磁気共鳴画像法

MRIスキャナの主要構成要素は、試料を分極させる主磁石、主磁場の均一性のずれを補正するシムコイル、スキャン対象領域を特定する勾配システム、そして試料を励起して発生するNMR信号を検出するRFシステムである。システム全体は1台または複数台のコンピュータによって制御される。

ほとんどの医療用途では、組織中に存在する陽子のみからなる水素原子核が信号を生成し、その信号が処理されて、特定の領域におけるこれらの原子核の密度に基づいて身体の画像が形成されます。陽子は結合している他の原子からの磁場の影響を受けるため、特定の化合物中の水素からの応答を分離することが可能です。研究を行うには、被験者はMRIスキャナ内に配置され、撮像対象領域の周囲に強力な磁場が形成されます。まず、振動磁場からのエネルギーが適切な共鳴周波数で患者に一時的に印加されます。XおよびY勾配コイルを使用してスキャンすると、患者の選択された領域が、エネルギーが吸収されるために必要な正確な磁場を経験します。原子はRFパルスによって励起され、結果として生じる信号は1つ以上の受信コイルによって測定されます。RF信号は、勾配コイルを使用して局所磁場を変化させることによって生じるRFレベルと位相の変化を調べることによって、位置情報を推測するように処理できます。これらのコイルは、移動ラインスキャンを実行するために励起と応答中に高速で切り替えられるため、磁歪によって巻線がわずかに動くことで、MRIスキャン特有の繰り返しノイズが発生します。異なる組織間のコントラストは、励起された原子が平衡状態に戻る速度によって決まります。画像をより鮮明にするために、外因性造影剤を投与することがあります。 ^{[ 6 ]}

MRIでは、スキャン領域全体にわたって数ppmの強度と均一性を持つ強力な磁場が必要です。磁石の磁場強度はテスラで測定され、ほとんどのシステムは1.5Tで動作しますが、市販のシステムは0.2～7Tの範囲で利用可能です。3T MRIシステム（3テスラMRIとも呼ばれる）は、1.5システムよりも強力な磁石を備えており、臓器や軟部組織の画像に適していると考えられています。^{[ 7 ]}研究用途の全身MRIシステムは、例えば9.4T、^{[ 8 ] [ 9 ]} 10.5T、^{[ 10 ]} 11.7Tで動作します。^{[ 11 ]}さらに高磁場の全身MRIシステム（例えば14T以上）は、概念提案^{[ 12 ]}またはエンジニアリング設計^{[ 13 ]}の段階にあります。ほとんどの臨床用磁石は超伝導磁石であり、低温を維持するために液体ヘリウムが必要です。より低い磁場強度は永久磁石で実現でき、閉所恐怖症の患者向けの「オープン」MRIスキャナでよく使用されます。^{[ 14 ]}より低い磁場強度は、2020年にFDAによって承認されたポータブルMRIスキャナでも使用されています。 ^{[ 15 ]}最近では、超低磁場、つまりマイクロテスラからミリテスラの範囲でもMRIが実証されており、前分極（10～100 mT程度）と、高感度超伝導量子干渉素子（ SQUID ）で約100マイクロテスラのラーモア歳差磁場を測定することによって十分な信号品質が可能になります。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

各組織は、T1（スピン格子緩和、すなわち静磁場と同じ方向の磁化）とT2（スピンスピン緩和、静磁場に垂直な方向）という独立した緩和過程によって励起された後、平衡状態に戻り_ます。T1強調画像_を作成する_には、繰り返し時間（TR）を変更してMR信号を測定する前に、磁化が回復するまで待ちます。この画像強調は、大脳皮質の評価、脂肪組織の識別、局所肝病変の特徴付け、および一般的に形態学的情報の取得、ならびに造影後画像化に役立ちます。 _T2強調画像 を作成するには、エコー時間（TE）を変更してMR信号を測定する前に、磁化が減衰するのを待ちます。この画像強調法は、浮腫や炎症の検出、白質病変の解明、前立腺や子宮の領域解剖学的構造の評価に役立ちます。

