核磁気共鳴画像法

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核磁気共鳴画像法（かくじききょうめいがぞうほう、magnetic resonance imaging, MRI）とは、核磁気共鳴 (nuclear magnetic resonance, NMR) 現象を利用して生体内の内部の情報を画像化する方法である。

断層画像という点ではX線CTと一見よく似た画像が得られるが、CTとは全く異なる物質の物理的性質に着目した撮影法であるゆえに、CTで得られない情報が多く得られる。JBCルールでは30～32歳のプロボクサー志望者はプロテスト申込前に受診を義務付けられている。

頭部のMRI(T1)画像

頭の頂部から下へ向けて連続撮影し、映像化したもの

[編集] 原理

詳細は「核磁気共鳴」を参照

電子とともに原子を構成する原子核の中には、その原子核スピン（以下「核スピン」）により磁石の性質を持つものが多く存在する。しかし、（物質全体として自発的に磁化されていない限り）それぞれの核スピンの向きはばらばらであり全体でキャンセルされる結果，磁化を発生しない。ここに外部から（強い）静磁場を作用させると、核スピンの持つ磁化は磁場をかけた向きにわずかにそろう。これにより、全体として磁場をかけた向きに巨視的磁化ができる。（以降、巨視的磁化を考える）

この核磁化を、特定の周波数のラジオ波を照射することにより、静磁場方向から傾けてやると、核磁化は、静磁場方向を軸として歳差運動を行う。歳差運動とは、コマの首振り運動と同様な運動である。その運動の周波数はラーモア周波数と言われ、各原子核に固有の周波数であり、かけた磁場の強さに比例する。通常のMR撮像では、10 - 60MHzほどである。これは電磁波で言えばラジオ波の範囲にあたる。

さて、そのパルスの照射をやめれば徐々に元の状態に戻る。重要なのは、このパルスをやめて定常状態に戻るまでの過程（緩和現象(relaxation) ）で、それぞれの組織によって戻る速さが異なる。核磁気共鳴画像法では、各組織における戻りかたの違いをパルスシーケンスのパラメータを工夫することにより画像化する。

しかしこのままでは、どこがどのような核磁気共鳴信号（NMR信号）を発しているのかという位置情報に欠ける。そこで静磁場とは別に、距離に比例した強度を持つ磁場（勾配磁場）をかける。勾配磁場によって原子核（通常は¹H）の位相や周波数が変化する。実際に観測するのは個々の信号の合成されたものであるから、得られた信号を解析する際に二次元ないし三次元のフーリエ変換を行うことで個々の位置の信号（各位置における核磁化に比例）に分解し、画像を描き出す。

医療用MRIでは、ほとんどすべての場合、水素原子¹Hの信号を見ている。ところが、上記のMRIの原理を満たす原子核（核スピンが0以外）であれば、全て画像にすることが可能であり、そのような原子核は¹H以外にもたくさんある。しかし、それらは¹Hと比べれば極微量であり、画像化するには少なすぎる。これに対し、¹Hは水を構成する原子核であるが、人間の体の2/3は水であることを考慮すると、人間の体は¹Hだらけであるといえる。¹Hは水以外の人体を構成する物質（たとえば脂肪）の中にも含まれている。故に、¹Hを画像化することは、人体（の中身）を画像化することに近い。¹H以外の原子核（炭素、リン、ナトリウムなど）に関しては，研究レベルでは画像化が行われているが、臨床診断にはほとんど用いられていない。

[編集] 歴史

医療現場に利用され始めた当初は、NMR現象を利用したCT（computed tomography: コンピュータ断層撮影）であるということから、NMR-CTと呼ばれていた。日本語での呼称として当初は核磁気共鳴CT検査と呼ばれていたが、病院内で「核」という文字を使用することへの抵抗があり、またMRIには放射線被曝がないという利点を誤解されかねないという懸念があり、MR-CTという呼称が考えられ、最終的には、現在のMRIという呼称に落ちついた。

