【深造物理】磁力共振掃描 MRI的原理是甚麼？

在香港，如果醫生懷疑腦中風、韌帶撕裂、或肝臟有結節，往往會安排你做一個「磁力共振掃描」(Magnetic Resonance Imaging, MRI)。很多人第一時間想到的是：它是不是像X光？會不會有輻射？為何機器那麼嘈，而且要躺那麼久不動？這篇文章會用貼近日常的語言，帶你由零開始認識MRI背後的物理：從人體中的「小磁針」如何被強磁場整齊排好，到射頻脈衝如何敲出身體的「共鳴」，再到電腦如何把這些微弱信號轉成清晰影像。你會發現，MRI是一門結合量子物理(quantum physics)、電磁學(electromagnetism)、訊號處理(signal processing)與工程控制的完整系統，而且它不涉及電離輻射，是現代醫療影像中非常重要的一員。

MRI是什麼？與X光、CT、超聲波有何不同

MRI利用強磁場(magnetic field)與射頻電磁波(radiofrequency, RF)去激發你體內的氫原子(主要來自水與脂肪)，再根據它們回應的方式重建影像。重點特色：

• 不使用電離輻射(ionizing radiation)，與X光、CT不同，因此對DNA的傷害風險極低。
• 軟組織對比極佳，例如腦、脊髓、肌肉、韌帶、肝臟、前列腺等都能看得很細緻。
• 可切換不同對比機制，強調不同生理與微觀結構，例如T1加權、T2加權、彌散(Diffusion)等。

超聲波(ultrasound)靠聲波反射，適合即時檢查，但穿透骨頭與氣體較差；CT速度快、解析骨與肺部優秀，但有電離輻射；MRI則擅長軟組織細節與功能性影像，掃描時間相對較長。

把身體想成充滿小磁針的「水世界」

人體大約60%是水，水分子中的氫原子核(質子，proton)有自旋(spin)與磁矩(magnetic moment)，可視作微型磁鐵。沒有外加磁場時，這些小磁鐵亂七八糟地指向四方；一旦置於強磁場B0內，它們會有輕微的偏向排列，並以拉莫爾頻率(Larmor frequency)繞著磁場方向進動(precession)：

• ω = γ B0，其中γ是氫核的旋磁比(gyromagnetic ratio)，約為42.58 MHz/T。
• 在1.5特斯拉(Tesla, T)的磁場下，氫核共振頻率約64 MHz；在3T則約128 MHz。

打個比方：B0像一股穩定的海流，讓原本亂竄的小魚(氫核磁矩)開始沿著大方向轉圈圈。當我們給予正確頻率的射頻脈衝(RF pulse)，就好像在對的節奏拍掌，魚群會被「帶起身」，偏離原本的方向，形成可被感應到的信號。

從量子到巨觀：共振、激發與鬆弛

雖然原理來自量子能階，但臨床MRI常用等效的「布洛赫方程」(Bloch equations)與向量模型來理解：

• 激發(Excitation)：用與拉莫爾頻率相同的RF脈衝把淨磁化向量(M)從B0方向「翻」到橫向平面。常見有90°脈衝與180°脈衝，翻轉角稱作flip angle。
• 自由感應衰減(FID)：RF一停，磁化在橫向平面上進動並逐漸衰減。
• 縱向鬆弛T1(Longitudinal relaxation)：磁化回復到與B0平行的平衡狀態，時間常數為T1。
• 橫向鬆弛T2(Transverse relaxation)：橫向磁化因微觀場不均勻而失相(dephase)衰減，時間常數為T2。若包含靜態不均勻更快的衰減，稱T2*。

