歳差運動と核磁気共鳴

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歳差運動についてです。

 スピンが磁場内にあるとき、スピンはちょうど独楽のように自分自身が回転しつつ軸も回転しています。この運動を歳差運動といいます(下図参照)。歳差運動がMR画像を得るための信号源です。回転運動の周波数はラーモア(Larmor)周波数といい、周波数をf[Hz]で表記すると、(1-3)式で示されます。
f=γB0/2π
もしくは.角周波数ω[radian] (=2πf)で表記すると、
ω=γB0
f:周波数、:静磁場強度、γ:磁器回転比、ω:角周波数

です。たとえば、水素原子中のプロトン(1H) では、B0=2.2487T(Tesla:テスラ)でラーモア周波数が100MHzになります。他の原子(23Na、31Pなど)ではラーモア周波数がもっと小さい値となります。(以下の表に示す)式から明らかなように、ラーモア周波数は、静磁場強度に比例して大きくなります。また、同じ静磁場強度の装置であれば、ラーモア周波数は同じです。

核磁気共嗚についてです。

 生体(多数のプロトンを含む)が静磁場(B0、z軸方向とする)中にあるとき、数秒でスピンは熱平衡となります。ここで、RF磁場(B1とよぶ)をz軸と垂直方向(x軸とする)にラーモア周波数で印加します。このとき、スピンの回転周波数とRF磁場の回転周波数が一致しているので、スピンからみた回転磁場は、あたかも静止しているようにみえます。このことから、スピンの振る舞いを実験室座標系からスピンの回転に合わせて回転するスピン座標系に変えてみると、たいへん簡単になります。スピン座系では、B1が印加されると巨視的磁場MはB1の力を受けてy-z平面内を回転します。この回転は、(1-4)式によって説明されます。
dM/dt=γ[M×B]   (1-4)
dM/dtは、磁化Mの時間変化であり、BはB1のべクトル表記です。xはべクトルの外積を表します。巨視的磁化Mが90°回転するだけの強さのRFパルスを90°パルスといいます。RFパルスを印加する前は、巨視的磁化Mは、縦磁化成分だけをもちます(M=Mz)。ここに、90°パルスを印加すると、縦磁化Mzはゼロとなり、同じ大きさの横磁化Mxyが生じます(M=Mxy)。B1が第えた後、巨視的磁化はふたたびz軸を中心に歳差運動を始めます※。そのあと、縦緩和時間T1で縦磁化Mzは回復します。

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 B1の大きさは、10μT程度であり、静磁場B0の大きさ(0.2T~3T)と比べて非常に小さいです。1ガウス(Gauss,1G=10-4T)の磁場強度の時、90°を回転する時間は約1/16msと短いです。

 MRIでは、歳差運動に伴う横磁化Mxy(回転磁場)を核磁気共鳴信号として検出します。

※B1の印加により、巨視的磁化が90°倒れたとき、最初の平衡状態のスビン分布は、B1によって高いエネルギー状態と低いエネルギーの比は変化し非熱平衡状態です。そこで、巨視的磁化は、縦緩和時間T1で、平衡状態に向けて緩和していくことになります。

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縦磁化と緩和

縦磁化と緩和についてです。

 スピンが高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ移行するときにエネルギーを放出します。また、低い状態から高い状態に変化するときには、スピンは周囲からエネルギーを吸収します。放出/吸収のエネルギーの大きさは、状態間のエネルギー差に一致します。エネルギーの放出は、スピンと周囲の粒子との衝突や相互作用によります。エネルギーの吸収は高周波(radiofrequency・RF)磁場で行われます。

 静磁場中のスピンは、高いエネルギー状態と低いエネルギー状態の比率が一定で(ボルツマン分市という法則に従い厳密に計算できる)、安定した状態になります。この状態を熱平衡状態といいます。

 熱平衡状態において、低エネルギー状態のスピンと高エネルギー状態のスピンは、わずかに低エネルギー状態のほうが多いです。両状態のスピンの占める割合の差により、巨視的化は静磁場方向を向きます。この磁化べクトル成分を縦化とよびます。

 熱平衡状態のスピンにRF磁場を照射すると、低いエネルギー状態のスピンは高いエネルギー状態のスピンに変化します。このように低い状態と高い状態の比が熱平街状態から変化した状態は、非熱平衡状態といいます。

