《2003諾貝爾獎系列‧醫學之旅》 MRI的美麗新境界
2003.11.16 中國時報
屈指數來，
與MRI（核磁共振影像）相關的領域，
已獲得了五次諾貝爾獎，
並成為就業市場上的新寵…
核磁共振影像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI）近年來已成為
放射診斷醫學上一個重要的工具。MRI是利用射頻無線電波作為刺激，以
觀察特定種類之原子核在強大的靜磁場下，受到擾動後於恢復平衡過程
中，所發出來的磁矩變化信號。我們可以利用法拉第定律，轉換磁矩變
化信號為電信號，並經由二維傅立葉轉換運算，求得物體中原來的原子
密度的影像。這個技術的優點除了不須要侵入人體，即可得人體的任意
方向剖面圖之外，最重要的是它提供了人體軟組織任意截面的結構，及
其他眾多的物理參數訊息，而且尚未發現其對人體造成傷害。
核磁共振（NMR）的研究最早是由史丹佛大學的Felix Bloch以及哈佛大學
Edward Purcell二組研究團隊在1946年所發表，但是那段時期有關核磁共
振的研究集中於使用連續變化的無線電波進行化學結構之分析。第一張二
度空間水標本的氫原子NMR影像，由在紐約州立大學 Stony Brook分校的
保羅‧勞特布爾（Paul Lauterbur，2003年諾貝爾醫學獎得主）於1973年
所發表；位於英國諾丁罕大學的彼得‧曼斯菲爾德（Peter Mansfield，
2003諾貝爾醫學獎另一得主）則在同年提出「NMR之固態繞射條紋」。這些
實驗最主要的共同點，是使用具有線性梯度的靜磁場來顯示物質於空間之
分佈，這個重大觀念使NMR 邁進了MRI的領域。
MRI之得獎真可謂千呼萬喚始出來，在1991年Sir Ernst因Pulse N MR及
2D NMR獲得當年的化學獎以後，匆匆又過了12個年頭。回顧NMR 的諾貝爾
史，1944年拉比（I. Rabi）即因量測原子核的磁矩而獲頒物理獎；1952年
發現NMR現象並精確量測出來之F. Bloch和E. Purce ll也共同獲得諾貝爾
物理獎；連同2002年K. Wuthrich因應用NMR來決定生醫巨型分子之三維空間
結構而榮膺化學桂冠；屈指數來，與NMR 相關之領域已獲得過五次之諾貝爾
獎項。
今年得獎人的貢獻何在？
一般NMR實驗均須將磁場調整均勻，以求得不同結構的精確頻譜訊息。不均勻
的磁場將導致異常過寬之頻帶，因而喪失了據以分析不同物質結構之頻譜鑑
別率；此一調整磁場過程稱做shimming，這是一個入門者必須學習的基礎功
夫，物理學家及化學家以前已用了數十年。我們今天回顧歷史，的確很難想
像二十多年來，竟然沒有文獻顯示曾經有人想到過用這些平常想要去之而後
快的「雜訊」，來形成有用的「空間物質分佈」信息。
勞特布爾及曼斯菲爾德的主要貢獻，即明確指出利用不均勻的磁場「梯度」
來形成「空間解析度」，利用可控制之梯度大小，將空間訊息直接轉換成頻
譜之訊息，將NMR原理由結構分析，貫穿至空間物質數量分布之影像。仔細
想想，這兩個完全互斥的訊息，一般人的確很難跳出傳統訓練的巢臼，想像
出其中的關聯。一般化學家總覺得要不就在頻譜上根據位置告訴我們這是什
麼物質，不然就是從影像的觀點出發，只要能將特定空間上的物資多寡顯示
出來即可。時至今日，MRI的發展迅速，除了可將物質之立體空間分布顯示出
來，更可以結合NMR光譜分析特色，將一個組織中不同成份如脂肪、水分、
化合物之濃度影像，於MRI中分別顯示出來，以作為診斷及手術治療之依據。
曼斯菲爾德的貢獻
除最先提出線性梯度之外，曼斯菲爾德所在的諾丁罕大學，在MRI 上亦有長期
而重要之貢獻。現今使用的超快速成像方法迴波平面成像（Echo Planar
Imaging, EPI），乃由曼斯菲爾德於1977年提出。此一理論整整領先科技達
20年，直至90年代末，工業科技才有能力將其構想呈現出來。在梯度技術方
面，曼斯菲爾德於1986年提出主動遮蔽梯度系統，可說是現在MRI能夠快速而
