核磁気共鳴画像法

核磁気共鳴画像法（かくじききょうめいがぞうほう、、MRI）とは、核磁気共鳴（、NMR）現象を利用して生体内の内部の情報を画像にする方法である。磁気共鳴映像法ともいう。
概要.
被験者に高周波の磁場を与え、人体内の水素原子に共鳴現象を起こさせ、共鳴した原子から発生する電波を受信コイルで取得する（また共鳴原子の位置が分かる）。得られたこの信号データを三次元画像へ構成する。強い磁場を発生させ、高分解能撮影を行う。それでも撮像診断時間は短くない。また騒音は大きい。
水分量が多い脳や血管などの部位を診断することに長けている。MRI装置のガントリーの中には磁石およびコイルが搭載される。PET診断との組み合わせた複合タイプも一部普及しつつある。断層画像という点では、X線CTと一見よく似た画像が得られるが、原理は異なり、三次元的な情報等が多く得られる。
2003年にはMRIの医学におけるその重要性と応用性が認められ、"核磁気共鳴画像法に関する発見"に対して、ポール・ラウターバーとピーター・マンスフィールドにノーベル生理学・医学賞が与えられた。
原理.
電子とともに原子を構成する原子核の中には、その原子核スピン（以下「核スピン」）により磁石の性質を持つものが多く存在する。しかし、（物質全体として自発的に磁化されていない限り）それぞれの核スピンの向きはばらばらであり全体でキャンセルされる結果、巨視的な磁化を発生しない。ここに外部から（強い）静磁場を作用させると、核スピンの持つ磁化は磁場をかけた向きにわずかに揃い、全体として静磁場をかけた向きに巨視的磁化ができる（以降、巨視的磁化を考える）。
この際、核スピンは静磁場方向を軸として歳差運動を発生する。歳差運動とは、コマの首振り運動と同様な運動である（回転軸と核スピンの軸が一致しない）。この運動の周波数はラーモア周波数と言われ、かけた静磁場の強さ及び磁気モーメントの強さに比例する。通常のMR撮像では、10 - 60MHzほどである。これは電磁波で言えばラジオ波の範囲にあたる。核磁化を励起するためのコイルは、RFコイルと呼ばれている。
そこに特定周波数の電磁波（ラジオ波領域）のパルスを照射すると、照射電磁波の周波数とラーモア周波数が一致した場合に共鳴が発生し、回転数が変化する（核磁気共鳴現象）。照射が終わると元の状態に戻る。重要なのは、このパルスが終わって定常状態に戻るまでの過程（）で、それぞれの組織（通常のMRIであれば水素原子の置かれている環境）によって戻る速さが異なることである。核磁気共鳴画像法ではこの戻りかたの違いをパルスシーケンスのパラメータを工夫することにより画像化する。
しかしこのままでは、どこがどのような核磁気共鳴信号（NMR信号）を発しているのかという位置情報に欠ける。そこで静磁場とは別に、距離に比例した強度を持つ磁場（勾配磁場、または傾斜磁場）をかける。一般的に、勾配磁場を印加するコイルのことは勾配磁場コイルと呼ばれている。勾配磁場によって原子核（通常は1H）の位相や周波数が変化する。実際に観測するのは個々の信号の合成されたものであるから、得られた信号を解析する際に二次元ないし三次元のフーリエ変換を行うことで個々の位置の信号（各位置における核磁化に比例）に分解し、画像を描き出す。
医療用MRIでは、ほとんどすべての場合、水素原子1Hの信号を見ている。ところが、上記のMRIの原理を満たす原子核（核スピンが0以外）であれば、全て画像にすることが可能であり、そのような原子核は1H以外にもたくさんある。しかし、それらは1Hと比べれば極微量であり、画像にするには少なすぎる。これに対し、1Hは水を構成する原子核であるが、人間の体の2/3は水であることを考慮すると、人間の体は1Hだらけであるといえる。1Hは水以外の人体を構成する物質（たとえば脂肪）の中にも含まれている。ゆえに、1Hを画像化することは、人体（の中身）を画像にすることに近い。1H以外の原子核（炭素 (13C)、リン (31P)、ナトリウム (23Na) など）に関しては、研究レベルでは画像化が行われているが、臨床診断にはあまり用いられていない。
体内から発生する磁場を検出し、画像化するモダリティには他にMEGがある。ただし、MRIが上記のように外部から磁場を掛けて信号を得るのに対して、MEGは脳神経の微小電流により常時発生している微小磁場を検出するもので原理も得られる画像の質も全く異なるものである。
歴史.
