幫花枝、小鼠做全身健檢？MRI 呼喚水分子一起動起來！專訪動物影像設施

只隔一扇門的強大磁場世界

採訪團隊走進國家生技園區的地下室 B1，這裡是中研院動物影像設施（Animal imaging facility）。簡單換上實驗服之後，我們走進實驗室，原來裡面還有一個房間，放著 Bruker BioSpec 70/20 MRI 核磁共振造影儀器（小型動物專用），一扇厚重的門正緊緊關上，房間外只剩下儀器低頻運轉的刺耳聲響。那是冷卻系統正在為超導磁鐵降溫，將液態氦回收壓縮，使這台 MRI 儀器維持在絕對溫度 4 度（約攝氏零下 269 度）。

實驗室有著異常挑高的天花板，整體結構與電梯隔絕，避免金屬干擾儀器磁場。房間內的主角是一台擁有 7 個特斯拉磁場強度（7 T）的超導磁鐵儀器，專門觀察小動物的軟組織、心臟造影、血管與血液流動以及大腦結構的地方。

一般臨床用的 MRI 儀器，磁場強度通常為 1.5 T。中研院動物影像設施的 MRI，相當於臨床設備的 4 倍之多，高達 7 T。陳育文強調，「不管有沒有開機，磁場強度都是 7 T，超導磁鐵在充電完成後，磁場就是一直存在的。所以進房間不可以攜帶金屬和有磁性的東西，會被機器吸進去。機器上面的空間會整個挑高，因為它附近不可以有電梯啊、鋼架什麼的。」

中研院動物影像設施的這台 MRI，是規格完整的全配，特別加載低溫線圈，可減少雜訊，增加十倍以上的有效訊號，學界或業界都可以申請使用。除此之外，因為設施人員是 MRI 的專家，也會針對研究者的實驗設計客製化的參數，拿到更好的數據。

陳育文提到，「我們會考量研究者的需求，然後想辦法幫他做一些他沒有想到的事情。」她接著說：「比方說老鼠生病，血管有沒有漏洞啊，甚至牽涉到小分子在身體裡面的擴散等等，我們就要特別幫他去看血管通透性、血流速度或是追蹤小分子及酸鹼值等等。精準醫療裡面，這種細微的東西就會很重要。」

哪些畫面，只有 MRI 才看得見？

「MRI 最厲害的地方，其實是它能看到水（H₂O）」，研究團隊中的陳育文經理如此說。電腦斷層掃描（Computed Tomography , CT）是用 X 光觀察硬組織，而磁振造影（Magnetic Resonance Imaging, MRI），擅長觀察的是活體，特別是軟組織的細微觀察。

陳育文解釋，「CT 掃大腦，有時候對比度有限，只會看到一圈灰色，但是 MRI 主要看的是水分子裡面氫原子核的訊號（即質子 H⁺ 訊號），所以能看見大腦裡面的結構細節。像是神經纖維的走向，神經裡面也有水，我們會用六個不同方向來追蹤水分子的擴散路徑，每根神經就像一條水管，影像會呈現出水怎麼在這些管道裡面流動。我們確實在一些大腦神經退化性的老鼠身上，看到牠們神經很明顯的變少了。」

要追蹤這麼微弱的氫原子核訊號，就需要強大的磁場，7 T 的磁場強度是什麼概念呢？推動指南針的地球磁場只有約 50 微特斯拉（0.00005 T），冰箱磁鐵的磁力大約是 0.01 特斯拉。醫院裡的 MRI 儀器通常是 1.5 T。7 T，則是可以將瓦斯桶輕易吸走的磁場強度了。

氫原子核會自旋，有磁矩，可以視為自帶小型指南針，平常磁矩方向是隨機的。當儀器施加強大磁場，會重新排列生物體內水分子中的氫原子核，此時多數磁矩會順著磁場方向排列。之後儀器會送出特定頻率的無線電波脈衝，與氫原子核發生「共振」，使磁矩發生偏轉。當脈衝波停止之後，無數氫原子核的磁矩會逐漸回到原來的一致方向和穩定狀態。

在氫原子核磁矩回到原位的過程中，會釋放微弱的能量訊號，器官、軟骨、神經或血管等部位的水分子環境不同，發出的訊號都會有所不同，MRI 就是去接收這些訊號，轉換成生物影像。在一定條件下，磁場越強，氫原子核排列起來就越整齊，恢復時的訊號就會越強、越能分辨。

於是，原本電腦斷層 CT 只能看到的灰白大腦剖面，透過 MRI 加上後處理之後，就會變成五顏六色、甚至可以 3D 旋轉的立體神經網路影像。

陳育文接著補充其他案例，「照 CT 的話，脂肪跟軟骨其實是看不見的。MRI 就可以看到，例如膝蓋裡面有發炎，然後有一些組織增生會非常明顯，CT 是看不到上面的軟骨的，這個要靠 MRI 才能做到。」

她也提到臺灣人特有的小中風基因（Notch 3）的小鼠研究，「我們有去看整個腦血管的滲透性，我們確實看到就是有這個基因的小鼠，在相對早期的時候，血管就有小滲漏的異常狀況。」

