磁振造影原理(上)

2021 年 1 月 18 日

磁振造影又名核磁共振（NMR)，但嚴格來說磁振造影與核磁共振是兩台功能不同的儀器。磁振照影主要用於醫學的影響診斷使用，而核磁共振用於有機化學的頻譜分析。簡單來說磁振造影主要用來成像，核磁共振用來成份分析，可說是先有NMR才有MRI啊。

磁振造影主要是利用人體的水份中的氫原子進行成像。可能有些人會想說什麼氫？什麼原子？這跟成像有什麼關係？這就要回到國中所學的，水分子（H2O)是有兩個氫與一個氧組成。首先要先從原子的自旋談起，為什麼氫原子會旋轉？主要是因氫原子核中，只有一個質子，沒有中子，產生自旋。廣泛來說，在量子力學裡自旋量子數為半正數（1/2、3/2⋯）皆可以作為成像的物質。那有了自旋又如何？自旋其實只是成像的一個要素，有了自旋會產生磁偶矩（magnetic dipole moment)，其有大小方向，我們就可以把氫原子看作是個小磁鐵，如圖一。

氫原子在自然的地磁情況下，自旋的方向是隨機分佈的，如圖二。為了使其方向一致，需對氫原子外加大磁場，統一讓原子處於低能態的狀態，如圖三。原子會重新排列，以外加的磁場方向或反向為軸心旋轉，產生旋進或稱進動（precession)，可由莫拉爾公式算出在磁場強度下原子所產生的角速度或頻率。可以想像自旋與旋進，相當於地球的自轉與公轉這樣可能好理解點。地球就是原子，太陽就是那強大的磁場。

給予強磁場的氫原子磁矩會平行磁場方向，為了使氫原子從低能態方向轉至高能態方向，需在與磁場正交的方向給予電磁能量，使氫原子磁矩方向與磁場方向的偏折角（Flip angle）翻轉。偏折角度可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，如圖四。以1 Tesla 為例，旋進的頻率為42 MHz的旋轉頻率，所要給予電磁波頻率要與旋進頻率相同，關掉電磁波後氫原子即會釋放42 MHz的電磁能量，再由接收線圈此能量。這格能量就是磁振造影的成像靈魂。