核磁共振造影(NMRI/ MRI)的原理簡介

台大醫院皮膚部/台大電機學院 生醫電資研究所  王修含 醫師
                                                                         
           

核磁共振造影(NMRI, MRI)適合觀察軟組織病變,包括真皮層、皮下脂肪、肌肉筋膜等解剖構造。
左圖 MRI影像的冠狀面 (coronal section),右圖為MRI影像的橫斷面(transverse section)

(圖片來源:王修含,翻攝於台大醫院皮膚部)

「核磁共振造影」全稱為Nuclear Magnetic Resonance Imaging (NMRI),簡稱為NMR,但目前多簡稱為"MRI",此名稱恰好適當地描述了磁振影像形成的原理與


每個步驟,分述如下:




N (Nuclear):每個質子(proton)皆具有磁矩(magnetic moment) μ-


 


M (Magnetic):放入靜磁場(static fieldB0(此為一級磁場 main magnetic field),此磁場可使受測物產生極化現象,並且產生共振頻率ω。受測物放入此磁場後,在T1的時間內,會發生塞曼分裂 (Zeeman splitting),並依照波茲曼分布 (Boltzmann distribution) 進行能階分裂,產生高能階(hight energy stateantiparallel,逆磁場)與低能階(low energy stateparallel,順磁場)的兩個居量 (population),其磁矩方向相反,且其中高能階的數目較少,但事實上的差距只有百萬分之一,並且處於動態平衡的狀態。


          T1之物理意義為「平衡與混亂之間變換所需的展態時間常數」,愈純的水,所需時間愈長。


 


R (Resonance):在Zeeman splitting之後,可利用RLC電路組成螺旋線圈 (solenoid),製成共振器 (resonator),即為「射頻線圈」(radiofrequency coil, RF coil),在共振頻率ω之下,可產生與B0正交(orthogonal二級磁場 (second magnetic field) B1,此磁場可使原子核受激發。將此線圈放在受測物附近,可產生共振,猶如在上述的高低能階之間的狀態,以外加能量造成擾動(perturbation),使低能階往上跳,至高低能階數目相同時,其磁矩會相互抵消(Mz=0),若繼續加入能量,則高能階的數目會大於低能階,此時Mz會下降。


          之後將此外加能量關閉,經過一段時間高能階會回到低能階,亦即由激發態 (excited state)回到平衡態 (equilibrium (relax) state)受激發的光子回到平衡態的速率不同,所需時間稱為T2 (relaxation time),藉由改變實驗的時序 (timing),可產生對比 (contrast)。在激態與平衡態之間變化時,會進行瞬態動力變化 (transient kinetics),並放出光子hν,接收後可得光譜。此外,可利用線圈接收訊號,由冷次定律,可得正弦波 (sinusoid wave)信號。此信號與「共振頻率」(resonance frequency,又稱為Larrmor freqeuency)有關,不同原子核,有不同的共振頻率,Larrmor frequency之三次方,與系統之靈敏度 (sensitivity)有關。至此,可得NMR之光譜信號 (spectroscopy)。




I (Imaging)至上述階段,可得NMR之光譜信號,但仍非兩維之影像,此時若再加「梯度磁場線圈」(gradient field coils),可產生三級磁場 (third magnetic field),可使共振頻率產生差異,使得空間中的磁場強度產生變化,進而改變通過測試物的光子的共振頻率,因而可用頻率代表空間位置。由此原理,可製作出「影像器」(imager),進而可做出二維影像,利用電腦經由演算法重組,可得三維影像。


 


因此,磁振影像具有下列特色,不只可提供解剖學資訊,亦可多方面應用在生物醫學用途:


1.      非侵入性(non-invasive


2.      三維任意截面影像


3.      快速成像


4.      可提供組織、物質訊息


例如質子密度 (proton density), T1, T2, 血流,化學位移(chemical shift),擴散(diffusion),導電度(conductivity),溫度,彈性(elasticity),應力(stress),極化率 (susceptibility) (可用於functional MRI)。




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皮膚科 王修含醫生

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