オランダ・フィリップス製の3 TのMRI装置
（台北・三軍総医院）

現在、超伝導電磁石を使用し強磁場を発生させることで、画像を精細かつ高コントラストで構成できるものが製品化されている。多くの施設では0.5 Tから1.5 Tの超伝導電磁石を用いたMRIが使われているが、最近では3 Tの超高磁場装置が日本国内でも臨床使用が認められるようになり、大規模病院を中心に普及が始まりつつある（2007年末において約100台稼働の見通し）。研究用としては、理化学研究所にバリアン製の4.0 Tの装置、国立環境研究所にバリアン製の4.7 Tの装置、新潟大学脳研究所に、人体を撮像可能なGE製の7 Tの装置が設置されている。

主に永久磁石を使用するオープン型MRIは、冷凍機の運転やヘリウム補充が不要などランニングコストが低いため、中小規模の医療機関に広く普及している。低磁場なので騒音が少なく、漏洩磁場も少ないメリットの他、ガントリ開口径が広いので心理的な圧迫感が少なく、外部からのアプローチも容易である。この特徴を生かし、小児や閉所恐怖症患者の検査、腰椎椎間板ヘルニアに対するレーザー治療などの術中（インターベンショナル）MRIに用いられる。

また現在では、リウマチやスポーツ整形等に特化した、エサオテ社製のコンパクト型四肢専用MRIが、日本でも販売されている。この装置は四肢撮像を対象としており、小型で、検査室の磁気シールド工事は不要である。また、閉所恐怖症や、身体の不自由な患者、他にもペースメーカー装着者など従来MRI検査が禁忌であった患者に対しても撮像が安全に施行できる可能性がある（5 gaussラインが28 cm(radial)程度なため）。動物病院専用の"ペット-MR"もある。

[編集] 画質

基本的に濃淡を持つ白黒画像に処理・出力される。

体内の詳細を見ることができるものという一般的な概念が強いが、通常の撮影方法では256ピクセル×256ピクセルであり、デジタルカメラの画素数に換算するとおよそ6.6万画素にすぎない。最近では512×512ピクセルの画像（約26万画素）を撮影できるものが普及しつつあり、1024×1024ピクセル（約105万画素）や、2048×2048ピクセル（約420万画素）の機種も出現している。

なお、MRIの本領は三次元画像にあり、さらに時間的変化まで捉えた画像も撮られているので、MRI検査におけるデータ量は、処理のためにより高性能のコンピュータの使用を要求しつつある。

[編集] 利点・欠点

[編集] 利点

X線などの電離性放射線を使用しないため、放射線被曝がないと考えられている。
コンピュータを用いているため、後処理がしやすい。
生体を構成する組織の種類による、画像のコントラストが、CTよりも高い。
造影剤を用いなくとも血管画像が撮影できる（MRアンジオグラフィー）。
骨によるアーティファクトが少ない。そのため骨で囲まれたトルコ鞍や脳底の病変はCTよりもMRIが描出に優れる。
軟骨や筋肉、靭帯などの軟部組織は一般的にX線で評価できないため、腰椎椎間板ヘルニアや靭帯損傷、肉離れ、骨軟部腫瘍など、骨以外の運動器の異常の評価に有用である。
脳梗塞超急性期では拡散強調画像が有用である。一般にCTより早期に病変を描出することができる。

なお横断像、冠状断、矢状断など任意の方向で撮影できることがMRIの利点であると言われてきたが、CTの空間解像度の向上と任意断面再構成の発達によりこの優位性は失われた。

[編集] 副作用・欠点

MRI用の造影剤によるアレルギー反応や嘔気の副作用がある。
一般的にCTと比較して検査時間が長い。そのため腹部や肺を撮影するために長時間の息止めを要し、それでもこれらの領域ではCTに対して空間解像度で著しく劣る画像しか撮影できない。また救急領域では（脳梗塞などの例外を除き）やや使いづらい。
装置が狭く、閉所恐怖症患者や小児に強い恐怖心を抱かせる。オープン型MRIだと開放感があるため心的負担は軽減できる。
装置の発する騒音が大きい。そのため、とりわけ頭部の検査の場合は耳栓が必要なこともある。ただし近年はかなり改善されてきている。

