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Magnetic Resonance Imaging

MRI Introduction

磁共振造影術 Magnetic Resonance Image/作者:王基崇 (96畢碩士生)

 

    磁共振造影術(以下簡稱磁振造影)在一般人的印象中總是認為是一項跟放射線以及核能有關的醫學影像技術,但是事實上磁振造影完全不會使用到放射線,它的原理跟其他應用放射線的醫學影像技術如X光、電腦斷層掃描(Computer Tomography,CT 使用X光相關技術)更是南轅北轍,X光是觀察放射線穿透人體之後被組織吸收而產生的衰減,而磁振造影就是藉由磁場的開關強弱變化來直接觀察特定位置原子核的濃度。磁共振現象很早就被發現,但在1960年代後期數位電腦的快速發展、快速傅利葉轉換的發明以及超導體技術的進步,一舉將磁振造影技術從大學實驗室帶入各大醫療院所。2003年美國學者勞特伯更因磁共振造影術的發明,榮獲諾貝爾醫學獎(註:磁振現象發展至今共有七位學者因而獲得諾貝爾桂冠)。以下就讓我們來看看磁振造影術的基本原理以及其應用。(圖一為目前常見之臨床腦部磁振造影影像)

 

圖一、MRI大腦影像,軟組織對比明顯。大腦灰質、白質可分辨。

 

磁振造影的第一步就是選擇想要觀察的原子核,而這個核種必須擁有磁共振特性,因此必須要遵守質子以及電子數不可同時為偶數的原則,在醫學上大部分都是選擇氫跟磷做為觀察的核種,在這裡則以氫原子為例子。有磁共振特性的氫原子由於電性分佈不均勻,自旋時會產生磁矩(圖二)(a),在無外加磁場的情形下,人體內的氫原子磁矩會朝向不同方向排列,因此磁矩總和為零(圖二)(b)。但是在外加強磁場的情形下,氫原子磁矩會重新排列成平行外加磁場的方向,形成和磁場同向的基態(熱平衡狀態)以即和磁場反向的激態兩種能階,而和外加磁場同方向的磁矩由於屬於基態、能階較低所以會比反方向的磁矩多,因此會形成和磁場同向的總磁矩(圖二)(c)。這時施加一個適當的射頻脈衝,就可以把總磁矩從基態提升至激態(圖二)(d)。停止射頻脈衝後,用線圈接收總磁矩從激態回復成基態所釋放的能量,再將線圈接收到的信號經過共振頻率解調之後,送入類比數位轉換電路並儲存在硬碟中(圖二)(e)。

 

圖二、MRI基本原理

 

另外,更重要的是,磁振造影儀利用一隨著位置變化的磁場(梯度磁場),讓人體內的氫原子在不同的空間位置中擁有不同的共振頻率,讓我們在資料擷取紀錄之後,有辦法利用頻譜分析的技術得知氫原子在空間中密度的分佈情形。線圈接收到的資料在處理之前會先把這些資料按照順序存放在一個叫K空間(K-Space)的矩陣裡,K-Space的資料點經過傅利葉轉換之後,在時域分別代表不同頻率的弦波(圖三)。最簡單的資料存放順序就是由最下列往上依照順序將每一列填滿,通常如果想要得到一張256×256解析度的影像,K-Space也必須有256×256大小(256點的傅利葉轉換產生256點的頻譜資訊)(圖四),然而K-Space越大就需要越多的掃瞄時間以收集資料。

 

圖三、K-space矩陣以及資料點放置順序

 

 

圖四、不同矩陣大小的K-space資料所得到的膝蓋關節MRI影像。左圖之K-Space大小32×32,影像品質顯得模糊,而左圖之K-space大小256×256,影像品質良好,可用於臨床醫學診斷。

 

 

經由上述原理的簡介,我們得知磁振造影可以計算出空間中氫原子分佈的情形。用簡單一點的講法,若是人體內水分子或有機分子分佈密度愈高的位置,將會有愈高的信號。在影像上,我們習慣讓信號愈高的地方,用比較亮的灰階值來表示。利用這個特性磁振造影目前被廣泛的用在各種臨床檢查,它可以用非侵入的方式,透視人體的每個角落,透過梯度磁場的巧妙安排,各種不同角度的影像切面都不是問題。在目前的報章雜誌上,最常看見的就是某某運動員,因為關節受傷接受磁振造影的檢查。此外由於不同分子中的氫原子,其電子雲分佈、空間滾動的情形不同,引起共振頻率、信號參數表現的不同(如T1, T2 參數),磁振造影能藉此分辨出不同的組織(如大腦中的灰質白質),或是確認病灶(如腫瘤大小及位置)

