MRIの基本原理

MRIとは、物質がそれぞれに持っている核スピンという性質を使って、励起信号を画像コントラストにしています。

核スピンとは？

昔、一つの枠には軌道電子が一つしか存在出来ない、ということを高校で勉強したかもしれません。(パウリの排他原理)

原子核に入っている核子一つ一つも同じ状況になっていて、それぞれが異なる、量子数を持っています。

しかし、一つ一つの核子で考えるのは非常に取扱いが不便になってしまうので、原子核を一つのまとまりとしてスピン量子数について考えたのが「核スピン」という概念です。

あくまで便宜上、原子核を一つのスピン方向を持つ粒子として仮定しているだけですが、MRIの原理を考える上では重要な概念です。

核スピンを有する核は小さな棒磁石があると見なせる。

核スピンを有する核は量子論的に自転する(核がスピンしている)と見なされます。
陽子の数だけ核は正電荷を持っていることになるので、正電荷が回転していると捉えることが出来、スピンに応じて環状電流が流れていることと等価です。

そして、フレミングの法則をふまえると、環状電流と垂直の向きに磁場が発生していることになります。

このように原子核の回りに磁場が発生する(核磁気モーメント)時、外部からの磁場が存在する時、一定方向の向きに原子核が揃うようになるのです。


エネルギー準位の低い方と高い方を移動する時、信号検出する。

MRIは、磁場の変化を利用して、信号を検出しています。プロトンが小さな棒磁石なら、磁石がコイルの近くを動くことによって電磁誘導の原理で交流電流が発生します。この交流電流がMRIの信号となるのです。

ところで、磁場の反対方向の向きはよりエネルギーを使うので、数が若干少ないのです。このように核スピンの異なる原子核はエネルギー準位も異なります。この割合を扁極率といいます。

エネルギー準位の高い方に移動する為には、外部からある一定周波数のラジオ波を照射することです。(無線と同じ原理だと言っている人も。違う場所で得られた無線信号は別の周波数を持っている？確かに本で遠隔通信系のことを見てみるとにたような回路が書いてあったりする。)

42.58MHz/Tという周波数(ラーモア周波数)のラジオ波を照射することで、プロトンはエネルギー準位の高い方に移動します。

その際、核スピンのベクトル総和が90~180°変化する為、電磁場もそれに伴い変化します。その電磁場の変化をコイルを用いて信号を読み取ることで、人体の撮像をすることが出来るのです。

本当はエンコードのことについてちゃんと説明出来ればいいのだけど、あんまりまだよく分かっていない。