台灣磁振造影技術占全球學術重要地位化學系舉辦新世代磁共振成像術之研發成果發表

磁共振成像在現今的醫學診斷上佔了舉足輕重的角色，其研究涵蓋的領域包含物理、化學、醫學及電機等，由臺灣大學研究群為主要成員，國科會支持的「新世代磁共振成像術之研發II」計畫集合了專家學者，共同為發展更為先進的磁共振成像技術，貢獻各自領域的專長，以求對醫學診斷有更完整的貢獻。雖說科學研究永無止境，經過將近四年的努力，成功且超出原先預期的完成了多項成果：在硬體的發展上，”寬頻磁振造影”技術有效的使用通信頻寬來增加磁振造影的單位時間資訊量。由諸多實驗結果證實，次世代寬頻磁振造影具有將傳統磁振造影速度加快二至八倍的效果，同時能維持原有影像品質，所提升的時間及空間解析度，可以大大地增加許多應用診斷的可能性。不只使得全身高解析度癌症篩檢成為可能，也因為造影時間的顯著縮短，應用在醫療服務面上時，不僅讓診斷對象能獲得最即時而必要的醫療協助，更能夠同時降低醫療院所成本、並提高儀器廠商獲利。

除了在現有的磁共振成像基礎上不斷改進，也利用預先極化磁量技術應用於低磁場SQUID核磁共振與造影術，創造出高解度(1 Hz頻寬) 與高訊雜比之SQUID磁振頻譜儀技術，創造100mT磁場及低濃度之磁性粒子即可增強影像對比之特色，成功以低場磁共振進行生物標地物與腫瘤檢驗，在價格成本上是高磁場磁共振所無法相抗衡的。同時，以磁通耦合技術創新超極化3He稀有氣體來增強低磁場磁振造影，接下來將可應用於肺部造影與檢測。

在原理的發展上，以核自旋物理的角度利用核自旋的動態學來產生新的成像對比，發展出主動式回饋增強磁共振成像(Active Feedback Enhanced MRI)，增加影像上的對比度，實際應用上也成功地在活體老鼠上達成癌症腫瘤的早期偵測，結果較現在普遍使用的成像方法提升至少四倍以上的對比度，大幅提昇早期偵測腫瘤的成功率。此外也發展了一種以永久磁鐵製作，輕巧、低成本的單邊可攜帶式核磁共振儀，利用裝置產生的靜磁場梯度可以做薄膜的一維成像和液體的自擴散係數測量，並應用在聚合物材料區分、觀測樹脂硬化等非破壞性檢測上。

在臨床應用研究上，本計畫以功能性與擴散頻譜造影技術探索大腦功能及白質結構與神經、精神疾病的關係。並致力於研發尖端磁振造影技術與開發影像資料分析，建構影像重建分析平台，應用於神經科學與臨床疾病研究。由於擴散頻譜造影技術能非侵入性地呈現腦部神經軸突纖維束走向，對基礎或臨床研究都深具價值。在過去五年中，此技術成功地運用於泛自閉症障礙症候群、精神分裂症、中風以及癲癇等疾病之研究。

除了基礎醫學應用外，本計劃更應用磁共振成像到材料領域體的應用體系集中於多孔材料（特別是微米、亞微米尺度的孔洞）的結構和小分子在孔道裏的擴散行為、燃料電池裡的溶液分子傳輸行為，以質子傳導膜（Nafion）為實例，成功地建構了Nafion介觀尺度下的結構模型。各項子計畫包括：

子計畫一主持人：闕志達/陳志宏

計畫名稱：超高速磁振成像系統之研究：以寬頻無線通訊理論建構之新世代MRI執行期間：95/04/01~99/03/31

成果說明

本子計畫結合電機專長背景以及醫學影像專門，將現代無線通訊中多通道射頻訊號處理的概念導入磁振造影，建立一個新世代的磁振造影系統。在此計畫中，這兩個領域的技術將被結合以提供一個新世代的高時間空間解析度的磁振造影儀。