 非平衡状態の縦磁化Mzが、平衡状態に戻る過程は、(1-1)式の徴分方程式で示されます。
dMz/dt=(M0-Mz)/T1 (1-1)
これを解くと.
Mz =M0{1-exp(-t/T1)} (1-2)
となります。ここで、T1 は巨視的置化が減少する(これを緩和するという)時定数(縦緩和時間とよぶ)。
M0は巨視的磁化の熱平衡値です。この式から、巨視的磁化Mzは、時刻T1で、63%だけ平衡状態に近づくことになります。(以下の図参照)縦緩和は、高い工ネルギー状態のスピンが、そのエネルギーを周囲の粒子との衝突で失う時間あたりの頻度です。縦緩和時間は、スピン-格子緩和時間あるいは熱緩和時間ともよびます。T1は、プロトンの易動度や温度に大きく依存します。生体の縦緩和時間は、0.1~4.Os程度です※。

※自由水のT1は40s程度、結合水、構造水のT1はおよそ0.1~0.8s、また、生体ではないが氷(固体)のT1は決勝状態のため非常に長い。

原子とプロトン

 NMRの原理についてです。

 まずは原子とプロトンについてです。

 NMR現象は、量子力学と古典力学の双方の側面をもちます。しかし、多くの現象は古典力学的な説明で理解できます。したがって、できるだけ量子力学的な説明をせずに直観的でわかりやすい説明を心がけます。

 物質を構成する原子は電子と原子核からなり、正負の電荷は等しく総和はゼロで中性です。原子核は陽子(プロトン)と中性子から構成されます。もっとも小さい原子は水素原子(1H)で、陽子1つからなる原子核と電子1つが対になってできています。プロトンは電子に比べ非常に重いです(質量比は1836)。プロトンは、電荷と磁気モーメントをもちます。ここで、磁気モーメントは、小さな磁石にたとえることができます。磁気モーメントは、プロトンの(量子学的な)回転運動・スピン(spin)によって生じます。

 静磁場中でスピンは、高エネルギー状態と低エネルギー状態に分かれます。低エネルギー状態は安定で高エネルギー状態は不安定です。静磁場がゼロのときには、スピンは、原子ことにばらばらな方向を向いています。そのため、原子を集合としてみると、スピンの総相(これを巨視的磁化という)はゼロになります。一方、静磁場があるとき、スピンは静磁場の方向に整列します。この結果、巨視的磯化はゼロでない値をもっことになります。以上より、静磁場中の巨視的化をベクトル量としてとらえることができ、一般的には記号Mで表されます。

模式図を以下に示します。

MRIの物理的特徴

 MRI装置台数は、1994年にはすでに国内に2208台稼働していましたが、2006年時点で、約5000台に増え、現在ではさらに増え、たいへん身近な存在になっています。MRIの撮像対象は、頭部・脊椎などの中枢神経系、四肢、心臟、血管、腹部 (腎臓、肝臓、胆管、膵管など)など多岐にわたります。また、脳手術中に残存腫瘍をモニタする術中MRIや、インターベンショナルMRI、脳機能を画像化するfMRI(functional MRI)、脳の神経線維を画像化するトラクトグラフィ(tractography) など、新しい技術開発も進んでおり、今後もMRIの適用範囲は広がる傾向にあります。

 MRIを可能にする物理的な原理は、以下の5点に集約されます。

① 電場と磁場には基本的な関連があります。電荷が空間を移動すると磁場を発生します。そして場が時間的に変動すると電場を生じます。この関係は逆もまた成り立ちます(可逆的である)。
②多くの原子において、原子核はあたかも小さい磁石としてるふるまいます(磁気双極子モーメントをもちます)。
③静磁場のS極(N極)と静磁場中の磁石のS極(N極)には斥力が働き、静磁場のS極 (N極)と静磁場中の磁石のN極(S極)の間には引力が発生します。このことから、磁石のS極が磁場のN極に、磁石のN極が磁場のS極に向きをそろえようとする力が働きます。このように、磁場中の磁石が整列します(低いエネルギー状態)。また整列していなし状態もあります(高いエネルギー状態)※
④プロトンは、磁気双極子モーメントに加え、角モーメントというものをもちます。角モーメントは回転している物質を同じ状態で回し続けるように働きます。その結果、プロトンはこまのように回転しながら軸が揺れる動きをします。これを歳差運動といいます。
⑤歳差運動は、角モーメントとそれを変えようとするカ(磁場)に比例します。比例係数を磁気回転比といいます。

 これらの原理の組み合わせで、MRIでは、プロトンの密度、緩和時間、血流情報などの信号を扱うことができます。また、得られた情報をさらに詳細に処理することで、これまでにないさまざまな種類の画像をつくることができます。たとえば脳の診断で複数の撮像方法で同一部位を撮像し各画像で病変部がどのようなコントラストを呈するかを見て、総合的な画像診断をします。

