MRIのすべて(all about MRI)

磁気共鳴イメージング(MRI)に関するさまざまな経験や知識を提供しつつ今後の展望を切り開きたい.

MRIの歴史的論文(12)

2006-03-31 22:27:42 | Weblog

スピンワープ法にスピンエコーを組み合わせた手法が,MRIの主流になったことを前日述べましたが,これを,衝撃的な形で示したのが,UCSFから発表された以下の論文です.

Nuclear Magnetic Resonance Whole-Body Imager Operating 3.5 K Gauss

L Crooks, M Arakawa, J Hoenninger, J Watts, R McCee, L Kaufman, PL Davis, AR Margulis, J DeGroot, Radiology, vol. 143: 169-174, 1982.

この論文では,当時としては,驚異的な高磁場である0.35Tの超伝導磁石を用いたMRIが報告され,マルチスライス,マルチエコーという,その後の臨床撮像のシーケンスのスタンダードが提案されました.

この論文は,当時,全身用MRIの開発を行っていた私にとっては,衝撃的なものでした.でも,同時に,目標とした論文でした.
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MRIの歴史的論文(11)

2006-03-30 07:00:57 | Weblog

上に,この装置で撮像された胸部の画像を示します.この画像は,当時としては,さまざまな意味で,大変画期的なものでした.

すなわち,頭部だけでなく全身の部位で,画像歪みもなく,画素強度の不均一性もなく,画像のボケもない画像が得られたことは,スピンワープ法の,手法としての優秀性を示すものでした.しかも,この画像が,0.04Tという低い静磁場で得られたことも,高磁場化による画質向上への期待を持たせるものでした.

特に,勾配エコーを用いて,一定の時刻におけるサンプリングを行うことにより,静磁場の不均一性が,位相の歪みにはならず,「単なる幾何学的な歪みにしかならない」こと,また,プロジェクション法においては,画像歪み(ボケ)の原因となる,静磁場の不均一性も,勾配磁場の不均一性も,スピンワープ法では,「画像のボケにはならない」ことが指摘され,このスピンワープ法(フーリエ法の発展形)の,プロジェクション法に対する優位性が示されました.

これ以降,ほとんどの研究グループでは,スピンワープ法をベースとし,これにスピンエコー法を組み合わせた方法が用いられるようになりました(スピンワープ法をプロジェクション法に適用した方法も,一部では用いられ,実際,国産第一号機の東芝のMRIでは,プロジェクション法が使われました).

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MRIの歴史的論文(10)

2006-03-29 23:25:03 | Weblog

上の図に示すのは,スピンワープ法の実験に使った装置のブロック図です.この回路図は,下に示す別の論文に掲載されています.

A whole-body NMR imaging machine
JMS Hutchison, WA Edelstein, G Johnson
J. Phys. E: Sci. Instrum. Vol. 13, 947-955, 1980.

このシステムのタイミングは,1.7MHzの水晶振動子を参照周波数としたタイミングコントロール回路(C-MOSで作成)で制御されており,それに,勾配磁場発生回路やRFパルス発生回路が接続されています.そして,受信されたデータは,10kHz(100マイクロ秒)のサンプリングレートでサンプル化され,ミニコンPDP-11/40に転送されます.

なお,磁石には,Oxford社の4コイル型常伝導電磁石が使用され(2006年1月16日のブログに写真が掲載されています),静磁場強度は0.04Tすなわち,共鳴周波数は,1.7MHzとなっています.現在の全身用MRIの標準的静磁場(1.5T)に比べると,約40分の1です.

非常に特徴があるのは,勾配磁場電源で,電力効率を上げるために,勾配コイルとキャパシタを使った共振回路が使われています.このため,勾配磁場は,正弦波状の変化をしています.

