磁振造影

磁共振造影（Magnetic resonance imaging，縮寫：MRI）是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）原理，根據所釋放的能量佇咧物質內部無仝結構的環境內底無仝的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，也會當知影講這个物體原子核的位置佮種類，所以會當畫做物體內部的結構圖像。

將這種技術用佇咧人體內部結構的成像，就產生出一種革命性的醫學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應用，大大加欲核磁共振造影的速度，使該技術佇咧臨床診斷、科學研究的應用成做現實，極大的推捒醫學、神經生理學佮認知神經科學的快速發展。

對核磁共振現象發現著 MRI 技術成熟這幾十年期間，有關核磁共振的研究捌佇咧三个領域（物理學、化學、生理學抑是醫學）內得著六擺諾貝爾獎，跤來講此領域佮其衍生技術的重要性。

物理原理

原理概述

核磁共振造影是隨著電子計算機、電子學、電路學、超導體等技術的發展緊氣發展起來的一種生物磁學核自旋成做技術。醫生考慮著患者著「核」的驚惶心理，故事定定共這門技術號做「磁共振造影」。

核磁共振成像的「核」指的是氫原子核，因為人體大約是百分之七十是由水組成的，MRI 就依賴水中氫原子。

當然物體囥佇磁場內底，用適當的電磁波共照射，以改變氫原子的旋轉排列方向，使共振，然後分析伊釋放的電磁波，因為無仝的組織會產生無仝的電磁波訊號，經電腦處理，就會當知影講這个物體的原子核的位置佮種類，根據這會當畫做物體內部的精確立體圖像。

原子核在進動中，吸收佮原子核進動頻率仝款的射頻脈衝，即外加交變磁場的頻率等於搝莫頻率，原子核就發生共振吸收，去掉射頻脈衝了後，原子核磁矩閣共所吸收的能量中的一部份以電磁波的形式發射出來，講做共振發射。共振吸收佮共振發射的過程叫做「核磁共振」。

數學運算

原子核帶正電荷並有自旋這屬性，其自旋產生磁矩，號做核磁矩。研究表明，核磁矩 $ \ mu $ 佮原子核的自旋角動量 _ S _ 成正比，即

$ \ mu=\ gamma S \ qquad ( 一 ) $

式當中 _ γ _ 做比例的係數，講號做原子核的旋磁比。佇外磁場內底，原子核自旋角動量的空間取向是量仔化的，伊佇外磁場方向頂懸的投影值會當表示為

$ I _ { z }=m \ hbar \ qquad ( 二 ) $

m 為核自旋量子數。依據核磁矩佮自旋角動量的關係，核磁矩佇外磁場的取向嘛是量仔化的，伊佇磁場方向的投影值為

$ \ mu _ { z }=m \ gamma \ hbar \ qquad ( 三 ) $

對無仝款的核，m 分別取整數抑是半整數。佇外磁場內底，具有磁矩的原子核具有相應的能量，其數值可表示

$ E=-\ mathbf { \ mu } \ cdot \ mathbf { B }=-\ mu _ { z } B=-m \ gamma \ hbar B \ qquad ( 四 ) $

式當中 B 為磁感應強度。可見，原子核佇外磁場內底的能量嘛是量子化的。因為磁矩佮磁場的交互作用，自旋能量分裂做一系列分立的能階，相鄰的兩个有法度精差 $ \ Delta E=\ gamma \ hbar B $。用頻率適當的電磁輻射照射原子核，若電磁輻射光子能量 $ h \ nu $ 拄好是兩相鄰核能階差 $ \ Delta E $，則原子核就會吸收這个光子，發生核磁共振的頻率條件是：

$ h \ nu=\ gamma \ hbar B=\ gamma hB / 二 \ pi , { \ mbox { or } } \ omega=二 \ pi \ nu=\ gamma B \ qquad ( 五 ) $

式當中 $ \ nu $ 為頻率，$ \ omega $ 為角頻率。對確定的核，旋磁比 $ \ gamma $ 會使予精確來測定。可見，通過測定核磁共振的時輻射場的頻率 $ \ nu $，就會當確定磁感應強度；反之，若已經知影這个磁感應強度，即可確定核的共振頻率。