1946年にFelix Bloch、Edward Purcell がNMR信号を発見、1950年 電気通信大学の藤原鎮男と林昭一が日本初のNMR信号を検出した。1964年にリヒャルト・R・エルンストとWeston Andersonがフーリエ変換NMRの実験に成功、1960年代にソビエトのウラジスラフ・イワノフが航空機の航法装置であるプロトン磁力計の原理を元に考案して関連する複数の特許を取得したが実用化には至らず、1970年にRaymond V. Damadianが腫瘍組織のT1、T2を測定した。1973年にLauterburがzeugmatographyというMRIを提案した、同年、北海道大学の阿部善右衛門らによって磁場焦点法を使った生体内の局所領域のNMR信号の収集に成功、1974年NMRによるマウス画像撮影、1978年にNMRによる初の人体画像撮影に成功した。日本では磁場焦点法を用いての画像化の試みが、田中邦雄らによって進められ、1979年に動物頭部での画像化がなされた。1981年に電子技術総合研究所の亀井裕孟のグループによって、200ガウス低磁場電磁石コイルにより投影画像再構成法を用いて先駆的な頭部像を撮影。その後、左右大脳半球の活動の違いを検出した。
医療現場に利用され始めた当初は、核磁気共鳴(NMR)現象を利用したCT（、コンピュータ断層撮影）であったので、NMR-CTと言った。日本語での呼称として当初は核磁気共鳴CT検査と言っていたが、病院内で「核」という文字を使用することに抵抗があり、またMRIには放射線被曝がないという利点を誤解されかねないという懸念があり、MR-CTという呼称が考えられ、最終的には、MRIという呼称に落ちついた。日本では、東芝が国産常電導機MRI-15A(0.15T)を東芝中央病院（後の東芝病院）に設置した。また島津(SMT-20)、旭化成（MARK-J）、日立(G-10)、三洋(SNR-500)などもつぎつぎ開発され、国内外で激しく競い合う状況となる。1982年に中津川市民病院に日本国内の病院として最初に診療用に永久磁石式のFONAR QED 80-αが導入された。
1983年に入ると、放射線医学総合研究所に常伝導垂直型MARK-J（0.15T）が導入され、同型機が藤元病院（現藤元総合病院）に設置された。さらに、国立大学一号機としてブルッカー社製常電導機BNT-1000J（0.15T）が東北大学抗酸菌研究所に導入された。同年5月に東京慈恵会医科大学附属病院に厚生省から認可を受けた東芝の商用機の1号機が設置された。
現在、超伝導電磁石を使用し強磁場を発生させることで、画像を精細かつ高コントラストで構成できるものが製品化されている。多くの施設では0.5テスラから1.5テスラの超伝導電磁石を用いたMRIが使われているが、最近では3テスラの超高磁場装置が日本国内でも臨床使用が認められるようになり、大規模病院を中心に普及が始まりつつある（2007年末において約100台稼働の見通し）。研究用としては、理化学研究所にバリアン製の4.0テスラの装置、国立環境研究所にバリアン製の4.7テスラの装置、新潟大学脳研究所や自然科学研究機構 生理学研究所に、人体を撮像可能なゼネラル・エレクトリック製の7テスラの装置が設置されている。
主に永久磁石を使用するオープン型MRIは、冷凍機の運転やヘリウム補充が不要などランニングコストが低いため、中小規模の医療機関に広く普及している。低磁場なので騒音が少なく、漏洩磁場も少ないメリットのほか、ガントリ開口径が広いので心理的な圧迫感が少なく、外部からのアプローチも容易である。この特徴を生かし、小児や閉所恐怖症患者の検査、腰椎椎間板ヘルニアに対するレーザー治療などの術中（インターベンショナル）MRIに用いられる。
また現在では、リウマチやスポーツ整形等に特化した、エム・アール・テクノロジー社製やエサオテ社製のコンパクト型四肢専用MRIが、日本でも販売されている。この装置は四肢撮像を対象としており、小型で、検査室の磁気シールド工事は不要である。また、閉所恐怖症や、身体の不自由な患者、他にもペースメーカー装着者など従来MRI検査が禁忌であった患者に対しても撮像が安全に施行できる可能性がある（5ガウスラインが28cm（radial）程度なため）。CTと組み合わせた「CT-MRI」や、PET（陽電子放射断層撮影）装置と組み合わせた「PET-MR」もある。
従来は数千万円する機器だったため応用範囲が限定されていたが、近年、新たな試みとしてソフトウェア無線の技術を取り入れることにより信号処理関連のオープンソース化が進みつつあり、従来であれば高額のため利用を躊躇するような分野への応用も可能になりつつある。
画質.