經過四年努力所研發出的次世代＂寬頻磁振造影＂技術變是有效的使用通信頻寬來增加磁振造影的單位時間資訊量。由諸多實驗結果證實，次世代寬頻磁振造影具有將傳統磁振造影速度加快二至八倍的效果並維持原有影像品質，所提升的時間及空間解析度可以大大的或增許多應用診斷的可能性。不只是使得全身高解析度癌症篩檢成為可能，也因著造影時間的大大縮短使得在醫療服務面上，能夠同時使得儀器廠商、醫療院所以及診斷對象受益。

寬頻磁振造影更可以與現今許多磁振造影技術如平行造影技術、擴散造影、動態對比、血液造影以及功能性磁振造影成相結合，將這些既有的技術提升一個層次，賦予更多可提供的生物醫學資訊以及相關的研究。

自從去年開始在國際會議發表相關成果後，便廣泛地引起學術界及產業界的高度注目，並且與多家國際大廠在接洽技術轉移當中。相信在未來，此創新系統必定能夠提供更多生醫資訊的可能性，並使得台灣在磁振造影技術演進的歷史上占有重要的一席之地。

子計畫二主持人：楊鴻昌計畫名稱：多通道SQUID 在前瞻性磁共振造影與生物磁學影像的基礎與應用研究執行期間：95/04/01~99/03/31

成果說明

創新高敏感度SQUID物理與技術，並將SQUID 應用生物磁學:如低磁場磁共振與造影、心腦磁圖。創新SQUID 物理與生物磁學之磁共振與造影、心腦磁圖研究成果分別以專題評論發表於 J. Appl. Phys.及Supercon. Sci. Technol. 知名雜誌。SQUID創新物理研究成果獲登美國應用物理雜誌期刊封面。結合標靶奈米磁性粒子有效增強影像磁振造影對比受國際重視，主動邀稿刊登於國際奈米雜誌網頁。http://nanotechweb.org/articles/news/6/2/11/1. http://nanotechweb.org.cws/article/tech/34809.以預極化磁化量技術應用於低磁場SQUID 核磁共振與造影術，創造出高解度 (1 Hz頻寬) 與高訊雜比之SQUID 磁振頻譜儀技術，並應用於電子媒介三甲基磷酸等化學物質之J-耦合物理研究。創造100 mT磁場及低濃度之磁性粒子即可增強影像對比之特色，成功以低場磁共振進行生物標地物與腫瘤檢驗，在價格成本上是高磁場磁共振是無法相抗衡的。結合標靶奈米磁性粒子有效增強影像磁振造影對比。成功以磁通耦合技術創新超極化3He 稀有氣體來增強低磁場磁振造影，將可應用於肺部造影與檢測。

與臺大醫院合作進行心磁圖心臟生理學等動物及臨床等研究。分析高血脂兔子與正常兔子心磁圖之影像數據，研究成果顯示心磁圖造影術能早期偵查出心臟疾病，此結果對對心血管疾病之偵查與預防及人類健康有相當幫助。臨床研究上已創新心磁圖光滑指標與T-波檢驗參數，大大提升診斷心肌缺氧疾病之特異性與敏感度。

子計畫三主持人：黃良平計畫名稱：利用分子遷移性選擇性成像技術及移動式成像儀之發展執行期間：95/04/01~99/03/31

成果說明

現今的生物醫學研究中，分子影像研究是成長相當快速的領域，本計畫主要的目地是以核自旋物理的角度研究發展新的方式，以改進磁共振分子影像(MRI molecular imaging) 的品質。傳統的磁共振成像方式針對性質類似的組織無法產生有效的區別，本計劃以台灣大學化學系黃良平教授領導的實驗室，與美國加州大學洛杉磯分校化學暨生物化學系合作，以物理化學的角度利用核自旋的動態學來產生新的成像對比，方法上我們發展出主動式回饋增強磁共振成像(Active Feedback Enhanced MRI)，原理就像是麥克風與喇叭相對時，會產生刺耳的”echo”一樣，將偵測物體原本微小的訊號差異，利用射頻通訊的技術建立出的硬體，使訊號回饋至原系統，進而放大微小的差異，增加影像上的對比度，應用上我們也成功地在活體老鼠上做到癌症腫瘤的早期偵測，結果較現在普遍使用的成像方法產生了至少四倍以上的對比度。