「如果只是把影像拍出來變成彩色，其實沒有這麼難。」陳育文笑著說，「大家看到影像之後，通常不知道怎麼分析。真正花時間的是後處理，著重在把影像的資訊變成數值，例如一顆腫瘤拍出來，腫瘤到底多大？怎麼統計出腫瘤的體積？都是比較費功夫的。」

陳育文補充，除了後處理之外，現在也有導入 AI。近年他們團隊也加入「數學」背景的人，開始做 AI 的訓練，讓機器幫忙自動化影像分析。總之，從腦部神經結構到膝關節軟骨的磨損，還有葡萄糖在體內的擴散、微血管的滲透性變化等等，MRI 都可以幫忙。

連花枝和玉米都可以用 MRI 看？

除了常見的小鼠，這台 7 T MRI 儀器的歷史掃描名單上，還出現過令人意想不到的小動物——花枝。中研院臨海站的研究人員為了觀察軟體動物的老化，曾將花枝的頭部送來做掃描。高解析的 MRI 影像，能清楚看見花枝的腦部，特別是兩顆大眼睛以及緊緊包覆著眼睛的發達視神經，都一覽無遺。

陳育文指著花枝的大腦神經介紹道，「你看這個地方是腦，這裡圈起來的……這一絲一絲這兩顆是牠很大的眼睛，然後這一條就是視神經把眼睛包住。花枝真的蠻聰明的，腦神經非常密集，幾乎都集中在眼睛周圍。」

比較意外的是，雖然 MRI 優勢是看活體，但是花枝卻無法完成活體觀察。陳育文提到，因為 MRI 運作產生的巨大噪音，會讓生性敏感的花枝受到驚嚇，「牠太容易受到驚嚇就會死掉了。」因此團隊最後只能掃描非活體的頭部樣本。陳育文說，不只花枝，一般的小鼠如果有特殊疾病比較敏感的時候，也曾經發生過被機器運轉聲響嚇死的意外。

除了掃描過小鼠、花枝與斑馬魚之外，陳育文說，受限於儀器掃描孔徑的物理大小，這台小動物 MRI 可以容納的最大體型大概是「大鼠」（Rat）。要把猴子放進去是沒辦法的，但如果是小型陸龜，陳育文歪著頭道：「看體型，或許有機會！海龜就不行。」。

之前也曾經有植物所的研究團隊，為了觀察玉米的胚胎結構，將樣本送來實驗室掃描。因為 MRI 最擅長捕捉水分子中的氫原子訊號，研究人員也利用它來掃描乾燥的種子或玉米，藉此觀察種子內部殘留水分的分布狀況。

國家級科研設備的維護挑戰

在國家生技園區地下室的這台 MRI 儀器，是國內少數規格頂尖的先進儀器，維護過程自然也有很高的技術門檻與挑戰。

為了正常運作，儀器必須透過低溫冷卻系統維持超導狀態。如果遇到地震、颱風等天災導致跳電，有可能會讓冷卻中斷。同時，為了預防人員意外，實驗室內也設置緊急的關機按鈕，例如研究人員或異物被強大磁力吸過去的時候，按下去就可以切斷系統，保障安全。然而，按下這顆按鈕的代價是兩百萬台幣，機器不會壞，但要重新啟動並灌注液態氦，恢復冷卻。

陳育文說，他們都會在颱風假或連假之前關機，只有冷卻系統不能關。她回憶，有次颱風天，大樓發生跳電，MRI 冷卻一度無法正常運作。不過陳育文強調，即使冷卻中斷，也不需要在狂風暴雨中冒險趕回來，因為「液態氦可以維持低溫狀態長達七天」。團隊可以等比較穩定的時候，再回到實驗室處理。

此外，實驗室成員需要很瞭解硬體和機器。設備如果發生故障，為了避免實驗時程延宕，通常不會直接送德國原廠維修，因為一送就是半年。實驗室會先選擇與國內半導體維修廠商協作，自行排除故障。陳育文說，他們曾經成功在一次零件故障後，與國內廠商合作於兩個月內修復完成，避免了小鼠實驗延誤。

既然維護門檻和成本這麼高，那學研機構申請做 MRI 掃描，一小時要多少錢？答案是：「1 小時 1800 元。」

陳育文解釋，這個價格背後是對於學研機構的支持。她說，如果真的照成本攤提來收費，費用會很可觀。「今天一位老師要發論文，一個組別可能要六隻老鼠。假設今天是做藥物篩選，一隻老鼠做三個小時好了，要乘以六，然後再乘以組別數量上去，……經費其實是有點負擔的。」

基礎科學是對學術及技術發展未來的長期投資，在訪談中也可以看到陳育文與實驗室成員對 MRI 設施的使命感。回顧 MRI 的科學發展歷史，當初也沒有人想到核磁共振這種基礎物理學，最後可以轉變成拯救人命的醫療檢測技術，甚至在諾貝爾物理獎、化學獎和生醫獎領域都有 MRI 的輝煌紀錄。

如今，這台磁場強度高達 7 T 的小動物 MRI 儀器，正在地下室全天候運作，它維持攝氏零下 269 度的低溫與強大的磁場，仰賴陳育文和實驗室人員的日常操作和維護，隨時準備解開下一個科學難題。