MRI室専用酸素ボンベ
（立川・災害医療センター）

生体が高磁場にさらされるゆえの副作用や欠点がある。
- 心臓ペースメーカーやその他磁気に反応する金属が体内にあると、検査を受けられない場合がある。
- ヘアピン、イヤリング、指輪、入れ歯、眼鏡、磁気治療器具などの装身具・金属製品は取り外す必要がある。これら金属は画像を乱し撮影に障害をきたすほか、電子機器は故障する危険がある。
- 磁気式キャッシュカードやプリペイドカードなどの磁気記録メディアは間違って持ち込むと確実に読み取り不能になる。
- 化粧は検査前に落とす必要がある。マスカラ、アイライン、アイブロウ、アイシャドー等の化粧品の中には磁性体を含む成分を含有していることがある。
- カラーコンタクトレンズや入れ墨、一部の貼付薬も、上記の化粧と同様に磁性体を含んでいた場合、熱を持ち熱傷を引き起こすことがある。このため、事前に問診等でこれらの有無を問う場合があるが、日本国内においてこれは義務ではない。
- 酸素ボンベや車椅子、ストレッチャー、生体モニタなどの医療器具も、MRI検査室内に持ち込むためには専用のものが必要となる。酸素ボンベをMRI室内に持ち込み、磁場で吸い付けられた酸素ボンベがMRI装置を直撃し、破壊するという事故がおきている。死亡事故例もある。
- 強磁場が人体に与える影響については、未知の部分がある^[1]。そのため、妊娠中または妊娠の可能性のある場合は申し出る必要がある。
超伝導電磁石を使用するものは、冷却のための液体ヘリウムが急激に膨張し噴出するクエンチが発生することがあり、噴出したヘリウムガスが、火災の煙と間違われることがある。なお、超伝導電磁石を使用するものは、常に高電流が流れており電流を止めることが難しい。そのため、検査時のみならずいかなるときも、金属など上記にあるものを検査室に持ち込んではならない。もちろん永久磁石を用いるものも同様である。

[編集] T1強調・T2強調画像

緩和現象は歳差運動が元の状態に戻る過程であるが、それは磁気ベクトル方向（z方向）と回転方向（xy方向）に分けて考えることができる。z方向が熱平衡状態に戻る過程を縦緩和またはT1緩和といい、xy方向が熱平衡状態に戻る過程を横緩和またはT2緩和という。原子核では縦緩和と横緩和とが独立であることが知られており、各々別々に考える必要がある。

実際にラジオ波パルスをやめたときを時間0として、縦緩和・横緩和の磁化ベクトルの大きさを時間経過を測定すると、縦緩和は

M_z=M₀・(1‐e^-k₁・t)

横緩和は

M_xy=M₀・e^-k₂・t

という形に表される。

（M_z・M_xy: 縦／横磁化ベクトルの大きさ、M₀: 定常状態の磁化ベクトルの大きさ、k₁・k₂: 定数）

そして、それぞれの関数の時定数1/k₁、1/k₂をそれぞれT1、T2という値とおく。これらの値はそれぞれの物質固有の値であり、T1強調画像、T2強調画像の由来となった定数である。

この値をそれぞれの物質による差が最も大きくなるように、パルスを与える間隔 (TR: repetition time) と検出するまでの時間 (TE: echo time) とを経験的に割り出し、よりコントラストをつけるような設定を行っている。具体的にはT1強調画像ではTR=300 - 500ミリ秒、TE=10ミリ秒程度、T2強調画像ではTR=3 - 5秒、TE=80 - 100ミリ秒である。

つまり、T1強調画像とはおもに縦緩和によってコントラストのついた核磁化分布を画像化したものであり、T2強調画像とはおもに横緩和によってコントラストのついた核磁化分布を画像化したものである。

