放射 - 空間編碼與影像品質考古題解析 - 民國115年

本題觀念：

本題測驗的核心概念為磁振造影（MRI）中的化學位移假影（Chemical Shift Artifact）。在 MRI 中，水分子與脂肪分子中的氫原子核（質子）因周圍電子雲遮蔽效應的不同，導致它們在相同的主磁場（ $B_0$ ）下感受到微小不同的局部磁場，進而產生不同的共振頻率（即拉莫頻率, Larmor frequency），兩者差異約為 3.5 ppm。

在 1.5 T 磁場下，頻率差異約為 220 Hz。
在 3.0 T 磁場下，頻率差異約為 440 Hz。

由於 MRI 系統在空間定位上是利用頻率編碼（Frequency Encoding）來區分位置，水與脂肪固有的頻率差異會被系統誤認為是空間位置的差異，導致在頻率編碼方向上，脂肪影像相對於水影像產生像素的空間錯位（Spatial misregistration），即第一類化學位移假影。錯位的像素數量取決於每個像素的頻寬（Bandwidth per pixel）。

選項分析

已知題目條件：

主磁場強度 $B_0 = 3.0$ T
水與脂肪的共振頻率差異 $\Delta f = 440$ Hz
接收頻寬 (Receiver Bandwidth, BW) = $64$ kHz = $64,000$ Hz
影像矩陣 = $256 \times 256$ 像素（即頻率編碼階數 $N_x = 256$ ）

步驟一：計算每個像素分配到的頻寬（Bandwidth per pixel） 公式： $BW_{pixel} = \frac{\text{總接收頻寬 } BW}{\text{頻率編碼矩陣大小 } N_x}$ $BW_{pixel} = \frac{64,000 \text{ Hz}}{256 \text{ pixel}} = 250 \text{ Hz/pixel}$ （這代表在頻率編碼方向上，相鄰兩個像素之間的頻率差異定義為 250 Hz。）

步驟二：計算化學位移在影像上相差的像素量 公式：錯位像素量 = $\frac{\text{水脂共振頻率差異 } \Delta f}{\text{每個像素的頻寬 } BW_{pixel}}$ 錯位像素量 = $\frac{440 \text{ Hz}}{250 \text{ Hz/pixel}} = 1.76 \text{ pixel}$

計算結果為 1.76 個像素。接下來分析各選項：

(A) 0：完全沒有位移。只有在使用無限大頻寬或完全無水脂頻率差異時才會發生，故錯誤。
(B) 6：若要相差 6 個像素，表示每個像素頻寬為 $440 / 6 \approx 73.3$ Hz/pixel，與本題的 250 Hz/pixel 不符，故錯誤。
(C) 2：計算結果 1.76 最接近 2 個像素，符合影像矩陣空間上離散顯示的估計值，故正確。
(D) 4：若要相差 4 個像素，每個像素的頻寬需為 $440 / 4 = 110$ Hz/pixel，故錯誤。

答案解析

欲求出水與脂肪在影像上的錯位像素，必須先計算出「每個像素的頻寬」。將總接收頻寬（64,000 Hz）除以頻率編碼方向的像素數（256），得到每個像素包含 250 Hz 的頻寬。接著，將水與脂肪的共振頻率差異（440 Hz）除以每個像素的頻寬（250 Hz/pixel），得到 $440 \div 250 = 1.76$ 。因為影像顯示以像素為單位，1.76 像素的位移量在視覺與選項上大約等於 2 個像素，故最適當的答案為 (C)。

核心知識點

醫事放射師在準備國考時，需熟記以下關於化學位移與頻寬的觀念：

水脂共振頻率差：常數為 3.5 ppm。( $\Delta f = 3.5 \times 10^{-6} \times \gamma \times B_0$ $Δ f = 3.5 \times 1 0^{- 6} \times γ \times B_{0}$ )
- 1.5 T $\approx$ 220 Hz
- 3.0 T $\approx$ 440 Hz
像素位移公式：
- 每個像素頻寬（ $BW_{pixel}$ ） = $\frac{rBW}{N_{x}}$
- 位移像素（Pixel shift） = $\frac{\Delta f}{BW_{pixel}}$
參數調整與取捨（Trade-off）：
- 增加接收頻寬 (rBW)：可增加每個像素的頻寬，從而減少化學位移假影的像素錯位，但代價是雜訊被引入更多，導致訊雜比（SNR）下降。
- 減少接收頻寬 (rBW)：會增加化學位移錯位，但能提升 SNR。

臨床重要性

化學位移假影會發生在頻率編碼方向上的水脂交界處（例如：腎臟周圍脂肪、眼眶神經與脂肪、脊髓與硬脊膜外脂肪等）。在影像上會觀察到交界處的一側出現明亮的高訊號帶（水與脂肪訊號重疊），另一側出現黑暗的無訊號帶（訊號空缺）。在臨床實務上，放射師可以透過以下方式改善此假影：

增加接收頻寬（Receiver Bandwidth）。
對調頻率編碼與相位編碼的方向（Swapping frequency and phase encoding directions），將假影轉移至不影響診斷的方向。
使用脂肪抑制技術（Fat Saturation, STIR, Dixon method 等），直接消弭脂肪訊號的干擾。

參考資料

醫學物理與磁振造影學理：基礎與臨床應用原理（Chemical Shift Artifact 相關章節）。
MRI Questions - Chemical Shift Artifact: https://mriquestions.com/chemical-shift-artifact.html (Retrieved for fundamental confirmation)

在MRI 3.0 T 磁場中，水與脂肪的共振頻率差異約 440 Hz。若收集訊號所使用之頻寬為64 kHz，且影像矩陣包含256×256像素，則水與脂肪的化學位移在影像上大約會相差多少個像素？

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