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114年:放射診斷(2)

按照磁性分類，下列何者可被歸類為順磁性（paramagnetic）？

A人體組織
B含氧血紅素
C去氧血紅素
D二氧化鐵

詳細解析

本題觀念：

本題測驗磁振造影（MRI）中不同物質的磁化率（magnetic susceptibility）分類。物質依據其內部電子組態對外加磁場的反應，可分為反磁性（diamagnetic，或稱逆磁性）、順磁性（paramagnetic）、超順磁性（superparamagnetic）及鐵磁性（ferromagnetic）。其中，血紅素在不同攜氧狀態下磁化率特徵的改變，是臨床上功能性磁振造影（fMRI）與磁化率加權影像（SWI）的重要物理基礎。

選項分析

  • (A) 人體組織：人體組織主要由水分子（H2OH_2O）與有機大分子構成。水分子中的電子皆為成對狀態，缺乏未成對電子（unpaired electrons），因此呈現反磁性（diamagnetic）。反磁性物質會微弱地排斥外加磁場。
  • (B) 含氧血紅素（Oxyhemoglobin）：當血紅素中心的鐵離子（Fe2+Fe^{2+}）與氧分子結合時，電子的自旋組態發生改變，形成低自旋狀態，所有的電子皆成對。因此，含氧血紅素與水分子相似，呈現反磁性（diamagnetic）。
  • (C) 去氧血紅素（Deoxyhemoglobin）：當血紅素釋放氧分子後，中心的鐵離子（Fe2+Fe^{2+}）處於高自旋狀態，會暴露出 4 個未成對電子。這些未成對電子使得去氧血紅素呈現順磁性（paramagnetic）。順磁性物質在局部會產生微小的磁場梯度變化，導致周遭水分子的質子加速失相（dephasing），從而縮短 T2∗T2^* 弛豫時間並使影像訊號降低。此為正確答案。
  • (D) 二氧化鐵：化學上並無穩定存在的「二氧化鐵」單體。臨床影像學中常討論的鐵氧化物為「氧化鐵（Iron oxide）」，例如作為肝臟對比劑的超順磁性氧化鐵（SPIO），或是存在於血腫晚期的含鐵血黃素（Hemosiderin）。這類聚集的奈米級鐵顆粒具有極高的磁化率，被歸類為超順磁性（superparamagnetic），而非單純的弱順磁性。

答案解析

去氧血紅素因中心鐵離子帶有未成對電子，表現出順磁性特徵；相對地，含氧血紅素和大部分人體組織內部電子皆成對，呈現反磁性。此磁性差異是功能性磁振造影（fMRI）中 BOLD（Blood-Oxygen-Level Dependent）效應的核心機制。因此，被歸類為順磁性的物質為 (C) 去氧血紅素。

核心知識點

考生必須熟記 MRI 影像學中的磁性分類與其對應的代表性物質：

  1. 反磁性（Diamagnetic）：水、脂肪、大部分正常人體組織、含氧血紅素（Oxyhemoglobin）、鈣化（Calcification）。
  2. 順磁性（Paramagnetic）：去氧血紅素（Deoxyhemoglobin）、正鐵血紅素/變性血紅素（Methemoglobin）、釓對比劑（Gadolinium-based contrast agents）。
  3. 超順磁性（Superparamagnetic）：含鐵血黃素（Hemosiderin）、鐵蛋白（Ferritin）、超順磁性氧化鐵（SPIO）。
  4. 鐵磁性（Ferromagnetic）：鐵（Iron）、鈷（Cobalt）、鎳（Nickel）等金屬植入物（易造成嚴重假影與危險）。

臨床重要性

  • 功能性磁振造影（fMRI）：當大腦特定區域神經活化時，局部腦組織會產生血流的過度代償，使血管內的含氧血紅素增加、去氧血紅素相對減少。由於去氧血紅素（順磁性）的濃度下降，使得局部磁場不均勻度減少，導致 T2∗T2^* 訊號增強，此即為 BOLD 效應。
  • 腦部出血分期判讀：顱內出血發生後，血腫內的血紅素會隨時間經歷「含氧血紅素（反磁性） →\rightarrow 去氧血紅素（順磁性） →\rightarrow 正鐵血紅素（順磁性） →\rightarrow 含鐵血黃素（超順磁性）」的代謝演變。這些血紅素產物的磁化率差異與分佈位置（細胞內或細胞外），決定了血腫在 MRI T1 與 T2 加權影像上的特徵性訊號變化，對於判定急性、亞急性或慢性出血極具診斷價值。

參考資料

  1. MRI Questions. "BOLD Contrast Mechanism". (https://mriquestions.com/bold-contrast.html)
  2. Department of Medical Physics, UW-Madison. "Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)". (https://www.medphysics.wisc.edu/~tme/fmri_history/fmri.html)
  3. EPOS™. "MRI characteristics and biophysics of intracranial hemorrhage". (https://epos.myesr.org/poster/esr/ecr2015/C-0803)
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