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114年:醫物幅安(2)

關於超導磁鐵（superconducting magnets），下列敘述那些正確？①大部分的臨床掃描儀都是使用超導磁鐵 ②超導磁鐵需在接近絕對溫度0度的低溫運作，因此需要使用冷煤（cryogen）幫助降溫 ③超導磁鐵為永久磁鐵（permanent magnets）的一種，磁性永遠存在且持續穩定 ④鋁鎳鈷合金（Alnico）為製作超導磁鐵最常用的材料

A①②
B①③
C②④
D③④

詳細解析

本題觀念：

本題主要探討磁振造影（MRI）中最核心的硬體設備——主磁體（Main Magnet）的分類、運作原理及組成材質。臨床上常用的 MRI 磁鐵分為超導磁鐵（Superconducting magnets）、永久磁鐵（Permanent magnets）及常導電磁鐵（Resistive magnets）三類，其中又以超導磁鐵為目前高階臨床掃描儀的絕對主流。

選項分析

① 大部分的臨床掃描儀都是使用超導磁鐵 正確。超導磁鐵能產生極高且穩定的磁場（臨床常見為 1.5 T 或 3.0 T），且一旦通電後，在超導狀態下線圈無電阻，電流可無損耗地持續流動，因此平時運作不需持續消耗大量電能。因其高磁場強度和高影像品質的優勢，現今絕大多數的臨床 MRI 皆採用超導磁鐵設計。

② 超導磁鐵需在接近絕對溫度0度的低溫運作，因此需要使用冷煤（cryogen）幫助降溫 正確。為了讓超導線圈維持在沒有電阻的「超導狀態」，必須將其冷卻至低於其臨界溫度（Critical temperature）。臨床上通常使用液態氦（Liquid helium，沸點約為 4.2 K，即接近絕對零度 -273.15 ℃）作為低溫冷媒（cryogen，題目中「冷煤」為錯字，應為「冷媒」）來浸泡線圈，維持其超導特性。

③ 超導磁鐵為永久磁鐵（permanent magnets）的一種，磁性永遠存在且持續穩定 錯誤。超導磁鐵本質上屬於「電磁鐵（Electromagnets）」，是透過超導線圈通入電流來產生磁場。雖然在超導狀態下，其電流可以不衰減地持續流動（即處於 Persistent mode），使磁場維持穩定，但如果溫度升高導致超導狀態被破壞（失超現象，Quench），電阻恢復，電流會瞬間轉換為熱能，磁場就會消失。因此，它與利用材料本身固有磁性的「永久磁鐵」是完全不同的運作機制。

④ 鋁鎳鈷合金（Alnico）為製作超導磁鐵最常用的材料 錯誤。鋁鎳鈷合金（Alnico）屬於製造「永久磁鐵」的常見材料。目前臨床 MRI 超導磁鐵最普遍使用的超導線圈材料為鈮鈦合金（Niobium-titanium, NbTi），其在液態氦的極低溫環境下能展現優異的超導特性。

答案解析

綜合上述分析，敘述 ① 及 ② 為正確，敘述 ③ 及 ④ 犯了設備分類及材料混淆的錯誤。因此，正確的敘述組合為 ①②，本題最佳解答為 (A)。

核心知識點

醫事放射師國考在 MRI 設備學（Instrumentation）中，務必熟記以下三大類磁鐵的特性與差異：

  1. 超導磁鐵（Superconducting magnets）：
    • 屬電磁鐵，為目前臨床高場強 MRI 設備的市佔率最高者。
    • 常用線圈材質：鈮鈦合金（NbTi）。
    • 必須使用**冷媒（液態氦）**降溫至 4.2 K（接近絕對零度）以維持超導無電阻狀態。
    • 優點：可產生極高主磁場（1.5 T ~ 7.0 T 以上）、高均勻度、高穩定性。
    • 缺點：設備與液態氦維護成本高昂，有失超（Quench）導致液態氦急遽氣化的風險。
  2. 永久磁鐵（Permanent magnets）：
    • 常用材質：鋁鎳鈷合金（Alnico）、釹鐵硼（NdFeB）、鐵氧體（Ferrite）。
    • 特性：不需要電源及冷卻系統即可維持磁場，營運成本低。常被設計成能讓病患較舒適的「開放式 MRI」。
    • 缺點：設備重量極重（可達數十噸）、磁場強度低（通常小於 0.4 T）、易受環境溫度變化影響。
  3. 常導電磁鐵（Resistive magnets）：
    • 屬電磁鐵，利用銅或鋁線圈通以大量直流電產生磁場。
    • 缺點：電阻大、耗電量極高，需配合大量冷卻水散熱，且磁場強度有限（通常小於 0.3 T），現已在臨床極少使用。

參考資料

  1. IUAC. (n.d.). Cryogens, Magnets and MRI. Retrieved from https://www.iuac.res.in/cryogens-magnets-and-mri
  2. Wikipedia. (n.d.). Superconducting magnet. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_magnet
  3. 國立中山大學生醫影像實驗室. (n.d.). 磁共振影像 Magnetic Resonance Imaging.
  4. 深圳市藍光磁業科技有限公司. (2023). 釹鐵硼磁鐵與磁共振成像（MRI）. Retrieved from https://www.szlgcy.com/ndfeb-magnets-and-magnetic-resonance-imaging-mri
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