※ [本文转录自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 标题: 转贴文章--2003诺贝尔奖系列‧医学之旅 时间: Fri Dec 12 08:20:10 2003 《2003诺贝尔奖系列‧医学之旅》 　 MRI的美丽新境界 2003.11.16　中国时报 屈指数来， 与MRI（核磁共振影像）相关的领域， 已获得了五次诺贝尔奖， 并成为就业市场上的新宠… 核磁共振影像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）近年来已成为 放射诊断医学上一个重要的工具。MRI是利用射频无线电波作为刺激，以 观察特定种类之原子核在强大的静磁场下，受到扰动後於恢复平衡过程 中，所发出来的磁矩变化信号。我们可以利用法拉第定律，转换磁矩变 化信号为电信号，并经由二维傅立叶转换运算，求得物体中原来的原子 密度的影像。这个技术的优点除了不须要侵入人体，即可得人体的任意 方向剖面图之外，最重要的是它提供了人体软组织任意截面的结构，及 其他众多的物理参数讯息，而且尚未发现其对人体造成伤害。 核磁共振（NMR）的研究最早是由史丹佛大学的Felix Bloch以及哈佛大学 Edward Purcell二组研究团队在1946年所发表，但是那段时期有关核磁共 振的研究集中於使用连续变化的无线电波进行化学结构之分析。第一张二 度空间水标本的氢原子NMR影像，由在纽约州立大学 Stony Brook分校的 保罗‧劳特布尔（Paul Lauterbur，2003年诺贝尔医学奖得主）於1973年 所发表；位於英国诺丁罕大学的彼得‧曼斯菲尔德（Peter Mansfield， 2003诺贝尔医学奖另一得主）则在同年提出「NMR之固态绕射条纹」。这些 实验最主要的共同点，是使用具有线性梯度的静磁场来显示物质於空间之 分布，这个重大观念使NMR 迈进了MRI的领域。 MRI之得奖真可谓千呼万唤始出来，在1991年Sir Ernst因Pulse N MR及 2D NMR获得当年的化学奖以後，匆匆又过了12个年头。回顾NMR 的诺贝尔 史，1944年拉比（I. Rabi）即因量测原子核的磁矩而获颁物理奖；1952年 发现NMR现象并精确量测出来之F. Bloch和E. Purce ll也共同获得诺贝尔 物理奖；连同2002年K. Wuthrich因应用NMR来决定生医巨型分子之三维空间 结构而荣膺化学桂冠；屈指数来，与NMR 相关之领域已获得过五次之诺贝尔 奖项。 今年得奖人的贡献何在？ 一般NMR实验均须将磁场调整均匀，以求得不同结构的精确频谱讯息。不均匀 的磁场将导致异常过宽之频带，因而丧失了据以分析不同物质结构之频谱监 别率；此一调整磁场过程称做shimming，这是一个入门者必须学习的基础功 夫，物理学家及化学家以前已用了数十年。我们今天回顾历史，的确很难想 像二十多年来，竟然没有文献显示曾经有人想到过用这些平常想要去之而後 快的「杂讯」，来形成有用的「空间物质分布」信息。 劳特布尔及曼斯菲尔德的主要贡献，即明确指出利用不均匀的磁场「梯度」 来形成「空间解析度」，利用可控制之梯度大小，将空间讯息直接转换成频 谱之讯息，将NMR原理由结构分析，贯穿至空间物质数量分布之影像。仔细 想想，这两个完全互斥的讯息，一般人的确很难跳出传统训练的巢臼，想像 出其中的关联。一般化学家总觉得要不就在频谱上根据位置告诉我们这是什 麽物质，不然就是从影像的观点出发，只要能将特定空间上的物资多寡显示 出来即可。时至今日，MRI的发展迅速，除了可将物质之立体空间分布显示出 来，更可以结合NMR光谱分析特色，将一个组织中不同成份如脂肪、水分、 化合物之浓度影像，於MRI中分别显示出来，以作为诊断及手术治疗之依据。 曼斯菲尔德的贡献 除最先提出线性梯度之外，曼斯菲尔德所在的诺丁罕大学，在MRI 上亦有长期 而重要之贡献。现今使用的超快速成像方法回波平面成像（Echo Planar Imaging, EPI），乃由曼斯菲尔德於1977年提出。