 このことから、MRI装置は非常に高い診断性能と潜在ポテンシャルをもっています。

※プロトンのような原子核では、エネルギー状態は離散的に存在することが知られています(NMRで扱うスピンの量子レベルは、プロトンの場合、高いエネルギー状態の反平衡状態と低いエネルギー状態の平衡状態の2種類が存在します)エネルギー状態は量子力学を使うことによって厳密に計算できます。

以下にMRI数の遷移を示します。

MRIの特徴

MRIについてです。

 MRI(magnetic resonance imaging:核磁気共鳴イメージング) 装置は、核磁気共鳴 (nuclear magnetic resonance・NMR)現象を利用した画像診断置です。1980年代中ころから臨床イメージングに急速に普及しました。X線を主体にした手法と比べると、安全性に優れ、濃度分解能に優れるほか、さまざまな生体機能を画像化できます。その理由は、MRIが生体をおもに構成する水素原子核(プロトン)の物理化学的な状況を計測するからです。水素原子は、+の電荷をもつ重い陽子(プロトン)と一の電荷をもつ軽い電子から成り立っています。

 NMRの原理は、1946年にプロッホ(Bloch)とバーセル(Purcell)がそれぞれ独立に発見し両者はノーベル賞を受賞しました。NMR現象を利用した工業製品には、物理化学分析用のNMR装置があり、化学的こ分析に利用されています。生体への利用は、1971年にタマディアン (Damadian) が腫瘍の緩和時間を測定し癌診断の可能性を報当したのが最初です。NMRを利用した撮像、すなわちMRIは1973年に成功しました。

 MRIの発明に対して、ローターバー(P.C.Lauterbur)とマンスフィールド(P Mansfield) が、2003年にノーベル賞を受賞しました。MRIの発明の初期には、MRIの画像化アルコリズムとして、X線CTの画像再構成法で使われる投影再構成法が用いられていましたが(1973年ころ)、その後、現在主流になっているフーリエ変換イメージング法が提案されました(1974年)。最初は、ヒトの頭部だけでの撮像でしたが、1979年には、全身用のMRI装置が開発されました。

 MRI装置の特徴です。利点は、軟部組織の分解能が良い、任意の断面で撮像ができる。撮像の自由度が高く診断目的によって最適な画像コントラストで撮像できる、侵襲性が低い、など多い.です。一方、欠点としては、撮像時間が比較的長い、動きによるアーチファクトが生じやすい、金属が体内にある場合画質が劣化する、高磁場下で撮像するため、撮影室に金属性のもの (磁性材)をもち込めない、高周波ノイズを発生する機器を撮影室にもち込むと画像が乱れる、などがあります。

MRIの特徴の詳細を以下に示します。

利点
①軟部組織のコントラスト分解能に優れている
②軸横断、冠状断、矢状断像像の他に任意の斜断像が容易に得られる
③撮影の自由度が高い(パルスシーケンスの選択ができ、病変に対する検出能が高い)
④無侵襲で安全性が高い
⑤血流情報が得られる
⑥骨や空気によるアーチファクトがない
⑦化学シフト情報が得られる
⑧イメージンクとスペクトル計測が両立できる(高磁場装置)
⑨プロトン以外のイメージンクが可能(高磁場装置)
⑩脳機能撮像による脳局所活性化部位の同定がでさる

欠点
①撮影時間が長い(30分程度)
②動きのアーチファクトが生じやすい
③石灰化巣に関する情報が得られない
④周辺環境への漏洩磁場の影響がある
⑤装置の価格および運転費用が高い
⑥撮像対象に制限がある
例:重症患者やぺースメーカ保持者の撮影に制限

MRIの持ち込み禁止なものについて以下に示します。
どこの施設でも同様なものが検査室前に貼られていると思います。

 

X線CTの進歩

X線CT装置の進歩についてです。

1972年にEMIスキャナが発表されて以来、数年を経ずして数多くのメーカや研究グループによって新たなCTがつぎつぎと開発され、研究に参入した研究所あるいは企業はそれぞれ競い合った結果、装置の性能が大幅に向上することになりました。

