磁振造影

磁振造影 (Magnetic Resonance Imaging)
國立臺灣大學物理學系 鍾豪

磁振造影 (Magnetic Resonance Imaging) 是使用核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance) 的原理，所進行的非侵入性人體影像技術。其原理大致如下：水分子當中的氫原子在自然狀態下，自旋方向是隨機分布的（如圖一A），若施加一外加磁場，則氫原子的自旋方向會傾向與外加磁場一致，也就是能量較低的狀態（如圖一B）。

電磁波可視為兩互相垂直的電場與磁場的組合，且電磁波行進方向和電場及磁場皆垂直。例如，若電場振盪方向為 X 軸，磁場振盪方向為 Y 軸，則電磁波行進方向為 Z 軸。此時若給予一電磁波，其磁場振盪方向和原有的磁場方向垂直，則氫原子的自旋方向會偏向電磁波磁場振盪方向，和原有磁場垂直，處於較高能量的不穩定態（如圖一C）。

當電磁波消失後，氫原子的自旋方向會回復成與磁場一致，回到能量較低的狀態，而兩步驟之間的能量落差會以電磁波的形式釋放 (如圖一D)。由於在不同組織中，自旋方向的回復速度不同，因此藉由測量電磁波的先後，即可分辨不同的人體組織。

圖一 、振造影原理（本文作者鍾豪繪）

磁振造影詳細的物理原理為：氫原子的自旋可視為一個磁矩 $$\mu$$，當外加磁場與磁矩方向夾一角度 $$\alpha$$ 時（見圖二），磁矩會繞著磁場方向旋轉，此現象稱為「拉莫進動 (Larmor precession)」。

其進動頻率可表示為：$$\omega=\gamma B$$，其中 $$\omega$$ 為進動頻率、$$B$$ 為磁場強度、$$\gamma$$ 為旋磁比 (gyromagnetic ratio)。對於同一種粒子而言，旋磁比是固定的，因此進動頻率和磁場強度成正比。

圖二 拉莫進動（本文作者鍾豪繪）

當施加一電磁波時，並非所有氫原子都會吸收電磁波而跳到高能量態，只有進動頻率和電磁波的頻率相同時，氫原子才會吸收電磁波。這種相同頻率才會吸收電磁的現象就稱為「核磁共振」。在磁振造影的實際應用中，通過人體的磁場並非均勻的，而是存在一個強度梯度，藉由調控梯度的變化，就可精準控制某特定位置下的進動頻率，因此磁振造影具有良好的空間解析度。

常與磁振造影混淆的是正子掃描 (PET) 和電腦斷層 (CT) 。正子掃描的原理是將帶有放射性的葡萄糖異構物注入人體，放射性物質會衰變放出正子 (positron)，而正子和一般物質碰撞時會發出光子並被儀器接收。當人體某處葡萄糖用量特別高時，該處的訊號就會特別強烈。正子掃描適用於測量大量消耗葡萄糖的組織，如大腦、癌細胞等。

電腦斷層類似傳統的 X 光影像，利用不同的組織對於 X 光的吸收程度不同，得出人體內部的結構。但和傳統 X 光不同的是，電腦斷層從各方向照射人體，並經由電腦分析後，重建出三維的立體影像。電腦斷層適用於各部位的成像，但由於 X 光照射量較大，孕婦及嬰兒不宜使用。

磁振造影相較其它人體影像技術而言具有許多優點。第一，磁振造影不需施打顯像劑，所以不會有輻射傷害。第二，因為磁振造影主要是測量水分子當中的氫原子，磁振造影特別適合掃描含水量較高的部位，如神經組織、肌肉、肌腱等。在這些部位上磁振造影具有最好的影像解析度。第三，透過磁場梯度的變化，磁振造影可自由控制所需的影像位置與剖面。然而，因為磁振造影需使用強大的外加磁場（約1.5~3.0T），若體內裝有磁性物質的患者（例如心臟節律器），則不宜使用。

參考文獻

1. 維基百科｜磁振造影。http://en.wikipedia.org/wiki/Physics_of_magnetic_resonance_imaging
2. Larmor precession — Hyperphysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/larmor.html