系統組成

NMR 實驗裝置

採用調節頻率的方法來達到核磁共振。由線箍向樣品發無線電磁波，調變振盪器的作用是使射頻電磁波的頻率佇咧樣品共振頻率附近連紲變化。當頻率拄好佮核磁共振頻率氣合時，射頻振盪器的輸出就會出現一个吸收峰，這會當佇示波器頂懸顯示出來，同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用佇觀測核磁共振的儀器，主要是由著吸石、探頭佮譜儀三大部份組成。吸石的功用是產生一个恆定的磁場；探頭佇磁極之間，用佇探測核磁共振信號；譜儀是將振信號放大處理並顯示佮記錄落來。

MRI 系統的組成

MRI 是一台大摸的圓筒狀機器，會當佇受檢者的周圍製造一个強烈磁場區的環境，藉著無線電波的脈衝挵挵身體細胞中的氫原子核，改變身軀內氫原子的排列，當氫原子閣再進入適當的位置咧排列的時陣，會發出無線的電訊號，若是訊號借著電腦的接收並且閣加做分析佮轉換處理，會當共身體構造佮器官內底的氫原子活動，轉做二 D 影像，因為 MRI 運用了生化、物理特性來區分組織，得著的影像會比電腦斷層閣較詳細。

吸石系統

一 . 靜磁場：閣稱主磁場。當前臨床咧用超導吸石，磁場強度有零馮二 T 到七珍空 T（特斯拉）， 定定看著的是一丈五 T 佮三配零 T；動物實驗用的小型 MRI 是有四四配七 T、七鼗零 T 和九陽四 T 等等幾種主磁場強度。另外有勻磁線圈仔（shim coil）協助達到磁場的懸均勻。 二 . 梯度場（gradient coils）： 用來產生閣控制磁場內底的梯度，以實現 NMR 信號的空間編碼。咱這个系統有三組線圈，產生 x、y、z 三个方向的梯度場，線箍組的磁場疊起來，會當得著任意方向的梯度場。

射頻系統

一 . 射頻（RF）發生器：產生短而強的射頻場，以脈衝方式加到樣品頂懸，予樣品當中的氫核產生 NMR 現象。 二 . 射頻（RF）接收器：接收 NMR 信號，放大了後進入圖像處理系統。

計算機圖像重建系統

由射頻接收器送來的信號經 A / D 轉換器，共模擬信號轉換做數位訊號，根據佮觀察層面各體素的對應關係，經計算機處理，著愛出層面圖像數據，再經 D / A 轉換器，加予圖像顯示器頂懸，揤 NMR 的大細，用無仝的灰度等級顯示欲觀察層面的圖像。

MRI 的所在基本的方法

一 . 選擇梯度場 Gz 二 . 相位編碼佮頻率編碼三 . 圖像重建

技術應用

MRI 佇醫學上的應用

檢查目的

• 偵測佮診斷心臟疾病、腦血管意外佮血管疾病
• 胸腔佮腹肚腔的器官疾病的偵測佮診斷
• 診斷佮評價、追蹤腫瘤的狀況佮功能上的障礙

MRI 被廣泛運用佇運動相關傷害的診斷上，嘿近骨骼和骨骼周圍的軟組織，包括韌帶佮筋肉，會當呈現著清楚影像，因為按呢佇咧龍骨佮關節問題，是極具敏感的檢查。

因為 MRI 無輻射暴露的危險，自按呢生攏予人使用佇生殖系統、奶仔、骨盆佮膀胱病的偵測佮診斷上。

原理概述

氫核是人體成的首選核種：人體各種的組織有含大量的水佮碳氫化合物，所以氫核的核磁共振靈活度懸、信號強，這是人首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR 信號強度佮樣品中氫核密度有關，人體中各種組織才閣含水比例無仝，就算氫核數的偌濟無仝款，著 NMR 信號強度有差，利用這種差異作為特徵量，共各種組織分開，這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體無仝組織之間、正常組織佮該組織中的病變組織之間氫核密度、鹿楝的時間 T 一、T 二三个參數的差異，是 MRI 用佇咧臨床診斷上主要的物理基礎。

