磁気共鳴画像法（MRI）

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磁気共鳴画像法（MRI）は、磁場と体内の原子の自然共鳴を利用して人間の組織の画像を取得する医療機器です。基本的な装置は1945年に最初に開発され、それ以来技術は着実に進歩してきました。高性能コンピュータの導入により、MRIは重要な診断装置になりました。他の医用画像ツールとは異なり、非侵襲的で、軟組織と硬組織の両方の写真を撮ることができます。 MRIは主に、腫瘍や化学的不均衡などの異常について内臓を検査するために使用されます。

歴史

磁気共鳴画像法（MRI）の開発は、1900年代初頭の核磁気共鳴（NMR）の発見から始まりました。このとき、科学者たちは原子の構造と、特定の物質から放出される可視光と紫外線の性質を理解し始めたばかりでした。 NMRの基礎となる原子核の磁気特性は、1924年にヴォルフガングパウリによって実証されました。

最初の基本的なNMRデバイスは、1938年にI. I. Rabiによって開発されました。このデバイスは、特定の物質の磁気特性に関連するデータを提供することができました。ただし、2つの大きな制限がありました。第一に、デバイスはガス状物質のみを分析でき、第二に、これらの物質の間接測定のみを提供できました。これらの制限は、FelixBlochとEdwardPurcellが率いる2つのグループの科学者が独自に改良されたNMRデバイスを開発した1945年に克服されました。これらの新しいデバイスは多くの研究者にとって有用であることが証明され、さまざまな種類のシステムでデータを収集できるようになりました。さらなる技術的改善の後、科学者は1960年代半ばに、この技術を使用して生体組織を調査することができました。

医学におけるNMRの使用はすぐに続いた。初期の実験では、NMRが正常組織と癌性組織を区別できることが示されました。その後の実験では、NMRスキャンによって多くの異なる体組織を区別できることが示されました。 1973年に、NMRデータと断層撮影のコンピュータ計算を使用した画像化法が開発されました。それは最初の磁気共鳴画像（MRI）を提供しました。その結果、この方法を使用してマウスを検査し、必要な検査時間は1時間以上でしたが、マウスの内臓の画像が得られました。数年後、人間の画像が続きました。それ以来、必要なスキャン時間を短縮し、画像の解像度を向上させるために、さまざまな技術的改善が行われてきました。最も注目すべき改善は、MRIの3次元アプリケーションで行われました。

背景

MRI測定の基本的な段階は単純です。最初に、患者は強い一定の磁場に置かれ、いくつかのコイルに囲まれます。次に、高周波（RF）放射がシステムに適用され、患者内の特定の原子が共振します。 RF放射がオフになると、原子は共鳴し続けます。最終的に、共鳴している原子は自然な状態に戻り、そうすることで、NMR信号である高周波放射を放出します。次に、信号はコンピューターで処理され、患者の視覚画像に変換されます。

体の細胞から放出されるNMR信号は、主に細胞の陽子によって生成されます。初期のMR画像は、特定の組織内の陽子の濃度のみに基づいて作成されました。ただし、これらの画像は良好な解像度を提供しませんでした。 MRIは、陽子が信号を放出するのにかかる時間である緩和時間と呼ばれる現象を考慮に入れると、身体の内部画像を作成するのにはるかに役立ちました。すべての体組織には、検出可能な2種類の緩和時間T1とT2があります。組織の種類が異なれば、T1とT2の値も異なります。たとえば、脳の灰白質のT1とT2の値は血液とは異なります。これらの3つの変数（プロトン密度、T1、およびT2値）を使用して、高解像度の画像を作成できます。

MRIは、人間の脳の画像を作成するために最もよく使用されます。軟部組織と病変を区別できるため、この領域に特に役立ちます。構造情報に加えて、MRIは脳機能イメージングを可能にします。脳の領域がアクティブになると、その領域への血流が増加するため、機能的なイメージングが可能です。スキャンが十分な速度で行われると、実際、血液が臓器を移動しているのを見ることができます。 MRIのもう1つのアプリケーションは、筋肉の骨格イメージングです。膝、手首、肩の関節の靭帯や軟骨の損傷は、MRIで簡単に確認できます。これにより、従来の侵襲的手術が不要になります。 MRIの開発中の用途は、体内の化学物質を追跡することです。これらのスキャンでは、炭素13やリン31などの分子からのNMR信号が受信され、解釈されます。

