コンパクトＭＲＩ

これからしばらく，コンパクトＭＲＩのお話をします．

コンパクトＭＲＩとは，単なる小型のＭＲＩではありません．上の写真に示すように，計測系（ＭＲＩコンソール）と，検出系（磁石，勾配コイル，ＲＦコイル）がはっきりと分離しているものを，私たちは，コンパクトＭＲＩと呼んでいます．１９９８年に，私の研究室で開発しました．

上の写真の右に示すものは，１テスラ（地球磁場の２万倍）の永久磁石で，ＮＥＯＭＡＸさんに作っていただきました．

上の写真の左に示すものが，ＭＲＩコンソールで，ＭＲＩの電気的な機能は，これだけで，すべて持っています．総重量は８０ｋｇくらいですので，簡単に動かすことができます．

これからの予定（続）

これからの，本ブログにおけるシリーズ連載としては，

１．ＭＲＩのハードウェア

２．ＭＲＩ実験室のちょっといい話

３．さまざまなパルスシーケンス

４．ＭＲＩにおける代表的原著論文の解説

５．ＭＲＩ人物伝

６．変わったＭＲＩ

７．変わったＭＲ画像

８．ＭＲＩにおける（変わった）アーチファクト

などを考えています．

ちなみに，上の画像は，大して変わった画像ではありませんが，アンパンマンの「たれびん」の中に，硫酸銅水溶液を入れ，それをさらに，別の濃度の硫酸銅水溶液の入った試験管に入れ，Ｔ１強調法で三次元撮像した画像を，ボリュームレンダリングで可視化したものです．Ｔ１の違いにより，アンパンマンが可視化されています．

では，明日からは，ＭＲＩのハードウェアを，話していきましょう．

これからの予定

お話がかなり専門的になってきましたので，ここで，少し休憩しましょう．

上に示すのは，ＭＲＩで撮像した，アーモンドチョコ（明治製菓製）の画像です．チョコを透き通してアーモンドが見えています．このような画像は，まず，ＭＲＩでしか撮れません．

さて，これから，どのようなお話をしましょうか？

毎日ブログを書くのは，ちょうど新聞連載の漫画か小説を書くようなもので，ネタがなくなってくると，大変苦労します．

そこで，これからは，ある程度大きなテーマに関して，連載していこうと思っています．

生体組織における水のプロトンのＴ１とＴ２（続）

さて，前回で，多くの組織において，Ｔ１は１秒前後，Ｔ２は５０ｍｓ前後に分布していることを述べました．ところが，水のプロトンのＴ１は，共鳴周波数（静磁場強度）に対して，顕著に延長することが知られています．

上に示すグラフは，カエルの筋肉を用いて，水のプロトンのＴ１とＴ２を，共鳴周波数に対してプロットしたものです（Seymour Konigの論文より引用）．

このように，多くの生体組織において，共鳴周波数の増加に対してＴ１は延長し，Ｔ２はほとんど変化しない（より高い周波数では，わずかに減少することが多いようである）ことが知られています．

この性質は，異なった静磁場強度でＭＲＩを行う際には，必要な知識です．

生体組織における水のプロトンのＴ１とＴ２

Ｔ１とＴ２は，ＭＲＩにおいて非常に重要なパラメタであることは，これまでに何度もお話しましたが，生体組織における水のプロトンのＴ１とＴ２に関する性質をお話しましょう．

上に示すのは，水を含む生体組織において，その水のプロトンのＴ１とＴ２を横軸として，縦軸に，水の含有量をプロットしたものです（P. Mansfield and P. G. Morris NMR Imaging in Biomedicineより引用）．このように，いくつかの，非常に興味深い性質を読み取ることができます．