不同組織的T1、T2不同，導致影像對比。灰質、白質、脂肪、腫瘤、液體都呈現各自特徵。選擇不同序列與參數，就能把某些組織顯得更亮或更暗，幫助診斷。

如何把信號變成影像：梯度、切片與k空間

要知道「信號來自哪裡」，MRI用到三組梯度磁場(gradient)在X/Y/Z方向，令不同位置的拉莫爾頻率略有差異，達到空間編碼：

• 切片選擇(Slice selection)：在施加Z方向梯度時發射特定頻帶的RF，只有該頻率對應位置被激發，得到一片薄切片。
• 頻率編碼(Frequency encoding)：讀取信號時施加X梯度，令位置映射為頻率差。
• 相位編碼(Phase encoding)：短暫施加Y梯度，讓不同位置的自旋累積不同相位。

所有量測到的信號組成所謂的k空間(k-space)，其中心決定對比與訊雜比(SNR)，邊緣決定細節與解析度。透過傅立葉轉換(Fourier transform, FT)，k空間資料轉成影像。

常見影像對比與臨床序列

• T1加權(T1-weighted)：脂肪亮、液體暗，解剖結構清楚。注射鈰(Gadolinium)對比劑後，增強區域會變亮。
• T2加權(T2-weighted)：水亮，例如腫脹、發炎、腫瘤周邊水腫常較亮。
• FLAIR(Fluid-attenuated inversion recovery)：抑制腦脊髓液(CSF)訊號，突顯病灶，如多發性硬化病灶。
• STIR(Short tau inversion recovery)：抑制脂肪，常用於肌骨系統。
• DWI(彌散加權, Diffusion-weighted imaging)：量度水分子布朗運動。急性腦中風受限彌散會變亮；配合ADC(表觀彌散係數)圖判讀。
• BOLD fMRI(功能性MRI)：利用去氧血紅素的磁敏感性造成T2*改變，映射腦部活動相關的血流反應。
• SWI(磁敏感加權, Susceptibility-weighted imaging)：對小出血、鈣化、靜脈結構敏感。
• MRA(磁力共振血管攝影)：可不打顯影劑的Time-of-Flight(TOF)方法，或用對比劑增強血管顯示。
• MRCP(磁共振膽胰管成像)：強調流體訊號，無創觀察膽道、胰管。
• Perfusion(灌注)與ASL(動脈自旋標記)：評估血流動力，常用於腦灌注、腫瘤評估。
• MRS(磁共振波譜, Spectroscopy)：分析代謝物峰，如NAA、膽鹼、乳酸，提供化學資訊。

控制影像的「旋鈕」：TR、TE、翻轉角等

• TR(重複時間, Repetition time)：相鄰激發的間隔，影響T1對比與掃描時間。
• TE(回波時間, Echo time)：信號讀取的時間點，影響T2/T2*對比。
• Flip angle(翻轉角)：決定激發強度，影響對比與SNR。
• FOV(視野)、矩陣(matrix)、體素(voxel)大小：決定空間解析度與SNR。
• 頻寬(bandwidth)：高頻寬減少化學位移與失真，代價是SNR下降。
• 平行成像(Parallel imaging, SENSE/GRAPPA)：用多通道線圈加速取樣，縮短時間但SNR下降。
• 壓縮感知(Compressed sensing)：利用影像稀疏性與非均勻取樣，加速同時保留細節。

簡單記憶：要更快可用平行成像與壓縮感知；要更清晰就縮小體素、提高場強與SNR，但時間與噪音可能上升。

硬件大解構：超導磁體、梯度、RF線圈

• 主磁體(Main magnet)：多為超導磁體(superconducting magnet)，以液氦極低溫維持超導，產生穩定的1.5T或3T磁場。若突然失超(Quench)，液氦迅速氣化，MRI機房有排放系統以保安全。
• 梯度線圈(Gradient coils)：快速改變磁場強度，提供空間編碼。其快速切換在磁場中受力，造成機器特有的敲擊聲。
• RF線圈(RF coils)：負責發射/接收。頭頸線圈、脊椎線圈、膝關節線圈等，貼近身體可提高SNR。
• 法拉第籠(Faraday cage)：掃描室以導電屏蔽，阻隔外界電磁干擾。