準確測量許多物理參數之重要基石。其他如應用在三度成像之迴波立體成像
（Echo Volumar Imag ing, 1989）及無噪音之MRI系統，至今均仍走在現代
科技的前端；其在諾丁罕的實驗室與另一個亞伯汀大學的實驗室，亦可說是
全球MRI 產業人才的搖籃與進步動力。
MRI的應用
MRI自勞特布爾發表第一篇的論文後，歷經另一個十年的軟硬體發展期，於
1980年初方才有臨床之儀器上市。直至今日，MRI仍在快速的蛻變中，硬體
不斷創新、功能不斷增加。整個MRI領域絲毫未見任何發展之遲滯。簡單說
來，MR之應用由早期1980年代之T1、T2及密度影像開始，發展至1986年左右
之流場分布影像，研究者可以在不注射顯影劑下，將身體內部的血液流速場
V（X, Y, Z, t）顯示出來。同時為配合醫生的診斷，亦發展出MR之血管攝影。
在1987~1989年，為縮短病人之檢查時間，MRI在於軟硬體方面均有長足的改
進，一方面使用快速成像方式，一方面也從事如前所述更精確之梯度波形儀
器設計。其同時之研究則以擴散係數（Diffusion Coefficient）影像之應用
為最，得以藉此從事腦中風之早期診斷。此外，MR溫度影像亦同時發展，今
天醫師已可以在熱治療中觀察病人之即時溫度影像，以觀測組織之加熱治療
效果。
自1990年後，MR又進入了一個新的紀元，總的來說，由靜態進入動態，由解
剖進入功能；成像不斷加速，內容不斷功能化。1990年開始的功能性影像
（fMRI）將MRI的影響，由醫學帶入認知科學界，全球由1995年開始進入fMRI
之熱潮。直至今日，MRI的就業市場一直處於居高不下的人才需求狀態。超快
速的影像儀使用曼斯菲爾德在1977年所提出的EPI方法，將成像時間大幅縮短，
連跳動中的心臟及位於其上之冠狀動脈，都得以在1995年之後直接呈現出來，
MRI幾乎已成為醫學影像中之透視V8攝影機。
另一方面，結合NMR分析光譜與MRI成像於一體之光譜MRI（Spectroscopic MRI）
也大幅提昇MRI之功能面，得以在人體上直接觀察到特定組織的生化反應及異
常組織的範圍。其他如MR彈性影像、MR壓力影像、MR電流場之影像，均正在發
展中。即時監測之手術用影像系統（MR Intervention）亦開始使用，其影像
本身不但使用在手術前的計畫，更直接應用在手術中，以得到即時之反饋。如
此之手術，傷口更小，癒合亦快，住院時間也跟著縮短，加上其手術成功率高，
業已成為未來手術房之新面貌。
隨著基因體的發展，21世紀的MRI已進入一個嶄新的紀元。生醫分子影像得以在
活體上直接觀測到特定的基因表現與蛋白質表現；新的多通道成像MRI
（Multi-channel Parallel Imaging）將再向下縮短既有的成像時間；生醫分
子影像對空間解析度、時間解析度及信號雜訊比的需求，預期將使MRI在可見的
未來內，產生劃時代的改變；除了醫用MRI系統將不斷成長，配合生技製藥使用
的小型MRI系統亦將不斷推陳出新，朝微米級、微機電、及可攜帶式之MRI來發展。
對國內研究的期許
分析國內三大MR研究中心，榮總以大腦科學為主；台大以創新科技為主軸，
未來將與台大醫院加強臨床研究；而中研院生醫所則以生技為其特色。這三
大研究中心各有其發展重點，唯規模均小，且缺乏完整架構，目前雖已於特
定領域領先，但很難與國外之大中心做全面競爭。我們最近與國外相關學者
接觸，一方面感受到國外著名實驗室對我們成果的高度興趣與肯定，一方面
也為國內如何繼續更上一層樓而思索。
前人的一念之間，造就了MRI之美麗新境界。如何為後人創造更好之環境，實
為我們今天之當務之急。
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曾經滄海難為水 除卻巫山不是雲
取次花叢懶回顧 半緣修道半緣君
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