まず，第一は，Ｔ１，Ｔ２は，水の含有量に対して，「正の相関」を持っているということです．すなわち，水分の多い組織ほどＴ１とＴ２は長い，ということが分かります．

この性質は，理由はともかく，腫瘍などの病変組織において，水のプロトンのＴ１とＴ２が，正常組織のそれらに比べて延長する事実にも対応しています．

第二に，多くの組織において，Ｔ１は１秒前後，Ｔ２は５０ｍｓ前後に分布していることです．

これらの数値は，Ｔ１強調画像や，Ｔ２強調画像を撮像する際のＴＲとＴＥの決定に，非常に深く関わっています．

このように，生体組織の水のプロトンの緩和時間は，バラエティはあるものの，同じような性質と，ほぼ共通の値を持っていることが分かります．

Ｔ１とＴ２

静磁場の不均一性が無視できる場合，核磁化は，上の図に示すように，ｘｙ面内で減衰しながら，ｚ方向へと伸びて（回復して）いきます．

ｘｙ面内の減衰は，時間をｔとして，

ｅｘｐ（－ｔ／Ｔ２）

ｚ方向の変化（回復）は，

１－ｅｘｐ（－ｔ／Ｔ１）

と表すことができます．

ここで出てくる時定数が，Ｔ１（縦緩和時間）とＴ２（横緩和時間）です．縦，というのは，静磁場の方向で，横，というのは，静磁場に垂直な方向を表しています．

前にも述べましたように，このＴ１とＴ２が，ＭＲＩでは，画像コントラストを決定し，病変などの検出に役立つ，大変重要なパラメタになっています．

ＦＩＤにおける核磁化の運動

上の図は，ＦＩＤを発生する核磁化の運動を，回転座標系でみたものです．このように，ｚ軸のまわりを，ぐるぐる回りながら，原点に近づいていきます．

回転座標系という言葉は，このブログでは，初めて出てきましたが，静磁場方向を軸として，ある角速度で回転する座標系のことです．通常，この角速度は，ＮＭＲ（ＭＲＩ）の受信機の参照周波数（共鳴周波数にほとんど一致）です．すなわち，「信号観測周波数」と言っても良いかも知れません．

ＮＭＲ（ＭＲＩ）信号の振る舞いは，ほとんどの場合，回転座標系で議論されます．

上の図に示すように，核磁化は，回転しながら減衰していきます．この減衰は，核磁化全体を構成する，より小さな領域の核磁化の回転位相が，静磁場の不均一性のために，ばらばらになっていくことによるものです．この減衰の時定数は，Ｔ２＊と言われ，ＮＭＲ信号の減衰は，ｔを時間として，

ｅｘｐ（－ｔ／Ｔ２＊）

と表されますが，実際の試料では，指数関数的な減衰をするとは限りません（静磁場の分布に依存します）．

ところで，「静磁場の不均一性が無視できる場合」，核磁化は，どのような時間変化をするのでしょうか？

ＦＩＤ（エフ・アイ・ディー）

スピンエコーを理解するためには，まず，ＦＩＤ（Free Induction Decay：フリー・インダクション・ディケイ，自由誘導減衰）というものを理解しなければなりません．

ＦＩＤとは，上に示すように，９０°パルス（など）で静磁場方向（ｚ方向）から倒された核磁化が，歳差運動しながら減衰していく信号です．

自由（Free），誘導（Induction），減衰（Decay）という名前は，

自由：外部から高周波を与えられず，静磁場の中で，自由に歳差運動を行う，

誘導：高周波コイルに，電磁誘導の法則にしたがって電圧を誘導する，

減衰：静磁場の不均一性のため，小領域の核磁化の歳差運動の位相がばらばらになり，核磁化の大きさが打ち消されて減衰していく，

という，三つの言葉をつらねたものです．ＦＩＤが，実際に，どのような運動になるかについては，また改めて，次で紹介しましょう．

スピンエコーとは？

上に，典型的なスピンエコーを示します．

スピンエコーを発生するためには，まず９０°パルスを加え，そのしばらく後に，１８０°パルスを加えます．○○°パルス，というのは，核磁化を，○○°傾ける高周波（ＲＦ）パルスのことです．

このように，２個のパルスを加えると，不思議なことに，１８０°パルスを加えた後に，ＮＭＲ信号が，突然と現れます．これは，「こだま」と同じようなものなので，スピンエコーと呼ばれています．このような信号が，ＭＲＩに使われているのです．

なぜ，スピンエコーが発生するかに関しての説明は，また明日にしましょう．

スピンエコー？

さて，一挙に，ＭＲＩの臨床応用に近い話まで来ましたが，また，基礎的なお話をいたしましょう．

「スピンエコー」という言葉が，何度も出てきましたが，これは，ＭＲＩでは，一番中心的で，しかも重要な技術です．もし，スピンエコーという技術がなかったら，ＭＲＩは，これほど広く使われていなかったかも知れません．ですから，スピンエコーを発見した，Erwin Hahnという先生（上の写真）にも，ＭＲＩのノーベル賞が与えられても良かったかも知れません．

私は，ハーン先生の講演を，１９９８年，ベルリンで開かれた国際磁気共鳴学会（ＩＳＭＡＲ）と，１９９９年，フィラデルフィアで開かれた国際磁気共鳴医学会（ＩＳＭＲＭ）で，拝聴いたしました．１９９９年の講演は，How I tumbled at a spin-echo?（いかに私はスピンエコーに躓いたか？）という題目で行われましたが，Jokeがちりばめられていて，大変愉快な講演でした（もちろん，すべてのJokeが分かったわけではありません）．

Ｔ１強調画像とＴ２強調画像の使い道

ここで気分を変えて，実際にＴ１強調画像や，Ｔ２強調画像が，どのような目的に使われるかを紹介しましょう．

上に示す画像は，私の研究室で開発したコンパクトＭＲＩ（手専用ＭＲＩ）で，Ｈ君が，撮ってくれた私の左手の画像です．左の画像が，Ｔ１強調画像，右の画像がＴ２強調画像です．

Ｔ１強調画像は，主に，解剖学的構造，すなわち，どのような組織がどのような形状をしているかを，比較的高い分解能で示す画像です．ＧＲＡＳＳという方法で撮られたものですので，スピンエコーによるＴ１強調画像とは少し異なりますが，コントラストは，ほぼ同じと考えても結構です．

