MRI の仕組み

医師であり科学者であるレイモンド・ダマディアン博士は、磁石を使用して身体を非侵襲的にスキャンできる機械を製造するために何年も苦労しました。彼は何人かの大学院生と一緒に超電導磁石を作り、アンテナ線のコイルを作りました。この装置では誰も最初の患者になりたがらなかったため、ダマディアンさんは自ら最初の患者になることを志願した。

しかし、彼が乗り込んでみると、何も起こりませんでした。ダマディアンは、失敗した発明に何年も無駄にされたと考えていましたが、同僚の一人が、この機械には大きすぎるのではないかと勇敢にも言いました。あるすらりとした大学院生が自ら実験を志願し、1977 年 7 月 3 日、初めて人間に対して MRI 検査が実施されました。 1 枚の画像を作成するのにほぼ 5 時間かかりました。「Indomitable」と名付けられたそのオリジナルのマシンは現在、スミソニアン博物館に所有されています。

わずか数十年で、磁気共鳴画像法( MRI ) スキャナーの使用は大幅に増加しました。医師は、ほんの数例を挙げると、多発性硬化症、脳腫瘍、靱帯断裂、腱炎、癌、脳卒中などの診断に役立てるために MRI スキャンを注文することがあります。 MRI スキャンは、人体を切らずに内部を見るための最良の方法です。

MRI 検査の準備をしているとき、それは少し慰めになるかもしれません。あなたは宝石とクレジットカードを剥奪され、体内にある可能性のあるすべての金属器具について詳細な質問を受けました。あなたは小さな板の上に乗せられ、人が入れるほどの大きさとは思えない穴に押し込まれます。大きな騒音にさらされ、完全に動かずに横たわっていなければなりません。そうしないと、彼らは再び同じことを繰り返すでしょう。そして、毎分、このマシンに乗っている間に自分の体に何が起こっているのか疑問に思わずにはいられません。この試練が、X 線や CAT スキャンなどの他の画像技術よりも優れていると本当に言えるのでしょうか?レイモンド・ダマディアンは何を成し遂げましたか?

MRI マグネット: 主要なプレーヤー

MRI スキャナーのサイズと形状はさまざまで、一部の新しいモデルでは側面の周囲が大きく開いています。それでも、基本的な設計は同じで、患者は直径わずか約 24 インチ (60 センチメートル) の管の中に押し込まれます 。しかし、そこには何が入っているのでしょうか？

MRI システムの最大かつ最も重要なコンポーネントは磁石です。患者が入るのと同じ水平のチューブが磁石の中を前から後ろまで通っています。このチューブはボアとして知られています。しかし、これは単なる磁石ではありません。ここでは、大きく安定した磁場を生成できる信じられないほど強力なシステムを扱っています。

MRI システムの磁石の強度は、テスラとして知られる測定単位を使用して評価されます。磁石で一般的に使用されるもう 1 つの測定単位はガウス(1 テスラ = 10,000 ガウス) です。現在 MRI システムで使用されている磁石は、1.5 テスラから 7.0 テスラ、つまり 15,000 から 70,000 ガウスの磁場を生成します。地球の磁場の測定値が 0.5 ガウスであることを理解すると、これらの磁石がいかに強力であるかがわかります。

ほとんどの MRI システムは超電導磁石を使用します。超電導磁石は、電流が流れる多くのコイルまたはワイヤの巻線で構成され、最大 2.0 テスラの磁場を生成します。このような大きな磁場を維持するには多量のエネルギーが必要ですが、これは超電導によって実現されるか、ワイヤの抵抗をほぼゼロに低減します。これを行うために、ワイヤーは華氏 452.4 度 (摂氏 0 度以下 269.1) の液体ヘリウムに継続的に浸されます 。この冷たさは真空によって断熱されています。超電導磁石は高価ですが、強力な磁場により最高品質のイメージングが可能になり、超電導によりシステムの経済的な運用が可能になります。

MRI 装置のその他の部分

他の 2 つの磁石は、はるかに少ない範囲で MRI システムで使用されています。抵抗磁石は構造的には超電導磁石に似ていますが、液体ヘリウムがありません。この違いは、膨大な量の電力が必要であることを意味し、0.3 テスラ レベルを超えて動作させると法外に高価になります。永久磁石は一定の磁場を持っていますが、非常に重いため、大きな磁場を維持できるものを構築するのは困難です。

