:脳科学辞典(エコープラナー法から転送)これは、このページの承認済み版であり、最新版でもあります。おいては最も重要な手法の一つである。プロトンにエネルギーを送信して核磁気共鳴を生じさせ、緩和で放出される電磁波を受信するコイル、プロトンの空間分布をエンコード・デコードするための勾配磁場コイルが必要となる。T2T2*と呼ばれる時定数を持つ。RFコイルによる電磁波と勾配磁場の印加方法を巧みに操ることでこれらの時定数を強調した画像が得られる。(fMRI)実験において1秒以内に全脳を撮像することも可能となっている。参考文献はじめに地球上の生命体は、水分子、脂質やアミノ酸など、水素原子を含んだ数多くの化合物から構成されている。医療や脳科学研究に広く用いられているMRIは、これら化合物中の水素原子核(プロトン:物理学による定義)が有する小さな磁石としての性質(原子核スピン)と、これに外部から特定の電磁波を与えた際に生じる相互作用(核磁気共鳴現象)を利用して、脳を含む生体内の情報を非侵襲的に画像化する手法である。おいて最も重要な手法の一つになり、その後も拡散強調トラクトグラフィーによる白質線維連絡の評価法など脳科学のツールとして発展を続けている。Mansfieldは、MRIに関する発見により、2003年のノーベル生理学・医学賞を受賞している。現在の医療・脳科学研究では、1.5T(テスラ)から7Tの静磁場強度を持つMRIが使用されている(図1)。flask)中に置き、そこに電流を流すことで、電気抵抗による発熱の問題を克服した強力な超電導磁石を用いている。静磁場中の原子核スピンの振る舞いこの超電導磁石により形成される静磁場(外部磁場またはB0とも呼ばれる)中に置かれた原子核(典型的には生体内の水素原子核)は、固有の周波数(ラーモア周波数ω)で静磁場の方向を回転軸とする歳差運動を行う。磁気回転比と呼ばれる定数)。強い静磁場内では、静磁場の向きと一致(+)した方向と逆(-)方向を向いて歳差運動を行う原子核の個数はわずかに異なることが知られている(ゼーマン分裂)。生体内の水素原子核の数が非常に多いため、強い静磁場内に置かれた生体内には+方向を向いた巨視的磁化が形成される。同じ速度で回転する座標系から眺めているため、スピン集団は静止してみえる。上段の3つの図はスピン集団を各々上(xy平面)、横(xz平面およびyz平面)から眺めた図。下段左は斜め上方から眺めた図。下段右の上段には縦磁化の時間変化を、下段右の下段には横磁化の時間変化を示す。RFパルスを照射されたスピンはまず、xy平面上に倒れる(=横磁化の出現)。緩和)その後、z軸の(+)方向にむかって、z軸方向の磁化(=縦磁化)が回復して(定常状態に戻って)ゆく。MRI装置における水素原子核のラーモア周波数は128MHzである。frequency,RF)である。呼ばれる)を照射すると(通常は数ミリ秒程度のごく短時間)、水素原子核がエネルギーを吸収し、低いエネルギー準位から高いエネルギー準位に遷移する(核磁気共鳴)。この際、外部から観測される磁化(巨視的磁化)は、回転座標系において(図2)回転磁場および静磁場の双方に直交する方向を軸として回転する。この巨視的磁化は、静止座標系においては、静磁場と直交する平面上で、共鳴周波数で回転する磁化(横磁化)の出現および静磁場と平行な成分(縦磁化)の減少として観測される(励起)。励起された原子核は、RFパルスの照射が終わった直後から、エネルギーを放出して定常状態に戻ろうとする(緩和現象)。緩和)はスピン―格子緩和とも呼ばれ、原子核スピンが周囲の格子(プロトン以外の物質)にエネルギーを放出して熱平衡状態に戻ることによる現象である。M_{z}(t)=M_{z,eq}-[M_{z,eq}-M_{z}(0)]e^{-t/T_{1}}}で回復する。この回復の早さを決める時定数である。緩和)はスピン―スピン緩和とも呼ばれ、原子核スピン集団のコヒーレンス(位相同期)の消失(即ち位相分散)による。個々の原子核スピンが「感じる」静磁場はわずかながらランダムに変動しており、結果として時間の経過とともにスピン集団のコヒーレンスが失われてゆく(ある原子核スピンは位相が早くなり、別の原子核スピンは位相が遅くなる)。この減衰の早さを決める時定数である。前述のT2緩和に加え、現実のMRI環境では、励起されたスピン集団の外部磁場は場所により少しずつ異なる(ただしここでは緩和過程中の時間変動はないものと仮定する)。{1}{T_{B0inhomogeneity}}}}とあらわされ、T2*と呼ばれる。空間情報のエンコーディングとデコーディングMRIは、緩和過程において放出される電磁波を受信コイルにより測定し、励起された水素原子核集団の挙動の違いを画像化している。二次元(2D)MRIにおいては、スライス方向に直行する軸に勾配磁場(傾斜磁場とも呼ばれる)を短時間加え、その間に帯域幅の限られたRFパルスを与えることで「スライス選択励起」を行っている。三次元(3D)MRIでは厚さを持った範囲(スラブ)を励起する勾配磁場とRFパルスを与える。励起されたスライスやスラブ内での水素原子核集団の分布を知るために、勾配磁場を用いたエンコーディングおよび離散フーリエ変換を用いたデコーディングが必要である。