MRIスキャンからの情報は、振動磁場（試料を通過する高周波パルスの形）による摂動後の核スピンの緩和速度の違いに基づく画像コントラストの形で得られます。 ^{[ 19 ]}緩和速度は、信号が縦方向または横方向のいずれかから平衡状態に戻るのにかかる時間の尺度です。

磁場 B ₀が存在すると、 z 軸に沿って磁化が蓄積され、試料中の磁気双極子は平均的に z 軸に整列し、合計磁化 M _zとなります。この z 軸に沿った磁化は平衡磁化と定義され、磁化は試料中のすべての磁気双極子の合計として定義されます。平衡磁化の後、90° の無線周波数 (RF) パルスによって xy 平面内の磁化ベクトルの方向が反転され、その後オフになります。ただし、初期磁場 B ₀は依然として印加されています。したがって、スピン磁化ベクトルは xy 平面から平衡状態へとゆっくりと戻ります。磁化ベクトルが平衡値 M _{zに戻るのにかかる時間は、縦緩和時間 T 1}と呼ばれます。^{[ 20 ]}したがって、これが起こる速度は、緩和時間の逆数になります。$\displaystyle {\frac {1}{T_{1}}}=R_{1}}$_{同様に、M xy}がゼロに戻るまでの時間はT ₂であり、その速度は次のようになる。$\displaystyle {\frac {1}{T_{2}}}=R_{2}}$[ ^{21 ]}時間の関数としての磁化はブロッホ方程式によって定義^される。

T1_値とT2_値は試料の化学的環境に依存するため、MRIにおいて有用である。軟組織と筋肉組織は異なる速度で緩和するため、典型的なスキャンでは画像コントラストが生じる。

MRI画像の標準的な表示方法は、体液の特性を白黒画像で表現することであり、異なる組織は以下のように表示されます。

MRIは医療診断において幅広い用途があり、世界中で約5万台のスキャナーが使用されていると推定されています。^{[ 25 ]} MRIは多くの専門分野で診断と治療に影響を与えていますが、特定のケースでは健康状態の改善への影響が議論されています。^{[ 26 ] [ 27 ]}

MRIは直腸癌および前立腺癌の術前病期診断において第一選択の検査法であり、他の腫瘍の診断、病期診断、経過観察にも役割を果たしている^{[ 28 ]}。また、バイオバンクでの組織採取部位の決定にも用いられている^{[ 29 ] [ 30 ] 。}

神経画像

MRIは、脳幹と小脳を含む後頭蓋窩の視覚化が優れているため、CTよりも神経癌の検査ツールとして選ばれています。灰白質と白質のコントラストにより、 MRIは脱髄疾患、認知症、脳血管疾患、感染症、アルツハイマー病、てんかんなど、中枢神経系の多くの疾患に最適な選択肢となっています。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}複数の画像がミリ秒間隔で撮影されるため、脳がさまざまな刺激にどのように反応するかを示すことができ、研究者は心理障害における脳の機能的および構造的異常の両方を研究することができます。^{[ 34 ]}また、MRIは、 N-localizerと呼ばれる装置を使用して、頭蓋内腫瘍、動静脈奇形、およびその他の外科的に治療可能な疾患の治療のためのガイド付き定位手術および放射線手術にも使用されます。^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}医療に人工知能を導入する新しいツールは、ノイズ除去システムを適用することで、神経画像における画像品質と形態計測分析の向上を実証しています。 ^{[ 38 ]}より広範には、ディープラーニングは、アンダーサンプリングされたk空間データから診断品質の画像を再構成することで、MRI取得自体を高速化するために適用されています。Meta AI Research (FAIR) と NYU Langone Health の共同プロジェクトである fastMRI プロジェクトは、2018 年に開始され、生の MRI 測定の最大のオープンソースデータセットを公開し、AI ベースの再構成により、診断精度を損なうことなく膝と脳のスキャンを最大 4 倍高速化できることを実証しました。この結果は、臨床互換性研究で確認されています。^{[ 39 ] [ 40 ]}これらの方法は、その後、いくつかの主要な医療センターで高速 MRI の臨床標準として採用されています。^{[ 41 ]}