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MRIの歴史的論文(9)

2006-03-28 22:52:42 | Weblog

Lauterburの論文(プロジェクション法) → Ernstの論文(フーリエ法)

と解説してきましたが,これらの論文は,原理的なことを提案したという意味で,歴史的な論文でしたが,残念ながら,このままで実際に使うのは非常に問題のある方法でした.

その一つの問題点が,スライス法です.

Lauterburの論文には,スライスの方法に関しては,どこにも書いてありませんでした.Ernstの論文には,前日書きましたように,さまざまな方法が書いてありましたが,実際に使える方法は書いてありませんでした.

もう一つは,フーリエ法における位相歪みです(少し難しい話ですが).

すなわち,フーリエ法では,信号サンプリングのスタート時刻が一定しないため,異なるkライン毎に,静磁場の不均一性などによる異なる位相歪みが重畳されていました.これが,極端に,画像劣化を引き起こしていました.ただし,画像マトリクスが小さかったことと,ハードウェアの性能が低かったことなどもあり,特に問題とはなりませんでした.

以上の問題を解決したのが,Edelsteinらによって提案された,スピンワープ(Spin warp)法(スピンウォープ法の法が正確な発音かも知れない)です(上図).論文は,

Spin warp NMR imaging and applications to human whole-body imaging
Edelstein WA, Hutchison JMS, Johnson G, Redpath T
Phys Med Biol 1980;25:751-756.

スライス法は選択励起法で解決し,位相歪みの問題は,勾配エコーと,時間幅を一定とし振幅を変化させる位相エンコード法を用いて,サンプリング時刻を一定にすることにより解決しました.

このパルスシーケンスは,現在でもあらゆる撮像法の基本となっています.

①選択励起,②勾配エコー,③振幅変化による位相エンコード

という3つの技術を巧みに取り入れて,後で示す,当時としては驚異的な画像を撮像するのに成功しました.

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MRIの歴史的論文(8)

2006-03-27 22:51:49 | Weblog

上に示すのは,Fig.3の信号から二次元フーリエ変換によって再構成された画像です.画素数は,64×64です.

画素強度は,低い方から,空白,・,*,A,B,C,D,Eと,8段階で示してあります.この印刷には,当時,ミニコンピュータの標準的入出力装置のテレタイプを用いて,約7分かかったと書いてあります.このように,画像をコンピュータから出力するだけでも,非常に大変でした.

当時のミニコンの標準入出力装置は,テレタイプであることを述べましたが,私が,大学4年生で,高エネルギー物理の実験室に卒業研究に入ったとき,その研究室は,DECのミニコンの文字の出力装置として,CRTディスプレイを購入したばかりでした.もちろん,キャラクタディスプレイです.グレースケールの画像ディスプレイなど,高嶺の花でした.

なお,2本の試験管に対応して,図の中に円形の書き込みがありますが,これは,S先輩が,論文に書き込んだものを,コピーしたことによるものです.私は,入社してすぐに,この論文を読むように渡されました.この論文が発表されてから6年しか経っていない1981年のことでした.

さて,Lauterburの論文には,スライスの方法が書いてありませんでしたが,この論文には,スライスの方法として,y方向(キャピラリの軸方向)に,二次の勾配磁場を使う方法や,薄いRFコイルを使う方法などが提案されています.選択励起法によるスライス選択は,Garrowayらによって,同年に発表されています.

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MRIの歴史的論文(7)

2006-03-26 17:43:29 | Weblog

上の図に,Fig.1のパルスシーケンスで得られたNMR信号を示します.

サンプルは,Lauterburの実験と同じく,内径1mmのキャピラリ(細管)にH2Oを詰めたものを,中心間の距離が2.2mmとなるようにz軸に沿って並べ(ただし細管の軸はy方向),その回りをD2Oで満たしたものです.このようにして,磁化率の不均一性からの影響を無くしています.

