今回はプロトン(1H)の動きに注目をしていきます。
図を用いてなるべく簡単に解説をしていきますので、よろしくお願いします。
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、ビタミンなどにも含まれていますが、
- 量が少ないため、信号が小さく雑音に埋れてしまう
- 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
の2点から、検出できるのは水と脂肪の1Hだけでした。
プロトンの動き
私たちの体内にあるプロトン(1H)は、磁場の中と外では違う動きをします。
これは原子の基本構造である、原子は正の電荷を持つ原子核と、負の電荷を持つ電子でできているためです。
プロトンは電荷を持ち、自転(スピン)をしています。
つまり、電荷が回転するという事なので円電流が発生し、円電流は棒磁石と同等の磁場を形成します。
そして、磁荷は単独で存在することは無く、必ずSとNが両端に出現します。
磁性を示す物理量は、電荷の強さと、NとS間の距離の積の磁気モーメントです。
（ややこしいですね）
MRIは磁場を使い人体を画像化しています。
なので、MRIでプロトンのことを考えるときは、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。
普段のプロトン(MRIの外)はランダムな動きをしています。
つまり磁気モーメントの向きはランダムなため相殺されています。
この状態では信号は出ません。
磁場の中でのプロトンの動き
次は磁場内部での動きを見ていきましょう。
まずは新しい用語の説明をします。
MRIを学習するときにB0とかB1という表現が出てきます。
B0は、静磁場のことを指します。
静磁場とはMRI本体が常に作り出している一番大きな磁場を指します。
1.5Tや3Tなどのことです。
B1は、RFパルス(高周波パルス、電磁波などとも言う)のことです。
プロトンを励起して、信号を出すためのパルスのことです。
（改めて後で解説をします）
MRIの中には磁場(B0)が形成されています。
MRIなどの磁場の中に入ると体内の1Hは磁場の方を向くか、反対を向くかの2通りになります。
磁場の外ではランダムな向きをしており、磁気モーメントは相殺されていましたが、
磁場内部では一定の方向を向いており、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
先ほど、磁場内部ではプロトンは磁場方向、もしくは磁場とは反対を向くと説明をしました。
今度はここを深掘りしていきます。
実は、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て、角度がついています。
そして上の図のように、プロトン自体も回転をしています。
この運動を歳差運動と言い、ラーモア周波数で表す事ができます。
このラーモア周波数(角周波数)はMRIの基礎となる式ですので暗記してください。
この式から読み取れることは、
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る。
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よ！と言うことです。
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とは
磁場の外では、プロトンはランダムな向きで磁気モーメントは相殺されていました。
磁場内部のプロトンは、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。
では磁気モーメントはどうなるのでしょうか？
55°と125°を向いたプロトンの数が同数だったら、相殺されそうですよね？
図を少し整理します。
磁場内部のプロトンは、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。ここで55°を向いている方をα群、125°を向いてる方をβ群と呼びます。
2つのエネルギー準位に分かれています。
実は、α群(55°を向いているプロトン)の方が多く存在しています。
磁場方向を向くのは、川の流れに身を任せているようなものです。
β群(125°を向いているプロトン)は、磁場方向と反対を向いています。
川の流れに逆らっているわけで、エネルギーを余計に必要としているので少ないです。
ここがポイントです。
下の図をご覧ください。
少しだけα群の方が多く、両者の差分がMRI信号に反映されます。
そして、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のを励起と言います。
励起することで初めてMR信号が出てくるわけです。
巨視的磁化とは
静磁場内の熱平衡状態のプロトンは、55°or125°で歳差運動を行なっていました。
55°の方を向いているプロトンの数の方が多く、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見ることです。
複数のプロトンを１つのベクトルとして捉えます。
これを巨視的磁化と言います。
そして、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
- 磁場の外のプロトンはランダムな向きで、磁気モーメントは相殺されている。
- 磁場内部のプロトンは、磁場(B0)方向( +Z軸)から55°と125°のどちらか一方を向いている。
- α群(55°を向いているプロトン)とβ群(125°を向いているプロトン)では、α群の方が少しだけ多く存在していて、両者の差分がMRI信号に反映される。
- 複数のプロトンを１つのベクトルとして捉える。
これを巨視的磁化と言う。
巨視的磁化(M0)は熱平衡状態では、B0(+Z)方向を向いている。
とても抽象的な事でわかりにくいかも知れないですが、
のちに急に理解できることもあるので、
まとめの部分だけでもボンヤリ理解できれば大丈夫です。
それではまた!!