死後脳全体の最高空間分解能の記録は、マサチューセッツ総合病院による100マイクロメートルである。このデータは2019年10月にNatureに掲載された。 ^{[ 42 ] [ 43 ]}

MRIは精神障害の研究で広く使用されていますが、患者中心アウトカム研究機関（PCORI）が委託した2024年の体系的な文献レビューとメタ分析に基づくと、MRIスキャンを使用してADHDを診断する既存の研究は大きなばらつきを示しました。^{[ 44 ]}著者らは、MRIはADHDの臨床診断を行う際に信頼できる補助として使用できないと結論付けています。^{[ 44 ]}

心血管

心臓MRIは、心エコー検査、心臓CT、核医学などの他の画像診断技術を補完するものです。心臓の構造と機能を評価するために使用できます。^{[ 45 ]}その応用には、心筋虚血と生存能、心筋症、心筋炎、鉄過剰症、血管疾患、先天性心疾患の評価が含まれます。^{[ 46 ]}

血管造影

磁気共鳴血管造影（MRA）は、動脈の画像を作成し、狭窄（異常な狭窄）や動脈瘤（破裂の危険性がある血管壁の拡張）の有無を評価します。MRAは、頸部や脳の動脈、胸部および腹部の大動脈、腎動脈、脚（「ランオフ」と呼ばれる）の評価によく使用されます。画像を作成するために、常磁性造影剤（ガドリニウム）の投与や、「フロー関連増強」と呼ばれる技術（2Dおよび3Dタイムオブフライトシーケンスなど）の使用など、さまざまな技術を使用できます。フロー関連増強では、画像上の信号の大部分は、その平面に最近移動した血液によるものです（FLASH MRIも参照）。^{[ 56 ]}

位相蓄積（位相コントラスト血管造影として知られる）を含む技術も、流速マップを簡単かつ正確に生成するために使用できます。磁気共鳴静脈造影（MRV）は、静脈を画像化するために使用される同様の手順です。この方法では、組織が下方で励起され、信号は励起面のすぐ上の面で収集されるため、励起面から最近移動した静脈血が画像化されます。^{[ 57 ]}

この表には、珍しい配列や実験的な配列は含まれていません。

磁気共鳴分光法（MRS）は、さまざまな単一ボクセルまたはイメージングベースの技術によって実現できる、体組織中のさまざまな代謝物のレベルを測定するために使用されます。 ^{[ 99 ]} MR信号は、「励起」された同位体のさまざまな分子配置に対応する共鳴スペクトルを生成します。この特徴は、特に脳に影響を与える特定の代謝障害を診断し、^{[ 100 ]}腫瘍代謝に関する情報を提供するために使用されます。^{[ 101 ]}

磁気共鳴分光イメージング (MRSI) は、分光法とイメージング法を組み合わせて、サンプルまたは患者内部から空間的に局所化されたスペクトルを生成します。空間分解能ははるかに低い (利用可能なSNRによって制限される) が、各ボクセル内のスペクトルには多くの代謝物に関する情報が含まれています。利用可能な信号は空間情報とスペクトル情報をエンコードするために使用されるため、MRSI はより高い磁場強度 (3 T 以上) でのみ達成可能な高い SNR を必要とします。^{[ 102 ]}極めて高い磁場強度を持つ MRI の高額な調達および維持コスト^{[ 103 ]}がその普及を妨げています。しかし、最近では、圧縮センシングに基づくソフトウェアアルゴリズム ( SAMV [ ^{104 ]など})が、そのような高い磁場強度を必要とせずに超解像度を達成するために提案されています。