T1強調画像で高信号、すなわち白く映し出されるものは、脂肪、亜急性期の出血、銅や鉄の沈着物、メラニンなどであり、逆に低信号（黒）のものは、水、血液などである。

T2強調画像で高信号（白）のものは、水、血液、脂肪などであり、低信号（黒）のものは、出血、石灰化、線維組織、メラニンなどである。

	T1強調画像	T2強調画像
低信号（黒）	水	デオキシヘモグロビン（急性期の出血）
高信号（白）	脂肪、メトヘモグロビン、造影剤	水、関節液

造影剤（ガドリニウム製剤）にはT1短縮作用があるため、造影剤投与後のコントラストはT1強調画像で明瞭化しやすい。このため通常の造影MRIではT1強調画像が撮像されることが多い。多くの病変ではT2強調画像で高信号となるので、T2強調画像の方が目にする機会は多いが、整形外科など脂肪を重視する科ではT1強調画像が好まれる傾向にある。T2強調画像では動脈のような早い血流では無信号、即ち真黒にみえる。これをフローボイドという。通常動脈は真黒に見えるのだが、閉塞があると無信号とならない、これをフローボイドの消失といい、閉塞血管の所見となる。

[編集] MRIを用いた一般的な画像診断学

以下に代表的な信号パターンを示す。病態によって例外も多くある。

long T1,longT2パターン: T2WIにて高信号を示し、T1WIにて低信号を示すパターンである。緩和時間延長と言われることもある。一般的な病変パターンであり良性腫瘍や急性炎症で示されるパターンである。但し嚢胞成分をもつ悪性腫瘍の嚢胞もこのような信号パターンを示すため注意が必要である。2009年現在、T2WIはFSE法（ファストスピンエコー法）で撮影された場合が多く、T2値が信号強度に最も影響される。T2値だけで考えると脳脊髄液をはじめとする液体成分が、軟骨、粘液基質が高く、特に脳脊髄液が最も純水に近く高信号を示すように思えるが、脳脊髄液よりも高信号となる病変は数多くある。内部の均一性、液面形成、FLAIR法なども用いて正常分析をするべきと考えられている。
mediun T2パターン: T2WIにて淡い高信号を示すようなパターンである。long T1,longT2パターンよりも水が多くない、あるいはT2値が長くないのが原因である。このような病変では悪性腫瘍や慢性炎症の可能性が高い。
short T1パターン: T1WIにて高信号を示すパターンである。その病変のT2短縮効果によってT2WIでの信号は変化する。T2WIにて明らかな低信号を示す場合はshort T2パターンとする。このようなパターンを示すものとしては高蛋白液やムチン、メトヘモグロビンによる血腫（亜急性期出血）、一部の石灰化やT1 shortening agent(Gd製剤やクエン酸鉄アンモニウム)の存在があげられる。比較的特異的な病理組織上の変化を反映するため重要な所見となる。まずは脂肪、出血、高蛋白の組織を想定する。選択的脂肪抑制法を用いれば、脂肪は除外可能であり、それを用いて診断を進めていく。
short T2パターン: T2WIにて低信号を示すパターンである。T1WIでの信号は病変によってことなるが、ここではT2WIにて低信号、T1WIにて高信号をしめす場合を説明する。このような信号パターンを示す病変としてはメトヘモグロビン（亜急性期血腫、short T1パターンを示す）、ヘモジデリン（陳旧性血腫）、一部の肉芽腫、メラニン色素のあるメラノーマなどがあげられる。この信号パターンを示す病変はかなり少なく、特異的な所見である。急性期や慢性期の出血が最も多い。石灰化病変はプロトンが乏しいことでshort T2パターンを示すこともある。密な石灰化はT1WIではsignal voidパターン（T1WIでも低信号）となるが、ある程度の石灰化ではsurface effectによりT1WIにて高信号を示しshort T2パターンとなる。またflow voidもshot T2パターンである。flow voidとは血液や脳脊髄液の流れのために発生する信号の消失である。スピンエコー法はグラディエントエコー法に比べて原理的にflow voidを生成しやすい。MRAを行わなくても主幹動脈の閉塞はflow voidの消失を確認することで検出可能と考えられている。
signal voidパターン: T2WIでもT1WIでも低信号を示すパターンである。プロトン量が少ない場合が多い。このようなパターンを示す病変にはflow voidや線維性組織、ヘモジデリン（陳旧性血腫）、高濃度のT1 shortening agentやT2 shortening agentの存在が考えられる。