医療において画期的なCTの登場は、医療界に、一種のブームを引き起こしアメリカ、ヨーロッパ、日本など先進国を中心に猛烈なスビードで普及することになりました。生体の内部が、外科的手段を用いなくても非侵襲的に観察できるということで、CTは医療界だけでなく産業界、あるいは科学、新聞、メディアなどにも盛んに取り上げられました。その後、1980年代前半の時期に入ると、性能向上の面でも.、また普及面でもスピードが緩やかになり、安定成長期を経て成塾期に入ったといわれたました。しかし、1985年に発表された世界初のスリップリング技術をベースとしたヘリカルスキャン(helical scan) 技術(らせん型スキャン技術)が開発され、臨床面での高い価値が認められるや、各メーカや先進的病院によって、ふたたびつぎつぎに性能向上がなされ、CTの勃興期と同じような熱気に満ちたました。まさにCTルネッサンスとでもよべる時代を迎えています。

X線CTの歴史

x線CTは1972年、イギリス人のハンスフィールド(G.N.Hounsfield) とアプローズ (J.Ambroe) によって発表されました。今日X線CTと総称されている装置のなかで最初に製作された装置はEMI(イギリス)社のもとて開発されたEMI-scannerです。この方法は、対象とする物体の多方向から連続的にX線照射し、物体を透過したX線の情報を検出器を用いて検出し、それによって得られたデータをコンピュータて計算させるという手法を用いていました。当時EMI社の中央研究所にいたハンスフィールドはコンピュータによるパターン認識の研究に従事するかたわら、物体の内部を外部から測定した情報を基に知ることができないかと考えていました。従来からのX線画像は三次元からなる物体を平面像として撮影するもので、物体(患者)からの散乱線の影響と検出として用いる蛍光体やフィルムの性能が微小なX線の吸収差を写し出すには十分ではなかったです。

 これらの欠点を除き人体の断面像を得るためにX線断層撮影装置が開発されました。これはX線管とフイルムを同時に動かしてX線画像を得ようとするもので、目的部位のうち目的とする層にのみ焦点が合うようにして、その外の層や領域はボケを生じてよくわからないような画像とすることができます。X線管とフィルムの動きを直線的に動かす断層装置や円運動、渦巻き状、三つ葉状、アーク状などに動かして多方向から撮像する装置、あるいは多層断面の像を得るよう設計された装置です。これらは現在でも断層撮影として臨床現場で使用されています。

 しかし.このような原理で撮影された画像は焦点以外の領域や層をぼかしているため、提供されるような病症に対しては多数の断層像を必要とし、1枚当たりから提供される空間情報が少ないという欠点を含んでいました。

大学院について

大学院は主に専門学校や大学を卒業してから行きます。修士課程がありそのあと博士課程があります。
基本的には修士課程は2年間になります。
同じ大学から大学院まで通う人もいますし、別の大学の大学院に通う人もいます。

大学院進学か就職かで大学4年生のころ悩んでいました。
そこで病院見学や、研究室訪問などをGW頃行い、大学院の試験を8月に受けました。

研究したい内容があり、医学物理コースもあったので別の大学の大学院修士課程に進学し、修了しました。
僕が通っていた大学院は、思った以上に色んな大学から来てる人が多かったと思います。

学校や研究室にもよりますが、主に大学院の入試は小論文、英語読解、教授との面接などが多いと思います。
対策としては僕は大学の就職センターのようなところで面接や小論文の練習をしていただきました。
不安な点は質問して解決するようにしていました。

英語については長文を読み、その設問に対し英語で書く練習をしました。
大学院の方で英語は過去問をいただけたので、それで対策しました。

貴重な経験をさせていただいたので、大学院に行くという決断は正しかったと思います。
やりたい研究ができ、医学物理士認定試験に合格できたのは大きかったです。
2年間本当に多くの人たちにお世話になりました。

以下に大学院に行こうか迷っていた時に読んだ本を示します。
すごくためになると思います。

大学院のすすめ―進学を希望する人のための研究生活マニュアル

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また研究室について参考にしたのが以下の本になります。
生命系の学部学生を対象に書かれています。内容は簡単な院試の制度説明・トップクラスの在日本研究者の書いた各学問領域の概要説明・研究室紹介が主です。姉妹書の工学系研究室案内も参考にしました。最新の生物医学の方向性を知りたい人には是非勧めたい一冊となっています。
工学系研究室案内も以下に示します。

院ナビ!生命系[逆引き]研究室案内

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画像診断の今後について

画像診断の今後についてです。

 画像診断装置の効率化として、X線撮影は1台の装置に納まると予測されます。受診者が撮影時に仰臥位に寝て撮影をすれば、単純X線撮影もCT撮影もできるようになります。CTの撮影断面を決める撮影(スカウトビュー画像)を高精細化し全体像を撮影します。それで異常がなければ終わりとし、CT撮影を行いません。異常なしの判定にはCADを活用します。現在の技術でも不可能ではありません。立位撮影が必要な場合や骨の単純撮影には、フラットパネル撮影装置を使用します。

