MRIの原理教室②：プロトンの挙動を徹底解説

MRI（磁気共鳴画像法）は、私たちの身体の内部を詳細に映し出す高度な技術です

今回の記事では、MRIの画像化に重要な役割を果たすプロトン（¹H）の動きに焦点を当て、その基本原理をわかりやすく解説します

プロトンの挙動とMRIの関係を理解することで、MRIの仕組みがさらに明らかになります

専門用語も丁寧に説明しますので、初めての方でも安心して読み進めてください

前回のおさらい

MRIは何を観測しているか覚えていますか？

答えは、水と脂肪の¹Hでしたね

体内の1H原子核は水、脂肪、タンパク質、炭水化物、ビタミンなどに含まれていますが、以下の理由から検出できるのは水と脂肪の¹Hだけです

1. 量が少ないため、信号が小さく雑音に埋もれてしまう
2. T2（横緩和時間）が短いため、受信時には雑音以下に減衰してしまう

プロトンの動き

私たちの体内にあるプロトン（¹H）は、磁場の中と外では異なる動きをします

これは、原子の基本構造である、正の電荷を持つ原子核と負の電荷を持つ電子によるものです

プロトンは電荷を持ち、自転（スピン）しています

つまり、電荷が回転することで円電流が発生し、これが棒磁石と同等の磁場を形成します

磁荷はSとNが両端に出現し、磁性を示す物理量は電荷の強さとNとS間の距離の積である磁気モーメントです

MRIは磁場を使い人体を画像化します

MRIでプロトンを考えるときは、この磁気モーメントで考えます

磁場の外でのプロトンの動き

以下の図をご覧ください

磁場の外にいるプロトンはランダムな動きをしています

この状態では磁気モーメントの向きがランダムで相殺されているため、信号は出ません

磁場の中でのプロトンの動き

次に、磁場内部での動きを見ていきましょう

まず、新しい用語の説明です。MRIを学習するときにB₀やB₁という表現が出てきます

MRIの中にはB₀という磁場が形成されています

磁場の中に入ると体内の¹Hは磁場の方向を向くか、反対方向を向くかの2通りになります

磁場の外ではランダムだったプロトンの向きが、磁場内部では一定の方向を向くようになり、磁気モーメントは完全には相殺されません

磁場内でのプロトンの向き

プロトンは磁場（B₀）方向（+Z軸）から55°と125°のどちらか一方を向いています

完全に磁場と同方向ではなく、角度がついており、プロトン自体も回転しています

この運動を歳差運動と言い、ラーモア周波数で表されます

ラーモア周波数はMRIの基礎となる式です

磁束密度（磁場強度：T）を上げると角周波数も比例して上がります

つまり、磁場の強さが高くなると、プロトンの回転速度も上がるということです

1.5Tよりも3Tの方がプロトンの回転は2倍です

2方向を向いたプロトンの挙動

磁場の外ではランダムな向きだったプロトンが、磁場内部では55°と125°のどちらかを向きます

ここで、55°を向いているプロトンをα群、125°を向いているプロトンをβ群と呼びます

α群の方が少しだけ多く存在しており、この差分がMRI信号に反映されます。

この磁場にさらされただけの状態を熱平衡状態と言い、最も安定しています

ここからRF波（電磁波）で高エネルギー状態にすることを励起と言い、励起することで初めてMR信号が出てきます

巨視的磁化とは

静磁場内の熱平衡状態のプロトンは55°または125°で歳差運動を行なっています

MRIでは、この差分を観察します

ただし、この時のプロトンは、全て同じ角周波数で回転はしているものの、向きはバラバラです。
このとき重要なのは、個々のプロトンを見るのではなく、複数のプロトンを集合体として捉え、これを巨視的磁化と言います

巨視的磁化（M₀）は熱平衡状態ではB₀（+Z）方向を向いています

今後、プロトンの挙動を説明するときは、巨視的磁化で説明していると捉えてください。

まとめ

今回はプロトンの動きに焦点を当てました

抽象的でわかりにくいかもしれませんが、まとめの部分をしっかり理解しておきましょう

それではまた次回お会いしましょう！

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