影
＞核磁共振攝影（亦稱磁振造影

magnetic resonance imaging

MRI ）是近年來在臨床診斷上相當重要的影像工具。

此種使用準確而不必侵入人體的方法為人體內部器官造影

對醫學的診斷、醫療和後續工作都十分重要。

　　核磁共振是指電子核在靜止磁場中

受電磁波激發而產生的共振現象

這裡面涉及到磁矩、自旋角動量、晶格弛緩、脈衝及擴散係數等專業領域

艱澀難懂

但若將之比喻為一盆水

不難發現其原理相當簡單。

　　磁振造影利用磁場原理

使儀器改變體內氫原子的旋轉排列方向

原子核就會釋放吸收的能量

能量激發後放出電磁波信號

再經由電腦分析組合成影像

就是一般看到的 MRI 影像。

　　人體是個充滿水分的有機體

水分子的擴散是三度空間的隨機運動

會受到周圍環境的影響而改變運動速度。

如果將人體視為一盆水

用力拍打盆子外緣

裡面的水會泛起一圈圈漣漪

此時如果將水指插入其中

原本呈同心圓的漣漪就會受到破壞。

　　同樣的原理

人體內的水分子含有很多氫原子核

這些氫原子核本身又具有磁場特性

如同一個小小的磁鐵。

核磁共振掃描是將人體置於強大且均勻的靜磁場中

再利用特定的射頻無線電波脈衝

激發人體組織內的氫原子核。

　　 MRI 對人體不具侵襲性

不會產生游離輻射

可多方向掃描

提供三度空間影像

又有高對比的解像力

是現代醫學不可或缺的診斷工具。

它的好處之一是不論使用多少次

都不會像Ｘ光等傳統檢查方法一樣對病患造成傷害。

　　當組織內出現異常組織時

水分子的擴散即受到阻礙

我們就能透過核磁共振掃描所偵測的水分子運動速度差異

精確區別出正常與異常的組織來。

　　早期

七至八成 MRI 檢查都是用在中樞神經系統

例如大腦、脊椎等

尤其是頭頸部構造複雜

相較於Ｘ光和電腦斷層

能夠多角度掃描的 MRI 更是診斷利器。

近年來

MRI 的運用愈來愈廣泛

不僅逐漸應用到骨骼神經系統、腹部及胸腔

也可以用於血管攝影及膽道攝影診斷。

目前可經核磁共振掃描檢出的疾病包括多發性硬化症、長期下背痛、惡性腫瘤、中樞神經感染疾病、先天性脊髓畸形、心臟血管疾病、新生兒代謝疾病、老年人退化性疾病、孕婦胎兒影像、腦功能性影像、腦微灌流影像、腦微擴散影像、三度空間重建影像、氫質子化學位移影像、脊椎脂肪抑制影像、腦脊髓液動態影像、腦下腺高解析動態灌流影像、腹部疾病如血管瘤肝癌等動態灌流影像、直腸攝護線高解析造影、肝膽胰道造影、心肺血管造影、乳房動態灌注影像等軟組織病變。

此外

外科醫生還可以利用「磁振造影」科技繪製路線圖

做為動手術的指引。

此一科技可以讓醫生在手術前獲得許多有關病人病況的資訊。

　　除了針對人體構造進行診斷

最新發展的功能性磁振造影檢查還可以觀察人體生理變化

例如可用於腦部探索心智功能

如了解過動兒腦內生理異常之處、使用不同語言的腦部變化等；也有人著手研究結合 MRI 和電腦斷層（ CT ）等其他檢查技術

呈現體內虛擬影像

如果技術純熟

就可以進行虛擬內視鏡檢查。

核磁共振(NMR)常被化學家或物理學家拿來探索分子等微小結構

透過它們所呈現出來的頻譜

便可了解分子結構。

磁共振造影(MRI)是一種用於醫療用途的顯像術

可以得到高解析度的人體內部影像

它採取了核磁共振(NMR)的原理來得到影像。

原子核是由質子和中子所組成

此兩種粒子在常溫下都會自旋。

除了氫和氘之外

在原子核中這兩種粒子的自旋量 (S) 有時是相加強

有時則是相抵消

但在同一元素中則是不變的。

若一元素的質子數和中子數都是偶數

其自旋量是相抵消 (S = 0)

那麼它就沒有核磁共振的訊號。

很幸運 圖譜簡單了許多。

當病人被置放在核磁共振成像儀內時

其體內很多帶有自旋量不等於零的氫原子核

其磁矩 (magnetic moment) 的方向

會漸漸的與外加的靜磁場下趨向一致

且因受到力矩的作用而產生拉摩徑動 (Lamor precession)

猶如陀螺運動

此時原子核除了自旋外還會做公轉

其公轉頻率稱為拉摩頻率 (Lamor frequency)

其值正比於外加磁場的強度。

雖然所有的原子核磁矩都指向上方

事實上是有些不一樣的

若以整體來看

其淨磁矩 (net magnetization) 平行於外加磁場的方向。

若於垂直靜磁場的方向再加上一圓偏振的射頻磁場脈衝 (circular polarized RF pulse) 進入人體

當其頻率接近於拉摩頻率時

將會發生核磁共振的現象。

至於橫切面影像之取得

則需藉助一外加的梯度磁場

以氫原子為例；在磁振造影器內不同位置的氫原子

若感受到的靜磁場大小相同

則都具有相同之拉摩頻率

則只能得到同一頻率之光譜

無法得到相對位置之關係。

若靜磁場有一個微小的磁場梯度

則對不同位置之氫原子將可以得到不同之頻譜分佈圖

由於此時頻率和位置有線性關係

因此可以得到不同組織部位的截面圖。

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