講義ノート
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-Lecture-Note.pdf

公開版

https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p2.pdf

15分で分かる（？）MRI●○● 古典力学的説明※ ○●○MRI原理へのいざない Part 2
1個のプロトンから15分単位で理解できる（？）
基本的な信号強度
Part 2 信号の取り出し方について※学部学生・研修医用の資料※T2減衰については、Part 2でもPart. 1での簡略化したモデルで扱っています。とりあえずT1, T2とTR, TEとの関係を、ざっくりと理解することを目標にしています。
※T1とT2は組織のパラメータで、TRとTEは撮影装置のパラメータ（機械で調整する値）になります。エックス線検査がラジオならMRIはテレビに相当します。ラジオは選局（周波数相当）と音量（電流・時間相当）の調整のみですが、テレビの場合、それ以外に、少なくとも画面の縦（TR相当）と横（TE相当）の大きさに関する設定が必要です。
2009/10/30 初版
2024/01/15 第16.1版
新潟大・歯・西山Part 1～4へのリンク• Part 1：プロトン密度、T1、T2と信号強度 （学部学生必須）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min.pdf• 補遺・任意断面の撮影・その１ --- 位置情報なければ０次元（点）• 補遺・MRIの安全性に関連した項目• Part 2：信号の取り出し方について （学部学生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p2.pdf• 補遺・任意断面の撮影・その2 --- 平面内での位置情報• Part 3-1：巨視的磁化ベクトルでの説明 （学部学生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p3.pdf• 補遺：TE時間後の信号の取得方法（SE、GRE、UTE etc.）• 補遺：各種撮影法について• Part 3-2：補遺特集 （大学院生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p3-2.pdf• 補遺：T1緩和とT2緩和の背景、NMR/MRIの核種について• 補遺・MRIの信号シミュレーションソフト

• Part 4：「流れ」を見る。 （大学院生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p4.pdf
新潟大・歯・西山Part 2. 次の15分
信号の取り出し方とTR,TEについてTR,TEとは？
TR:繰り返し時間（Repetition Time）
90度パルスの繰り返し間隔
TE:エコー時間（Echo Time）
直前の90度パルスから信号を取り出すまでの時間※ここでは、スピンエコー法（SE法）を基本に記述していますが、各種撮影法に共通の項目となり、グラディエントエコー（フィールドエコー）法（GRE、FE法）や、UTE（超短TE）という手法を理解する上でも重要な項目となっています。
※エコー信号という概念以外での信号取得までの時間に、TE（エコー時間）という用語が多用されているので、注意が必要です。
新潟大・歯・西山準備体操は入念に繰り返すこと・・・• 「90度パルスを１回のみ」では十分な信号を得ることはできない。
• 「９０度パルスを複数回繰り返す」ことが必要。
• 「９０度パルスを繰り返す間隔」を繰り返し時間（TR ＝ Repetition Time）という。
• TRが無限大だとT1 緩和（縦緩和）が終了し、磁気モーメントは元のレベルまで戻るが、TRが短いと緩和は途中の状態となる。
新潟大・歯・西山90度パルス後の縦緩和（T1緩和）とTR
信号強度（SI）

TRが無限大だと縦緩和（T1緩和）が終了し、磁気モーメントは元のレベルまで戻るが、TRが短いと緩和は途中の状態となる。

T1緩和(SI (t1 )  PD  1 − e −t1 T 1)

t1 = TRのときの信号強度はPD(SI (TR )  PD  1 − e −TR T 1)

90度パルスからの時間（t1）TR

1 − e −t1 T 1
t1 = TRのとき
1 − e −TR T 1
新潟大・歯・西山90度パルスを繰り返し与えると・・・(SI (t1 )  PD  1 − e −t1 T 1
信号
強度（SI）)SI (TR )  PD  (1 − e −TR T 1 )完全に緩和したときに戻るレベル:PD