[編集] 核磁気共鳴画像法のいろいろ

MRA画像

その他にも以下のような手法がある。

スピンエコー法（SE）

スピンエコー法は高画質だが撮影時間が長い撮影法である。T2WIやT2WI、PDWIがこの方法で撮影される。TR、TEともに長いT2WIが最も撮影時間がかかる検査であった。画像再構成を行い、時間短縮が図られたのがファストスピンエコー法（FSE）である。さらにT1緩和を強調するパルスを追加したのが反転回復法（IR）である。IR法の反転時間の設定を調節することで特定の信号を抑制することができSTIR法をはじめとした脂肪抑制法が誕生した。2009年現在、主流なのはFSE法とIR法を併用したfast IR法である。

グラディエントエコー法（GRE）

グラディエントエコー法は撮影時間が短いが局所磁場の乱れに鋭敏な方法である。横磁化を保持するFISP法と分断するFLASH法などが知られている。FISP法はT2*強調画像、FLASH法はMRAなどで応用されている。T1緩和を強調するパルスを付加した方法にMP-RANGE、高速撮影を行い、T2/T1の良好なコントラストを得るtrue FISP(バランズシーケンスともいう)などが知られている。GRE-T1WIという撮影法ができ、ダイナミックMRIの画像が進歩し、true FISPは消化管の描出優れている。

エコープランナー法（EPI）

極めて高速に撮影できる方法でありDWIやPWIに用いられる。SE-EPIではT2コントラストの画像も高速で得られ、GRE-EPIではT2*強調画像が得られる。機能的MRI（fMRI）もこの方法である。

プロトン密度強調画像

縦緩和・横緩和のどちらの影響も受けにくいTR、TEで撮像したものを言う。具体的には、TRを長く（3 - 5秒）、TEを短く（10ミリ秒）設定して撮像する。T1強調画像、T2強調画像と比べ使用頻度は少ない。骨軟部の評価に有用である。

フレアー法 (FLAIR

fluid attenuated inversion recovery)

自由水の縦磁化がnull pointとなるタイミングで信号を収集し、自由水（または自由水と同程度のT1値を持つ組織）からの信号を抑制した画像を得る撮影方法。脳脊髄液に接する病変を検出しやすくする方法。

拡散強調画像 (DWI

diffusion weighted image)

拡散係数が低い水を鋭敏に検出する方法である。拡散係数が低下すると高信号を示す。急性期虚血性病変や腫瘍を鋭敏に検出する。古い梗塞巣は低信号となる。特にT2WIと比較することで脳梗塞の新旧の区別が可能である。b valueといわれる変数があり、これが拡散強調の強さを示す。理想的にはb value 1000で行うとされているが周辺組織の信号低下を伴い、部位診断が難しくなる。脳においてはb value 200程度で十分とされている。細胞性浮腫（血管傷害など）、高細胞密度（悪性腫瘍）、高粘稠度（膿瘍）といった病変を検出できることからルーチンで撮影されることが多い。浮腫性病変では血管性浮腫の場合はDWIでは高信号にならないが、時間経過で細胞性浮腫の要素が出てくると高信号化する。拡散強調画像はT2強調画像を元画像としているため、T2強調画像のコントラストも反映されるため拡散低下が認められなくとも高信号を示す場合がある。

DWIで高信号を示す場合は以下の3つの場合であることが殆どである。ADC値が周囲より低く、元画像では周囲と同等の場合（超急性期梗塞）や、ADC値が周囲より低く、元画像でも周囲より高信号（脳梗塞急性期）、元画像で周囲より高信号でADC値が変わらない、所謂T2 shine throughという状態がある。ADC値を調べるために、ADC-MAPを追加することも多い。

ADC画像

拡散係数をそのまま画像化したものでありADC-MAPということもある。DWIで高信号でありADC-MAPで低信号を示せば拡散係数の低下ということができる。ふたつ組み合わせることでT2 shine throughといった修飾因子を除外できる。だが、病変の検出には不向きであるため、あくまでも解釈や検討用の画像である。

