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腦,是一個十分精密且複雜的器官,由腦的外觀來看,它有許多皺摺、宛如一個迷宮。根據研究,腦實際蘊藏了約有一千億個神經元細胞,它們負責全身的訊息傳遞。擁有「腦」,一個人才能記憶、學習、控制身體活動、接收各種感覺、創造出情緒和個人意識,而我們對瞭解腦科學與心智奧秘的好奇與慾望,也將永遠無停止的一天。
與其他器官相同,腦也會退化、損傷,其主要原因是神經元產生病變,進一步影響到個體行為。有的病變會使人逐漸喪失記憶或認知(如阿茲海默症、路易氏體失智症)、有的病變會使人運動失調(如巴金森氏症、漸凍人症)、有的病變會使人無法控制自我(如癲癇)。這些腦神經元一旦發生病變,將對一個人,甚至對親友、周遭的影響,皆十分巨大。
當腦神經元發生問題,縱使你是怪醫黑傑克,具有精準解剖與完美縫合的手術能力,你也無法用肉眼判斷,哪些為不正常的神經元?幸而隨著科技進步,利用核磁共振造影(magnetic resonance imaging, MRI)技術掃描腦部,可建立腦部空間、結構、容量、形狀的影像資訊以及繪出腦連結體的圖像,使醫師即可針對影像判讀,評估腦神經元是否退化或損傷、腦部是否已經產生病變,並從中做出準確的醫療診斷。
核磁共振造影(MRI)是什麼?
科學家發現,氫原子的原子核,本身具有磁場特性。因此,當外加一個強大的靜磁場後,能夠誘導氫原子核做出整齊的排列,與磁場產生共振效應,進一步激發原子核放出電磁波訊號。收集這些訊號後,經過電腦的計算、分析,能將訊號進一步轉換,成為人們看得懂的影像結果;人們就能從影像中,判斷出需要的資訊。簡單的說,MRI就是創造強大的磁場,誘導氫原子整齊排列、釋放訊號,進一步描繪出影像。
自然界中,水分子(H2O)恰好具備2個氫原子,是非常好的核磁共振對象。另一方面,生物體的軟組織,例如:腦、肌肉、關節、韌帶、血管、神經系統等處,恰擁有較多的水分,也等同為氫原子數量相對豐富的區域。因此,MRI非常適合拿來掃描生物體的軟組織,並應用於觀察軟組織病變或損傷。有鑑於MRI不具有輻射性,掃描後身體不會產生游離輻射的傷害,這是它最明顯的優勢,也降低病人的疑慮;所以,MRI已是大型醫院必備的醫學造影與檢查儀器。
國內第一台「多尺度腦連結體3T磁振造影系統平台」
「多尺度腦連結體3T磁振造影系統平台(Brain Connectome 3T MRI System Platform)」是由國衛院生醫工程與奈米醫學研究所生醫影像團隊與台大醫學院團隊的合作研發成果。這不單單僅是一台MRI儀器,更是一個具擴充性的核磁造影平台,可助腦神經與精神疾病的診斷。MRI儀器並不罕見,但此團隊所研發的MRI系統平台,卻具有數件值得介紹的優點:
- 是第一台我國自主研發的成果。由於MRI是非常昂貴的醫療儀器,內部結構複雜,又涉及到電子、電機、資訊等專業,絕非輕易就能製造、生產。團隊運用許多關鍵核心技術,更自行進行系統軟、硬體的規劃、設計、製作、整合、測試,再輔以成像品質優化處理程序,整體效能已經超越一般的MRI儀器,這是一項非常了不起的成就。
- 磁場的單位為特斯拉(Tesla, T),而這項平台的磁場強度高達3特斯拉(3T),與一般的MRI儀器僅達1.5T相比較,它的磁場強度增加2倍,使氫原子核排列更為快速,因此不但能縮短掃描時間,更能提升影像的解析度。
- 具備大、小二種尺度梯度磁場。換句話說,它不但能掃描中、大型的動物(大尺度)如狗、豬、猴和人類,還能夠掃描小型動物(小尺度)如小鼠、大鼠、兔等。這項平台,於大尺度解析力較一般的MRI強3倍;小尺度解析力更較一般的MRI強10倍。
由以上說明,不難看出「多尺度腦連結體3T磁振造影系統平台」具備的特性。研發團隊也直接利用平台,進行動物試驗:大尺度梯度,以猴子為實驗對象;小尺度梯度,則以大鼠為實驗對象,經掃描腦部之後,分別建立出猴子與大鼠的腦部三維結構影像,以及腦連結體影像。這二種動物的腦部三維影像與牠們真實的腦部結構完全相同;腦連結體的圖像,則描繪出神經元的走向、分布,一覽訊息傳遞方式。上述實驗結果皆已撰寫成論文,且發表於一流的期刊,向國際呈現研發團隊的能力與3T MRI平台的優勢。
期望:提供腦部疾病研究與解決方案
美國總統雷根罹患了阿茲海默症、拳王阿里罹患了巴金森氏症、「洋基鐵馬」路賈里格罹患了漸凍人症,雖然疾病未打倒這些名人的心智,但卻深刻的影響他們的生活與行動,導致他們必須退下舞台。為了解決腦神經元的疾病,世界上許多頂尖研究機構、藥廠,都在深入研究,希望找出最佳的治療方式。
「多尺度腦連結體3T磁振造影系統平台」具備高解析度以及影像優化處理,縱使不打顯影劑,也能夠產生高品質核磁共振影像。另一方面,它更能做到腦部專用掃描,建立腦連結體醫學影像,這對於臨床轉譯、腦神經科學與精神醫學領域的研究,具有極大的助益。我們期望這項令國人驕傲的平台研發成果,能早日投入醫療臨床使用,協助醫師對於腦神經退化、損傷以及精神疾病做出精確診斷,進一步為病人早期發現病兆、早期治療,恢復健康,擁有更美好的人生下半場!
參考文獻:
- 《國衛院電子報》第852期 研究發展
- 精神疾病福音!國衛院研發首台「高階腦部MRI」掃描速度快1倍。ETtoday健康雲。ETtoday新聞。https://health.ettoday.net/news/1775778?redirect=1
- 磁振造影:核磁共振產生影像有利精準診斷。科技大觀園。科技部。
撰文者/汪詩海
資料及圖片來源/郭立威
文字編輯/劉盈秀、李岳倫 |音訊製作/劉盈秀