MRI装置のしくみ

01

体の声に耳をすますトンネル

これはMRI装置です。MRIは「磁気共鳴画像法」の英語名の頭文字です。磁石の強さは1.5テスラです。テスラは、磁場の強さを表す単位です。寝台に横になると、寝台ごとボアの中へ運ばれます。ボアは幅約70cmのトンネルです。トンネルを囲む装置は長さ約1.6mから1.9m、重さは3トンから6トンあります。

脳を撮るときは、頭部コイルがかごのように頭を囲みます。これはアンテナで、小さな受信器が20個から64個ついています。受信器は、体から返ってくるかすかな電波のエコーを聞き取ります。部屋の壁には銅板が張ってあるので、外の電波でエコーがかき消されることはありません。ここではX線は使いません。装置が使う電波のエネルギーは、原子から電子をはじき出すのに必要な量の約5000万分の1しかありません。

白いカバーの下では、部品が輪のように入れ子になっています。外側から順に、冷たい容器に包まれた磁石、3つの傾斜磁場コイル、そして電波のアンテナであるボディコイルが並んでいます。断面表示（C）をオンにすると、磁石の一部がくさび形に開いて、中が見えます。次の章から、ひとつずつ見ていきましょう。

このモデルでは、1回の繰り返しを再生します。繰り返しとは、1枚の画像をつくるために撮影中に何度も行う、短いひと続きの手順です。ここでの1回の繰り返しは、実際の時間で0.5秒から2.5秒です。ところが、その中の電波パルスはほんの数ミリ秒です。そのため、タイムラインの縮尺は実際の時間どおりではありません。数ミリ秒のパルスとエコーがタイムラインの約3分の2を占め、長い休みは残りの3分の1に縮めてあります。タイムラインにはいま再生中のステップが、リアルタイムの計測値には本当の時間が出ます。何枚も画像を撮る頭の検査全体では、約30分から45分かかります。

主磁場: 1.5 T, always on
トンネルの幅: 70 cm across

02

スイッチを切らない磁石

いちばん大きな部品は主磁石です。ニオブチタンの線を約30kmから40km、コイルに巻いたものです。この線を十分に冷やすと、超伝導になります。超伝導とは、電気抵抗がゼロになり、電流が何の妨げもなく流れる状態です。数百アンペアの電流が、閉じたループの中をぐるぐる回り続けます。いったんループを閉じれば、磁場を保つのに電力はいりません。磁場の弱まりは、1年で0.1%にも届きません。

超伝導を保つため、コイルは4.2ケルビン（K）、約−269°Cの液体ヘリウムに浸かっています。ケルビンは、絶対零度をゼロとする温度の目盛りです。絶対零度とは、これ以上は下がらない、いちばん低い温度です。つまりこのヘリウムは、深宇宙より約1.5Kあたたかいだけです。従来型の磁石には約1500リットル入っていますが、新しい密閉型の磁石なら7リットル以下ですみます。ヘリウム容器のまわりでは、熱シールドと真空が、魔法瓶のように外の熱を締め出します。くさび形に開いた部分から、この層が見えます。上に載っている小さな冷凍機はコールドヘッドといい、蒸発したヘリウムを液体に戻します。昼も夜も動き続け、約6kWから7kWの電力を使います。

磁場の強さは、地球の磁場の数万倍です。正確な倍率は、地球のどこにいるかで変わります。地球の磁場の強さが、場所ごとに違うからです。3テスラを選ぶと、もっと強い磁石と比べられます。磁石のまわりの線は磁力線といい、磁場の形を表しています。外側にあるシールドコイルは、逆向きに電流を流し、外へもれる磁場を引き戻します。それでも、トンネルの方向に約4m先までは、磁場が0.5ミリテスラ（mT）を超えています。0.5mTは、1テスラの2000分の1です。この範囲では、ペースメーカーが安全に動かなくなるおそれがあります。床の点線の輪が、その境目です。

この磁石はスイッチを切ることがありません。そのため入口には、いつも磁場が出ていると知らせる表示が光っています。鉄を含むものは、トンネルに向かって飛んでいくことがあります。酸素ボンベが吸い込まれて、人が亡くなった事故もあります。だからスタッフは、入口で人も物もすべて確かめます。線のどこかが温まると、そこで超伝導が止まり、電流が熱に変わります。これをクエンチといいます。磁場は2秒から5秒でゼロになります。蒸発したヘリウムはクエンチ管を通って、ごうごうと建物の外へ噴き出します。

