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115年:放射診斷(1)

磁振造影系統中，主磁場線圈的兩端會安裝消抵線圈（bucking coil ），目的為下列何者？

A減少磁化率假影
B避免外在射頻波干擾
C減少雜散磁場（ fringe field ）
D減少病人熱效應

詳細解析

本題觀念：

本題測驗的是磁振造影（MRI）硬體設計中「磁場屏蔽（Magnetic Shielding）」的概念。MRI 系統的主磁場線圈會產生極強的靜磁場（B0B_0），這個磁場不可避免地會向磁體外部空間延伸，形成所謂的「雜散磁場（fringe field）」。為了避免雜散磁場對周遭環境與儀器造成危害，MRI 必須具備屏蔽機制。現代高場域超導 MRI 系統多採用「主動屏蔽（Active Shielding）」，也就是在主磁場線圈兩端安裝「消抵線圈（bucking coils）」來將雜散磁場限制在安全範圍內。

選項分析

  • (A) 減少磁化率假影（Reduce susceptibility artifacts）：錯誤。磁化率假影是由於不同組織之間（例如骨骼與空氣、組織與金屬植入物）的磁化率差異，導致局部磁場不均勻所引起。減少此假影的硬體方法為「勻場（shimming）」，透過勻場線圈（shim coils）或鐵片來改善磁場均勻度；或者在參數上改用自旋回訊（Spin Echo）序列、增加接收頻寬等方式，與消抵線圈無關。
  • (B) 避免外在射頻波干擾（Avoid external radiofrequency interference）：錯誤。避免外界射頻波（RF）干擾 MRI 訊號，或避免 MRI 射頻波干擾外界通訊，是依靠「射頻屏蔽（RF Shielding）」。其方法是在 MRI 檢查室的牆壁、門窗內部鋪設銅網或鋁網，形成「法拉第籠（Faraday cage）」來阻擋電磁波，而非使用消抵線圈。
  • (C) 減少雜散磁場（Reduce fringe field）：正確。主磁場線圈兩端外側安裝的消抵線圈（bucking coils），其內部通有與主線圈方向相反的電流。根據電磁學原理，這會產生一個與主磁場方向相反的磁場。在磁體外部，這兩個磁場會相互抵消，大幅減少向外擴散的雜散磁場。
  • (D) 減少病人熱效應（Reduce patient thermal effects）：錯誤。病人在檢查過程中所受的熱效應主要來自射頻脈衝（RF pulse）的能量沉積，臨床上以「比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）」來衡量。減少熱效應的方法包括改變脈衝序列參數（例如：減少翻轉角 flip angle、拉長重複時間 TR、減少切面數量等），與主磁場的消抵線圈設計無關。

答案解析

MRI 儀器產生的強大靜磁場若向外擴散，會影響心律調節器等醫療設備的運作，甚至將鐵磁性物品吸入磁體造成危險（即飛彈效應）。為控制磁場影響範圍（特別是 5 高斯線，5-Gauss line），廠商設計了主動屏蔽技術。此技術運用了安裝於主線圈外圍及兩端的消抵線圈（bucking coils）。由於消抵線圈內的電流方向與主線圈相反，它能在磁體外部產生反向磁場，將主磁場向外輻射的雜散磁場中和抵消。這個設計不會破壞磁體內部造影區域的磁場均勻度，但能有效把雜散磁場縮限在掃描室內。因此，(C) 為本題的標準答案。

核心知識點

準備國考時，對於 MRI 硬體各線圈的功能與對應解決的物理問題必須徹底釐清：

  1. 主動屏蔽（Active Shielding）：使用 消抵線圈（Bucking coils），通反向電流，用於減少 雜散磁場（Fringe field）。
  2. 被動屏蔽（Passive Shielding）：使用大量鐵磁性物質（如鋼板、軟鐵）包覆在磁體或檢查室牆壁上，同樣用於減少雜散磁場，但缺點是重量極重。
  3. 勻場（Shimming）：分為主動與被動。主動勻場使用 勻場線圈（Shim coils），用於提高主磁場的均勻度（Homogeneity），減少幾何失真與磁化率假影。
  4. 射頻屏蔽（RF Shielding）：使用銅網建構 法拉第籠（Faraday cage），用於阻絕 外界射頻雜訊干擾（RF interference）。

臨床重要性

雜散磁場的管理在臨床 MRI 安全規範中位居首位。國際上將「5 高斯（0.5 mT）」定義為安全界線，超過 5 高斯的磁場區域可能導致心律調節器、神經刺激器等植入式電子儀器發生故障。藉由 bucking coils 的主動屏蔽，現代高場域（如 1.5T 或 3T）MRI 能將 5-Gauss line 完美收攏在射頻隔離室的牆壁範圍之內，讓操作人員與一般公眾在檢查室外能安全活動，同時也大幅降低了醫院在安裝 MRI 設備時對空間與建築結構加強的需求。

參考資料

  1. Radiology Learners. (n.d.). Magnet Shielding in MRI.
  2. US Patent US20130009642A1: MRI magnet and MRI system with optimized fringe fields.
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