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-p3.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 3-1
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 3 巨視的磁化ベクトルでの説明※教科書的記述
通常の教科書での信号強度の説明は、巨視的磁化ベクトルからスタートしています。
2004年位までは、こちらを主体としていました。Part1およびPart2での説明に限界を感じた方は、こちらにて更に深く学習することをお勧めします。

2009/10/30 初版
2021/01/02 第15.1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 3. ここはやっぱり1時間？
巨視的磁化ベクトルでの説明
一般的な教科書での説明
古典力学系で学びましょう※静磁場内では、外部からエネルギーを与えられるなどして倒されない限り、（理想状態として）巨視的磁化ベクトルは歳差運動を行わないので注意してください。90度パルス等にて倒れた後では歳差運動を行います。

新潟大・歯・西山いままでのコースとの違い• 強調像の本質を理解できる。
• T1緩和とT2緩和の本質的な違いを理解できる。
• TRとTEの本質的な意味を理解できる。
• 信号強度の残り10%程度を説明可能（すなわち、80％程度を理解可能）。

新潟大・歯・西山巨視的磁化ベクトル：M0
大きさは、ボクセル内の磁気モーメント（磁化ベクトル）の量、すなわちプロトン密度に比例する。
B0M0

ω0+α
ω0ω0-α※ボクセル内で、局所的な磁場の状態が僅かに異なっていると、個々の磁化ベクトルのラーモア周波数が僅かに異なる。ボクセル内の平均の周波数がω0ということ。
※局所磁場の僅かな差は「位相のずれ」（±α）を生じて、T2緩和に影響する。
新潟大・歯・西山静止座標系と回転座標系
ｚ軸
B0

静止座標系 (x,y,z)

回転座標系 (X’,Y’,z)

ω0
xX’

ω0
ω0X’
yY’

Y’

個々のプロトンの磁気モーメント（磁化ベクトル）は、座標系（x,y,z）に対しω0で回転個々のプロトンの磁気モーメント（磁化ベクトル）は、 ω0で回転する座標系（X’,Y’,z）に対し、ほぼ停止
新潟大・歯・西山信号強度と緩和の基本• 単位体積（ボクセル）あたりのプロトンの量• プロトン密度 → プロトン密度強調像(PDWI)• 但し、全プロトンの内、0.01%程度のプロトンのみが寄与している。（ 1Tの場合）• 単位体積（ボクセル内）の巨視的磁化ベクトルが、倒れて戻るときの戻り方の差を映像化する。
PDWI以上の信号は得られない。
B0• 縦緩和（T1緩和） → T1強調像(T1WI)• エネルギーを失う緩和• 時間が経てばベクトルが長くなる

M0• 横緩和（T2緩和） → T2強調像(T2WI)• エネルギーを失う緩和（＋位相のずれやすさ）• 時間が経てばベクトルは短くなる• T1緩和時間 ≧ T2緩和時間 ＞ T2*緩和時間• 「＝」は、「位相のずれやすさ」がゼロのとき。
• 通常、T1緩和はT2緩和よりも遅い。
• さらに、（静的な）局所磁場の影響でFID信号はT2緩和よりも早いT2*減衰をする。
位相がずれるとT2緩和が早くなる

Y’
M0Y’
新潟大・歯・西山T2緩和とT2*緩和• 磁気双極子・双極子相互作用• 個々のプロトンの磁気双極子（磁気モーメント、磁石）が近隣の磁気双極子に及ぼす影響。

• 静的な局所磁場の影響• 高分子等、分子の移動がほぼない場合• スピンエコー法で回避可能• グラディエントエコー法で回避不可能 → T2*緩和• （ランダムな）動的な局所磁場の影響• 水分子等のランダムな分子運動による場合• スピンエコー法で回避不可能 → T2緩和
新潟大・歯・西山MzzM0(PD)

90度倒した後のT1緩和とT2緩和。
T2緩和時間がT1緩和時間よりも非常に短ければ、巨視的磁化ベク
トルの緩和曲線は下に凸となる。
X’

T1緩和（縦緩和）
Mz=M0(1-e-t/T1)t

Y’
T2緩和（横緩和）

M0(PD)

T2:180度パルスに対し不可逆的な磁場不均一性（概して動的な不均一性）による横緩和時間
T2*:180度パルスに対して可逆的な磁場不均一性（概して静的な不均一性）と動的な不均一性（不可逆的→T2）による横緩和時間