地球の磁場と比べると: 23,000 to 60,000 times stronger
液体ヘリウム: 4.2 K, −269 °C
0.5mTの安全ライン: 4 m along the tunnel, 2.5 m to the side

03

水素は傾いて、首を振る

体の原子のおよそ10個に6個は水素で、ほとんどは水と脂肪の中にあります。水素原子の中心にある原子核は、陽子1個だけでできています。これが小さな磁石のようにふるまいます。MRIが水素に耳をすますのは、水素がどこにでもあり、いちばん強い信号を出すからです。

磁場の中で、この小さな磁石は、ただ磁場の向きを指すわけではありません。歳差運動をするのです。傾いて回るこまのように、磁場の向きを軸にして首を振ります。1.5テスラでは1秒に約6400万回、つまり63.9MHz（メガヘルツ）で首を振ります。この首振りの速さを、ラーモア周波数といいます。磁場が強いほど高くなり、3テスラでは127.7MHzになります。どちらもFMラジオに近い周波数です。1.5テスラの値はFMの帯域のすぐ下、3テスラの値はすぐ上にあります。

原子核がみんな同じ向きにそろうわけではありません。体温で揺さぶられ、ほぼばらばらの方向を向いています。磁場と同じ向きに傾くものは、逆向きのものより100万個あたり約5個多いだけです。それでも水1立方ミリメートルの中では、この余分な原子核が約3.3 × 10¹⁴個にもなります。合わせると、小さな正味の磁石になります。装置が相手にするのは、この矢印です。

挿入図の矢印は、何倍にも拡大した絵です。頭の中の実際の一点ではありません。傾きも、見えるように本物よりずっと大きく描いています。再生を押すと、矢印が回るのが見られます。絵の動きは、ものすごくゆっくりにしてあります。どれだけ遅くしたかは、計測値に出ます。この数字は、再生速度に合わせて変わります。3テスラに切り替えてみてください。本物の周波数も余分な原子核の数も2倍になりますが、絵の速さは変わりません。そのため、絵をゆっくりにした倍率も2倍になります。

ラーモア周波数: 63.9 MHz, just below FM radio
磁場の向きに傾く、余分な原子核: about 5 in a million
水1mm³の中の余分な原子核: about 3.3 × 10¹⁴
絵の首振りの速さ: about 128 million times

04

電波パルスとエコー

正味の磁石から信号を引き出すため、装置はラーモア周波数ぴったりの短い電波のパルスを送ります。このように首振りに合わせることを共鳴といいます。ブランコに乗った子どもを、ちょうどいいタイミングで押すのと同じです。パルスを出すのはボディコイルで、トンネルのすぐ内側にある、銅の棒を並べたかごです。パルスの長さは、長くても数ミリ秒です。

90°パルスは、正味の磁石を真横に寝るまで倒します。磁石はそこで首を振り続けます。頭部コイルのそばを通るたびに、マイクロボルト単位のごく小さな電圧を生みます。この電圧が信号です。倒す角度のスライダーを動かしてみてください。信号を出すのは横向きの部分だけで、磁場に沿った部分は信号を出しません。

小さな磁石たちは、すぐに足並みが乱れます。ほかより少し速く首を振るものがあるからです。そのため信号は弱まっていきます。90°パルスとエコーの中間で、180°パルスが磁石たちをひっくり返します。今度は速いものが後ろになり、やがて追いつきます。磁石たちは再び足並みをそろえ、エコーを出します。90°パルスからエコーまでの時間が、エコー時間です。下のボタンで、それぞれの瞬間に止められます。

パルスのあと、磁石たちは少しずつ元の状態に戻ります。これを緩和といいます。それぞれの組織がどれくらい明るく見えるかは、緩和を表す2つの時計で決まります。T1は、正味の磁石が磁場に沿った向きに、元の約63%まで戻るのにかかる時間です。T2は、横向きの信号が約37%まで弱まるのにかかる時間です。180°パルスで元に戻せるのは、いつも変わらない速さの違いだけです。となり合う原子核どうしのでたらめな押し合いによるずれは残るので、エコーは少し弱くなります。この弱まりを表すのがT2です。脂肪は早く戻り、脳脊髄液（脳と脊髄を包む液体）はゆっくり戻ります。組織を選んで比べてみましょう。組織ごとの値は、このモデル用に選んだおおよその数字です。パルスは体を少しあたためるので、装置はその発熱を安全な範囲に抑えています。