當施加一射頻脈衝信號的時陣，氫核能態發生變化，射過了後，氫核返回初能態，振產生的電磁波便發射出來。原子核振動的微細仔差別會使予精確地檢測著，經過進一步的計算機處理，即可能得著反應組織化學結構組成的三維圖像，中間咱會當得著包括組織中水分的差異以及水分子運動的資訊。按呢乎，病理變化就會予人記錄落來。

人體三分之二的重量為水分，遮懸的比例正正是磁共振造影技術能被廣泛應用醫學診斷的基礎。人體內器官和組織內底的水分並無仝款，真濟疾病的病理過程會致使水碎形態的變化，即可由磁共振圖像反應出來。

MRI 所得著的圖像足清的，大大提高了醫生的診斷效率，避免破空抑是破腹的探查診斷的手術。因為 MRI 無愛使用對人體有害的 X 射線佮易引起過敏反應的造影劑，所以對人體無損害。MRI 毋過對人體各部位多角度、偌平面的成像，分辨力懸，閣較客觀閣較具體地顯示人體內的改破組織佮相鄰關係，對病灶會當閣較好咧進行定位定性。對規身軀各系統病症的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有真大的價值。

磁共振造影的優點

佮一九空一年得著諾貝爾物理學獎的普通 X 射線抑是九七九年得著毋著貝爾醫學獎的電腦斷層影像（computerized tomography , CT）相比並，磁共振造影的上大的優點是伊是目前少有的對人體無任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。如今全球逐年至少有六千萬病例利用核磁共振造影技術進行檢查。具體講來有以下幾點：

一 . 著軟組織有真好的分辨力。著膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關節、肌肉等部位的檢查比 CT 優勝； 二 . 各種的參數攏會當共用來做像，濟成像參數能提供豐富的診斷資訊，這予醫療診斷和對人體內代謝和功能的研究方便、有效。比如講肝炎佮肝硬化的 T 一值變大，啊若肝癌的 T 一值閣較大，作 T 一加權圖像，可區別肝部良性腫瘤佮惡性腫瘤； 三 . 通過調整磁場通自由選擇所需破面。會當得著其他成做像技術所袂當接近抑是難以接近部位的圖像。對著椎間盤佮龍髓，可作硬的形面、冠狀面、橫斷面成像，會當看著神經根、脊髓佮神經節等。無成 CT 干焦會當得著佮人體長軸垂直的坦橫； 四 . 對人體無泅離輻射損傷； 五 . 原則上所有自旋不為零的核元素攏會當用來像，比如講氫（一 H）、 碳（十三 C）、 氮（十四 N 佮十五 N）、 磷（三十一 P）等。

MRI 的缺點佮可能存在的危害

雖然 MRI 對患者無致命的損傷，但是嘛是予患者紮來一寡無適合。佇咧 MRI 診斷進前應該採取必要的措施，共這種負面影響降到上低限度。其欠點主要有：

一 . 和 CT 仝款，MRI 也是改破性影像診斷，真濟病變單憑核磁共振檢查閣真歹確診，無親像內視鏡可仝款得著影像佮病理兩方面的診斷； 二 . 對肺部的檢查無優於 X 射線抑是 CT 檢查，嘿肝臟、胰腺、腰子上腺、頭前列腺的檢查不比 CT 優越，毋過費用愛衝甲掠袂牢； 三 . 對胃腸道的病變不如內視鏡檢查； 四 . 掃描時間長，空間分辨力無夠理想； 五 . 因為強磁場的原因，MRI 著諸如體內有磁金屬抑是心律調節器的特殊病人袂當適用。

