核磁気共鳴画像法

頭部のMRI（T1）画像

頭の頂部から下へ向けて連続撮影し、動画化したもの

核磁気共鳴画像法（かくじききょうめいがぞうほう、テンプレート:Lang-en, MRI）とは、核磁気共鳴（テンプレート:En, NMR）現象を利用して生体内の内部の情報を画像にする方法である。

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で得られない三次元的な情報等（最近のCTでも得られるようになってきている）が多く得られる。また、2003年にはMRIの医学におけるその重要性と応用性が認められ、"核磁気共鳴画像法に関する発見"に対して、ポール・ラウターバーとピーター・マンスフィールドにノーベル生理学・医学賞が与えられた。

原理

テンプレート:Main 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（テンプレート:仮リンク）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、または傾斜磁場）をかける。一般的に、勾配磁場を印加するコイルのことは勾配磁場コイルと呼ばれている。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、画像に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）を画像にすることに近い。¹H以外の原子核（炭素（¹³C）、リン（³¹P）、ナトリウム（²³Na）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、臨床診断にはあまり用いられていない。

体内から発生する磁場を検出し、画像化するモダリティには他にMEGがある。ただし、MRIが上記のように外部から磁場を掛けて信号を得るのに対して、MEGは脳神経の微小電流により常時発生している微小磁場を検出するもので原理も得られる画像の質も全く異なるものである。

歴史

ファイル:Modern 3T MRI.JPG

オランダ・フィリップス製MRI装置（3T）
（台北・三軍総医院）

医療現場に利用され始めた当初は、核磁気共鳴（NMR）現象を利用したCT（テンプレート:Lang-en-short、コンピュータ断層撮影）であったので、NMR-CTと言った。日本語での呼称として当初は核磁気共鳴CT検査と言っていたが、病院内で「核」という文字を使用することに抵抗があり、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、MRIという呼称に落ちついた。日本では、東芝が国産常電導機MRI-15A（0.15T）を東芝中央病院（現東芝病院）に設置した。また島津（SMT-20）、旭化成（MARK-J）、日立（G-10）、三洋（SNR-500）などもつぎつぎ開発され、国内外ではげしく競い合う状況となる。1983年に入ると、放射線医学総合研究所に常伝導垂直型MARK-J（0.15T）が導入され、同型機が藤元病院（現藤元総合病院）に設置された。さちに、国立大学一号機としてブルッカー社製常電導機BNT-1000J（0.15T）が東北大学抗酸菌研究所に導入された。

[現在テンプレート:いつ、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テスラから1.5テスラの超伝導電磁石を用いたMRIが使われているが、最近テンプレート:いつでは3テスラ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テスラの装置、国立環境研究所にバリアン製の4.7テスラの装置、新潟大学脳研究所に、人体を撮像可能なゼネラル・エレクトリック製の7テスラ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。

また現在テンプレート:いつでは、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ガウスラインが28cm（radial）程度なため）。動物病院専用の「PET-MR」もある。

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256×256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。

利点・欠点

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はない。
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。
軟骨や靭帯は一般的にX線CT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、半月板損傷など、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。X線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の撮影速度の上昇と任意断面再構成技術の発達によりこの優位性は失われた。

