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磁気共鳴断層撮像法(MRI)

環境問題基礎知識

三森 文行

 磁気共鳴断層撮像法(以下,MRIと略する)は,ご案内のとおり,医療診断の現場において体内の疾患や傷害の診断に威力を発揮している。我々は,環境ホルモンのヒトの健康への影響解明にこの手法を利用すべく手法の開発を進めている)。ここでは,この方法の概要を紹介し,なぜ,環境科学の研究において本法が使えるのか,また,しばしば聞かれる質問,「なんでNMRで画像が得られるのか」に対してお答えしたいと思う。

 第一点目のMRIの方法について,その装置構成から紹介したい。装置の中心をなすのは,人が横になって入れる口径92.5cm,長さ2m余の空間に均一な磁場を発生する超伝導磁石である(表紙写真参照)。これは,小学校の理科の時間に誰もがやったエナメル線を空心に巻いて電磁石を作るのとまったく同じ原理で作られている。ただ,エナメル線の代りに-269℃ (4K)で電気抵抗がゼロになる超伝導線が巻かれている。超伝導状態を維持するため,コイルは液体ヘリウムを満たした魔法瓶の中に沈められている。この磁石の中心の直径50cmの球状の領域では磁場は4.7Teslaを中心として±0.00001Teslaの範囲に納まるようきわめて均一な強度に保たれている。Tesla(テスラと読み,Tと略する)とは磁場の大きさを表す単位で,つくば近辺での地磁気の大きさはおよそ0.00005Teslaといわれる。さて,この均一な磁場の中に横たわって体内の画像やスペクトルを測定するわけであるが,MRIは体内を透視するために,X線などの放射線は一切用いていない。そのかわりに,体内に存在している水分子の2つの陽子が磁場の中で分極し,磁気共鳴を起こす現象を利用する。分極のエネルギーは非常に弱いので,分光分析やリモコンなどで用いられる赤外線に比べてもおよそ100万分の1の量子エネルギーしか持たない高周波ラジオ波磁場を用いる。これは有機分子やたんぱく質の分析に用いるNMRそのものであるが,ここに,昨年のノーベル医学生理学賞の受賞者であるLauterbur博士の考案による磁場勾配という仕掛けを用いると体内の画像が得られることになる。

 画像化の原理は次の3つに要約できる。(1)スライス選択:磁気共鳴が起きる周波数は磁場の強度と比例関係にあり(共鳴周波数=γ・磁場強度),その比例定数γはおよそ42.58MHz/Teslaである。磁石の中に頭をいれ,体軸方向(z方向とする)に直線磁場勾配をかけて置くと,体軸に沿って共鳴周波数は直線的に変化する。このときある一部の共鳴周波数成分だけを有するラジオ波磁場をかけると,ちょうど共鳴条件が満たされる磁場強度にある部分のみが選択され,この部分からだけ信号が得られる(図1a)。これで頭の輪切り状の部分,スライスが選択される。

(2)周波数エンコード:次に,選択されたスライス面内の一方向の位置の識別を考える。今度は信号を取り込む際にスライス面内のある方向(x方向とする)に勾配磁場をかけると,この磁場に沿った方向で異なる位置にある陽子A,Bは異なる共鳴周波数を示す(図1b)。頭のスライス面ではこの方向の信号が重ねあわされて投影図のように一次元の位置識別ができることになる。