MRI 系統可能對人體造成傷害的因素主要包括以下跤：

一 . 強靜磁場：佇咧有鐵磁性物質存在的狀況之下，無論是埋佇患者體內抑是佇磁場範圍內底，攏可能是危險因素； 二 . 隨時間變化的梯度場：會當佇咧受試的體內唌產生電場才來興奮神經抑是肌肉。外周神經興奮是梯度場安全的上限指標。佇有夠強度之下，會當產生外周神經興奮（如刺疼抑是叩擊感）， 甚至引起心臟興奮抑是心室振顫； 三 . 射頻場（RF）的致熱效應：佇咧 MRI 聚焦抑是測量過程當中所用著的大角度射頻場發射，其電磁能量佇患者組織內轉化做熱能，使組織溫度提懸。RF 的致熱效應需要進一步來探討，臨床掃描器對射頻能量有所謂「特定吸收率」（specific absorption rate , SAR）的限制； 四 . 噪音：MRI 運行過程中產生的各種噪音，可能使某一寡患者的聽力受著損傷；

MRI 佇化學領域的應用

MRI 佇化學領域的應用無醫學領域遐爾仔廣泛，主要是因為技術上的難題佮成做材料上的困難，目前主要應用佇以下幾个方面：

一 . 佇咧高分子化學領域，如碳纖維增強環氧樹脂的研究、固態反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化佮彈性體的齊勻性研究等等； 二 . 佇金屬瓷仔內底，通過對濟空結構的研究來測瓷仔製品內底存在的沙眼； 三 . 佇火箭燃料當中，用佇咧探測固體燃料當中的缺陷佮添充物、增塑劑佮推進劑的分布狀況； 四 . 佇石油化學方面啊，主要坦敧佇咧研究流體佇咧岩石內面的分佈狀態佮流通性以佮油藏描述佮強化採油機理的研究。

磁共振造影的其他進展

核磁共振分析技術是通過核磁共振譜線特徵參數（譜線闊度、譜線輪板形狀、譜線面積、譜線位置等等）的測定來分析物質的分子結構佮性質。伊會當袂破壞被測樣品的內部結構，是一種完全無損的檢測方法。同時，伊具具非常懸的分辨本領佮精確度，而且會當用佇咧測量的核也較濟，所有這攏提優別種的量方法。所以，核磁共振技術佇咧物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面得著廣泛的應用。

• 磁共振顯微術（MR microscopy , MRM / μMRI）是 MRI 技術中小可仔晏一寡發展起來的技術，MRM 上懸空間解破度是四 μm，已經會當接近一般光學顯微鏡像的愛平棒。MRM 已經真普遍地用作疾病佮藥物的動物模型研究。
• 活體磁共振頻譜（in vivo MR spectroscopy , MRS）會當測定動物抑是人體某一指定部位的 NMR 譜，進一直認定佮分析其中的化學成分。

CT 和 MRI 的差異

CT 利用 X 光輻射來進行掃描診斷，而且 MRI 無使用輻射來進行掃描是使用磁場進行掃描。MRI 掃描是無輻射，但是需要使用射頻（RF）佮 CT 掃描相比就有了較大的噪音，大部份 MRI 掃描會提供耳機抑是耳塞。

諾貝爾獲獎者的貢獻

二空空三年十月六號，瑞典卡羅林斯卡醫學院宣佈，二空空三年諾貝爾生理學抑是醫學獎授予美國化學家保羅 ・ 勞特伯和英國物理學家那得 ・ 曼斯菲爾德，以表彰𪜶佇醫學診斷佮研究領域內所使用的核磁共振造影技術領域的突破性成就。

勞特伯伊佇紐約州立大學石溪分校化學系做副教授的時看著因為儀器老舊，研究生佮博士後研究員實驗攏做袂出理想結果，就算講苦思解決的方式。勞特伯仔的貢獻是，佇主磁場內附加一个無齊勻的磁場，共梯度引入去磁場內底，進一步創造了一種會當視的用其他技術的手段煞看袂著的物質內部結構的二維結構圖像。伊描述了欲按怎共梯度磁體添加到主磁體當中，閣來會使看著浸佇重水內底的貯有普通水的試管的交叉截面。以外無其他的圖像技術會當佇咧普通水佮重水之間做伙分圖像。通過引進梯度的磁場，會使每一點改變核磁共振電磁波頻率，通過對發射出的電磁波的分析，會當確定其信號來源。