基本的に濃淡を持つ白黒画像に処理・出力される。
体内の詳細を見ることができるものという一般的な概念が強いが、通常の撮影方法では256×256ピクセルであり、デジタルカメラの画素数に換算するとおよそ6.6万画素にすぎない。最近では512×512ピクセルの画像（約26万画素）を撮影できるものが普及しつつあり、1024×1024ピクセル（約105万画素）や、2048×2048ピクセル（約420万画素）の機種も出現している。
なお、MRIの本領は三次元画像にあり、さらに時間的変化まで捉えた画像も撮られているので、MRI検査におけるデータ量は、処理のためにより高性能のコンピュータの使用を要求しつつある。
コンピュータの処理能力が向上した2000年代以降は、各組織の透過率をコントロールし、内部を可視化するボリュームレンダリングも用いられるようになった。
利点・欠点.
利点.
なお横断像、冠状断、矢状断など任意の方向で撮影できることがMRIの利点であると言われてきたが、CTの撮影速度の上昇と任意断面再構成技術の発達によりこの優位性は失われた。
副作用・欠点.
MRIを取り扱う上で発生しうる事故や障害の原因は患者側の要因と機器側の要因に分けられ、さらに後者は
などに分けられる。
具体的な例を以下に列挙する。
T1強調画像・T2強調画像.
緩和現象は歳差運動が元の状態に戻る過程であるが、それは磁気ベクトル方向（z方向）と回転方向（xy方向）に分けて考えることができる。z方向が熱平衡状態に戻る過程を縦緩和またはT1緩和といい、xy方向が熱平衡状態に戻る過程を横緩和またはT2緩和という。原子核では縦緩和と横緩和とが独立であることが知られており、各々別々に考える必要がある。
実際にラジオ波パルスをやめたときを時間0として、縦緩和・横緩和の磁化ベクトルの大きさを時間経過を測定すると、縦緩和は
横緩和は
という形に表される。
（formula_3、formula_4: 縦/横磁化ベクトルの大きさ、formula_5: 定常状態の磁化ベクトルの大きさ、formula_6、formula_7：定数）
そして、それぞれの関数の時定数 formula_8、formula_9をそれぞれformula_10、formula_11という値とおく。これらの値はそれぞれの物質固有の値であり、T1強調画像、T2強調画像の由来となった定数である。
この値をそれぞれの物質による差が最も大きくなるように、パルスを与える間隔（TR、）と検出するまでの時間（TE、）とを経験的に割り出し、さらにコントラストをつけるような設定を行っている。具体的にはT1強調画像ではTR=300 - 500ミリ秒、TE=10ミリ秒程度、T2強調画像ではTR=3 - 5秒、TE=80 - 100ミリ秒である。
つまり、T1強調画像とはおもに縦緩和によってコントラストのついた核磁化分布を画像にしたものであり、T2強調画像とはおもに横緩和によってコントラストのついた核磁化分布を画像にしたものである。
T1強調画像で高信号、すなわち白く映し出されるものは、脂肪、亜急性期の出血、銅や鉄の沈着物、メラニンなどであり、逆に低信号（黒）のものは、水、血液などである。
T2強調画像で高信号（白）のものは、水、血液、脂肪などであり、低信号（黒）のものは、出血、石灰化、線維組織、メラニンなどである。
造影剤（ガドリニウム製剤）にはT1短縮作用があるため、造影剤投与後のコントラストはT1強調画像で明瞭になりやすい。このため通常の造影MRIではT1強調画像が撮像されることが多い。多くの病変ではT2強調画像で高信号となるので、T2強調画像の方が目にする機会は多いが、整形外科など脂肪を重視する科ではT1強調画像が好まれる傾向にある。T2強調画像では動脈のような早い血流では無信号、すなわち真黒にみえる。これをフローボイドという。通常動脈は真黒に見えるのだが、閉塞があると無信号とならない、これをフローボイドの消失といい、閉塞血管の所見となる。
MRIを用いた一般的な画像診断学.
以下に代表的な信号パターンを示す。病態によって例外も多くある。
核磁気共鳴画像法のいろいろ.
その他にも以下のような手法がある。以下、使用されているシーケンス名はメーカーによって微妙に異なることに注意が必要である。
心臓MRI検査.
心臓MRI検査ではシネMRI(cine MRI)による左室収縮能の評価、遅延造影MRIによる心筋梗塞や心筋線維化の評価、冠動脈MRAなどが知られている。
MR neurography.
3テスラのMRIを用いたMR neurography(MRN)が様々な末梢神経障害に応用されている。MRNの神経描出の原理は神経周膜内部の水がT2WIおよびSTIRで高信号を示すことによる。STIR冠状断を用いて腕神経叢を評価し、MIP法で再構成する。読影には健側と患側を比較する。下記の末梢神経障害での所見が知られている。
産業用MRI.
カリフォルニア大学デービス校ではワインを開封せずMRIで調べる研究をしている。食品の品質管理のために小型のMRIが開発されている。