原材料

MRIシステムの主な機能部分には、外部磁石、勾配コイル、RF機器、およびコンピューターが含まれます。その他のコンポーネントには、RFシールド、電源、NMRプローブ、ディスプレイユニット、および冷凍ユニットが含まれます。

一定の外部磁場を生成するために使用される磁石は、MRIシステムの中で最大の部品です。磁石が有用であるためには、体の特定のボリュームまたはスライス全体に浸透する安定した磁場を生成できなければなりません。磁石には3種類あります。抵抗膜磁石は、ループで包まれた薄いアルミニウムバンドで構成されています。電気がループの周りに伝導されると、磁場がループに垂直に生成されます。 MRIシステムでは、4つの抵抗膜が互いに垂直に配置され、一定の磁場を生成します。ループの周りに電気が伝導されると、ループの抵抗によって熱が発生します。この熱は、冷却システムによって放散される必要があります。

超電導磁石には、抵抗型の磁石と同じ問題や制限はありません。超電導磁石は、液体ヘリウムと液体窒素で過冷却された銅マトリックス中のニオブチタン合金から作られたリング磁石です。これらの低温では、抵抗がほとんどないため、必要な電力レベルは非常に低くなります。この磁石は、抵抗型よりも実行コストが低く、より大きな電界強度を生成できます。使用される他のタイプの磁石は永久磁石です。強磁性体でできており、非常に大きく、電気を必要としません。また、MRIシステムの設計の柔軟性も高まります。しかし、永久磁石が生成する磁場の安定性には疑問があり、そのサイズと重量は法外なものになる可能性があります。これらの異なる種類の磁石はそれぞれ、さまざまな強度の磁場を生成できますが、最適な磁場強度は発見されていません。

サンプルから受信したNMR信号をデコードする方法を提供するために、磁場勾配が使用されます。通常、3セットの勾配コイルを使用して、3次元のそれぞれでデータを提供します。一次磁石と同様に、これらのコイルは磁場を生成する導電性ループでできています。 MRIシステムでは、患者を囲むシリンダーに巻き付けられます。

RFシステムは、MRI装置でさまざまな役割を果たします。まず、原子に信号を放出させるRF放射を送信します。次に、放出された信号を受信して​​増幅し、コンピューターで操作できるようにします。 RFコイルは、RFの主要なハードウェアです。 システム。それらは振動磁場を作り出すように作られています。このフィールドは、定義された領域の原子にRF放射を吸収させ、信号を放出します。 RF信号を送信することに加えて、コイルは患者からの信号を受信することもできます。 MRIシステムのタイプに応じて、サドルRFコイルまたはソレノイドRFコイルのいずれかが使用されます。コイルは通常、被験者の横に配置され、患者に合うように設計されています。 RF干渉を減らすために、アルミニウムシートが使用されます。

MRIシステムの最後のリンクは、送信される信号を制御し、受信した信号を処理および保存するコンピューターです。受信した信号をコンピューターで分析する前に、アナログ-デジタルコンバーターを介して変換します。コンピューターは信号を受信すると、さまざまな再構成アルゴリズムを実行し、格納に適した数値の行列を作成し、フーリエ変換器を使用して視覚的な表示を構築します。

製造
プロセス

MRIシステムの個々のコンポーネントは、通常、個別に製造されてから、大きなユニットに組み立てられます。これらのユニットは非常に重く、100トン（102メートルトン）を超えることもあります。

