核磁共振黑科技，揭秘你的身体秘密

核磁共振黑科技，揭秘你的身体秘密

核磁共振成像（MRI）是一种利用原子核自旋和外部磁场相互作用的成像技术，能够生成人体内部结构的高分辨率图像。这项技术不仅在医学诊断中发挥关键作用，还能应用于神经系统研究、生物医学研究、材料科学等领域。无论是检测脑部疾病还是分析食品质量，MRI都以其独特的非侵入式特性，为我们揭示了许多肉眼无法看到的秘密。让我们一起探索这种神奇的技术吧！

核磁共振成像的基本原理是利用人体内各部分组织中的水分或其他有机物质，如脂肪。这些物质中的氢原子核磁矩大小不同，通过磁场将体内分子磁化，再通过共振方式传递能量于人体，便可藉由回传之讯号解析人體各部分組織不同磁矩而產生訊號差別進而組成影像。磁振造影技術並不具放射性，電磁波頻率與一般廣播調頻接近，屬於低頻率，並不會對人體造成危害。由於磁振造影具有安全性高與軟組織高對比度等特性，近年來在醫學領域與研究領域內皆被廣泛的使用。

核磁共振成像在医学诊断中具有广泛的应用，特别是在神经系统疾病和肿瘤的诊断方面。例如，术中磁共振成像（iMRI）在脑部手术中发挥着重要作用。神经外科医生利用iMRI来引导他们切除脑肿瘤以及治疗癫痫等其他状况。在手术过程中使用iMRI创建实时影像对于以下方面至关重要：

• 在脑部发生移位的情况下定位变化。手术期间脑部经常移位，这使得术前成像不够精确。在手术期间使用iMRI成像有助于为外科医生提供最准确的信息。
• 辨别健康脑组织与肿瘤。辨别脑肿瘤的边缘并将健康组织与需要切除的组织分开可能比较困难。在手术期间使用iMRI成像有助于确认是否已成功切除整个脑肿瘤。
• 保护关键结构。借助一种称为激光间质热疗法（LITT）的手术，外科医生可以通过加热组织并使其失活来治疗癫痫。这种手术通过微创方法来中断癫痫发作。通过使用iMRI监测大脑温度，外科医生能够保持温度足够低，以避免手术过程中造成损伤。在MR引导超声中，外科医生可以在不进行手术的情况下，将超声能量聚焦在导致癫痫的大脑区域。

此外，核磁共振成像在诊断周围神经瘤等神经系统疾病方面也具有重要价值。通过生成神经和组织的详细三维视图，医生能够了解肿瘤情况并制定治疗方案。其他相关检查方法，如计算机断层成像（CT）、肌电图（EMG）和神经传导检查，可以进一步帮助医生确定肿瘤对患者的影响。

在恶性周围神经鞘瘤的诊断中，MRI能够通过影像学检查了解癌症的大小和扩散情况。活检等进一步检查可提供更多癌细胞信息，帮助制定治疗计划。手术、放射疗法和化疗等治疗方法的选择取决于肿瘤的类型、位置和症状。

近年来，核磁共振成像技术取得了重要突破。香港大学团队开发出一种适用于全身的磁力共振扫描仪，成本远比目前医疗应用的MRI扫描仪低，而且更安全，亦无需要昂貴的安裝設施，只需接駁標準牆身插座的電源，無需射頻或磁場屏蔽技術便可使用。

港大團隊的究成果已在知名科學期刊《科學》上發表，並被推介為觀點文章。
過去幾十年MRI科學工程界普遍認為，在超低磁場強度下進行人體成像具有極大的挑戰性。港大團隊研發的掃描器，採用小型 0.05 Tesla超低磁場強度永久磁鐵，結合主動感測和深度學習來處理電磁干擾 (EMI) 訊號。研究人員在掃描儀周圍部署了 EMI 感測線圈，運用深度學習方法，從收集的數據中直接預測無電磁干擾的核磁共振訊號。
團隊還開發了一種深度學習影像形成方法，以提高影像質量並減少掃描時間，新方法整合了影像重建和三維超解析度，並利用高場高解析度 MRI 資料中的同質人體解剖結構和影像對比度。
港大團隊在0.05 Tesla超低磁場強度下成功實施常用的成像方法，包括 T1 加權、T2 加權和擴散加權成像，並優化了不同解剖結構的對比。每個方法的掃描時間設計為 8 分鐘或更短，影像解析度約為 2x2x8 mm3。掃描時掃描器功耗低於1800W，閒置時功耗約300W。
研究團隊對健康志願者進行影像掃描，捕捉大腦、脊椎、腹部、肺部、肌肉骨骼和心臟影像。深度學習有效消除EMI訊號，實現在無屏蔽情況下獲取清晰成像。腦部影像顯示了各種腦組織，而脊椎影像則顯示了椎間盤、脊髓和腦脊髓液。腹部影像顯示了肝臟、腎臟和脾臟等主要結構。肺部影像顯示肺血管和薄壁組織。膝蓋影像識別了膝蓋結構，例如軟骨和半月板。心臟動態影像描繪了左心室收縮，而頸部血管造影則顯示了頸動脈。
此外，深度學習極大地提高了各種解剖結構（包括大腦、脊椎、腹部和膝蓋）的影像質量。此創新技術有效地抑制了雜訊和偽影，並提高了影像空間解析度。
研究團隊開發的這款低功 耗且簡易的全身 0.05 Tesla MRI 掃描儀，無需射頻或磁場屏蔽即可運行，有望解決 MRI 的可及性問題。團隊透過實驗證明掃描儀的通用性，即使在強烈 EMI 訊號的干擾下，也能對各種人體解剖結構進行全身成像。團隊還展示了深度學習影像潛力，透過利用深度計算和大量的高場 MRI 數據，將0.05T影像品質大幅提高。
吳學奎教授指出，今次具突破性的研究成果，將促進開發一種全新的以患者為中心、由深度學習驅動的超低場 MRI 掃描儀技術，以解決全球不同醫療保健環境中未滿足的臨床需求。
「我們期待在未來幾年與校内和全球的臨床科學家合作，推進計算驅動的成像技術發展並探索臨床價值。核磁共振現象是大自然賦予我們人類的禮物，因我們的體內存在大量可通過MRI觀測到的水分子，我們須更多發掘和利用這種物理現象，造福人類。」吳教授說。
《科學》文章連結:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0670
《科學》觀點文章連結:https://www.science.org/stoken/author-tokens/ST-1847/full

随着技术的不断进步，核磁共振成像的应用领域也在不断拓展。在材料科学领域，19F磁共振成像技术通过使用特定的氟化分子和纳米乳液技术，实现了高空间分辨率和软组织对比度的成像。这些技术在疾病监测、诊断和治疗中具有重要应用价值。

此外，核磁共振成像在生物医学研究中的应用也在不断深入。通过结合深度学习等人工智能技术，MRI能够更准确地识别和分析复杂的生物组织结构，为疾病研究和药物开发提供有力支持。

总之，核磁共振成像技术以其独特的优势和不断创新，正在为医疗诊断和科学研究带来革命性的变化。随着技术的进一步发展，我们有理由相信，MRI将在更多领域展现出其巨大的应用潜力，为人类健康事业做出更大的贡献。