下列何種磁性物質，可作為被動勻場（ passive shimming ）的材料？

本題觀念：

本題考查磁振造影（MRI）中「勻場（Shimming）」的硬體設計與磁性物質的分類應用。 在 MRI 系統中，主磁場（$B_0$）的均勻度對於影像品質至關重要。為了修正磁場的不均勻性，會使用勻場技術，主要可分為主動勻場（Active shimming）與被動勻場（Passive shimming）兩種：

1. 主動勻場（Active shimming）：利用特定設計的勻場線圈（Shim coils），通入電流來產生補償磁場。
2. 被動勻場（Passive shimming）：在磁體內部的特定位置（通常在掃描儀孔徑周圍的托盤上）精確放置具有強磁特性的金屬片，利用這些金屬片在主磁場中被磁化後產生的局部磁場，來抵銷主磁場的不均勻處。為了達到足夠的補償效果，必須使用具有高磁化率的材質。

選項分析

• (A) diamagnetism（抗磁性）：錯誤。抗磁性物質（如水、銅、鈣）在外部磁場中會產生與主磁場方向相反的微弱感應磁場，略微排斥外加磁場。由於其磁化效應極弱，無法提供足夠的局部磁場來進行有效的勻場補償。
• (B) paramagnetism（順磁性）：錯誤。順磁性物質（如釓 Gd、鋁）具有未成對電子，會順著外部磁場方向產生微弱的磁化作用。在臨床 MRI 中，順磁性物質常被用作靜脈顯影劑（如釓顯影劑），但因為其磁化率仍不夠大，不適合用來作為機台的被動勻場材料。
• (C) superparamagnetism（超順磁性）：錯誤。超順磁性物質（如超順磁性氧化鐵奈米微粒 SPIO）的磁化率介於順磁性與鐵磁性之間，在無外加磁場時不會保留剩磁。此類材料過去主要用於特定的 MRI 顯影劑（如肝臟網狀內皮系統顯影劑），不用於被動勻場金屬片。
• (D) ferromagnetism（鐵磁性）：正確。鐵磁性物質（如鐵、鋼、鈷、鎳等）具有極高的正磁化率（positive magnetic susceptibility），在外加磁場下會被強烈磁化並產生強大的局部磁場。被動勻場正是利用精算過大小與厚度的鐵磁性金屬片（通常是鐵片或矽鋼片），鑲嵌於磁體內部來補償 $B_0$ 的不均勻度。

答案解析

被動勻場（Passive shimming）的核心原理是利用高磁化率的材料，在主磁場內產生適當強度的干涉磁場以達到「削峰填谷」的修正效果。由於需要極高的磁化效率以減少所需材料的體積並達到顯著的磁場修正，工程師會選擇使用 ferromagnetism（鐵磁性） 材質的金屬片（通常為鐵片）來進行被動勻場設計。因此，選項 (D) 為最正確的答案。

核心知識點

醫事放射師國考在 MRI 物理與儀器學中，常考以下重點，考生務必熟記：

1. MRI 勻場技術分類：
   • 被動勻場 (Passive shimming)：使用「鐵磁性 (Ferromagnetism)」金屬片，硬體建置時調整，主要用來校正大範圍、靜態的磁場不均勻。缺點是容易受溫度變化影響。
   • 主動勻場 (Active shimming)：使用「勻場線圈 (Shim coils)」通電產生磁場，可針對不同受檢者造成的局部磁場改變（如磁化率假影）進行即時微調。
2. 四大磁性物質分類與 MRI 應用：
   • 抗磁性 (Diamagnetism)：如人體組織（水、脂肪）、骨頭，造成微弱的磁場減弱。
   • 順磁性 (Paramagnetism)：如 T1 顯影劑（Gadolinium, Gd），增加局部磁場，縮短 T1 弛豫時間。
   • 超順磁性 (Superparamagnetism)：如 T2 顯影劑（SPIO），大幅縮短 T2/T2* 弛豫時間。
   • 鐵磁性 (Ferromagnetism)：如鐵、鈷、鎳，極度危險的鐵磁性金屬會造成 MRI 拋射效應（Missile effect）與嚴重假影，但在儀器端則被善用於被動勻場材料。

參考資料

1. Passive magnetic shimming - Questions and Answers in MRI. MRIquestions.com. (https://mriquestions.com/passive-shimming.html)
2. ISMRM. Shimming: Superconducting & Passive Shims; Higher Order Shims & Application to Imaging. (https://www.ismrm.org)