 CTは通常のX線撮影より被ばく線量が多いと指摘されています。このことは今後、低線量で撮影できるCTが開発されれば解決されます。

 このような万能型の装置を病院の随所に置き、受診者が病院内をなるべく移動しなくてすむようにします。つまり放射線科の分散化です。得られた画像は、放射線科に送られます。もはや読影室は放射線科の片隅のせまいところにおいておくひつようはありません。病院内で、他科の医師が訪問しやすい快適な場所でよく、院外であってもよいです。遠隔診断が頻繁に行われ、放射線科医が病院にいない状況も出現します。

 画像診断機器の進化とそれに伴うシステムの発展は、病院の労働形態も変える可能性があります。システムと装置の進歩を、医療関係者と医療機関を受診する人たちの利益に還元する必要があります。

CAD、電子力ルテの出現

CADの出現についてです。

 画像診断を医師の目に頼るだけでなく、コンビュータの力を借りる、CAD (computer aided diagnosis:コンビュータ支援診断)に関する研究は、1980年代にシカゴ大学土井邦雄教授を中心とする研究グループで始まりました。胸部X線像の結節検出、乳房撮影(マンモグラフィ)の石灰化病変検出での成功は、装置として実用化され市販されています。さらにMRI、超音波、CTにも応用が広がり、脳MRAでの脳動脈癨の検出、大腸仮想内視鏡(CT-colonography)での大腸ポリープの自動検出に実用化されています。

 画像診断装置の多様化、普及とともに、ますます多忙となる放射線科診断医を手助けする方法として、CADによるスクリーニングは普及することが予想されます。特にマンモグラフィなどによる乳癌の識別は難しく、CADの役割は大きいといえます。

電子力ルテの出現についてです。

 放射線医療でのコンビュータ技術の応用は、CT、MRI、CR、DSAなどのデジタル画像作成の場面においてみられますが、1970年代後半よりPACS (picture archiving and communication system、画像保管伝送システム)と呼称される医療伝送システムの思想が出現しました PACSのp (picture)の画像はデジタル画像技術の出現がその背景にあります。A (archmng) の保管は、激増する画像データをフィルムにして保管するのにスペースがないとの深刻な問題が動機となっています。 C (communication)の伝送は、病院内に画像のネットワークを構築し、コンピュータで画像を呼び出し自由にみることができるようにしようとするもので、当然ながら病院内に多数のコンピュータ端末を配置し、光ファイバ、無線LANなど伝送路の構築が必要となります。

 PACSが普及するのに大きな力となったのは、DR(digital radiography.デジタルラジオグラフ)の発達と普及です。放射線科の撮影の大半をめる一般提影がテジタル化したことは、PACSを広めるのに役立ちました。

 医療機関での診療行為のすべてをコンピュータシステムでカバーする電子力ルテは、21世紀初めより登場しました。画像情報を扱うPACSと、コンピュータで処理された診療情報は、一緒になって病院内に配信されます。

 電子力ルテは単に病院のデータベース形成だけでなく、医師、受診者、医療従事者が互いにデータを共有することで、情報の効率利用が可能となりました。瞬時に伝送される画像・検査データを診療、カンファレンスに利用でき、患者へのコンピュータ画面での三次元画像の提示と説明など、いろいろ思いもかけない効果があります。

 電子力ルテはさらに遠隔医療へと広がっており、病院・診療所間の連携に利用されています。放射線診断・診療所間の領域では遠隔画像診断が普及しています。病院で撮影した画像を病院外の放射線科医に配信し、診断レポートを返してもらう手法はすでに一般化し、読影専門の診療所も出現しています。 放射線科医の慢性的な不足による病院の画像診断の機能低下はこのことによって教われると思われます。

 遠隔医療は専門医のいない過疎地や離島の診療所と、大都市の病院とを連携するために役立つと考えられていました。しかし実際には大都市とその近傍の病院で普及する結果となりました。

 保管の点ではデジタル画像の記録媒体は、CD-RからDVDと大容量化して進歩が著しいです。これらの技術は一般化されており、積極的に利用するのは賢明な方法といえます。その一例として、人間ドックの診療記録をCD-Rで受診者に提供する例があります。個人が目己の診療データを保持して目分の健康維持に利用するのは、21世紀の大きなテーマです。

以下に