マグネット

• 1 MRIシステムで最も頻繁に使用される磁石は、超伝導電磁石です。これらはさまざまな材料を使用して作成できますが、基本的な設計には、導線のコイル、冷却システム、および電源が含まれます。コイルは、銅に埋め込まれたニオブチタン合金のフィラメントから作られたワイヤを大きなループで巻くことによって作られています。必要な磁場を作り出すために、いくつかのコイルが使用されます。 1つのタイプのシステムでは、8つのコイルが使用され、6つは一次磁場を生成し、2つは過剰な磁場を補償します。
• 2コイルを液体ヘリウムの入った容器に浸します。これにより、温度が超伝導になるレベルまで低下します。温度を安定させるために、容器は液体窒素などの他の冷却剤を含むさらに2つの容器に囲まれています。次に、この構造は、真空密封された容器内に細い棒で吊るされます。電源は磁気コイルに接続されており、磁石に通電する必要がある場合にのみ使用されます。磁石は、患者を磁場に導くスライドテーブルである患者サポートに取り付けられています。

グラデーションコイル

• 3勾配コイルは耐性タイプの電磁石です。 MRIシステムには、通常3セットの勾配コイルがあります。各コイルは、銅またはアルミニウムの薄いストリップを特定のパターンで巻くことによって作られています。コイルは、その構造にエポキシを導入することによって強度が与えられます。これらのコイルのサイズは、患者が配置される開口部の幅を決定します。コイルが小さいほど必要なエネルギーが少ないため、この幅は患者の閉所恐怖症を防ぐのに十分な大きさである必要がありますが、適度な量の電気を必要とするのに十分な小ささである必要があります。これらの勾配コイルは通常、干渉する渦電流を防ぐためにシールドされています。

RFシステム

• 4 RFシステムの電子部品は、外部のサプライヤーから提供され、MRIメーカーによって組み立てられる場合があります。これらのコンポーネントは、さまざまな設計で作られたRFコイルに取り付けられています。送信機と受信機のコイルは、勾配コイルと同じ種類の材料で構成されています。それらはまた、主磁石のように構成されています。ただし、それらは、振動磁場を生成する可能性のある銅などの導電性材料のループで構成されています。 RFコイルの1つのタイプは、円形に成形され、患者に直接適用される表面コイルです。別のタイプはサドルコイルです。これらは、磁石の穴に直接取り付けるか、鳥かごのコイルに成形して、勾配コイルのすぐ内側に配置することができます。各タイプのコイルは電源に接続されています。

コンピューター

• 5コンピューターはコンピューターメーカーから提供され、MRIシステムで使用するために変更およびプログラムされています。それに接続されているのは、ユーザーインターフェイス、フーリエトランス、信号コンバーター、およびプリアンプです。ディスプレイデバイスとレーザープリンターも含まれています。

最終組み立て

• 6 MRIの各コンポーネントは一緒に組み立てられ、適切なフレームに配置されます。組み立ては、システムが使用されるプラントまたはオンサイトで行うことができます。いずれの場合も、磁石の性質上、通常、空中浮遊車両での輸送など、特別な取り扱い上の注意が必要です。

品質管理

製造される各MRIシステムの品質は、製造プロセス全体を通して目視および電気検査を行うことによって保証されます。 MRIのパフォーマンスは、MRIが正しく機能していることを確認するためにテストされます。これらのテストは、過度の熱や湿度など、さまざまな環境条件下で行われます。ほとんどのメーカーは、製造するMRIシステムに独自の品質仕様を設定しています。標準とパフォーマンスの推奨事項も、さまざまな医療機関や政府機関によって提案されています。

未来

現在のMRI研究の焦点は、スキャン解像度の改善、スキャン時間の短縮、MRI設計の改善などの分野にあります。解像度を向上させ、スキャン時間を短縮する方法には、信号対雑音比を下げることが含まれます。 MRIシステムでは、ノイズは対象の信号と干渉するランダムに生成された信号によって引き起こされます。それを減らす一つの方法は、高い磁場強度を使用することです。 MRIシステムの改善された設計は、この干渉を減らし、電磁石に関連するノイズを減らすのにも役立ちます。将来的には、リアルタイムMRIスキャンが利用可能になるはずです。