MRI【原理】

原理

電子とともに原子を構成する原子核の中には、そのスピン角運動量|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，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そろう。これにより、全体として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）この核磁化を、特定の周波数のラジオ波を照射することにより、静磁場方向から傾けてやると、核磁化は、静磁場方向を軸として歳差|歳差運動を行う。歳差運動とは、コマの首振り運動と同様な運動である。その運動の周波数はラーモア周波数と言われ、各原子核に固有の周波数であり、かけた磁場の強さに比例する。通常のMR撮像では、10〜60メガヘルツ|MHz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。さて、そのパルスの照射をやめれば徐々に元の状態に戻る。重要なのは、このパルスをやめて定常状態に戻るまでの過程（緩和現象(relaxation) ）で、それぞれの組織によって戻る速さが異なる。核磁気共鳴画像法では、各組織における戻りかたの違いをパルスシーケンスのパラメ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）をかける。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、化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。故に、¹Hを画像化することは、人体（の中身）を画像化することに近い。¹H以外の原子核（炭素、リン、ナトリウムなど）に関しては，研究レベルでは画像化が行われているが、臨床診断にはほとんど用いられていない。