此一理论整整领先科技达 20年，直至90年代末，工业科技才有能力将其构想呈现出来。在梯度技术方 面，曼斯菲尔德於1986年提出主动遮蔽梯度系统，可说是现在MRI能够快速而 准确测量许多物理参数之重要基石。其他如应用在三度成像之回波立体成像 （Echo Volumar Imag ing, 1989）及无噪音之MRI系统，至今均仍走在现代 科技的前端；其在诺丁罕的实验室与另一个亚伯汀大学的实验室，亦可说是 全球MRI 产业人才的摇篮与进步动力。 MRI的应用 MRI自劳特布尔发表第一篇的论文後，历经另一个十年的软硬体发展期，於 1980年初方才有临床之仪器上市。直至今日，MRI仍在快速的蜕变中，硬体 不断创新、功能不断增加。整个MRI领域丝毫未见任何发展之迟滞。简单说 来，MR之应用由早期1980年代之T1、T2及密度影像开始，发展至1986年左右 之流场分布影像，研究者可以在不注射显影剂下，将身体内部的血液流速场 V（X, Y, Z, t）显示出来。同时为配合医生的诊断，亦发展出MR之血管摄影。 在1987~1989年，为缩短病人之检查时间，MRI在於软硬体方面均有长足的改 进，一方面使用快速成像方式，一方面也从事如前所述更精确之梯度波形仪 器设计。其同时之研究则以扩散系数（Diffusion Coefficient）影像之应用 为最，得以藉此从事脑中风之早期诊断。此外，MR温度影像亦同时发展，今 天医师已可以在热治疗中观察病人之即时温度影像，以观测组织之加热治疗 效果。 自1990年後，MR又进入了一个新的纪元，总的来说，由静态进入动态，由解 剖进入功能；成像不断加速，内容不断功能化。1990年开始的功能性影像 （fMRI）将MRI的影响，由医学带入认知科学界，全球由1995年开始进入fMRI 之热潮。直至今日，MRI的就业市场一直处於居高不下的人才需求状态。超快 速的影像仪使用曼斯菲尔德在1977年所提出的EPI方法，将成像时间大幅缩短， 连跳动中的心脏及位於其上之冠状动脉，都得以在1995年之後直接呈现出来， MRI几乎已成为医学影像中之透视V8摄影机。 另一方面，结合NMR分析光谱与MRI成像於一体之光谱MRI（Spectroscopic MRI） 也大幅提昇MRI之功能面，得以在人体上直接观察到特定组织的生化反应及异 常组织的范围。其他如MR弹性影像、MR压力影像、MR电流场之影像，均正在发 展中。即时监测之手术用影像系统（MR Intervention）亦开始使用，其影像 本身不但使用在手术前的计画，更直接应用在手术中，以得到即时之反馈。如 此之手术，伤口更小，癒合亦快，住院时间也跟着缩短，加上其手术成功率高， 业已成为未来手术房之新面貌。 随着基因体的发展，21世纪的MRI已进入一个崭新的纪元。生医分子影像得以在 活体上直接观测到特定的基因表现与蛋白质表现；新的多通道成像MRI （Multi-channel Parallel Imaging）将再向下缩短既有的成像时间；生医分 子影像对空间解析度、时间解析度及信号杂讯比的需求，预期将使MRI在可见的 未来内，产生划时代的改变；除了医用MRI系统将不断成长，配合生技制药使用 的小型MRI系统亦将不断推陈出新，朝微米级、微机电、及可携带式之MRI来发展。 对国内研究的期许 分析国内三大MR研究中心，荣总以大脑科学为主；台大以创新科技为主轴， 未来将与台大医院加强临床研究；而中研院生医所则以生技为其特色。这三 大研究中心各有其发展重点，唯规模均小，且缺乏完整架构，目前虽已於特 定领域领先，但很难与国外之大中心做全面竞争。我们最近与国外相关学者 接触，一方面感受到国外着名实验室对我们成果的高度兴趣与肯定，一方面 也为国内如何继续更上一层楼而思索。 前人的一念之间，造就了MRI之美丽新境界。如何为後人创造更好之环境，实 为我们今天之当务之急。 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

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