當然磁振造影如果只能夠用來觀察身體內的組織結構,那它就跟CT在醫學影像中的定位就幾乎完全一樣。但既然我們有造價相對低廉的電腦斷層掃描儀,又何必花費大把銀子去使用造價昂貴(千萬等級) 以及掃描速度較慢(CT:數分鐘,MRI:半小時)的磁振造影儀呢?其實MRI最大的優點就是它的泛用性(圖五),它能提供的資訊絕對超乎大家的想像,舉個例子:中風這種大腦功能性的障礙在一般的醫學影像系統如CT、X-Ray、US中是不易觀察到的,但是MRI可以藉由觀察大腦血液的流動分佈判斷出中風的發生部位、甚至掌握精確的投藥時間表,增加中風治癒的機會。另外腫瘤的判斷也是同樣的情形,腫瘤的良惡性在以前是一定要抽取腫瘤的樣本出來分析才有辦法判斷,但現在卻可以藉由磁振頻譜(MRS)觀察腫瘤部位代謝物的組成情形來下判斷。更不用說其它的應用方向還包括心理學方面的大腦認知研究、語言學、音樂家、犯罪學、中醫針炙等乍看之下跟醫學影像系統無關的研究。

圖五、各種不同的磁振造影應用的簡介

 

在眾多的MRI應用中,心臟部位的MRI是公認難度較高的部位,因為心臟會不停的跳動同時還有大量的血液流動,此外心臟以及肺臟介面所引起的磁化率劇烈改變,這些因素都會影響線圈接收到的信號強度以及影像品質,舉個例子:心臟的跳動週期大約是一秒,在這一秒裡面心臟各部位會依序收縮跟舒張以將血液輸送到全身,假如我們將掃瞄時間也定為一秒,那產生的影像就會是心臟各部位的收縮與舒張動作的總和,這樣的影像是無法拿來做為醫學診斷用途。要做出可用於臨床診斷的影像最理想的情形是在更短的時間內(例如100ms)把取得足夠K-space矩陣。

目前電機系生醫影像實驗室便致力於解決這個問題,我們利用連續取許多組部分K-space資料,當得到足夠多的資料組後再用數學運算將多組小K-space合成一個較大的K-space資料,這個方法被稱為螺旋槳型編碼法PROPELLER(圖六)。

圖六、螺旋槳型編碼法方法示意圖

每一個小組的資料稱為一個葉片(BLADE),每個BLADE能在短時間內取得,此外每個BLADE的資訊更可以用來做自我運動的追蹤,自動分類成數個群組以重建出心跳週期各個時間點的影像(例如收縮期、舒張期)。自我運動的追蹤,則是採用相關係數的分析法(correlation)。實際的流程是在K-space資料組中挑出一個對照組,然後比對其他K-space資料跟對照組的差異求得到一個相關參數,再將這個相關參數依序畫出即可得到心臟運動的波形圖,最後依據波形圖將K-space分類,最後可重建出心跳週期各時間點的影像(圖七)。

 

圖七、將K-space資料跟對照組比對後求得相關係數繪製成心跳運動波形圖

 

但是事情永遠只會變得越來越複雜,之前的討論一直忽略了一點,那就是心臟位於橫隔膜上方,會隨著呼吸而上下運動。因此之前求得的心臟運動波形其實混雜了因呼吸而引起的心臟上下移動訊號,雖然可以藉由閉氣來將這個訊號抑制,但並不是每個人都有辦法閉氣數十秒,特別是對需要做心臟磁振造影檢查的病人來說閉氣數十秒是一件很困難的事,因此如何把呼吸訊號移除就是目前研究中的課題了。

 

 

 

如果對MRI有興趣,可以再利用下面動畫簡單了解MRI運作原理:

 

或者是觀看由黃騰毅老師講解的MRI簡介影片

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