患者と術者に有害な影響がないため、MRIは、 MRIスキャナによって生成された画像が低侵襲の手順をガイドするインターベンショナルラジオロジーに適しています。このような手順では強磁性体機器は使用されません。^{[ 108 ]}

介入型MRIの専門分野として成長しているのが術中MRIで、これは手術中にMRIを使用するものです。一部の特殊なMRIシステムでは、手術と同時に画像を取得できます。より一般的には、手術は一時的に中断され、MRIによって手術の成功を評価したり、その後の手術をガイドしたりします。^{[ 109 ]}

ガイド下治療では、高強度集束超音波（HIFU）ビームが組織に集束され、MRサーマルイメージングを使用して制御されます。焦点での高エネルギーにより、温度は65 ℃（150  °F）以上に上昇し、組織を完全に破壊します。この技術により、病変組織の精密なアブレーションが可能になります。MRイメージングは​​、標的組織の3次元ビューを提供し、超音波エネルギーの精密な集束を可能にします。MRイメージングは​​、治療領域の定量的かつリアルタイムの熱画像を提供します。これにより、医師は、超音波エネルギーの各サイクル中に発生する温度が目的の組織内で熱アブレーションを引き起こすのに十分であることを確認し、そうでない場合は、効果的な治療を確実にするためにパラメータを調整することができます。^{[ 110 ]}

水素は生体組織に豊富に存在し、磁気回転比が高いため強い信号が得られることから、MRIで最も頻繁に画像化される原子核です。しかし、正味の核スピンを持つ原子核であれば、MRIで画像化できる可能性があります。そのような原子核には、重水素、ヘリウム3、リチウム7、炭素13、フッ素19、酸素17、ナトリウム23、リン31 、キセノン129などがあります。2H 、^23Na、^31Pは体内に自然に存在するため、直接画像化できます。約15mMの濃度で自然に存在する重水素は画像化できますが、ガンマ感度が低く、四極子緩和（NMR）の影響を受けます。ただし、重水素画像では化学シフトスペクトルがまばらであるため、代謝物選択的画像化のためにカスタマイズされたマルチバンド選択的RFパルスを開発することが可能です。したがって、炭素13で行われるのと同様の代謝イメージングは​​、生体内代謝プロセスに関する知見を得るために重水素代謝イメージング（DMI）でも可能である。また、重水素の短いT2により、信号を迅速に平均化することができ、その物理的な欠点のいくつかを補うことができる。3Heや^{129Xeなどの気体同位体は、}核密度が低すぎて通常の条件下では有用な信号が得られないため、過分極化してから吸入する必要がある。17Oと^{19Fは、液体形態（例えば17O-}水）で十分な量を投与できるため、過分極化は必要ない。^{[ 111 ]}ヘリウムまたはキセノンを使用すると、これらの元素が通常生体組織に存在しないため、バックグラウンドノイズが低減され、画像自体のコントラストが向上するという利点がある。^{[ 112 ]}

さらに、正味の核スピンを持ち、水素原子と結合している原子の核は、異核磁化移動MRIによって画像化できる可能性があり、水素原子と結合している低回転磁気比の核ではなく、高回転磁気比の水素原子核が画像化される。^{[ 113 ]}原理的には、異核磁化移動MRIは、特定の化学結合の存在または非存在を検出するために使用できる。^{[ 114 ] [ 115 ]}

多核イメージングは​​現在、主に研究技術である。しかし、潜在的な応用例としては、機能イメージングや、¹ H MRI では見えにくい臓器 (肺や骨など) のイメージング、あるいは代替造影剤としての利用などが挙げられる。吸入過分極³ He は、肺内の気腔分布のイメージングに使用できる。13 C を含む注射液^{や、過分極129} Xeの安定化バブルは、血管造影や灌流イメージングの造影剤として研究されている。31 P^は、骨密度や骨構造、および脳の機能イメージングに関する情報を提供する可能性がある。多核イメージングは​​、双極性障害などの疾患を持つ人々にとって重要な薬剤として使用されているリチウムのヒト脳内分布をマッピングする可能性を秘めている。^{[ 116 ]}