曼斯菲爾德進一步發展了有關佇穩定的磁場內底使用附加的梯度磁場理論，推動了其實際應用。伊發現磁共振信號的數學分析方法，為該方法對理論行向應用豐富定了基礎。這予一空年後磁共振造影成做臨床診斷的一種現實可行的方法。伊利用磁場內底的梯度閣較精確的顯示共振中的差異。伊證明，欲按怎有效緊氣的分析探測著的信號，並且共變做圖像。曼斯菲爾德閣提出真緊的梯度變化會當得著一目一目𥍉的圖像，即面回訊的成像（echo-planar imaging , EPI）技術，成做二十世紀九空年代開始興旺起的功能吸引振造影研究的主要手段。

價值咧講的是，二空空三年諾貝爾物理學獎得著者佇超導體佮超流體理論上做出的開創性貢獻，為著二空空三年度諾貝爾生理學抑是醫學獎的兩位科學家開發核磁共振掃描儀提供了理論基礎，為核磁共振造影技術鋪平了道路。因為𪜶的理論工課，核磁共振造影技術才取得突破，予人體內部器官高清楚度的圖像成做可能。

此外，佇二空空三年十月十號的《紐約時報》和《華盛頓郵報》上，同時出現了佛納（Fonar）公司的一則規版廣告：「 雷蒙德 ・ 達馬蒂安，應當佮彼个著 ・ 曼斯菲爾德佮保羅 ・ 勞特佈爾分享二空空三年諾貝爾生理學抑醫學獎。無伊，就無核磁共振造影技術。」指責諾貝爾獎委員會「抹改歷史」來引起廣泛爭議。事實上，著 MRI 的發明權歸屬問題已經爭論真濟年，而且爭甲誠激烈。佇學界看來，因為幾个相關人物的長期宣傳，達馬蒂安閣較濟地予人描繪做是一个生理人，毋是科學家。猶毋過，有關的答案可能愛相當長的一段時間以後才會當有定論。

禁忌

孕婦乎、心臟裝有節律器者、身體任何部位的裝置有對磁力有感應的金屬者，需要佮醫生來進行評估，親像是部份心臟節率器會當經過調整了後接受檢查。

美國食品佮藥物的管理局（FDA）佇二空空六年六月發出警訊，中尾期腰子病佮慢性腰子衰竭患者使用含含精神 MRI 顯的影劑可能造成腰子因為全身皮膚硬化症 / 腎因為性纖維化皮膚病變（Nephrogenic Systemic Fibrosis / Nephrogenic Fibrosing Dermopathy，NSF / NFD）。

相關條目

• 核磁共振
• 擴散磁振造影
• 核磁共振中的鹿楝現象
• 射頻
• 射頻線圈
• 梯度的磁場
• k 空間

磁化準備

• 反轉回復（inversion recovery）
• 飽和回覆（saturation recovery）
• 驅返平衡（driven equilibrium）

號像方法

• 自旋迴訊（spin echo）
• 梯度迴訊（gradient echo）
• 平行影像（parallel imaging）
• 面迴訊造影（echo-planar imaging , EPI）
• 穩定態自由旋進造影（steady-state free precession imaging , SSFP）

醫學生意性應用

• 磁振血管攝影（MR angiography）
• 磁振膽胰攝影（MR cholangiopancreatogram , MRCP）
• 湠開權重影像（diffusion-weighted image）
• 湠開張量影像（diffusion tensor image）
• 灌流權重影像（perfusion-weighted image）
• 功能性磁振造影（functional MRI , fMRI）
• 磁敏感加權成像（sensetivity weighted image）
• 磁共振波譜成像（MR Spectroscopy Imaging）

參考文獻

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參見

• 計算機圖形學
• 看會著
• 資訊會當視化
• 科學會當看著