MY’=Mxy

MY’=M0e-t/T2*
MY’=M0e-t/T2t
新潟大・歯・西山

M0
PD

M0
PD
T1緩和時間の短い組織
T1緩和時間の長い組織

T2緩和時間の短い組織
T2緩和時間の長い組織

TETR

特定断面の画像を得るためには、繰り返し信号を得る必要がある。
完全に緩和したときに戻るレベル
TRで繰り返し90度パルスを与えたときに戻るレベル

TR新潟大・歯・西山SE法で画像化するには
••
•••

•

一つの信号では、1次元（点）の情報しか得られないので、何度も繰り返し倒して、2次元（面）ないし3次元（立体）の信号を得る。
基本的な撮影法としてSE（スピンエコー）法がある。
基本的な繰り返し• 90度倒し、引き続いて90度倒し、・・・を繰り返す。
• 上記繰り返し間隔がTR（Repetition Time, 繰り返し時間）
上記90度パルスの間に、エコー信号を得るための180度パルスを入れる。
• 90度－180度パルス間隔の倍がTE（Echo Time, エコー時間）となり、平面に倒された信号の情報を得ることができる。
90度倒して、十分な時間回復後（長いTR後）であれば、プロトン密度のレベル近くまで、巨視的磁化ベクトルが戻る。
• さらに90度倒し、できるだけ短い時間でエコー信号を得る（TEを短くする）こと
で、プロトン密度強調像（PDWI）を得る。
• さらに90度倒し、適度な時間でエコー信号を得る（TEを長くする）ことで、組織間のT2コントラストが強調され、T2強調像（T2WI）を得る。
90度倒して、適度な時間回復後（短いTR後）、すなわち組織間のT1コントラストが強調された状態にする。
• さらに90度倒し、できるだけ短い時間でエコー信号を得る（TEを短くする）こと
で、T1強調像（T1WI）を得る。
新潟大・歯・西山順を追って詳しく・・・
縦軸はz軸

TR

①
①前回の90°パルスからTR時間後、90°パルスを再度印加

B0
90°

①

新潟大・歯・西山縦軸はz軸縦軸はxy平面B0

巨視的磁化ベクトルはｘy平面に倒れ、静磁場：B0の影響でω0にて回転し、信号（電磁波）として受信できる。
①ω0=γB0ω0②

90°①②ω0にて回転することで発生するFID （free induction decay、自由誘導減衰）信号。局所磁場の影響でT2減衰よりも、もっと早い
T2*減衰をする。
新潟大・歯・西山B0
ω0-βω0①ω0+αω0-βω0②

一周して来るんだ！！
③

ω0+αT2*減衰←GRE系

90°

①
TE/2

T2*減衰
③②

局所の磁場強度が僅かに（たとえば＋α、－β）異なると位相がずれる。早く回転するウサギと遅く回転する亀TE/2時間後に180度反転させると・・・
新潟大・歯・西山

B0
ω0-β
ω0

①

ω0+αω0180°

途中で反転すれば、ゴールは近い！！

②
ω0+α
③

T2*減衰←GRE系
ω0-β
90°

180°

①
TE/2
③②

※y軸回りに180度回転させていますが、x軸回りに180度回転させる方法もあります（CPMG法）。

T2*減衰

局所の磁場強度が僅かに（たとえば＋α、－β）異なると位相がずれる。早く回転するウサギと遅く回転する亀TE/2時間後に180度反転させると・・・
新潟大・歯・西山B00TETE/20①TE/2TEω0②
ω0-β③T2*減衰←GRE系
ω0+α90°

180°

①TE/2
③②90°パルスからTE/2時間後に180°パルスを与える。

T2*減衰「180度回転させる」とは？ たとえ速度が違っても、一定時間後に同時に折り返せば、スタートから倍の時間後には同時にゴールする（スタート地点に戻る）。
新潟大・歯・西山

B0
ω0+α

ω0-β①

TE
180°パルスからTE/2時間後にエコー信号が発生する。（ウサギとカメの同時ゴール）
ω0②

エコー信号
T2減衰←SE系③
ω0-β④90°

180°

ω0+α①

T2減衰

TE/2T2*減衰←GRE系

T2*減衰③④②
新潟大・歯・西山プロトン密度による信号の違い（90度倒し直後にエコー信号を得る）M0
M0

エコー時間（TE）

相対的に弱い信号

相対的に強い信号※前回倒した後、十分な時間経てば、プロトン密度のベクトルまで回復する。その後に倒す、すなわちTR（繰り返し時間）を長くする2000～4000msec。TEは短くし信号減衰を避ける。
新潟大・歯・西山M  PD  (1 − e−TR / T 1 )  e−TE / T 2