T2*強調画像

スピンエコー法ではなくグラディエントエコー法で行われたT2WIに似たコントラストの画像である。TEが短くてもT2WIに似たコントラストが得られることからスピンエコー萌が高速化される以前はT2WIの代用として用いられることもあった。2009年現在は微量な鉄の沈着の検出、特に出血性病変の検出のために用いられる。

脂肪抑制法

CHESS法: 選択的脂肪抑制法である。CHESS法で抑制されればその信号域は脂肪であるということができる。
STIR法 (short TI inversion recovery): 脂肪の縦磁化がnull pointとなるタイミングで信号を収集し、脂肪（または脂肪と同程度のT1値を持つ組織）からの信号を抑制した画像を得る撮影方法。眼窩内病変、脊髄病変、炎症部位を検出しやすくする方法である。非選択的脂肪抑制法であり、抑制されてもその組織が脂肪であるということはできない。
水/脂肪信号相殺法

灌流強調画像 (perfusion weighed image)

PWIといわれる。血液量の指標となる。脳梗塞にてペナンブラの評価に用いることがある。

single shot法

siemens社のHASTE、GEYMSのSSFSE、PHILIPSのone shot TSE、東芝のFASEなどがsingle shot法とハーフフーリエ法を併用した方法である。MRCPやMRUで用いることが多い。撮影タイプにthin sliceとthick sliceがあり使い分けが重要となる。thin sliceではMIPなど再構成が必要となる。これらの撮影法はハーフフーリエRAREとも呼ばれる。ハーフフーリエ法を用いず通常のFourier変換を行う場合はtrue RAREと呼ばれる。

造影MRI

MRIは組織特異性が高くないため、造影剤を用いることがある。

ガドリニウム化合物: ガドリニウムはその原子核的な性質上、合成スピン角運動量による磁気モーメントが最大となるため造影剤として使用される。ガドリニウム単体では毒性が強いが、ガドリニウムをキレートして安定化させた化合物を使用すれば毒性はなくなるため利用できる。細胞外液に分布して、全身の診断に用いられる。
なお、ガドリニウムはカルシウムイオン濃度測定のための薬品と結合する性質があり、ガドリニウム化合物の使用後に血中カルシウムイオン濃度を測定すると実際の血中濃度よりも低い値が出てしまう。
超常磁性酸化鉄（SPIO）: 肝臓を造影するための造影剤である。正常の肝臓では鉄はまずクッパー細胞でとらえられるが、異常な肝臓ではクッパー細胞が存在せず、とりこまれない。この性質を利用し、「異常な肝臓が造影されない」ということで診断的価値のある造影剤（陰性造影剤）である。
サブトラクション画像: 造影後の画像から造影前の画像を引き算し造影効果をわかりやすくした画像である。乳腺や大血管の評価でよく用いられる。

磁気共鳴血管画像 (MRA: magnetic resonance angiography); 血管内を動くプロトン（水素原子核）のみを高信号に描出する手法。血管構築の異常を見ることができる。造影剤と組み合わせることで大動脈解離の診断にも有用である。TOF法（time of flight）によるものが普及している。これはTRの短いグラディエントエコー法であり、MIP画像（最大値投影画像）で再構成し表示する場合が多い。それ以外にPC法（phase contrast法）や造影剤を用いたものもある。頚部血管は内頚動脈分枝部で乱流が発生することからTOF法では評価が難しいが造影剤を用いると良好な描出が得られる。この場合の造影剤の注入にはインジェクタを用いたり、タイミング撮影を行ったりする。
MR胆管膵管撮影（MRCP）

[編集] 関連項目

[編集] 脚注

^ Electromagnetic fields and public health---Static electric and magnetic fields. WHO fact sheet N299 March 2006

[編集] 参考文献

MRI自由自在　ISBN 9784895537711
腹部のMRI　第2版　ISBN 9784895925549
脳脊髄のMRI　第2版　ISBN 9784895925990

[編集] 外部リンク

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最終更新 2009年11月22日 (日) 18:03 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
【核磁気共鳴画像法】変更履歴

[0] Electromagnetic fields and public health---Static electric and magnetic fields. WHO fact sheet N299 March 2006

[1]