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MRI 簡介 :

磁共振影像的產生

鍾孝文 教授

台大電機系 三軍總醫院放射線部

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什麼是 MRI (磁振造影) ?

• M : magnetic 磁

• R : resonance 共振

• I : imaging 影像

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MRI 的產生

• 人體 = 磁鐵 ??

• 磁鐵運動 = 感應電流 ??

• 經過編碼與計算 = 影像 ??

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MRI 的產生

• 人體 = 磁鐵 ??

• 量子物理現象

• 如何強化人體磁性 ?

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“器官小磁鐵”

器官內的氫原子核酷似小磁鐵

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MRI 的產生

• 磁鐵運動 = 感應電流

• 類似發電機原理

• 如何迫使人體磁性產生運動 ?

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射頻激發

射頻線圈激發器官小磁鐵使之旋轉

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MRI 信號的偵測

磁生電 (法拉第定律)

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MRI 的產生

• 根據位置對信號作編碼

– Location-dependent signal

• 感應電流經過適當計算 = 影像

• 傅立葉轉換

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MRI 的產生

• 人體 = 磁鐵

• 磁鐵運動 = 感應電流

• 經過適當計算 = 影像

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什麼是 MRI (磁振造影) ?

• 磁 : 信號的來源

• 共振 : 激發偵測的原理

• 影像 : 信號轉為影像的方式

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MRI 的產生

• 人體 = 磁鐵

• 磁鐵運動 = 感應電流

• 經過適當計算 = 影像

• 人體磁鐵愈強，信號愈強 ?

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人體磁性強度的影響

顯然磁性愈強 信號也愈強

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MRI 的產生

• 人體 = 磁鐵

• 磁鐵運動 = 感應電流

• 經過適當計算 = 影像

• 這些功能需要些什麼設備 ?

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MRI 的儀器硬體

• 使人體變成磁鐵的設備

• 迫使磁鐵運動的設備

• 接收信號的設備

• 把信號轉為影像的設備

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MRI 的儀器硬體

• 使人體變成磁鐵 : 強磁場

• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈

• 接收信號的設備 : 射頻線圈

• 把信號編碼 : 梯度線圈

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磁共振影像儀 (MRI Systems)

GE Signa Horizon Siemens Magnetom

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MRI 的儀器硬體

• 使人體變成磁鐵 : 強磁場

• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈

• 接收信號的設備 : 射頻線圈

• 把信號編碼 : 梯度線圈

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射頻線圈 (RF Coils)

Head Coil Surface Coils

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不同線圈的影像比較

體線圈 頭部線圈 表面線圈

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MRI 的儀器硬體

• 使人體變成磁鐵 : 強磁場

• 迫使磁鐵運動 : 射頻線圈

• 接收信號的設備 : 射頻線圈

• 把信號編碼 : 梯度線圈

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MRI 的梯度線圈 (Gradient Coil)

z gradient coil

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MRI 主要儀器元件

Shim coils Gradient coils

RF coil

磁鐵

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儀器硬體的控制

• 當然是用電腦控制掃瞄過程 !

• 控制各線圈的 “開” “關” 時間

• 脈衝序列 (pulse sequence)

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MRI 脈衝序列 (Gradient Echo)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

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影像掃瞄如何加速 ?

• 適當控制各線圈的 “開” “關” 時

間

• 改變脈衝序列就可以了

• 在現有硬體的極限以內

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MRI 脈衝序列 (Gradient Echo)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

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部分迴訊功能 (Fractional Echo)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

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半傅立葉功能 (Half Fourier)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

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實例

• GRE (梯度迴訊)

• FSE (快速自旋迴訊)

• Half Fourier (半傅立葉影像)

• EPI (面迴訊影像) ... (太多了)

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那麼看來 ...

• 只需要適當利用脈衝序列控制各線

圈，MRI 成像要快要慢隨心所欲

• 可是 ...

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腦部 MRI 的不同對比

PDWI T1WI T2WI

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MRI 影像的表現方式

• 質子密度 , T1 , T2 ...

