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磁振造影的原理及應用
磁振造影是當今不可或缺的診斷利器,了解磁振造影的基本原理,選擇適當的掃描參數,將有助於優質影像的獲得及醫師準確的判讀,更能達到早期診斷及早期治療的目的。
 
 
磁振造影和X光成像有何不同
 
喜歡看美國職業籃球賽(NBA)的朋友,最擔心的就是自己崇拜的偶像受傷。萬一真發生了,媒體就會告知大眾需等候「磁振造影」(magnetic resonance imaging, MRI)的檢查才能確知傷勢如何﹖需休息多久﹖何時才能再回到球場上﹖真讓人一顆心懸在半空中。
 
磁振造影是甚麼呢? 它和X光成像又有甚麼不同呢? 其實這兩者都是目前醫院放射線科或是影像醫學部中很重要的檢查技術。X光具有游離輻射,是1895年德國物理學家侖琴發現的,他曾留下史上第一張經典的照片,清楚呈現其夫人手部的骨骼及結婚戒指,人們因而了解X光能穿透人體,呈現身體內部的結構。因此,X光很快地被應用於醫學診斷上,侖琴也因為這個偉大的發現而榮獲1901年第一屆的諾貝爾物理獎。第一次世界大戰期間,居禮夫人也曾將居家車改裝成X光巡迴車,到前線為受傷的戰士照X光,以確認子彈的位置,並協助手術取出。 
 
X光成像的原理為:人體内不同的組織和X光的作用會不同,導致X光穿透不同組織時強度會不同。這些強弱不同的X光經接收及電腦影像處理後,會在螢幕上呈現出不同對比的影像。若有病灶時其會和正常的組織呈現不同的對比,因此能很容易被分辨並診斷。
 
核磁共振
 
磁振造影則不會產生游離輻射,而是在磁場下,藉由「核磁共振」(nuclear magnetic resonance, NMR)的原理來產生影像。美國哈佛大學的珀塞爾(E.M. Purcell)及美國史丹福大學的布洛赫(F. Bloch)就因為在此領域的貢獻厥偉,而獲頒1952年的諾貝爾物理獎。
 
(左)0.2T (右)3T磁振造影掃描儀
▲(左)0.2T (右)3T磁振造影掃描儀
 
一般而言,磁場的強度是以特斯拉(Tesla, T)或高斯(Gauss, G)來表示,兩個單位間的換算為1特斯拉等於10000高斯。地球的磁場約為0.5G,臨床用的磁振造影儀則有0.3T、1.5T、3.0T…等不同的強度,約為地磁的4000倍以上。磁場越大時,核磁共振的訊號也會越大,當然影像也會越清晰。因此,隨著科技的進步,磁振造影所用的磁場有越來越大的趨勢。磁場產生的方式可以採用永久磁鐵,也可以藉著在超導線圈上通電流來產生,而後者產生的磁場遠較前者為大。另為了減少電阻的影響,線圈也需有超導特性,為此,線圈需維持在零下269°C左右的低溫中。人體中存在著各種元素的原子,而原子的結構為中間有個佔極小體積的原子核,核內有帶正電的質子和不帶電的中子,核外大部分的體積則是電子活動的空間。一般情形下,帶正電的質子數剛好等於帶負電的電子數,因此,原子是電中性的。然要產生核磁共振現象的原子必須滿足一個基本條件,即是原子核中的質子數目和中子數目不能同時是偶數,例如氫(H-1)的質子數為1,中子數為0,故可以產生核磁共振現象;但碳-12( C-12)的質子數為6,中子數為6,皆為偶數,就不會有核磁共振現象了。另一個要考量的因素則是原子的數目必須夠多,才能產生足夠大的訊號,形成良好品質的影像。而人體組成中大部分是水,故最多的原子是氫。因此,目前臨床用的磁振造影設備都是以氫的核磁共振現象來設計的。
 
淨磁化量
 
氫的原子核中只有1個質子,沒有中子,質子本身會自旋,即繞著自己的中心軸旋轉。帶電粒子旋轉運動時,會產生磁偶矩(magnetic dipole moment),磁偶矩有大小也有方向,就好比是一個小磁場向量。因此,可將每一個氫的原子核簡單地看成是個小磁鐵,它會感應產生磁場向量。
 
 
人體中因有無數個氫小磁鐵,在沒有外加大磁場(B0)的情形下,這些氫小磁鐵的排列是無規則的。因此,總磁偶矩的向量和,又稱為淨磁化量(net magnetization),等於零。一旦身體處於外加大磁場的環境時,這些氫小磁鐵就會重新排列,如旋轉陀螺般,以外加大磁場的方向或反方向為軸心旋轉,又稱為旋進 (precession)。旋進的頻率和磁場成正比。例如,若在1.0T的外加大磁場下,旋進頻率為42 MHz;若是2.0T,則為2倍,即84 MHz,以此類推。而淨磁化量則和外加大磁場平行。
 
