第17章 パルスシーケンスとコントラスト

第15章では磁化と緩和を、第16章では位置のエンコードを見ました。残るのは「どの組織差を画像に写すか」です。MRI は同じ体を撮っても、パルスの打ち方と待ち時間を変えるだけで、まったく違うコントラストの画像を作れます。CT で撮影後にウィンドウを変えるのとは違い、コントラストそのものを撮像時に設計します。その中心にあるのがスピンエコーと、2 つの時間パラメータ TR・TE です。

スピンエコー

第15章で見たとおり、90° パルス後の FID は真の T2 ではなく T2* で速く消えます。原因は静磁場 $B_0$ の不均一による「静的な」脱位相でした。静的なら巻き戻せます。

90° パルスから時間 $\tau$ おいて 180° パルスを打つと、各スピンの位相が反転します。速く回っていたスピンは進みすぎた分だけ後ろに置かれ、遅いスピンは前に出ます。その後もう $\tau$ 待つと、全スピンの位相がぴたりとそろい、信号がエコーとして復活します。エコーが立つ時刻をエコー時間 TE（= $2\tau$）と呼びます。

巻き戻せるのは静的な不均一（$T_2'$）だけです。スピン同士の相互作用による真の T2 減衰はランダムなので戻せません。そのため、エコーの高さは $e^{-\mathrm{TE}/T_2}$ で決まります。つまりスピンエコーは、T2* の速い減衰を取り除き、真の T2 だけを取り出す仕掛けです。

シミュレーション：スピンエコーの巻き戻し

90° パルスで倒した磁化が扇状に開いて信号が落ち、TE/2 の時点で 180° パルスが自動的に打たれます。扇が畳まれ、TE で信号がエコーとして戻る様子を見てください。TE を長くするとエコーは遅く立ち、そのぶん真の T2 減衰が進むのでエコーは低くなります。T2 を短くしても同じくエコーは低くなります。

TR・TE とコントラスト

スピンエコーを一定間隔で繰り返す間隔が繰り返し時間 TR です。TR と TE が、T1 と T2 のどちらの差を画像に写すかを決めます。スピンエコーの信号強度は次式で近似できます。

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

ここで $\rho$ は陽子密度です。$(1 - e^{-\mathrm{TR}/T_1})$ が T1 の効き（TR が短いほど T1 差が強調される）、$e^{-\mathrm{TE}/T_2}$ が T2 の効き（TE が長いほど T2 差が強調される）を表します。この 2 つを組み合わせると 3 つの実用的なコントラストが得られます。

• T1 強調（短 TR・短 TE）：T1 の短い脂肪が明るく、T1 の長い CSF が暗い。解剖の描出に使う。
• T2 強調（長 TR・長 TE）：T2 の長い CSF や浮腫・病変が明るい。病変検出に強い。
• 陽子密度強調（長 TR・短 TE）：T1・T2 の効きをどちらも抑え、$\rho$ の差を見る。

反転回復と GRE

180° パルスを先頭に置き、磁化を反転させてから撮像するのが反転回復（IR）です。反転から撮像までの反転時間 TI を選ぶと、$M_z$ がゼロを横切る組織の信号を消せます。null になる反転時間は TR が十分長ければ $\mathrm{TI} = T_1 \ln 2$ です。CSF を消す FLAIR、脂肪を消す STIR がこの応用で、明るすぎる組織を沈めて病変を際立たせます。

一方、180° パルスを使わず勾配だけでエコーを作るのがグラディエントエコー（GRE）です。180° がないぶん高速ですが、T2* の脱位相を巻き戻せないので、コントラストは T2 ではなく T2* に依存します。小さなフリップ角と短い TR で高速撮像でき、これは次章の高速化にもつながります。

シミュレーション：TR/TE コントラストシミュレータ

脳ファントムに信号式を適用し、TR・TE を動かすとコントラストが入れ替わります。プリセットで代表的な 4 つを試したあと、スライダーを自分で動かして中間を探ってみてください。反転回復モードに切り替えて TI を CSF の null 点付近に合わせると、側脳室だけが黒く沈む FLAIR 像になります。同じファントム・同じ解剖なのに、パラメータだけで見え方がここまで変わります。

この章の要点

スピンエコーは、TE/2 の 180° パルスで静的な脱位相（T2*）を巻き戻し、真の T2 だけを取り出す仕掛けです。繰り返し時間 TR とエコー時間 TE を選ぶことで、同じ体から T1 強調・T2 強調・陽子密度強調のコントラストを設計できます。反転回復は特定組織を消し、GRE は 180° を省いて高速化と引き換えに T2* コントラストになります。ここまでで「信号を作り・位置を刻み・コントラストを設計する」道具がそろいました。次章は、この撮像をどれだけ速くできるか、その限界と再構成の工夫を扱います。

参考文献

• Hahn EL. Spin Echoes. Physical Review 80, 580–594 (1950).
• Carr HY, Purcell EM. Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments. Physical Review 94, 630–638 (1954).
• Bernstein MA, King KF, Zhou XJ. Handbook of MRI Pulse Sequences. Elsevier (2004).
• Nishimura DG. Principles of Magnetic Resonance Imaging. Stanford University (2010).