90°パルスを印加した直後にはGx勾配を印加し,しばらくした後にGzを印加して,信号のサンプリングを開始しています.サンプリングの開始時刻は,図中の破線で示されています.図の左は,Gxの印加時間に相当するステップで,右は,サンプリングされた信号をフーリエ変換して得られるスペクトルです.

z方向にキャピラリが並べてあるので,スペクトルには,2本のキャピラリに対応したラインが観測されます.そして,Gxを印加すると共に,そのスペクトルが,x方向の分布を反映して,変化していくことが伺えます.

このようにして得られた一次元スペクトルを,Gxのステップ方向に関してフーリエ変換することにより,二次元分布が得られます.

画像化の具体的プロセスと,得られる画像は,明日紹介します.
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MRIの歴史的論文(6)

2006-03-25 21:51:14 | Weblog

上の図に示すのは,世界最初のフーリエイメージングに使用された実験システムです.

分光計には,ブルーカー社のSXP4-100,磁石には,直径15インチ(38cm)のポールピースを有する電磁石,シムコイルを利用した勾配コイル,計算機には,Varian 620/L-100(12kワードのメモリ),そして12ビットのADコンバータを使っています.

勾配磁場には,+20Vと-20Vの定電圧電源と,solid state relayを用い,10マイクロ秒以下のスイッチング時間を実現しています.でも,渦電流の影響があるので,実際には,それほど早い勾配磁場のスイッチングはできないでしょう.そして,70mAの電流を流すことにより,約1kHz/cm(0.24G/cm)の勾配磁場を発生しています.

また,外部NMRロックを使用していますが,勾配磁場のスイッチングの影響を避けるため,上に示すように,NMRロックをスイッチで100ms中断しています.これは,周波数安定度(1Hz)には影響しないことが述べられています.

このように,世界最初の実験というのは,手作りの装置で行われるのです.

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卒業(大学院)

2006-03-24 22:57:46 | Weblog

本日は,卒業式がありました.上の写真は,当研究室の(自慢の)大学院生です.

2名が,研究科長表彰(金メダル),そのうち1名が学長表彰(盾)になりました.

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MRIの歴史的論文(5)

2006-03-24 22:48:17 | Weblog

Lauterburの論文に刺激されて,Richard Ernstは,さっそく,現在MRIの主流となっているフーリエイメージングの論文を書きました.

NMR Fourier Zeugmatography
Kumar A, Welti D, Ernst RR, J Magn Reson vol 18, 69-83 (1975).

です.

Lauterburの論文で,Zeugmatographyという言葉を説明するのを忘れていましたが,この言葉は,静磁場,勾配磁場,高周波磁場を組み合わせた手法を意味します(ギリシャ語).そこで,Ernstらは,この言葉を使ったのです.

この論文の書き始めは,

P. C. Lauterbur has recently described an ingenious technique to determine …….

となっており,二番目のパラグラフも,

Lauterbur’s method is based on the application of linear field gradients in different directions ….

と書かれています.このように,この論文は,当然ですが,Lauterburの論文の上に直接築かれています.

Ernst自身は,その頃,二次元NMRの一般的理論を始めていましたが,その最初の実験が,いわゆるフーリエイメージングになりました.これは,Ernstの直弟子の,永山国昭先生も,仰っていました.

上に,フーリエイメージングのパルスシーケンスを示します.

これを初めて見た時は,勾配磁場が,このように,時間ゼロで,簡単に切り替えられるだろうかと思いましたが,概念としては,大変美しいものになっています.

ところで,Ernstも,この論文で,

The potential use of this method includes the measurement of spatial distribution of a given nuclear species in living tissue and determination of its relaxation times with the possibility of localizing cancerous parts in a living organism (2,3).

と述べて,NMRによるガンの診断に触れています.そして,その文献として,

2. Damadian R, Science vol 171, 1151 (1971).
3. Weisman ID, et al. Science vol 178, 1288 (1972).

の「両方」を引用しています.

一般に,腫瘍組織と正常組織の水のプロトンの緩和時間が異なることは,Damadianによって,初めて指摘されたということになっていますが,Lauterburは,文献3だけを引用しており,Ernstは,2と3の両方を引用しています.

