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」的全稱為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 field）B0（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 state，antiparallel，逆磁場）與低能階（low energy state，parallel，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）的二級磁場 (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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