FOV)の中心部からx方向あるいはy方向に線形に変化する勾配磁場を追加することで、FOV内の水素原子核の共鳴周波数が位置に依存する状態をつくりだすことが可能となる。すれば、FOV内の特定の部位に存在する水素原子核集団は、特定の周波数の電磁波を放出することになるため、位置情報の特定が可能となる。MRIでは勾配磁場の与え方を工夫することで、測定された電磁波から空間情報を読み取る際に離散フーリエ変換を用いる。DFT)の原理の理解が重要であるため簡単に説明する。フランスの数学者ジョゼフ・フーリエは、あらゆる周期関数(や周期信号)は、三角級数の(無限の)和として表現できることを発見した。}(c_{n}e^{-ixn})}と書ける。{v}{N}}y)}}これは画素数MxNの画像の画素値が、周波数領域(u,v)空間では波数0~M-1,0~N-1個の三角関数の係数値として表現できることを示している。]}を画像に乗じたのちに総和をとったことに等しい。重み係数を乗じたのちに総和をとったことに等しい。勾配磁場コイルを用いて空間内に線形の周波数変化をもたらせば、場所に応じた連続的な位相の変化としてこの重み係数を物理的につくりだすことが可能であり、結果として撮像対象にフーリエ変換を行っていることと等しい。MRIにおいてはk-spaceと呼ばれる。MRIではk-spaceの信号を逆フーリエ変換することで画像を得ている。主なMRI撮像法さまざまなMRI撮像法が提案されているが[1]、主な違いはRFパルスを照射する回数、タイミングや大きさ、勾配磁場の印加法である。これら電磁波の照射の時系列制御がキーであるため撮像シークエンスとも呼ぶ。代表的なMRI撮像法を簡単に紹介する。pulse)を与えることで、局所の静磁場の不均一性による位相分散の影響を取り除くことが出来る。echo励起のための電磁波(RFパルス)を与えたのちに、再収束パルスを与えず、勾配磁場を用いて信号を取り出す手法。局所の静磁場の不均一性による位相分散の影響を取り除くことは出来ないが、再収束パルスを必要としないため高速撮像に向く。(BOLD)コントラストfMRIのように、(鉄などによる)局所の静磁場の不均一性を強調したい場合にも用いられる。EPI一度のRFパルスの後、グラジエントエコー法あるいはスピンエコー法の信号収集時間を極端に延長し、読み出し勾配磁場を急速に変動させることで連続的なグラジエントエコーを発生させ、画像化に必要なデータを全て収集してしまう方法。緩和の影響が強く、かつ原理的にもっとも高速な撮像法の一つである。緩和に依存し、かつ高い時間分解能が必要とされるため、本手法が用いられる(図3)。MPRAGE)では脳脊髄液が黒く、白質が明るい灰色、灰白質がその中間の暗い灰色に見える。強調であるため前頭部の信号の一部が欠損している。T1WI縦磁化が十分に回復しないうちに信号収集を行うことで、各組織における縦磁化回復の早さの違いを強調した画像が得られる。TE)を短くすることで、またグラジエントエコー法ではフリップ角(FA)を適度に大きく、TEを短くすることでT1強調像が得られる。(TOF)法では、グラジエントエコー法によるT1強調像が用いられる。T2WI励起から収集までの時間(TE)を長くとれば、各組織における横磁化の減衰速度の違いを強調した画像が得られる(図3)。画像収集にスピンエコー法を用いた場合、得られる画像は時定数T2強調像となる。T2*WITEを長くとり、画像収集にグラジエントエコー法を用いた場合、得られる画像はT2*強調像となる(図3)。いった画像が得られる。MPG)を追加することで水の動きを強調した画像。与えた方向に拡散する水由来の信号は低下する。脳梗塞を起こした部位では健常組織よりも水の拡散が制限されることが知られており、脳梗塞を早期に検出する手法として臨床で広く用いられている。tractography)と呼ぶ[4][5]。spectroscopy、MRSMRSは、化合物に存在するプロトンの共鳴周波数が、水の水素原子の共鳴周波数とわずかに異なることを利用して、測定対象物の化合物を推定、あるいはその濃度を計測する手法である。脳MRSにおいては、シナプス間の神経伝達物質として最もポピュラーなグルタミン酸(glutamate)をはじめ、複数の神経伝達物質が計測のターゲットとなる。imaging従来、撮像対象に対して一つの受信コイルを用いた撮像が行われていたが、1990年代に感度領域が限られた複数の受信コイルを並べて配置するアレイコイルと呼ばれる技術が開発された[7]。コイルごとに少しずつ異なる感度分布をうまく利用することで、MRIの信号取得をスキップし、撮像時間を短縮する方法が開発された。この技術は複数の受信コイルを用いて同時(並列)に得られた信号を用いていることから、パラレルイメージングと呼ばれる。fMRI)ともいい、生体の脳をMRIで数分~数十分間連続撮像する間に、脳活動(神経活動とシナプス活動の総和)に相関して変化するMRI信号変化を非侵襲的に計測する手法である。国際のライセンスで利用できます。脳科学辞典について免責事項モバイルビュ。