TRで繰り返し90度パルスを与えたときに戻るレベル

PD

特定断面の画像を得るためにも繰り返し信号を得る必要がある

TRTR

TR

※簡略化したモデルで考えている限りでは、このように一定レベルに戻ることは説明できない。
横緩和の成分を考えに入れると、夜も眠れなくなってしまいかねない。Part. 3で補遺を追加予定。
新潟大・歯・西山信号は水平面からしか取れない• 90度パルスを与えて、縦方向の成分（PDやT1）を水平に倒すことで、FID信号（電磁波）として信号を受信することができる。
• 90度パルスから時間が経てば、横緩和（T2緩和）にて信号が減衰する。
• 90度パルスから信号を受信するまでの時間をエコー時間（TE ＝ Echo Time）という。
• TEが短いと、ほぼ縦方向の成分（PDやT1）の信号強度を得ることができる。
新潟大・歯・西山90度パルス後のT2緩和（横緩和）とTE
90度パルス
縦方向のベクトル成分
PDやT1

信号強度（SI）

どの時点で信号を得るのか？
T2減衰の影響（ほとんど）無し
PDないしT1の値（に近い）T2減衰の影響あり

T2減衰

90度パルスからの時間

T2減衰の影響強く信号が弱い

90度パルスからの時間

90度回転した図TE（Echo time）

新潟大・歯・西山組織間コントラストを得る• 組織によって、T1値とT2値が異なる。
• 90度パルス後、信号強度は指数関数的に変化する。
• これらの関係に対し、TRとTEを調整すること
で、適切な組織間コントラストを得る。

新潟大・歯・西山

(SI (t1 )  PD  1 − e −t1 T 1
信号強度（SI）)

t1 = TRのときの信号強度は(SI (TR )  PD  1 − e −TR T 1)

PD

T1緩和時間の短い組織（緩和速度が速い）
T1緩和時間の長い組織（緩和速度が遅い）

TR

90度パルスからの時間(t1)新潟大・歯・西山

PD

信号強度
（SI）
TESI (t 2 )  PD  e −t2 T 2
t 2 = TEのときの信号強度は信号強度（SI）

SI (TE )  PD  e −TE T 2

PD
T2緩和時間の長い組織（緩和速度が遅い）
T2緩和時間の短い組織（緩和速度が速い）

90度回転
90度パルスからの時間
TE
新潟大・歯・西山

緩和速度と信号強度の関係

減衰方向

縦緩和（T1緩和）は再度90度倒して信号を得る
信号強度

T1の回復の早さ＝
T1緩和速度

緩和早い

信号強い

緩和遅い

信号弱い信号弱い

緩和遅い

信号強い信号
強度

減衰方向

T２の回復の早さ＝
T２緩和速度

緩和早い

新潟大・歯・西山プロトン密度情報の取り出し方①90度パルスを印加後、②直後の（非常に短いTE時間後）のFID信号を受信することで、単位体積当たりのプロトンの密度情報を知ることができる。 ③繰り返し信号を得るには、磁気モーメントが元に戻るまで十分に長い時間（非常に長いTR時間後）待って、①90度パルスを印加する。

①90度パルス②90度パルス直後のFID信号を得る。
③長いTR時間元に戻る

新潟大・歯・西山T２減衰状態の取り出し方①90度パルスを印加後、② 適度な長さのTE時間後の③FID信号を受信することで、横方向の緩和状態（T2緩和）を知ることができる。④繰り返し信号を得るには、磁気モーメントが元に戻るまで十分に長い時間（非常に長いTR時間後）待って、①90度パルスを印加する。
①90度パルスSI (TE )  PD  e −TE T 2②TE時間後③TE時間後、適度にT2減衰した信号を受信

減衰

TESI (t 2 )  PD  e −t2 T 2④長いTR時間

新潟大・歯・西山T１減衰状態の取り出し方①90度パルスを印加後、 ②TR時間経過した段階で、③再度９０度パルスを印加し、④直後の（非常に短いTE時間後）のFID信号を受信することで、縦方向の緩和状態（T1緩和）を知ることができる。

①90度パルス②TR時間後

③２回目以降の90度パルス
減衰方向④90度パルス
直後のFID信号を得る。

新潟大・歯・西山スピンエコー法での信号強度の基本・まとめ
プロトン密度強調画像での信号強度（SI）
プロトンの状態が（ほぼ）回復≒ プロトン密度する程度の長いTR。信号取り出しまでの時間（TE）は短く。

