Biophysics · 26.07

MRIにおける巨視的磁化―スピン–スピン緩和（spin–spin relaxation）

Macroscopic magnetization in MRI — spin–spin relaxation

画像所見: 脳微小出血皮質表在性ヘモジデローシス

🧠 T2緩和T2 relaxationT2緩和（T2 relaxation）T2 relaxation（T2緩和）は、スピンspinスピン（spin）spin（スピン）同士の相互作用により横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）の位相がばらつき、合成横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）が減衰する過程である。縦磁化longitudinal magnetization縦磁化（longitudinal magnetization）longitudinal magnetization（縦磁化）のエネルギー回復とは別の現象であり、エコー時間を長くすると組織間のT2差が信号へ強く現れる。

横磁化と位相同期

高周波パルスradiofrequency pulse高周波パルス（radiofrequency pulse）radiofrequency pulse（高周波パルス）直後には、多数の核スピンspinスピン（spin）spin（スピン）がほぼ同位相で歳差運動precession歳差運動（precession）precession（歳差運動）し、受信コイルで検出できる横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化） $M_{xy}$ を作る。局所磁場local magnetic field局所磁場（local magnetic field）local magnetic field（局所磁場）がわずかに異なると各スピンspinスピン（spin）spin（スピン）の歳差位相が次第にずれ、ベクトル和vector sumベクトル和（vector sum）vector sum（ベクトル和）である $M_{xy}$ が小さくなる。

理想的なスピンspinスピン（spin）spin（スピン）―スピン緩和spin-spin relaxationスピン緩和（spin-spin relaxation）spin-spin relaxation（スピン緩和）は

M_{xy}(t)=M_{xy}(0)e^{-t/T_2}

で表される。 $T_2$ は横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）が初期値の $1/e$ まで減衰する時間である。

T2とT2*の区別

T2減衰は、近接スピンspinスピン（spin）spin（スピン）間の相互作用による微視的な局所磁場local magnetic field局所磁場（local magnetic field）local magnetic field（局所磁場）変動から生じ、直ちに格子grating格子（grating）grating（格子）への正味のエネルギー移動を必要としない。一方、実測の自由誘導減衰free induction decay自由誘導減衰（free induction decay）free induction decay（自由誘導減衰）には主磁場の不均一や磁化率差による可逆的な位相ずれも加わり、より短い $T_2^*$ として見える。

flowchart TD
  A["RF 後に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spin'>スピン</span>位相がそろう"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='local magnetic field'>局所磁場</span>差で歳差速度がずれる"]
  B --> C["位相分散が進む"]
  C --> D["合成<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transverse magnetization'>横磁化</span> Mxy が減衰"]
  D --> E["静的な不均一は 180° パルスで再収束可能"]

180°パルスを用いるスピンspinスピン（spin）spin（スピン）エコーは、静的な磁場不均一による位相ずれを再収束させるため、不可逆的なT2成分を評価しやすい。ただしスピンspinスピン（spin）spin（スピン）間相互作用そのものは巻き戻せない。

MRI信号への反映

TEが長いほど横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）は多く減衰し、組織間のT2差が信号差として現れやすい。これはT1による縦磁化longitudinal magnetization縦磁化（longitudinal magnetization）longitudinal magnetization（縦磁化）回復とは独立に考える必要がある。位置情報positional information位置情報（positional information）positional information（位置情報）を与える空間符号化encoding符号化（encoding）encoding（符号化）の間にも位相は蓄積し、最終的なMRIコントラストcontrastコントラスト（contrast）contrast（コントラスト）を左右する。

まとめ

T2緩和T2 relaxationT2緩和（T2 relaxation）T2 relaxation（T2緩和）は横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）を構成するスピンspinスピン（spin）spin（スピン）の位相同期が失われる過程である。
理想的な横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）は時定数time constant時定数（time constant）time constant（時定数） $T_2$ で指数関数的exponentially指数関数的（exponentially）exponentially（指数関数的）に減衰する。
$T_2^*$ には真のT2減衰に加え、主磁場不均一などの可逆的な位相分散が含まれる。
TEを調節すると、組織間のT2差を画像コントラストcontrastコントラスト（contrast）contrast（コントラスト）として強調できる。