副作用・欠点

MRIを取り扱う上で発生しうる事故や障害の原因は患者側の要因と機器側の要因に分けられ、更に後者は

強力な静磁場による力学的作用（ミサイル効果）および磁気的作用
傾斜磁場の変動による神経刺激
RFパルスの吸収による発熱作用
機器の構造上発生する騒音

などに分けられる。

具体的な例を以下に列挙する。

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がやや劣る。また救急疾患では、患者が検査中に孤立するために、やや使いづらい。
装置が狭く、閉所恐怖症患者や小児に恐怖心を抱かせることがある。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。これは傾斜磁場コイルがローレンツ力によって振動するためである。撮影シークエンスが実行されている間、検査室内にいる人は聴力保護具の着用が必要なことがあり、頭部の撮影を行う際は耳栓を、それ以外の場合はヘッドホンを装着させる。撮影する時の音が大きいため撮影に恐怖感を持つ人も居る。機器の静磁場強度が大きくなるに伴い騒音は大きくなってしまうが、固定方法の改良やメーカーによって騒音を抑える工夫がなされているため、磁場強度の増大から予想されるほどの騒音は抑えられている。オープンMRI（垂直型MRI）は構造上ローレンツ力の影響が少ないこと、使用する静磁場強度がトンネル型（平行型）MRIよりも小さいことから騒音は小さい。
一度磁力を落としてしまうと復旧に1～2週間必要となる。特に超伝導電磁石を利用しているものは、緊急停止などで一度電流が止まってしまうと点検後再びヘリウムを補充し、超伝導状態まで持っていくまでに長い時間がかかる。

ファイル:Oxygen cylinders for MRI room.jpg

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。ただし、2012年3月に条件付きで全身MRI撮像可能なペースメーカーシステム（条件付きMRI対応承認されたペースメーカー本体とリードで構成されるシステム）が薬事承認されており、2012年10月より国内販売が開始された。現在は条件付きMRI対応機器と従来のMRI禁忌の機器が混在しているため、検査には注意が必要である。今後テンプレート:いつ普及するものと考えられる。
- 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。
- 人工関節や骨折部位の接合プレート、ボルトなどが入っている場合は必ず医師に報告しなければならない。上記にもある通り画像を乱す。
- 磁気式キャッシュカードやプリペイドカード、磁気認識方式のカードキーなどといった磁気記録メディアは間違って持ち込むと読み取り不能になることがある。
- 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ものがあり、検査によって熱傷をおこすことがあるので、検査前に落とす必要がある。
- 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。
- 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や死亡事故が発生している。
- 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MRIは、冷却のための液体ヘリウムが事故によって爆発的に気化するクエンチが発生することがある。
人体に向けて高周波のRFパルスが照射されることにより電磁波による熱力学的作用が発生する。理論上は人体組織の温度が上昇する可能性があるが、一般的に使用されているMRI装置ではほとんど実感されることはない。3TのMRIでは温度上昇を無視できない場合があるために、RFパルスの強さに一定の制限がかけられている。
CTとは異なる種類のアーティファクトが発生する。
X線CTと比較すると費用が高く大掛かりな設備が必要となり、ある程度以上の規模の病院に限られてしまう。

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、縦緩和はテンプレート:Indent 横緩和はテンプレート:Indent という形に表される。

（<math>M_z</math>、<math>M_{xy}</math>: 縦/横磁化ベクトルの大きさ、<math>M_0</math>: 定常状態の磁化ベクトルの大きさ、<math>k_1</math>、<math>k_2</math>：定数）

そして、それぞれの関数の時定数 <math>1/k_1</math>、<math>1/k_2</math>をそれぞれ<math>T_1</math>、<math>T_2</math>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、テンプレート:Lang-en-short）と検出するまでの時間（TE、テンプレート:Lang-en-short）とを経験的に割り出し、更に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。

ファイル:Bonthius1b.gif

亜急性硬化性全脳炎（SSPE）のMRI像。AとCがT1強調画像で脳室内の脳脊髄液が黒く（低信号で）見えている一方で、BとDのT2強調画像では同じ脳脊髄液が白く（高信号で）見えている。

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にしたものであり、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にしたものである。

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強調画像で明瞭になりやすい。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。

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。

テンプレート:ルビ、テンプレート:ルビパターン: 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、テンプレート:ルビなども用いて正常分析をするべきと考えられている。
テンプレート:ルビパターン: 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。
テンプレート:ルビパターン: 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）、一部の石灰化やテンプレート:ルビ（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。
テンプレート:ルビパターン: 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ではテンプレート:ルビパターン（T1WIでも低信号）となるが、ある程度の石灰化ではテンプレート:ルビによりT1WIにて高信号を示しshort T2パターンとなる。またテンプレート:ルビもshort 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。
テンプレート:ルビパターン: 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）、高濃度のテンプレート:ルビやT2 shortening agentの存在が考えられる。