114年:放射診斷(2)

關於開放式磁振造影儀(open MRI scanner)的敘述,下列何者正確?

A使用永久磁鐵,所以磁場強度無法達到3T
B使用永久磁鐵,所以不需要梯度線圈(gradient)
C使用電磁鐵,所以無法進行腦部造影
D使用電磁鐵,所以不會產生化學位移假影(chemical shift artifact)

詳細解析

本題觀念:

本題測驗對於開放式磁振造影儀(open MRI scanner)硬體設計及其物理特性的理解。開放式 MRI 最初是為了解決幽閉恐懼症(claustrophobia)患者或體型肥胖患者無法進入傳統封閉式 MRI(closed-bore MRI)的困境而設計。為了維持開放的機體結構(通常為 C 型或上下平行的垂直磁場設計),絕大多數的傳統開放式 MRI 皆採用永久磁鐵(permanent magnet)。永久磁鐵的優勢在於不需外加電源或液態氦(liquid helium)冷卻系統即可維持磁場,但其最大的物理限制在於重量極重,且磁場強度難以提高。

選項分析

  • A. 使用永久磁鐵,所以磁場強度無法達到 3T 正確。傳統的開放式 MRI 主要使用永久磁鐵。永久磁鐵的磁場強度與其體積和重量成正比,要達到 0.2T 至 0.4T 的磁場強度,其磁鐵重量就已高達數噸甚至數十噸。若要製造出 3T 的永久磁鐵,在物理工程(重量、體積及支撐結構)上是不切實際且難以實現的,因此永久磁鐵的磁場強度絕對無法達到 3T。現今臨床上 3T 高磁場的 MRI 幾乎皆採用超導磁鐵(superconducting magnets)。

  • B. 使用永久磁鐵,所以不需要梯度線圈(gradient) 錯誤。任何磁振造影(MRI)系統,無論其主磁鐵(main magnet)採用何種類型(永久、常導或超導磁鐵),都絕對必須配備「梯度線圈」(gradient coils)。梯度線圈的功能是進行空間編碼(spatial encoding),包含切面選擇(slice selection)、相位編碼(phase encoding)與頻率編碼(frequency encoding),沒有梯度線圈就無法將共振訊號重建為具有空間解析度的醫學影像。

  • C. 使用電磁鐵,所以無法進行腦部造影 錯誤。首先,開放式 MRI 最具代表性的設計是使用「永久磁鐵」而非電磁鐵(少數早期機型可能使用常導電磁鐵,但非主流)。其次,無論開放式 MRI 使用何種磁鐵,皆可以配備對應的射頻線圈(RF coils)來進行腦部造影。雖然低磁場下影像的訊雜比(SNR)和空間解析度較低,掃描時間較長,但絕非「無法進行」。

  • D. 使用電磁鐵,所以不會產生化學位移假影(chemical shift artifact) 錯誤。第一,如前所述,開放式 MRI 多採用永久磁鐵。第二,化學位移假影(chemical shift artifact)的成因是水分子與脂肪分子中氫質子(protons)的進動頻率(precessional frequency)不同。這種頻率差異會與主磁場強度(B0)成正比,只要有磁場存在且同時包含水與脂肪組織,就會產生化學位移假影。雖然在低磁場(如 0.3T)下,水與脂肪的頻率差(Hz)較小,假影的寬度較窄,但「依然會產生」,並非完全不會發生。

答案解析

綜合以上分析,開放式磁振造影儀(open MRI)的經典架構是利用永久磁鐵來提供開放的檢查空間。永久磁鐵不需要依賴液態氦的超導環境,但受到材料特性的限制,其重量極大,因此臨床上的永久磁鐵 MRI 最高磁場強度通常落在 0.2T 至 0.4T 左右,少數能達 0.7T,但絕對無法達到 3T 的高磁場強度。空間編碼必備的梯度線圈、適用於全身各部位(含腦部)的掃描能力,以及無可避免的化學位移假影,皆是 MRI 的基本物理事實。因此,選項 (A) 的敘述完全正確。

核心知識點

醫事放射師國考針對 MRI 儀器學的常見考點,請考生務必掌握:

  1. 主磁鐵(Main Magnet)的分類與優缺點
    • 永久磁鐵(Permanent Magnet):主要用於低磁場開放式 MRI。優點為營運成本低(無需冷卻系統、液態氦)、開放式結構。缺點為重量極重、磁場強度低(通常 < 0.5T)、磁場均勻度較差且易受環境溫度影響。
    • 常導磁鐵(Resistive Magnet):利用銅線圈通電產生磁場,耗電量大且需水冷系統散熱,現已極少使用。
    • 超導磁鐵(Superconducting Magnet):目前高磁場(1.5T、3T 及以上)MRI 的標準配置。利用超導線圈(如鈮鈦合金 NbTi)在極低溫(< 4.2 K,由液態氦維持)下達到零電阻狀態,能提供極高強度且均勻穩定的磁場。
  2. 硬體組件的絕對必要性:無論磁鐵種類,**梯度線圈(Gradient coils)射頻線圈(RF coils)**對於 MRI 造影皆不可或缺。
  3. 假影與磁場強度的關係:**化學位移假影(Chemical shift artifact)**以及磁化率假影(Susceptibility artifact)的嚴重程度皆與主磁場強度(B0)成正比。

參考資料

  1. MRI - Permanent Magnet - MR-TIP: Database
  2. MRI Main Field Magnets
  3. MRI System | Radiology Key
  4. Permanent Magnets in Magnetic Resonance Equipment
  5. How does an MRI machine work? - An introduction to MRI instrumentation - YouTube
  6. Magnetic resonance imaging - Wikipedia