信号取りだし90度パルス

90度パルス①①へ短いTE

長いTR

新潟大・歯・西山スピンエコー法での信号強度の基本・まとめ
T2緩和状態はTEで決定
T2強調画像での信号強度（SI）される。（TRは長く）≒ プロトン密度 × T2緩和状態 最小：０、最大：１

緩和方向

TE
信号取りだし90度パルス

90度パルス①①へ長いTE

長いTR

新潟大・歯・西山スピンエコー法での信号強度の基本・まとめ
T1緩和状態はTRで決T1強調画像での信号強度（SI）定される。（TEは短く）≒ プロトン密度 × T1緩和状態 最小：０、最大：１

緩和方向

信号
取りだし

90度
パルス ②90度パルス
①
短いTR

短い
TE

90度
パルス
②へ短いTR

新潟大・歯・西山

TR,TEと各種強調画像との関係（SE系）
TE(msec)
100程度

～20程度

T2強調画像T1強調画像500程度

PD強調画像2000～4000程度

TR(msec)
新潟大・歯・西山MRIのパラメータ
装置側 TR :繰り返し時間

TE：エコー時間

Flip Angle

その他

生体側 T1：縦緩和時間

T2：横緩和時間

PD：プロトン密度v：流速TR(repetetion time)：縦磁化を一定角度倒すパルスの繰り返し間隔。←T1緩和の程度を調整
TE(echo time)：縦磁化を一定角度倒すパルスを与えてから信号を取り出すまでの時間←T2緩和の程度を調整
装置側：「Flip Angle」については、Part 3 にて説明します。
装置側：「その他」には、DWIでのb値等があります（詳しくはPart 4 にて）MRI撮影禁忌
心臓ペースメーカー（ただし、ME管理の元で一定の条件を満たす場合に検査可能な機器が出てきている。）
体内に埋め込まれた金属（磁性体は禁忌、非磁性体でも長さと配置によっては誘導電流にて深部熱傷の危険）
MRIの信号強度（スピンエコー法の場合）
PD × f(v) × g(TR,T1) × h(TE,T2) で、決定される。即ち、単位体積あたりのプロトン密度に比例g(TR,T1) = 1-exp(-TR/T1) < 1、h(TE,T2) = exp(-TE/T2) < 1

TRとTEによって、PD（プロトン密度）を強調するか、T1を強調するか、T2を強調するかを調整する
TRTE

プロトン密度強調像

長い

短い

T1強調像

短い

短い

T2強調像

長い

長い流速(v)の影響を受ける。→血流のあるところでは、信号強度が様々に変化する。
新潟大・歯・西山補遺・任意断面の撮影・その2平面内での位置情報2次元フーリエ変換の意味を理解する。
TRとTEのタイミングで与えられる傾斜磁場の役割。
スライス面選択(1次元）＋2次元平面内の位置＝3次元位置情報
詳しいことはフーリエ変換・フーリエ逆変換という工学系の専門知識が必要
参考資料：https://www.jstage.jst.go.jp/article/mit/31/1/31_26/_pdf
新潟大・歯・西山スライス面内での2次元位置情報の付与
1) z軸方向の傾斜磁場によるスライス選択
磁場強度B0の断面（「その１」参照）
B0

β(p)
y軸位
方相
向エのン
傾コ
斜ー
磁場ドω0=γB0

β(p)
α(f)

周波数エンコード α(f)x軸方向の傾斜磁場

上から見た回転2) スライス選択後、磁化ベクトルの歳差運動の位相と周波数を傾斜磁場にて修飾して信号を受信する。

3) ある位相：β(p)で、回転周波数：α(f)での(x,y)平面内の歳差運動の分布
新潟大・歯・西山傾斜磁場と信号受信（概略図）
TR毎に位相方向の傾斜磁場強度を変えながら繰り返すβ(p)位相方向の傾斜磁場
平面内で直交する2軸α(f)周波数方向の傾斜磁場

β(p)：たとえば、pを-127から+127まで256段階とし、TR毎にβ(p)を変えて与える。256段階であれば、一段階ごとのβの角度差は360度/256になる。