此外我們也發展了一種以永久磁鐵製作，輕巧、低成本、製程簡易的單邊可攜帶式核磁共振裝置，利用裝置產生的靜磁場梯度可以做薄膜的一維成像和液體的自擴散係數測量，並已使用在聚合物材料區分、即時觀測樹脂硬化、奶粉脂肪率測量等非破壞性材料檢測上。

子計畫四主持人：曾文毅計畫名稱：功能性與擴散頻譜造影在大腦功能與軸突纖維束之研究與應用 執行期間：95/04/01~99/03/31

成果說明

本子計畫的目標是以功能性與擴散頻譜造影技術探索大腦功能及白質結構與神經、精神疾病的關係。在九十五至九十九年期間，本研究團隊致力於研發尖端磁振造影技術與開發影像資料分析軟體，從擴散頻譜磁振影像前處理、神經纖維束走向重建、神經量化分析，以及神經影像視覺呈現都可藉由同一套軟體完成。影像重建分析平台建構完成後，尖端影像技術即能應用於神經科學與臨床疾病研究。由於擴散頻譜造影技術能非侵入性地呈現腦部神經軸突纖維束走向，對基礎或臨床研究都深具價值。在過去四年中，此技術成功地運用於泛自閉症障礙症候群、精神分裂症、中風以及癲癇等疾病之研究。例如：本研究團隊在癲癇動物模型中發現擴散頻譜造影指數與癲癇嚴重程度呈顯著相關性。另外，泛自閉症障礙症候群與精神分裂症患者之大腦白質神經纖維束失去左側化現象，連結左右半腦的胼肢體神經束呈現擴散頻譜造影指數低下現象。此外，本實驗室也建立了平靜狀態功能性磁振造影之技術，並率先描繪出預設模式迴路中整體之結構性聯結以及功能性聯結。這些臨床研究上之經驗和技術研發上之優勢為本實驗室構築了相當穩固之基礎。截至目前為止，研究成果已有七篇SCI 論文，七十五篇國際會議論文與一項美國專利，成績斐然。

子計畫五主持人:丁尚武　計畫名稱：高分辨磁共振微成像技術的進一步研究及實用執行期間：95/04/01~99/03/31

成果簡介

能源問題是目前世界上最迫切的問題，攸關世界安全和人類未來，因此，各國一直在努力尋求各種能替代化石能源的辦法。燃料電池由於其清潔、簡易、靈活性等特性，成為一個頗具競爭力的替代能源，但是，如何提高燃料電池之效能，壽命及性能價格比等品質參數，使之成為實用廉價之新能源，一直是全球大量實驗室為之努力的目標。其中一個關鍵性問題是如何提高質子傳導膜的傳導能力和使用壽命。目前最為成功的燃料電池質子傳導膜是聚四氟乙烯磺酸鹽Nafion系列材料。對這類材料之結構和動態的瞭解對改進燃料電池效能至關重要。但是，由於Nafion材料結構非常複雜，從0.1奈米到1微米的不同尺度上具強烈的異質性，而且表現出從皮秒（10-12秒 到秒量級的寬廣動態，因此透過直接測量獲得質子傳導膜各尺度結構之定量可靠暨完整資訊，一直是燃料電池領域的重大任務也是重大挑戰。

本子計劃的目標是透過研發更高空間和時間解析度的磁共振微成像技術並利用它們來研究材料和生物體系的結構和動態。本方法最好的空間解析度已接近微米甚至亞微米，也成功地與變溫等條件整合起來，因而產生了一些引人入勝的成果。我們將此方法用於Nafion這種複雜異質材料，利用鬆弛，擴散及化學位移選擇成像，可以獲得微米、亞微米尺度的孔洞的結構和小分子在孔道裡的擴散行為、燃料電池裡的溶液分子傳輸行為。進一步結合特定溶劑分子的擴散張量影像，成功建立起Nafion介觀（10nm - 1μm尺度）之結構模型。