[物理史] 磁振造影在臨床診斷方面使用到基礎物理

磁振造影在臨床診斷方面使用到基礎物理
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2006年7月）

拉比（I. I. Rabi）

全球首次為病人做核磁共振造影（MRI）檢查是在 1977 年 7 月 3 日。核磁共振利用原子在磁場中不同的行為來辨識它們，現在已成為人體內組織造影及疾病診斷極其有用的非侵入性方法。此救命的醫學技術是基於物理學家拉比（I. I. Rabi）的研究，他於 1930 年代發展出測量原子核在磁場中性質的方法。

拉比（I. I. Rabi）於 1898 年 7 月 29 日出生在奧地利雷馬努夫鎮（Rymanow, Austria），1899 年全家移居美國紐約，先是居住在曼哈頓東南的工人區下東城（Lower East Side），生活貧窮，1907 年才搬到布魯克林區（Brooklyn）。拉比的雙親都是正統的猶太人，雖然拉比長大後從未參加宗教活動，但他總受到成長過程時的宗教影響。他認為做好物理是「跟隨上帝的腳步」。

1919 年，拉比畢業於美國康乃爾大學化學系，但他並非真的著迷於化學，所以畢業後有 3 年並沒做甚麼事，之後決定到康乃爾大學上物理研究所。1927 年，拉比完成博士學位後，就到歐洲，跟隨量子力學大師，包括索末菲（Sommerfeld）、波耳（Bohr）、包立（Pauli）、斯特恩（Stern）和海森堡（Heisenberg）做研究。

拉比對量子概念深感興趣，尤其是斯特恩-革拉赫實驗（Stern-Gerlach experiment）。斯特恩（Otto Stern）和革拉赫（Walther Gerlach）讓狹窄的銀原子射線束經過一不均勻的強磁場，他們觀察到射線束會分開成兩個不同的次射線束，因為其中的原子已根據他們磁矩的方向而稍做偏斜。

當拉比於 1929 年回到美國後，他在哥倫比亞大學任教職。在花了兩年找尋有興趣的研究問題後，他於 1931 年成立了他的分子束實驗室，開始研究核自旋及相關鈉磁矩的測定。核磁矩比電子的磁矩小很多，很難精確地測出。拉比和布萊特（Gregory Breit，美國原子彈計畫早期的主持人）想出了修改典型斯特恩-革拉赫設備的方法，可用以找出鈉的核自旋。

時常被視為懶散的拉比對於例行的實驗技巧和資料分析總是沒耐性，他喜歡說，他要在一天結束時得到答案，所以總想要設計出巧妙、簡便的實驗方法，可以帶領他「更接近上帝」的方法。

在整個 1930 年代，拉比持續改進了分子束的方法，用它來收集越來越精確的原子核自旋的數值，包括氫和重氫。他的研究終於成就了磁共振方法，是磁共振造影的基礎。

磁矩傾向於和外磁場平行或反向平行，有些如陀螺般運轉的行為，繞著磁場的方向旋轉，頻率則由磁場強度和原子的核磁矩決定。1937 年，拉比預測，這些實驗中的核磁矩假如從適合的頻率之電磁波吸收能量的話，應可被誘發而翻轉它們的方向；它們也能將這些能量放射出去而回到更低能量的方向。如此拉比即可偵測一個狀態轉變成另一狀態的訊號，他稱他的方法為分子束磁共振。

磁振造影

拉比和他的團隊修改了分子束設備，讓分子束行經磁場時也接觸到無線頻率訊號，如此調整外磁場或無線頻率時即可產生共振。他們於 1938 年以氯化鋰分子束觀察到第一個磁共振的吸收過程，拉比被磁矩的翻動迷住了，整個團隊開趴慶祝此成就。

每一個原子或分子都有其獨特的共振頻率型態，拉比偵測了一系列不同分子的共振，可用來辨別原子或分子的種類，提供了更多分子結構的細節。

第二次世界大戰爆發後，拉比離開他的分子束實驗室，接下了麻省理工學院放射線實驗室的副主任一職。1944 年，他獲得諾貝爾獎，「因為他的共振方法，可以記錄原子核的磁性」。

1946 年，普塞爾（Edward Purcell）和布洛赫（Felix Bloch）分別找到了研讀在固體和液體中原子和分子磁共振特性的方法，而不只限於拉比分子束方法中的個別原子或分子。後來，核磁共振更進一步發展至成像的技術，現在已普遍應用在醫學診斷上。最早期的造影於 1970 年代初期製成，而人的活體造影最早製成則是於 1977 年。磁共振機器於 1980 年代商業化，現在普遍使用於人體內部結構的成像，特別是像腦一樣的軟組織。

拉比在 1988 年 1 月死前不久，也被核磁共振機器造了影。他說：「真恐怖喔，我在那部機器中見到了自己，我從未想到我的研究會變成這樣。」

原文刊載於物理雙月刊2013年8月號35卷第4期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。