• 既然成像原理都相同

為什麼影像明暗都不一樣 ?

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什麼是 MRI (磁振造影) ?

• 磁 : 信號的來源

• 共振 : 激發偵測的原理

... 少了一項 ?

• 影像 : 信號轉為影像的方式

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什麼是 MRI (磁振造影) ?

• 磁 : 信號的來源

• 共振 : 激發偵測的原理

• 偵測之前，信號所發生的變化

• 影像 : 信號轉為影像的方式

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組織磁性的 T2 衰減情形

時間

信號強度

磁鐵愈變愈小了 !

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TE 對 T2 對比的影響

TE = 30 TE = 90 TE = 150

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MRI 影像的對比

• 偵測之時的信號強弱，

直接影響影像對比

• 可不可以用人為方式

在偵測之前改變信號 ?

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MRI 影像對比的種類

• 質子密度 , T1 , T2 ...

• 血管攝影 ?

• 分子擴散影像 ?

• 不勝枚舉 !

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如何控制對比 ?

• 脈衝序列 (pulse sequence) !

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梯度迴訊 (GRE)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

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梯度迴訊 (GRE) 加入反轉回復 (IR)

x 梯度線圈

y 梯度線圈

射頻線圈

z 梯度線圈

t

t

t

t

1800

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影像對比的產生實例

• IR (反轉回復)

• STIR (短 TI 反轉回復)

• FLAIR (腦脊髓液抑制反轉回復)

• MP (磁化準備)

• ... (太多了)

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T1、T2 弛緩現象 凸顯腫瘤病灶

良性神經膠質瘤 (low-grade glioma)

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多重硬化症 (Multiple Sclerosis)

Pre-Contrast Post-Contrast

reactivation

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水影像 及 脂肪影像

In-phase 水影像 脂肪影像

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選擇性壓制 CSF 信號 (FLAIR)

T1WI T2WI FLAIR

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3D Time-Of-Flight MRA

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血流流速量測 (上腔大靜脈 reversed flow)

SVC flow profile in one cardiac cycle

SVC flow

cardiac phase

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腦部動態微灌流影像 (perfusion)

動態影像系列 腦血量影像 (CBV)

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神經膠質瘤的 Perfusion MRI

F/U at 7 months

F/U at 1 year

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擴散影像用於缺血性中風

早至 2 小時左右即可能觀測到 infarct 區域

T2 影像 擴散權重影像

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Hyperacute 缺血性中風

5 小時 after symptom onset

T2 影像 擴散權重影像

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擴散現象的不等向性 (Anisotropy)

水分子順著纖維方向擴散最快

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典型擴散不等向性的影像表現

人腦影像 反映白質神經纖維方向性

b = 0 slice read phase

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心肌纖維 Tracking

纖維方向 (擴散張量影像)

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擴散張量 Fiber Tracking

Corpus callosum 白質神經纖維路徑

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老鼠腦部 T2* 影像

正常空氣 呼吸純氧

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視覺刺激時的 MR 信號改變

受刺激時信號增強

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視覺刺激所得的 T2* 影像

Kwong et al., PNAS 1992

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腦功能影像 (左耳聽覺刺激)

灰階 : 解剖位置 彩色 : 神經元活化區

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缺血性中風的 MR 化學位移影像

T1 影像 區域頻譜

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神經膠質瘤的 MR 化學位移影像

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神經膠質瘤的 NAA Map

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神經膠質瘤的 Choline Map

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腦部以外的應用呢 ?

• 那還用說，保證一大堆 !

• 腹腔、骨骼、心肺、胎兒、動物、

植物、礦物 …

• 就看怎麼發揮

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肝臟腫瘤 MR 影像

Pre Gd Arterial phase

VIBE MIP Portal venous phase

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膽道攝影 (MR Cholangiography)

原始 T2 TSE 影像 MIP (最大亮度投影)

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Contrast-Enhanced 3D Body MR 影像

腸道影像 關節影像

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心臟型態與功能 MR 影像

Morphology

Viability

Coronary arteries

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動態血管攝影

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胎兒腦部髓鞘化 (myelination) 的 MRI

2D TrueFISP (1 sec scan)

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胎兒腦部 in utero MRI 與 Histology

22 weeks gestation

Immature cortex

Intermediate zone

Row of migrating neurons

Germinal matrix

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植物 MR 影像

蔥 絲瓜

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植物 MR 影像

黃瓜 苦瓜

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Double Quantum Filter (?? 啥米碗糕 ?)