Ｔ２強調画像は，主に，病変部を描出する画像で，病変が起こった部分が，高い輝度で現れます．このため，臨床診断にはきわめて有用な画像です．なお，この画像では，皮下脂肪や骨髄などの脂肪組織は，「脂肪抑制」という手法で抑制されています．

上の画像は，私の左中手骨に，bone erosion（骨糜爛）があることを示しています．これは，永年の装置作りによるものだと思います．

ＭＲ画像のコントラスト

だんだん理屈っぽくなってきましたが，ＭＲ画像の見方を理解するためには，もう少し我慢してお付き合い下さい．

前回の解説では，ＭＲ画像（スピンエコー画像）の画像コントラスト（濃淡）は，５個のパラメタで決定されると書きました．

５個もパラメタがあると，大変複雑なように思えますが，実は，意外と簡単なのです．

実際には，５個というよりも，ρ，ＴＲ／Ｔ１，ＴＥ／Ｔ２の三つの値で画像のコントラストは決まります．すなわち，ＴＲとＴ１の比，ＴＥとＴ２の比を考えればいいのです．これを式で書くと，画素の強度（明るさ）Ｉは，

Ｉ＝ｋρ（１－ｅｘｐ（－ＴＲ／Ｔ１））ｅｘｐ（－ＴＥ／Ｔ２）

とあらわされます（ｋは定数です）．

そして，上の表に示すように，ＴＲ／Ｔ１が（１より）大きいか小さいか，ＴＥ／Ｔ２が（１より）大きいか小さいかの４個の組み合わせの場合で，撮像が行われ，それぞれの場合が，昨日お話した，Ｔ１強調画像，Ｔ２強調画像，プロトン密度強調画像となるのです．

ＭＲＩにおける内部パラメタと外部パラメタ

ＭＲＩで撮像される物質を特徴づけるパラメタとして，Ｔ１（縦緩和時間：ティーワンと呼ぶ），Ｔ２（横緩和時間：ティートゥー），そしてプロトン密度ρ（ロー）の，３つの組織パラメタ（内部パラメタ）があります．

これらが何を意味するかは，また後でお話しますが，プロトン密度というのは，分かりやすい概念ですね．

これらの３つのパラメタの分布を，うずらの卵で計測したものを，上の画像に示します．これらの画像は，プロトン密度は，黄身と白身ではあまり変わらないものの，Ｔ１とＴ２は，黄身で短く，白身で長いということを示しています．

さて，これら３つの組織パラメタを持つ物質を，スピンエコー法という撮像法（これは，またあとで詳しくお話します）で撮像するときには，繰り返し時間ＴＲと，スピンエコー時間ＴＥという二つの時間パラメタが，重要な役割を果たします．これらのパラメタを，外部パラメタと言っています．

以上をまとめますと，ＭＲ画像（多くの場合スピンエコー画像です）は，

内部パラメタ：Ｔ１，Ｔ２，ρ

外部パラメタ：ＴＲ，ＴＥ

の合計５個のパラメタで決定されます．そのメカニズムは，次回お話しましょう．

スピンエコー画像

さて，緩和時間とは何か，ということを説明する前に，まず，通常のＭＲＩで撮像される，スピンエコー画像を紹介をしましょう．

「スピンエコー」という言葉を初めて聞く人もいるかも知れませんが，これは，ＭＲＩの撮像で使用される，最も一般的な信号です（スピンエコーの詳しい説明は，また後でやりましょう）．

スピンエコー画像（ＳＥ像）としては，Ｔ１強調画像，Ｔ２強調画像，プロトン密度強調画像の３種類が主に使用されます．上に示す画像は，卵（うずらの卵）で撮像した，それぞれの画像です．この画像は，私の研究室の静磁場強度４．７ＴのＭＲＩ装置を用いて撮像したものです．

このように，卵の黄身と白身が，さまざまな画像コントラストで撮像されています．

黄身と白身が，なぜ，このような画像コントラストで撮像されるかに関しては，また，明日，お話しましょう．

ＭＲ画像＝緩和時間を強調したプロトン密度分布

話が随分それたので，もっと真面目な話をしましょう．

それは，ＭＲ画像とはいったい何か，ということです．

「核磁化分布」という言い方もありますが，これは，物理学的には正しいものの，ＭＲ画像の意味をあらわす，という点では，適正な答えにはなっていません．

すなわち，ＭＲ画像とは，（核磁気）緩和時間を反映した核スピン（プロトン）密度分布です．

緩和時間が何か，ということは，後のセクションで示しますが，緩和時間という（生理学的・物理学的）情報がプロトン密度に重ねられていることが，ＭＲＩを非常に有用なものとしています．

もし，緩和時間が，ＭＲ画像に反映されなかったら，ＭＲＩは，これほど広く使われることはなかったでしょう．すなわち，緩和時間は，病変や組織間の違いをあらわすものなのです．