 
偏折角
 
若在淨磁化量垂直的方向,給予一電磁波,且電磁波的頻率剛好等於淨磁化量的旋進頻率時,就會使淨磁化量偏離外加大磁場方向一個角度,此角度稱為偏折角(Flip angle),淨磁化量以此角度繼續繞著磁場方向以相同頻率旋進。以旋轉木馬來舉例,當遊客從馬上下來時,在旋轉木馬外的觀察者,會看見該遊客一邊從馬上下來,一邊還會繼續旋轉;但若是在旋轉木馬上的觀察者,則只看見該遊客從馬上下來。觀察者在旋轉木馬上,即是在一個旋轉座標系統上。同理,在旋轉座標上,僅會觀察到淨磁化量偏離大磁場一個偏折角的角度。淨磁化量偏離大磁場的現象,即稱為核磁共振,產生的要件為在淨磁化量垂直方向給予電磁波的頻率要恰好等於旋進頻率。反之,當電磁波的頻率不等於旋進頻率時,就不會有核磁共振現象,也就不會使淨磁化量偏離大磁場。當然電磁波的種類很多,42 MHz的電磁波係屬於射頻(radio frequency, RF)範圍,它的能量比可見光還低。偏折角的大小由所加電磁波的強度和時間來控制,強度和時間越大,產生的偏折角越大。達到所預設的偏折角大小後,此射頻電磁波就會關掉。磁振造影就是利用磁生電的原理,利用線圈接收磁化量在xy平面的分量。
 
弛豫時間
 
若以90度的偏折角為例,在旋轉座標上的觀察者,會看到外加射頻時,淨磁化量從z軸(外加大磁場方向)偏折到xy平面。若於此時關掉射頻,淨磁化量會慢慢回復到原先的狀態,即和外加大磁場平行的情形,此現象稱為弛豫(relaxation)。若以向量的兩個分量來看,淨磁化量在偏折到xy平面時,z分量為0,回復到原先與大磁場平行的z分量的過程稱為縱向弛豫,又稱為T1弛豫。磁化量回復到原先z分量63%所需的時間稱為縱向弛豫時間,又稱為T1弛豫時間。另一方面,在xy方向,由在xy平面上的xy分量,衰減到原先xy分量為0的過程則稱為橫向弛豫,又稱為T2弛豫,磁化量的xy分量衰減到原來的37%所需的時間稱為橫向弛豫時間,又稱為T2弛豫時間。
 
 
若在xy平面上置放一個線圈,因為磁通量變化會產生感應電壓的原理,即可偵測到隨時間變化的訊號,此訊號稱為自由感應衰變(free induction decay, FID)。線圈好比是在旋轉木馬外的觀察者,因此所量得的訊號是淨磁化量xy分量一邊作圓周運動之旋轉,一邊大小來回振盪變化的結果。自由感應衰變訊號若經過傅立葉轉換(Fourier transform)的數學處理後,可以得到一個x軸為頻率的頻譜訊號,頻譜中出現的x軸頻率即表示淨磁化量的旋進頻率,y軸的量即表示淨磁化量xy分量的大小。在這裡,可以看到頻譜是以核磁共振訊號大小及旋進頻率來呈現的。核磁共振訊號大小和氫質子數目及T1、T2弛豫時間長短有關。氫質子數目及T1、T2弛豫時間為物質及組織固有的特性,美國的達馬蒂安(Raymond Damadian)很早以前即發現癌細胞和正常細胞的T1、T2弛豫時間是不同的。
 
 
梯度磁場
 
頻譜的訊號和影像不同,影像必須有空間的資訊,也就是在xy二維空間座標中,需要求得不同(x,y)座標點位置的訊號。想要得到磁振造影的二維影像,除了外加大磁場以外,還需要藉助梯度磁場的幫助。梯度磁場是在不同位置加上不同大小且隨位置呈線性的變化的一個小磁場。梯度磁場的產生也是利用線圈電生磁的原理,可以設定啟動及關閉的時間。當梯度磁場開啟時,淨磁化量會同時感受到外加大磁場及小梯度磁場一起的作用,淨磁化量的旋進頻率會和外加大磁場及梯度磁場的小磁場總和成正比。
 
梯度磁場有三種主要的功能:切面選擇(slice selection)、相位編碼(phase encoding)及頻率編碼(frequency encoding)梯度磁場。
 