この点からも,LauterburとDamadianの確執が伺えます.Ernstとしては,それは承知の上で,両方に配慮したのでしょう.Ernstの如才なさが,ここでも伺えます.

このように,論文を書くときに,「誰が誰の論文を,どのように引用しているか」というのは,極めて重要な情報です.すなわち,論文執筆者が,引用する文献の著者のことを,どのように思っているかが,手にとるように分かるのです!!!

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MRIの歴史的論文(4)

2006-03-23 23:23:29 | Weblog

Lauterburは,この論文で,緩和時間のNMR画像への影響に関する実験も行っています.

すなわち,彼は,2本の試験管に,純粋な水と0.19mMのMnSO4(硫化マンガン)水溶液を入れて,撮像実験を行いました.MnSO4は,常磁性塩で,電子スピン(3d電子が5個)が残っていますので,水のプロトンの場所に大きな揺動磁場を生み出し,これにより,緩和時間(T1とT2)が大幅に短縮します.

このようなサンプルに対し,高周波磁場の「強度」を変化させて,連続波NMR(continuous wave NMR:CW-NMR)によるスペクトル計測を行いました.

すなわち,強い強度の高周波磁場でCW-NMRで信号を計測すると,T1の長いプロトンのNMR信号は,「飽和」という現象を起こして信号強度が小さくなりますが,T1が短いプロトンでは,飽和が起こりにくく,信号強度はあまり変化しません.

上の図のa(下段)は,弱い高周波磁場で投影スペクトルを計測し,再構成を行った画像ですが,b(中段)は,強い高周波磁場で投影スペクトルを計測し,再構成を行った画像です.

このように,強い高周波磁場でスペクトルを計測すると,純水の入った試験管は,飽和現象のため描出されません.

c(上段)は,図aから図bを引いた画像です.このように緩和時間の違いを画像化することができます.

腫瘍の水のプロトンと正常組織の水のプロトンの緩和時間が異なること(*)は,当時,既に知られていましたので,Lauterburは,これが,腫瘍の検出に利用できることを述べています.

ところが,Lauterburは,*に関する文献として,1971年にScience誌に発表されたDamadianの論文ではなく,1972年に同じScience誌に発表されたWeismanの論文を引用しています.

LauterburとDamadianは,犬猿の仲と言われていますが,このNatureの論文で,なぜ,Damadianの論文を引用しなくても良かったのか,不思議な気もします.

Weisman ID et al. Science, 178, 1288 (1972).

以上で,MRIのスタートになったLauterburの論文の紹介を終わりますが,彼の論文は,ほんの1ページ半にしか過ぎません.でも,これで世界を変えることができたのです.

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MRIの歴史的論文(3)

2006-03-22 22:23:16 | Weblog

上の図に示すのが,図1に示す4方向(!)への投影から再構成された画像です.二本の試験管の中の純水のプロトンの分布です.

画像再構成のアルゴリズムは,Gordon and Hermanの方法と類似の方法と書いてありますが,原論文を読んでないので,何とも分かりません.

Gordon R, Herman GT, Comm. Assoc. Comput. Mach., vol. 14, 759 (1971).

なお,この画像の画素数は,20×20画素ということです.

この図は,世界最初のMRI画像と言って良いでしょう.

でも,この画像は,一体,どのように描いたのでしょうか?
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MRIの歴史的論文(2)

2006-03-21 21:09:40 | Weblog

MRIのきっかけになったLauterburの論文は,

Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance

Nature Vol. 242, 190 (1973). (received October 30, 1972)

です.題目の日本語訳は,

誘起された局所相互作用による画像生成:NMRを用いた例

というものです.

この論文の中で,Lauterburは,まず,画像生成は,多くの場合,計測に用いる波や物質の波長によってその分解能が決定される,ということを述べています.