それぞれのコントラストを取り出すために。。。
Long TE

Short TE

Short TEPDコントラストがつきやすい時間（Long TR）
でT1（縦）緩和を90°倒し、なるべく早くエコー信号を取り出す（Short TE）

T1コントラストがつきやすい時間（Short TR）でT1（縦）緩和を90°倒し、なるべく早くエコー信号を取り出す（Short TE）

Short TR

T1コントラストの影響をほとんど受けない時間まで待って（Long TR）
T1（縦）緩和を90°倒し、T2コントラストがつきやすい時間まで待ってから、エコー信号を取り出す（LongTE）

ＴＥ

Long TR

T2-WI

100位

TR → 、かつ TE → 0 のとき、
M → PD

TE → 0 のとき、
e −TE / T 2 → 1
M → PD  (1 − e−TR / T 1)

TR →  のとき、
(1 − e −TR / T 1 ) → 1
M → PD  e −TE / T 2

～20位

T1-WI

PD-WI

500位

2000～
4000位

ＴＲ

新潟大・歯・西山まとめ• 所定の磁場内におかれた、単位体積あたりに含まれるプロトン（水素原子核）の密度（PD）と、その状態（縦緩和：T1、横緩和：T2、流れ：v）を、繰り返し時間（TR）、エコー時間（TE）等の値を調整して画像化する。
• 基本的にプロトン密度（PD）以上の信号強度（SI）を得ることはできない。
• 厳密にそれぞれの正確な値を得ることはできずに、強調像として画像化する。（以下スピンエコーでの信号強度の例）
SI ＝ f（v）×PD×（1-e（-TR/T1））×e（-TE/T2）
PDｗI ≒ PD ; {TR → ∞, TE → 0}
T1wI ≒ PD× （1-e（-TR/T1）） ; {TE → 0}
T2wI ≒ PD× e（-TE/T2） ; {TR → ∞}ここで、 0 ＜ （1-e（-TR/T1）） ＜ 1、 0 ＜ e（-TE/T2） ＜ 1
新潟大・歯・西山補遺：TE時間後の信号の取得方法（SE、GRE、UTE etc.）•

とりあえずSE法について理解すること！！
電磁波（180°パルス）を使用する方法
後は画像を見なが• スピンエコー法（SE）
ら、現場で身につ• 静的な局所磁場の影響を消去する方法で、歪みにくい。 けた方がいい。

• 比較的、検査時間が長くなる。

• 傾斜磁場（高速反転）を使用する方法• グラディエントエコー法（GRE法）、フィールドエコー法（FE法）。
• 比較的、検査時間が短い。
• 静的な局所磁場の影響を受け、歪みやすい。

• FID減衰に直接フーリェ変換を使用する方法（等）• 超短TE法（UTE法；Ultrashort-TE）• 含水量の非常に少ない組織（歯・骨の水）を画像化する。
• 周囲に信号強度の強い組織があると判別できない。（マルチエコーによる差分等が必要）※エコー信号としては取得できない場合でも、TE相当の時間については、TEという用語を用いているようです。
新潟大・歯・西山グラディエントエコー（GRE）系• グラディエントエコー系

z軸• TR間隔で小フリップ角(α<90°）を使用する• 縦磁化成分が最初から十分残っている• 短時間で撮影できる（反転に変動磁場を用いる）• 磁場の不均一性による影響が大（T2*で画像化）• ただし、TEを短くすることで、影響を抑えることができる。

• 参照：スピンエコー系

αxy平面

信号として受信される• TR間隔で90°パルスを使用する• 十分な縦磁化の回復を待つ必要あり• 時間がかかる• 磁場の不均一性による影響が小新潟大・歯・西山SE系とGRE系の比較
磁化ベクトルの反転

撮像
時間

スピンエ
電磁波
相対的
コー系列 180度パルス に長い
グラディ
磁場
エントエ
変動磁場
コー系列 （傾斜磁場）

相対的に短い局所磁場の影響

基本的な式

小さい

簡単
理解しやすい大きい

複雑
理解しにくい新潟大・歯・西山SE: Spin Echo

GRASS: Gradient Recalled
Acquisition in the Steady State

IR: Inversion Recovery

補遺：各種撮影法について概念を抑える程度に！ 学部学生は個々のシーケンスまでは不要• スピンエコー系 --- SE• SE, fast SE(turbo SE), IR