T1（戻る時間）: 884 ms
T2（弱まる時間）: 72 ms

05

場所を見分けるコイル

ここまでは、頭のどの場所も同じ周波数で答えるので、エコーがどこから来たのかわかりません。これを解決するのが、磁石の内側にある傾斜磁場コイルです。x、y、zの3つがあります。傾斜磁場とは、片側から反対側へ、強さが一定の割合で変わっていく磁場です。それぞれのコイルは、中心より片側で主磁場を少し強め、反対側では少し弱めます。

変化はわずかで、1mあたり最大45mTです。頭の端では、合わせて約5.4mTになります。これは1.5テスラの磁場の約0.3%です。それでも、場所ごとに違う周波数をもたせるには十分です。コイルは約0.2ミリ秒でオンになります。

コイルにはそれぞれ役目があります。zコイルは電波パルスと組んで、薄い1枚の断面だけを目覚めさせます。これがスライス選択です。yコイルは上下方向にねじれをつけます。ねじれ方は繰り返しのたびに変わります。これが位相エンコードです。xコイルはエコーが届いているあいだに働くので、周波数の違いで左右がわかります。これが周波数エンコードです。コイルを選んでその磁場を見るか、撮影の流れを追ってみましょう。

強い磁石の中で大きな電流を切り替えると、スピーカーのようにコイルががくんと揺れます。これが、撮影中に聞こえるあの大きなガンガンという音の正体です。100デシベルを超えることもあり、削岩機と同じか、それ以上の大きさです。だから撮影のときは、必ず耳栓かヘッドホンを渡されます。

頭の端での変化: 5.4 mT
主磁場に対する割合: 0.36 %
頭の端での周波数のずれ: 230 kHz
オンになるまでの時間: 0.225 ms
この撮影での役目: Changes with each step

06

エコーから画像へ

エコーは1つずつ、k空間の1ラインとして記録されます。k空間とは、エコーを場所ではなく、周波数とねじれで並べた格子です。1回の繰り返しで、1ラインが埋まります。次の繰り返しでは、ねじれを変えて別のラインを埋めます。モデルの画像は64 × 64なので、64回の繰り返しが必要です。実際の頭の撮影では、256ラインを使うことがよくあります。ここではラインを真ん中から外へ向かって埋めるので、早いうちから大まかな画像が見えてきます。

フーリエ変換という計算が、この格子を画像に変えます。太いものから細いものまで、どんな縞模様をどう混ぜれば画像になるかを割り出すのです。k空間の真ん中には太い縞、つまり全体の明暗が入っています。端には細かな部分が入っています。画像は、操作室の窓のとなりにある、壁のモニターに映ります。8、16、32、64ラインのどれかを選ぶと、撮影が一時停止します。画像がくっきりしていく様子を見てみましょう。

どの組織が明るく写るかは、タイミングで決まります。T1強調画像を撮るときは、500ミリ秒ごとに繰り返し、早めの15ミリ秒で聞き取ります。回復の遅い組織が戻りきる前に、毎回の繰り返しが終わります。そのため、脂肪は明るく、脳脊髄液は暗く写ります。T2強調画像では、2500ミリ秒ごとに繰り返し、100ミリ秒で聞き取ります。今度は信号がゆっくり弱まる液体が明るく光り、灰白質は白質より明るく見えます。計測値は、いちばん明るい組織を100%として、それぞれの明るさを示します。ここでの頭は、楕円を組み合わせた簡単な絵です。本物の画像ではありません。このモデルでは、どの組織も水素の量は同じで、骨と空気は黒いままです。

1回の繰り返しで1ラインずつだと、256ラインにかかる時間は、T1強調で約2.1分、T2強調で約10.7分です。いまの脳の撮影では、ほとんどがターボスピンエコーを使います。1回の繰り返しで4ラインから32ラインを読み取る撮り方です。16ラインずつなら、T2強調の撮影は約40秒で終わります。このモデルが撮るのは1枚のスライスだけですが、実際の頭の撮影では何枚も撮ります。ポール・ラウターバーは、1973年に最初のMR画像を発表しました。ラウターバーとピーター・マンスフィールドは、この功績で2003年のノーベル賞を共同受賞しました。

脂肪: 0 %
白質: 0 %
灰白質: 0 %
脳脊髄液: 0 %
1回の繰り返しで1ライン: 10.7 min for 256 lines
ターボスピンエコー（繰り返し1回で16ライン）: about 40 s