ところが,これに続いて,局所的相互作用を用いることにより,この制限を取り除くことができる,ということを述べています.この局所的相互作用が,勾配磁場と核スピンの相互作用,すなわち,場所毎に異なる共鳴周波数です.

これを示すために,Lauterburは,上の図に示す実験を行いました.

共鳴周波数は60MHz(波長は5m),そして,1cmあたり700Hzの勾配磁場を使用しました.

被写体は,内径4.2mm(NMR用の5mm管)の中に,重水(D2O)を満たし,その中に,内径1mmの純水(H2O)を入れた2本の試験管を入れたファントムです.

このファントムに,勾配磁場を加えて,周波数スペクトルを計測することにより,勾配磁場方向の投影スペクトルを計測しました.

上の図で,ファントムの外側の円は,内径4.2mmの重水の入った試験管を表しています.

論文には,明記してありませんが,重水の入った試験管を用いたのは,二つの純水の入った試験管同士の磁気的相互作用の影響により,純水のプロトンのNMRスペクトルが広がるのを防ぐためです(勾配磁場がないときの純水のプロトンの共鳴周波数は5Hzとなっている).

このように慎重な実験を行って,Lauterburは,明日示す,NMR画像を得ることができました.

続きは明日.


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MRIの歴史的論文(1)

2006-03-20 23:20:00 | Weblog

日本磁気共鳴医学会の会員の方はご存じかも知れませんが,学会誌の最近号に,第28回MR基礎講座(関西:京都)の案内があり,私は,8月5日(土)に,

「画像法のまとめ:各種画像法のネーミング」

という演題で,「遠大」な講演を行うことになりました.

なぜ,遠大かというと,現在使われているパルスシーケンスを,30分ですべて紹介せよ,との依頼だからです.

普通のやり方ですと,定常スポイリング勾配エコー法のシーケンスは,G社では,○○○○○で,S社では○○○○○で,という紹介になりがちですが,それでは,つまらないので,やはり,それが初めて出た原著論文に当たって,基礎的なところから解説したいと思います.

やはり,基礎からとなると,どうしても最初に出てくるのは,Lauterburの論文です.これがないと始まりません.

その次は,ErnstのFourier imaging,そして,MansfieldのEPIはかなり難しいので,飛ばして,EdelsteinのSpinwarpに行きたいと思います.

では,明日から,Lauterburの論文の解説を始めたいと思います.意外と,新しい発見があります.

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NMR信号とは何か?(28)

2006-03-19 23:47:10 | Weblog

3.NMR信号の強度を計算する必然性が無かった

という点に関して,簡単に解説します.

NMR信号のノイズは,RFコイルの熱雑音と,被写体からの等価的熱雑音,そしてプリアンプなどの受信系から発生します.

どこからどれだだけノイズが発生するかを,きちんと計測するのは,意外と難しいようです.

そこで,現在使っている装置が理想的なものなのか,あるいは,理想的なものから,どれだけ離れているかを知るためには,どうしても,理論的に達成されるSNRと比較したくなります.

そのためには,どうしても,NMR信号強度を計算する必要があります.

Houltは,そもそも,NMRスペクトロメーターが,電磁石から超伝導磁石に変わったときに,期待されたSNRの向上が見られなかったことをきっかけにして,RFコイルで受信される信号強度の計算を始めました(1976年).

これが,今回の論文の直接のきっかけになったものですが,彼も,1976年の段階では,量子力学的プロセスによるNMR信号の説明を否定するところまでは,考えていなかったようです.

でも,結局,このような経緯で,50年以近くも信じられていた理論を明確に否定することになりました.

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学長表彰

2006-03-18 22:06:32 | Weblog

当研究室のH君が,「学長表彰」に選ばれました.

3月24日(金)卒業式の時に,最前列の指定席に座って,表彰を受けるとの事です.専攻あたり平均1名のようです.色々な頑張りが評価されたと思います.

おめでとうございます.

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