完全非傳統的 MRI contrast

Tendon in rat tail (highly structured collagen fibers)

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喂 ! 太多了吧 !

• 對不起，以後這些變化只會更多

• 型態 + 功能 + 代謝 = 綜合診斷

• “無放射性” 不是 MRI 的最重要優

點

• “多樣性資訊” 才是 !

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聽完 Fancy 的 MRI 之後 …

• 太棒了 ! 趕快拿來做研究 …

• 按完 Return，影像就出來了 ?

• 可惜天下沒有白吃的午餐

• 不然你們也不需要我來上課 …

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我的 MRI 機器出了什麼問題 ?

別人掃描這樣 ! 我掃描成這樣 ?

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我的 MRI 機器出了什麼問題 ?

別人掃描這樣 ! 我掃描成這樣 ?

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你不是告訴我成像可以加速嗎 ?

TSE T2WI EPI T2WI

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這和我有什麼關係 ?

• 我醫師負責診斷，照相沒我的事 ?

• 我放射師會操作機器就可以照相了 ?

• 我是研究生，只要做出論文就好 ?

• 我是外系的，只應用 MRI 做為工具 ?

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只是簡單的 Multi-Echo 而已呀 ?

1st 2nd 3rd 4th

燒杯內裝純水

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水影像 及 脂肪影像

In-phase 水影像 脂肪影像

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儀器不是有 Fat Suppression 功能嗎 ?

是機器的問題 ? 還是操作員的問題 ?

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選擇性壓制 CSF 信號 (FLAIR)

T1WI T2WI FLAIR

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那麼第四腦室的 FLAIR 怎麼說 ?

腦室內出血 ? 完全正常 ?

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3D Time-Of-Flight MRA

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有沒有 Stenosis ?

MRA XRA

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同樣是 MRA 呀

幾乎正常 ? 血管呢 ?

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腦功能影像 (左耳聽覺刺激)

灰階 : 解剖位置 彩色 : 神經元活化區

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到底哪一個 fMRI 才是對的 ?

操作員甲 操作員乙

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了不起 ! 腦脊髓液 (CSF) 也會思考 !

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神經膠質瘤的 Perfusion MRI 與 MRS

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同樣機器、同樣條件的 MRS

同一筆數據耶 ! 怎麼差異那麼大 ?

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您畢業後要走這行嗎 ?

• 您要走這行 ?

– 所有的困難您都會逐漸碰上

• 畢業後改行 ?

– 一學期要學通，更是困難

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MRI : 功能強大、難以精通

• 請各位不妨自問 :

– 實驗結果不是您自己的錯嗎 ?

– 您確定不需要好好學嗎 ?

• 我相信您需要再多學一些

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看看 MRI 發展的速度 (昨日與今日)

Brain MRI (1980 JCAT) 今日常見的 MRI

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MRI 的今日 (國內)

1.5 Tesla 腦功能影像 (左耳聽覺刺激)

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MRI 的今日 (國內 1.5 Tesla)

Cortical surface Cortical inflation

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MRI 的今日 (國內 1.5 T) : 大腦認知反應

professional amateur

corrected p-value 0.05 corrected p-value 0.05

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MRI 的今日 (國內) : 白質神經纖維走向

胼肢體

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MRI 不久後的未來 ?? (以 CSI 為例)

每一個影像的點都含多種多維頻譜及蛋白質結構

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MRI 不久後的未來 ?? (以 CSI 為例)

活體蛋白質結構與功能

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怎麼樣 ? 醒醒 !

•該好好唸書了，是不 ?

• 歡迎有志者加入行列

• 不要寄望一學期就學通 MRI !

• 後悔退選絕不嫌太遲