MRI 装置内には 3 つの傾斜磁場もあります。これらの磁石は主磁場に比べて強度がはるかに低いです。強度は 180 ガウスから 270 ガウスの範囲です。主磁石が患者の周囲に強力で安定した磁場を生成する一方で、勾配磁石は可変磁場を生成し、これにより身体のさまざまな部分をスキャンできるようになります。

MRI システムのもう 1 つの部分は、患者の体内に高周波を送信する一連のコイルです。膝、肩、手首、頭、首など、体のさまざまな部分に応じてさまざまなコイルがあります。これらのコイルは通常、画像化される身体部分の輪郭に適合するか、少なくとも検査中にその輪郭の非常に近くに存在します。機械の他の部分には、非常に強力なコンピューター システムと、患者をボア内にスライドさせる患者テーブルが含まれます。患者が頭から行くか足から行くかは、体のどの部分を検査する必要があるかによって決まります。スキャン対象の身体部分が磁場の正確な中心、つまりアイソセンターに来ると、スキャンを開始できます。

スキャン中に何が行われるのでしょうか?次に調べてください。

水素原子と磁気モーメント

患者が MRI 装置に滑り込むと、 人体を構成する何十億もの原子が一緒に運ばれます。 MRI スキャンの目的では、体のほとんどが水と脂肪で構成されているため、豊富に存在する水素原子のみに注目します。これらの原子は、子供のコマのように、その軸を中心にランダムに回転、つまり歳差運動をしています。原子はすべてさまざまな方向に進んでいますが、磁場の中に置かれると、原子は場の方向に並びます。

これらの水素原子は強い磁気モーメントを持っています。これは、磁場内では水素原子が場の方向に並ぶことを意味します。磁場は機械の中心をまっすぐに走っているため、水素陽子は患者の足または頭のいずれかを指すように整列します。約半分が両方向に進むため、大部分の陽子が互いに打ち消し合います。つまり、足元に向かって並んでいる原子ごとに、頭の方に向かって 1 つ並んでいます。 100 万個のうち、打ち消されない陽子はわずか 2 個だけです。これは大したことではないように思えますが、体内の水素原子の膨大な数は、非常に詳細な画像を作成するのに十分です。私たちが今関心を持っているのは、これらの比類のない原子です。

MRI スキャンでは他に何が起こっているのでしょうか?

次に、MRI 装置は水素にのみ固有の高周波 (RF) パルスを適用します。システムは、検査したい体の領域にパルスを向けます。パルスが印加されると、比類のない陽子がエネルギーを吸収し、別の方向に再び回転します。これがMRIの「共鳴」部分です。 RF パルスは、それらを特定の周波数で特定の方向に回転させます。共鳴の特定の周波数はラーモア周波数と呼ばれ、画像化される特定の組織と主磁場の強度に基づいて計算されます。

ほぼ同時に、3 つの勾配磁石が動作を開始します。それらは主磁石の内部に配置されており、特定の方法で急速にオン/オフすると主磁場が局所レベルで変化します。これが意味するのは、写真を撮りたい領域を正確に選択できるということです。この領域は「スライス」と呼ばれます。数ミリメートルの薄さのスライスを持つパンを考えてください。MRI のスライスは非常に正確です。 体のあらゆる部分を任意の方向からスライスすることができるため、医師は他の画像診断法に比べて大きな利点を得ることができます。これは、マシンが別の方向から画像を取得するために移動する必要がないことも意味します。マシンは勾配磁石を使用してあらゆるものを操作できます。

しかし、スキャン中にマシンは膨大な量の騒音を発し、それは連続的な速いハンマーのような音です。これは、主磁場に対抗する傾斜磁石のワイヤ内の電流が上昇するためです。メインフィールドが強いほど、勾配ノイズも大きくなります。ほとんどの MRI センターでは、ラケットの音を消すために音楽プレーヤーを持ち込むことができ、患者には耳栓が与えられます。

RF パルスがオフになると、水素陽子は磁場内でゆっくりと自然な配列に戻り、RF パルスから吸収されたエネルギーを放出します。これを行うと信号が発せられ、コイルがそれを拾ってコンピュータ システムに送信します。しかし、この信号はどのようにして意味のある画像に変換されるのでしょうか?

