Biophysics · 26.09

MRIコントラスト―プロトン密度、T1・T2強調

MRI contrast — proton density, T1 and T2 weighting

応用トピック: 血管画像診断（超音波・CT・MRI）と血管奇形神経画像検査：血管造影・CT・MRI・PET・SPECT 腫瘍診療における画像検査の役割

🧠 MRIコントラストcontrastコントラスト（contrast）contrast（コントラスト）は、陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）とT1・T2緩和T2 relaxationT2緩和（T2 relaxation）T2 relaxation（T2緩和）の組織差を、繰り返し時間・エコー時間などの撮像条件で選択的に強調したものである。「T1が短いから常に明るい」のではなく、パルス系列pulse sequenceパルス系列（pulse sequence）pulse sequence（パルス系列）と読出し時点まで含めて信号を判断する。

信号強度を決める三要素

単純なスピンspinスピン（spin）spin（スピン）エコー系列の信号は概念的に

S\propto \rho\left(1-e^{-TR/T_1}\right)e^{-TE/T_2}

と表せる。 $\rho$ は信号を生む移動可能な水素核の陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）、TRは励起を繰り返す時間間隔、TEは励起からエコー信号echo signalエコー信号（echo signal）echo signal（エコー信号）を読み出すまでの時間である。実際の信号にはコイル感度、流れ、拡散、パルス系列pulse sequenceパルス系列（pulse sequence）pulse sequence（パルス系列）も影響するが、この式が基本的な因果関係bidirectional causal relationship因果関係（bidirectional causal relationship）bidirectional causal relationship（因果関係）を示す。

撮像条件による強調

強調法	典型的なTR	典型的なTE	主に強調する差
T1強調T1-weighted imagingT1強調（T1-weighted imaging）T1-weighted imaging（T1強調）	短い	短い	縦磁化longitudinal magnetization縦磁化（longitudinal magnetization）longitudinal magnetization（縦磁化）の回復速度
T2強調T2-weighted imagingT2強調（T2-weighted imaging）T2-weighted imaging（T2強調）	長い	長い	横磁化transverse magnetization横磁化（transverse magnetization）transverse magnetization（横磁化）の減衰速度
陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）強調	長い	短い	信号に寄与する陽子数

短いTRではT1回復差が残り、長いTEではT2減衰差が拡大する。陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）を見たいときは、長いTRでT1の影響を減らし、短いTEでT2の影響を減らす。具体的な「短い・長い」の値は磁場強度と系列に依存する。

flowchart TD
  A["組織ごとに<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proton density'>陽子密度</span>・T1・T2が異なる"] --> B["TR で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='longitudinal magnetization'>縦磁化</span>回復を選別"]
  B --> C["TE で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transverse magnetization'>横磁化</span>減衰を選別"]
  C --> D["空間<span class='jp-term jp-term-diagram' title='encoding'>符号化</span>して信号を収集"]
  D --> E["画素間の信号差を画像<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contrast'>コントラスト</span>として表示"]

空間情報と造影剤

緩和差だけでは画像にならず、磁場勾配magnetic-field gradient磁場勾配（magnetic-field gradient）magnetic-field gradient（磁場勾配）による空間符号化encoding符号化（encoding）encoding（符号化）が信号源の位置を決める。つまりコントラストcontrastコントラスト（contrast）contrast（コントラスト）形成と位置決定は異なる役割であり、撮像系列の中で同時に実行される。

ガドリニウムgadoliniumガドリニウム（gadolinium）gadolinium（ガドリニウム）系造影剤は周囲の水の緩和時間、とくにT1を短縮し、適切なT1強調T1-weighted imagingT1強調（T1-weighted imaging）T1-weighted imaging（T1強調）系列で造影部を高信号化しやすい。高濃度ではT2・T2*短縮も無視neglect無視（neglect）neglect（無視）できないため、造影効果contrast enhancement造影効果（contrast enhancement）contrast enhancement（造影効果）を単純に「必ず明るくする」とは表現しない。

まとめ

MRI信号は主に陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）、T1回復、T2減衰と撮像系列の組合せで決まる。
短いTR・短いTEはT1、長いTR・長いTEはT2を強調しやすい。
長いTR・短いTEは緩和の影響を抑え、陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）差を反映しやすい。
空間符号化encoding符号化（encoding）encoding（符号化）が位置を、緩和と陽子密度proton density陽子密度（proton density）proton density（陽子密度）が信号コントラストcontrastコントラスト（contrast）contrast（コントラスト）を与える。