MRIは空間分解能が非常に高く、形態学的イメージングや機能的イメージングに非常に優れているという利点があります。しかし、MRIにはいくつかの欠点もあります。まず、MRIの感度は10⁻³ mol/Lから10⁻⁵ mol/L程度であり^、他 の^タイプのイメージングと比較すると非常に制限される可能性があります。この問題は、室温では核スピン状態間の集団差が非常に小さいという事実に起因します。たとえば、臨床用MRIの典型的な磁場強度である1.5テスラでは、高エネルギー状態と低エネルギー状態の差は200 万個あたり約9個の分子です。MR感度を高めるための改善策としては、磁場強度の増加や、光ポンピングまたは動的核偏極による超偏極などがあります。また、感度を高める化学交換に基づくさまざまな信号増幅方式もあります。^{[ 117 ]}

MRI を用いた疾患バイオマーカーの分子イメージングを実現するには、特異性が高く緩和能（感度）の高い標的型 MRI造影剤が必要です。現在までに、MRI による分子イメージングを実現するための標的型 MRI 造影剤の開発に多くの研究が費やされてきました。一般的に、ペプチド、抗体、または小さなリガンド、および HER-2 アフィボディなどの小さなタンパク質ドメインが標的化に用いられてきました。造影剤の感度を高めるために、これらの標的化部分は通常、高ペイロード MRI 造影剤または高緩和能の MRI 造影剤に結合されます。^{[ 118 ]}独自の mRNA および遺伝子転写因子タンパク質の遺伝子作用を示すために、新しいクラスの遺伝子標的型 MR 造影剤が導入されました。^{[ 119 ] [ 120 ]}これらの新しい造影剤は、独自の mRNA、マイクロ RNA、およびウイルスを持つ細胞、生体脳における炎症に対する組織反応を追跡できます。^{[ 121 ]} MR は、TaqMan 分析、光学顕微鏡、および電子顕微鏡と正の相関関係にある遺伝子発現の変化を報告します。^{[ 122 ]}

磁場勾配を順次印加してMRIデータを収集するには時間がかかります。最も効率的なMRIシーケンスであっても、勾配切り替え速度には物理的および生理学的な限界があります。パラレルMRIは、従来の逐次方式ではなく、データの一部を同時に収集することでこれらの限界を回避します。これは、それぞれが身体の異なる「視野」を持つ無線周波数（RF）検出コイルのアレイを使用して実現されます。勾配ステップの数を減らし、残りの空間情報は、既知の空間感度パターンに基づいてさまざまなコイルからの信号を組み合わせることで補完されます。結果として得られる加速は、コイルの数と信号対雑音比（加速の増加に伴って低下する）によって制限されますが、適切なコイルアレイ構成では2～4倍の加速が一般的に達成され、特殊なコイルアレイでは大幅に高い加速が実証されています。パラレルMRIは、ほとんどのMRIシーケンスで使用できます。

MRI分野では、検出器アレイを使用してイメージングを高速化するという初期の提案がほとんど注目されなかった後、1996年から1997年に空間高調波の同時取得（SMASH）技術が導入された後、並列イメージングは​​広く開発され、応用されるようになった。^{[ 123 ]}感度エンコーディング（SENSE）^{[ 124 ]}と一般化自己校正部分並列取得（GRAPPA）^{[ 125 ]}技術は、今日最も一般的に使用されている並列イメージング手法である。並列MRIの出現により、画像再構成とRFコイル設計の広範な研究開発、および市販のMRシステムで使用可能な受信チャネル数の急速な拡大がもたらされた。並列MRIは現在、さまざまな身体部位のMRI検査や臨床または研究用途で日常的に使用されている。