切面選擇梯度是用來選擇成像切面的。若以橫切面為例,將身體視為一條吐司麵包,橫切面即好比一條吐司麵包中的一片吐司,我們將身體長軸定為z軸,橫切面的兩個方向分別為xy方向。得到一個橫切面的方法是在z軸加上切面選擇梯度磁場,使得在不同z座標的淨磁化量有不同的旋進頻率,藉由射頻頻率的調控,可以使得旋進頻率和射頻頻率相同位置的淨磁化量產生核磁共振現象,將特定切面的淨磁化量偏折到xy平面,也就是表示選到那個橫切面。橫切面的厚度則由射頻頻寬(即涵蓋的頻率範圍)及梯度磁場大小來決定,頻寬越寬,選擇的橫切面厚度則越厚;梯度磁場越大,選擇的橫切面厚度則越薄。
 

 
切面選好後,再利用相位編碼及頻率編碼梯度磁場,得到不同(x,y)座標的訊號大小,即可得到一張二維的影像。

脈衝序列
 
在磁振造影過程中射頻、梯度磁場開關及訊號擷取的時程安排稱為脈衝序列(pulse sequence)。以自旋回訊(spin echo)脈衝序列為例,有兩個射頻,分別能使淨磁化量偏折90度及180度。射頻會和切面選擇梯度一起開關以選擇特定的切面;相位編碼梯度磁場則在訊號擷取前,單獨開啟一小段時間;訊號擷取則和頻率編碼梯度一起開關。在自旋回訊脈衝序列中,所擷取到的訊號稱為自旋回訊,90度射頻中心點與自旋回訊中心點間的時間稱為回訊時間(echo time, TE)。兩次90度射頻中心點間的時間為重複時間(repetition time, TR)。

加權影像
 
足夠大的訊號強度是形成清楚影像必須具備的條件,但足夠的影像對比也是很重要的。所謂影像對比是兩個物質或組織之間影像訊號雜訊比的差值,在醫學診斷應用中,若正常組織與病灶的影像對比越大,則越容易被診斷出來,因此在磁振造影中,有時為了進一步增加正常組織與病灶的影像對比,會施加顯影劑(contrast agent)。

同一種脈衝序列中,因為掃描參數的不同,也能取得不同對比的影像。以自旋回訊脈衝序列為例,當使用不同的TR或TE掃描參數時,則可以得到不同對比的T1加權(T1-weighted)、T2加權(T2-weighted)及氫質子密度加權(proton density-weighted, PD-weighted)的影像。其中T1 加權影像可凸顯組織間T1的差異,在T1 加權影像中,T1弛豫時間長的組織會呈現低訊號,T1弛豫時間短的組織則會呈現高訊號。T2 加權影像則可凸顯組織間T2的差異,在T2 加權影像影像中,T2弛豫時間短的組織會呈現低訊號,T2弛豫時間長的組織則會呈現高訊號。至於氫質子密度加權的影像中,可凸顯組織間氫質子密度的差異,氫質子密度大的組織則會呈現高訊號,氫質子密度小的組織則會呈現低訊號。顯影劑會改變組織的T1弛豫時間及T2弛豫時間,進而改變組織間的影像對比。
 
 
磁振造影的成像時間相較於X光攝影顯得較長,但隨著技術的改善,脈衝序列的不同設計,已將磁振造影的成像時間大幅縮短。另外,不同脈衝序列的選擇安排,除能取得不同用途及不同品質的影像,也使磁振造影能應用於較為廣泛的層面。另除了用以診斷運動傷害外,磁振造影還能運用於腫瘤、心血管疾病及腦中風…等多樣疾病的診斷。又因磁振造影不具游離輻射,可以重複掃描,無安全虞慮,故很適合用於療效的追蹤。磁振造影也可應用於動物上及幫助毛小孩的疾病診斷及療效的監測。目前,仍有很多學者致力於磁振造影技術的開發,希望能持續改良及增添磁振造影的技術及功能,進一步縮短掃描時間與增大正常組織與病灶間間的對比,期能有助於疾病的早期診斷及療效評估。

安全考量
 
雖然磁振造影不具游離輻射,但要接受磁振造影檢查或到醫院參觀該設備時,仍應遵守安全準則,以避免無謂的傷害。例如,若將信用卡或提款卡帶入磁振造影掃描室內,會因大磁場作用致使信用卡或提款卡被消磁。這雖然不會造成人員損傷,只需另花時間補辦新卡,但若是氧氣筒或美工刀等金屬物質不慎被大磁場吸入時,巧合之下恐有人會被割傷、刺傷或砸傷。值得一提的是,當體內裝置有心律調整器時,因磁鐵會對儀器功能造成影響,病患對此更是不可不慎。 

結語
 
磁振造影是當今不可或缺的診斷利器,了解磁振造影的基本原理,選擇適當的掃描參數,將有助於優質影像的獲得及醫師準確的判讀,更能達到早期診斷及早期治療的目的。另一方面,也能將無謂的損傷降到對低。磁振造影的原理博大精深,應用也很廣泛,此文為基本的簡介,希望有助於入門的了解,進而激發進一步研讀的興趣,並加入磁振造影診療或研發的行列。
 
(本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行)
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
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