MRI 画像とその作成方法

MRI スキャナーは、患者の体内の非常に小さな点を検出し、基本的に「あなたはどのような種類の組織ですか?」と尋ねることができます。このシステムは患者の身体を点ごとに調べて、組織タイプのマップを構築します。次に、このすべての情報を統合して、フーリエ変換として知られる数式を使用して 2-D 画像または 3-D モデルを作成します。コンピューターは、回転する陽子からの信号を数学的データとして受け取ります。データは画像に変換されます。それがMRIの「画像化」の部分です。

MRI システムでは、注入可能な造影剤、つまり色素を使用して、検査対象の組織内の局所的な磁場を変更します。正常な組織と異常な組織は、このわずかな変化に対して異なる反応を示し、異なる信号を私たちに与えます。これらの信号は画像に転送されます。 MRI システムは、さまざまな組織を描写するために 250 を超えるグレーの階調を表示できます 。この画像により、医師はコントラストを使用しない場合よりも、さまざまな種類の組織異常をより正確に視覚化できます。 「A」を実行すると、正常な組織は「B」のように見えることがわかっています。そうでない場合は、異常がある可能性があります。

X 線検査は医師に骨折を示すのに非常に効果的ですが、臓器、靭帯、循環器系を含む患者の軟組織を観察したい場合は、MRI が必要になる可能性があります。そして、最後のページで述べたように、MRI のもう 1 つの大きな利点は、任意の平面で画像を撮影できることです。たとえば、コンピュータ断層撮影 (CT) は、アキシャル面という 1 つの平面に限定されます (食パンに例えると、アキシャル面は通常の食パンのスライス方法となります)。 MRI システムは、患者が動くことなく、アキシャル画像だけでなく、矢状面(パンを縦に横にスライスした状態) および冠状面(レイヤーケーキの層を思い浮かべてください) 画像、またはその間の任意の角度の画像を作成できます。

しかし、これらの高品質画像の場合、患者はほとんど動くことができません。 MRI スキャンでは、患者は 20 ～ 90 分間以上静止しておく必要があります。スキャン対象の部品がわずかに動いただけでも、画像に歪みが生じる可能性があり、それを繰り返す必要があります。そして、この種の品質には高いコストがかかります。 MRI システムの購入は非常に高価であるため、検査も非常に高価です。

しかし、他に何か費用はあるのでしょうか？患者の安全性はどうですか？

MRI の安全性への懸念

おそらくあなたは、すべての原子が混ざり合うことによる長期的な影響を心配しているかもしれませんが、磁場から離れると、あなたの体とその化学的性質は正常に戻ります。今日の医療画像処理に使用されている強度の磁場に人がさらされることによる生物学的危険性は知られていません。 MRI システムが他の画像装置とは異なり電離放射線を使用しないという事実は、MRI 造影剤の副作用発生率が非常に低いという事実と同様に、多くの患者にとって安心です。発育中の胎児に対する磁場の生物学的影響に関する研究が限られているため、ほとんどの施設は妊婦の画像撮影を望まない。妊娠中の患者をスキャンするかどうかは、MRI 放射線科医と患者の産科医との協議により、ケースバイケースで決定されます。

ただし、MRI 室は、厳密な予防措置を遵守しない場合、非常に危険な場所になる可能性があります。クレジットカードや磁気暗号化されたものはすべて消去されます。金属製の物体をスキャン室に持ち込むと、危険な飛翔体になる可能性があります。たとえば、ペーパークリップ、ペン、鍵、ハサミ、宝石、聴診器、その他の小さな物体は、警告なしにポケットから引き抜かれ、体から離れる可能性があり、その時点でそれらは非常に高速で磁石の開口部に向かって飛んでいきます。

大きな物体もリスクをもたらします。モップバケツ、掃除機、点滴ポール、患者担架、心臓モニター、その他数え切れ​​ないほどの物体がすべて MRI の磁場に引き込まれています。 2001 年、酸素タンクが磁気ボアに引き込まれ、スキャンを受けていた少年が死亡しました 。ある時、警察官のホルスターからピストルが飛び出し、その勢いで発砲したことがある。負傷者はいなかった。

安全を確保するために、患者とサポートスタッフはスキャンルームに入る前に金属製の物体がないか徹底的に検査される必要があります。しかし多くの場合、患者の体内にはインプラントが埋め込まれているため、強い磁場の存在下にあると非常に危険になります。これらには次のものが含まれます。

ステープル、人工関節、ステントなどの最新の外科用インプラントのほとんどは非磁性材料で作られており、非磁性材料であってもスキャンが承認される場合があります。ただし、スキャン範囲内の一部の整形外科用ハードウェアは画像の歪みを引き起こす可能性があるため、医師に知らせてください。