為何這麼嘈？噪音從哪裡來

噪音主要來自梯度線圈快速通電與斷電時，在強磁場下產生的洛倫茲力(Lorentz force)讓線圈震動，發出高達90–120 dB的聲響。因此會提供耳塞或耳罩，保護聽力。部分序列如EPI(Echo-planar imaging)特別快，噪音更明顯。

安全與禁忌：強磁場不是玩具

• 鐵磁性物體(projectile effect)：氧氣筒、工具、磁性卡、鑰匙等會被強磁場吸入孔內，非常危險。進入MRI區域前必須清空金屬物。
• 植入物(Implants)：
  • 起搏器與去顫器：需確認「MR-conditional」型號並按安全協議設定；舊型或不明型號可能禁忌。
  • 腦動脈夾、人工耳蝸、金屬碎片：需確認材質與固定性，鐵磁性物可能移位或發熱。
  • 牙箍、牙科金屬：通常安全，但可造成影像變形與鋼影，影響頭頸影像。
• 對比劑(Gadolinium-based contrast agents, GBCAs)：一般耐受良好。重度腎衰(低eGFR)有罕見發生腎源性全身性纖維化(NSF)風險，臨床會審慎評估，並偏好穩定的巨環(macrocyclic)藥劑。
• 懷孕與授乳：不含對比劑的MRI被普遍認為在第二、三孕期可接受；對比劑在孕期通常避免，除非必要。授乳者如需對比劑，依指引可繼續哺乳或按醫囑處理。
• SAR(比吸收率, Specific absorption rate)：RF造成組織升溫，系統會監控限制。
• dB/dt與周邊神經刺激(PNS)：梯度切換太快可誘發肌肉抽動或皮膚刺感，系統會設限。
• 紋身與化妝：含金屬顏料者極少數會有溫熱或刺激感，通常問題不大但要事先告知。

檢查流程與準備

• 檢查前問卷：申報植入物、手術史、職業接觸(如焊工易有眼內金屬碎屑)、腎功能。
• 更衣與清空金屬：手錶、八達通、手機、鑰匙、髮夾、磁扣內衣、口袋硬幣等都要移除。
• 依部位固定姿勢，盡量不動；胸腹部檢查可能需短暫屏氣。
• 掃描時間：10–60分鐘不等，按部位與序列而定；中途有不同「聲響節奏」。
• 幽閉焦慮：可先練習深呼吸或閉眼聽音樂，必要時與醫護商量鎮靜或開放式機型選擇。

常見迷思

• 「MRI有輻射嗎？」沒有電離輻射。MRI用的是強磁場與RF，與X光/CT不同。
• 「會把金屬吸出來嗎？」固定良好的非鐵磁植入物通常安全，但要逐一核對。鬆散的鐵磁物品在掃描室極危險。
• 「牙箍可以做MRI嗎？」一般可以，但可能干擾頭頸影像品質。
• 「有紋身不行嗎？」多數情況可做，偶爾有溫熱感，提前告知並依人員指示。
• 「懷孕可以做嗎？」無對比的MRI多被視為安全，特別在第二、三孕期；是否進行由臨床風險評估。

從參數到畫質：如何取得又快又清晰

提升SNR的方法包括：提高場強(B0)、使用貼身多通道線圈、增大體素、增加平均次數(NEX/NSA)。提高解析度需縮小體素，往往拉長掃描時間或降低SNR，因此要平衡。常見技巧：

• 平行成像：以空間靈敏度不同的線圈同時接收，加速k空間填充，代價為SNR下降與潛在假影。
• 非笛卡爾取樣(spiral/radial)：對運動較不敏感，可配合迭代重建。
• 壓縮感知：利用稀疏性(如小波/總變差)，在欠取樣下重建高品質影像。
• AI重建：以深度學習降噪、補足細節，逐步進入臨床。