α(f) ：信号を受信している間中、傾斜磁場をかけ続ける。

信号の取り出し時間軸※周波数方向の傾斜磁場強度によって受信すべき中心周波数(B0)に幅が生じる。
このため、バンド幅と呼ばれる一定の周波数帯域の信号を受信することになる。
※実際にはスライス選択用の傾斜磁場と同時に用いられる。また、傾斜磁場の前後に、補正用の傾斜磁場を付与することになる。
新潟大・歯・西山スライス面内での2次元位置情報の付与とk空間β(p)k空間p>0軸位方相向エのン
傾コ斜ー磁場ド

p=0yβ(p)p<0周波数エンコード α(f)

α(f)
f<0

f=0

f>0

x軸方向の傾斜磁場4) TR毎に変化する位相方向のβ(p)を縦軸 とし、読み取り時の回転周波数：α(f)を横軸として信号強度分布を描いた２次元画像をk空間と呼ぶ。
新潟大・歯・西山SI(x,y) 位置→信号強度
yxSIk(αf,βp)k空間：周波数・位相→信号強度αx1y4x2y4x3y4x4y4β4

β4

β4

β4x1y3x2y3x3y3x4y3β3β3β3

Β3x1y2x2y2x3y2x4y2β2β2

β2

β2x1y1x2y1x3y1x4y1β1β1β1β1

β①xy 平 面 全体がβの値によって行単位のデータに圧縮される② エコー信号
収集中に一定の傾斜磁場を与え続ける
α① 傾斜磁場をＴＲ間隔で変化④ 2次元逆フーリエ変換
βα1β4α2β4α3β4α4β4α1β3α2β3α3β3α4Β3α1β2α2β2α3β2α4β2

α1β1α2β1α3β1α4Β1③ 各行がαの値によって、2次元空間（k空間）にマッピングされる。
新潟大・歯・西山位相エンコード方向のモーションアーチファクトの例
頸動脈（および椎骨動脈など）の拍動によるアーチファクト。
動脈の拍動部分から信号の強弱の斑紋様パターンが位相エンコード方向に分布している。

周波数
エンコード方向
位相エンコード方向

SE系列、T1強調・ダイナミック造影（15秒間隔、３フェーズ目）
新潟大・歯・西山参考資料
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MRIの基本 パワーテキスト第2版―基礎理論から最新撮像法まで、 Ray
H. Hashemi (原著), Christopher J. Lisanti (原著), William G.,Jr.
Bradley (原著),メディカル・サイエンス・インターナショナル、6,500円（税別）
MRI「超」講義―Q&Aで学ぶ原理と臨床応用、 Allen D. Elster (原著),
Jonathan H. Burdette (原著)、メディカル・サイエンス・インターナショナ
ル、5,800円（税別）
MR撮像技術学、日本放射線技術学会（監修）、オーム社、4,900円（税別）
MRIデータブック、MEDICAL VIEW、6,000円（税別）
NMRハンドブック 、Ray Freeman (著)、共立出版、8,400円
パルスおよびフーリェ変換NMR―理論および方法への入門 (現代科学)、Thomas C. Farrar (著), Edwin D. Becker (著)、吉岡書店
生体系の水、上平 恒 、 逢坂 昭 (著) 、講談社
細胞の中の水、パスカル マントレ (著), 辻 繁, 落合 正宏, 中西 節子, 大岡 忠一 (翻訳) 、東京大学出版会、5,200円（税別）

新潟大・歯・西山Part 1～4へのリンク• Part 1：プロトン密度、T1、T2と信号強度 （学部学生必須）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min.pdf• 補遺・任意断面の撮影・その１ --- 位置情報なければ０次元（点）• 補遺・MRIの安全性に関連した項目• Part 2：信号の取り出し方について （学部学生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p2.pdf• 補遺・任意断面の撮影・その2 --- 平面内での位置情報• Part 3-1：巨視的磁化ベクトルでの説明 （学部学生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p3.pdf• 補遺：TE時間後の信号の取得方法（SE、GRE、UTE etc.）• 補遺：各種撮影法について• Part 3-2：補遺特集 （大学院生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p3-2.pdf• 補遺：T1緩和とT2緩和の背景、NMR/MRIの核種について• 補遺・MRIの信号シミュレーションソフト

• Part 4：「流れ」を見る。 （大学院生用）
https://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p4.pdf
新潟大・歯・西山