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利用核磁共振影像的魔角效應來精準判斷膝關節損傷

出處 Imperial 作者 劉聖哲 年份 2019/08/07
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2019年8月
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  英國倫敦帝國學院(Imperial College London)的研究人員利用一種在核磁共振影像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging, 簡稱MRI)影像學中廣為人知的「魔角效應(magic angle effect)」的現象,開發出適合膝關節受傷患者的「迷你MRI掃描儀」原型機(prototype)。此機器的外觀看起來像是個大金屬環,能讓患者將腿置於其中以進行掃描,幫助醫生更快、更準確診斷疾病,例如常見於足球員的「前十字韌帶損傷(anterior cruciate ligament injuries)」等膝關節傷害。此研究成果已發表在最近期「醫學核磁共振(Magnetic Resonance in Medicine)」期刊上。

  當人的膝蓋受傷時,主要受影響的可能是肌腱、半月板或韌帶等部位,為了確定清楚是哪部分受傷,醫生可能會安排患者進行膝關節MRI掃描。MRI掃描原理是利用無線射頻電波和強磁場的組合來「搖動」人體內水分子,使水分子排列方向產生變化,並發出能量信號,再由機器接收這些信號進而產生影像。但是肌腱、韌帶和半月板大部分是由排列成纖維狀的膠原蛋白所組成,其中的水分子則是被膠原蛋白以很緊密的結構牢牢抓住,無法在進行MRI掃描時放出足夠的能量信號,致使肌腱、韌帶和半月板這些部分在MRI影像中常常不是很清楚,或者是呈現黑色,造成醫生判斷困難。

  為了克服上述問題,研究團隊想出利用「魔角效應」這個現象:MRI影像中肌腱、韌帶等組織的亮度,會依掃描時膠原纖維主軸線與MRI磁場方向兩者間之夾角而定,當夾角大約是55∘時(理論值54.7356∘),肌腱、韌帶的影像會非常明亮,但是對於其他的角度,通常就會變得很暗。一直以來,此現象在MRI影像學中被視為是個問題,因為它很容易造成醫生對影像產生誤判。

       但是倫敦帝國學院的研究團隊卻認為若能在膝蓋周圍進行多次掃描,則魔角效應反而可以用來幫助建立清晰的膝蓋結構圖像。基於這樣的想法,他們設計出能輕易改變磁場方向的MRI掃描儀,且僅以類似工廠機器人用的馬達與感測器作出原型機。當患者接受掃描時,此機器上的磁鐵會圍繞腿部旋轉,將磁場指向多種不同的方向以進行掃描,這在目前醫院裡的MRI掃描儀是不可能做到的。

       研究團隊表示:將多個不同MRI磁場角度下掃描獲得結果合併起來,不僅增加了膝蓋影像的亮度,還能清楚看到膠原纖維排列方式,從而建立膠原纖維在膝關節結構中的模式,這將會是膝關節治療前的關鍵資訊。目前此研究雖然還處在早期概念驗證的階段,但已證明此技術確實可用於準確檢測膝蓋損傷。研究團隊接下來將進入人體試驗階段,並探索這項技術是否可以用於腳踝、手腕、肘部等其他關節。