運動與假影：臨床最真實的挑戰

• 病人移動、呼吸、心跳都會造成影像模糊或重影(ghosting)。
• 解法：固定、導航脈衝(navigator)、呼吸門控(respiratory gating)、心電觸發(ECG gating)、快速序列(EPI/快速TSE)。
• 磁敏感失真：在含金屬或空氣骨頭交界處常見，如鼻竇、耳朵附近。可調頻寬、做shimming(B0校場)。

功能與組織微結構：不只是漂亮的照片

• 彌散張量成像(DTI)：推算白質纖維走向，做出纖維束成像(tractography)，對神經外科規劃有用。
• 灌注(Perfusion)：以對比劑或ASL評估腫瘤血流與腦缺血半暗帶。
• 心臟MRI(CMR)：包含心肌功能、灌注、延遲增強(LGE)看纖維化或壞死。
• 肝膽胰：MRCP觀察膽胰管；脂肪定量、鐵負荷(T2*)定量。
• 前列腺MRI：多參數(multiparametric)結合T2、DWI、灌注，輔助分級。

一些數字帶你更有感

• 臨床常見場強：1.5T與3T。3T通常SNR更高、對比更強，但對B0/B1不均勻與磁敏感也更敏感。
• 梯度性能：幅度(mT/m)與斜率(slew rate, T/m/s)愈高，掃描愈快，亦較易引發PNS，需兼顧舒適與安全。
• SNR與場強：實務上SNR隨B0增加而上升，但非線性，受到線圈與組織電性質影響。

最新發展與未來

• 超高場MRI(7T)：腦影像細節驚人，可做更精細的層柱狀(cortical layer)研究，但硬件與安全挑戰更大。
• 便攜式低場MRI：用較低B0與先進重建演算法，使急症或偏遠地區也可做基本檢查。
• 超極化(Hyperpolarization)：顯著提升特定核種訊號，如13C，用於代謝影像。
• MR fingerprinting(MRF)：同時定量多種參數(T1/T2/PD等)，提高再現性。
• CEST(化學交換飽和轉移)：探測特定分子交換過程，提供新對比。
• AI輔助：從獲像加速、降噪、偽影校正到自動診斷，正逐步成熟。

實用Q&A

• 要禁食嗎？大多數檢查不用；肝膽胰或需要鎮靜者，醫護可能有特別指示。
• Apple Watch或八達通可以帶進去嗎？不行。所有磁性或電子物品都要留在外面。
• 有舊金屬碎片怎麼辦？告知人員；眼睛附近的金屬需先X光或CT確認位置與安全。
• 對比劑會敏感嗎？機率低但可能。曾有嚴重過敏史者需事先評估；腎功能差者會特別小心。
• 掃描很吵受不了？可要求耳塞/耳罩，有些中心可播放音樂，嚴重者可考慮鎮靜。

把抽象變直觀：兩個生活比喻

• 音樂共鳴：調音叉遇到相同頻率的聲波會共鳴。MRI用「對的頻率」敲打氫核，讓它們「響」起來，然後我們用線圈「聽」到。
• 相機快門與曝光：TR、TE、翻轉角就像相機的快門、ISO與曝光補償，決定亮暗對比與雜訊。你想突出水份，就「長曝光」(長TE)；想看結構輪廓，就用合適的「短曝光」(短TE、短TR)。

小結：強磁場下的人體樂團

MRI不是魔法，而是精密物理與工程的合作。強磁場把體內無數個氫核像小磁針般排隊；RF脈衝像指揮棒，讓它們以特定頻率起舞；梯度磁場把舞台分成座標；接收線圈收集每個區域的旋律；電腦以傅立葉轉換把音符排回圖像。透過不同「曲目」(序列與參數)，我們能聽見水的流動、組織的鬆弛、分子的擴散、血液的灌注，甚至腦活動的節奏。對日常生活的你我而言，最重要的是：MRI通常安全、沒有電離輻射，卻提供豐富的軟組織資訊，是現代醫療決策的關鍵工具。下次你再聽到那節奏強烈的「咚咚咚」，不妨想像，這是人體內無數小磁石在強磁場中齊聲共鳴，為你的健康奏出一幅清晰的影像。