ディープラーニングのアプローチは、ペアになったアンダーサンプリングされたMRIスキャンとフルサンプリングされたMRIスキャンの大規模なデータセットでニューラルネットワークをトレーニングすることにより、従来のアクセラレーション手法を拡張し、従来の並列イメージングのみの場合よりも高い加速率で画像再構成を可能にします。圧縮センシングのように手作業で作成されたスパース性事前分布に依存するのではなく、これらのモデルはデータから直接再構成を学習します。代表的なアプローチの1つであるエンドツーエンド変分ネットワーク（E2E-VarNet）は、感度マップ推定と反復的改良を完全に学習したパイプラインに組み合わせ、膝と脳のMRIの両方でfastMRIベンチマークで最先端の再構成品質を達成しています。^{[ 126 ]}

Meta AI Research (FAIR) と NYU Langone Health の共同プロジェクトである fastMRI イニシアチブは、2018 年に膝、脳、前立腺のスキャンから 150 万を超える生の MRI 測定値を公開し、この分野の主要なオープン ベンチマークを確立しました。^{[ 127 ]}毎年の fastMRI チャレンジでは、国際的な研究チーム間で再構成品質のベンチマークが行われています。臨床互換性研究では、4 倍の加速での深層学習再構成により、3T での膝の画像化において、フル サンプリング取得と診断的に同等の画像が生成されることが確認され、^{[ 128 ]}これらの方法はその後、主要な医療センターで臨床的に採用されています。^{[ 129 ]}

ほとんどのMRIは、特定のパラメータによって「重み付け」された信号強度の相対的な変化の空間マップを取得することによって、MRデータの定性的な解釈に焦点を当てています。^{[ 130 ]}一方、定量的手法は、正確な組織緩和測定パラメータ値または磁場の空間マップを決定したり、特定の空間的特徴のサイズを測定したりしようとします。

定量的MRI法の例としては、以下のようなものがある。

• T1マッピング（特に心臓磁気共鳴画像診断で使用される^{[ 131 ]}）
• T2マッピング^{[ 132 ]}
• 定量的磁化率マッピング（QSM）
• 定量的流体フローMRI（すなわち、脳脊髄液フローMRI ^{[ 133 ]}）
• 磁気共鳴エラストグラフィー（MRE）^{[ 134 ]}
• 磁気共鳴指紋法（MRF）^{[ 135 ]}

定量的MRIはMR画像と解釈の再現性を高めることを目的としているが、従来はスキャン時間が長かった。^{[ 130 ]}

定量的MRI（またはqMRI）は、より具体的には、単一のイメージングセッションで複数の組織緩和測定パラメータをマッピングする多パラメータ定量的MRIを指す場合がある。^{[ 136 ]多パラメータ定量的MRIを高速化するための取り組みにより、各パラメータの個別のエンコード方法をシーケンスに組み込むか、 [ 137 ]}またはMR信号の変化を多パラメータモデルに適合させることにより、複数のパラメータを同時にマッピングするシーケンスが開発された。^{[ 138 ] [ 135 ]}

従来のMRIでは、磁場によって励起される陽子を持つ水分子が少ないため、肺組織の画像は鮮明ではありません。一方、超偏極ガスを用いたMRIスキャンでは、肺の換気障害を特定できます。スキャン前に、患者はヘリウムまたは窒素の緩衝ガスと混合した超偏極キセノンを吸入します。その結果得られる肺の画像は、従来のMRIよりもはるかに高画質です。

医学会は、医師が患者にMRIを使用するタイミングに関するガイドラインを発行し、過剰使用を推奨していません。MRIは健康上の問題を検出したり、診断を確定したりできますが、医学会は、患者の訴えを診断または管理するための計画を立てる最初の手順としてMRIを使用しないことを推奨することがよくあります。よくあるケースは、腰痛の原因を探すためにMRIを使用することです。たとえば、米国医師会は、患者にとって良い結果をもたらす可能性が低いとして、画像診断（MRIを含む）を推奨していません。^{[ 26 ] [ 27 ]}