SSFP: Sｔeady-State
Free Precession

FISP: Fast Image with Steady-statePrecession
PSIF: time reversed FISP

• グラディエントエコー系 --- GRE （ FE ）• スポイラーパルスをかけないもの（横磁化を残す）• FID収集；GRASS (FISP)、 エコー信号収集；SSFP（PSIF）、FID+エコー信号収集；FIESTA、特殊；CISS• 基本的にT2*を強調（本当はT2/T1等複雑）。

• スポイラーパルスをかけるもの（横磁化を消す）• SPGR (FLASH), fast SPGR (turbo FLASH)• 基本的にT1およびPDを強調。
SPGR:SPoiled GRass
FIESTA: Fast Imaging Employing
STeady-state Acquisition

CISS:Constructive Interference in
Steady State, （FISP+PSIF+α）

FLASH:Fast Low Angle Shot
新潟大・歯・西山スピンエコー系（１）• SE (spin echo)• 典型的・基礎的な撮影方法。
• 分かりやすいので信号強度の説明に用いられる。

• FSE (fast SE)、TSE (turbo SE)• SEでT2強調画像を得ようとすると、10分以上必要• 1回のTR内にて多数のエコーを収集することで、短時間にてT2強調画像を得ようとするもの。
• 通常のSE法と比較して、J-couplingと呼ばれる現象等にて、脂肪信号が上昇するので注意！！
• 現在、撮影の中心的な位置を占めている。
新潟大・歯・西山スピンエコー系（２）• SE (spin echo)• シングル・エコー； 90°⇒ 180°
• １回のTR中に、エコーを一つ• マルチ・エコー; 90°⇒ 180°× (2 or 4)• １回のTR中に、エコーを２つないし4つ• FSE (fast SE)、TSE (turbo SE)• １回のTR中に、複数エコー; 90°⇒ 180°× n• IR (inversion recovery)• 180°TI（Inversion Time後）⇒ 90°⇒ 180°
• STIR（脂肪抑制）、FLAIR(水抑制)
STIR: Short TI Inversion Recovery

FLAIR: FLuid-Attenuated Inversion Recovery
新潟大・歯・西山その他・教科書で出てくる撮影法（１）
詳しくはPart 3-2ないしPart 4参照• 脂肪抑制法（Part 3-2参照）• 水からの信号と脂肪からの信号を区分し、脂肪からの信号を抑制する方法。
• 主にCHESS法とSTIR法がある。

• 拡散強調像（＆「みかけの拡散係数」）• Diffusion Weighted Image ( & Apparent
Diffusion Coefficient ) （Part ４参照）
• 組織構造の差による水分子の分子運動（拡散）の程度に応じた強調像。基本はT2強調像であり、拡散の程度（1以下）を掛け合わせた像。
新潟大・歯・西山その他・教科書で出てくる撮影法（２）
詳しくはPart 3-2ないしPart 4参照• ダイナミックMRI• 正確には“Dynamic Contrast Enhanced MRI”
• 造影剤を静注（静脈注射）しながら一定間隔で撮影を繰り返し、造影の動態を画像化する。

• 機能的MRI（fMRI, functional MRI）
• MRIにて脳機能を画像化する方法。
• 主としてBOLD法（Blood Oxygenation Level
Dependent Contrast）を用いる。機能している脳が酸素を消費 → ヘモグロビンが変化 → プロトン緩和への影響が変化することを利用。
新潟大・歯・西山その他・教科書で出てくる撮影法（３）
詳しくはPart 3-2ないしPart 4参照• MRスペクトロスコピー（MRS）• MR Spectroscopy• 水素（1H）やリン（31P）等を用い、代謝を画像化する。 （対象となりうる核種はPart 3-2参照）• 対象となる分子・代謝産物の比率を、分子の構造による「局所磁場の差」（Part 3-2参照）を利用して分離し、評価する。
• NMRに類似するが、画像化を主体とする点で異なる。
新潟大・歯・西山参考資料• 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）• 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• MRI「再」入門 －臨床からみた基本原理－、荒木 力（著）、南江堂、6,500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