磁気共鳴画像法（MRI）は、診断放射線学の分野に革命をもたらした非侵襲的な医療画像技術である。強力な磁石と電波を利用して、軟部組織、臓器、血管など人体の内部構造を詳細に画像化する。MRI技術は、神経疾患からがんに至るまで、さまざまな病状の診断やモニタリングに欠かせないものとなっている。MRI装置の心臓部には、撮像に必要な強力な磁場を発生させる磁場磁石があります。今回は、MRIにおける界磁マグネットについて、その種類や機能、高画質な医用画像を得るために果たす役割などについてご紹介します。
MRIの仕組み
MRIにおける磁場磁石の重要性を理解するためには、まず、この画像診断法の背後にある基本原理を把握することが不可欠である。MRIは、1950年にフェリックス・ブロッホとエドワード・パーセルによって発見された核磁気共鳴（NMR）の原理に基づいて作動する。NMRは、特定の原子の原子核、特に水分子（H2O）の存在により人体に多く存在する水素原子核の磁気特性を利用する。
MRIスキャナーでは、まず患者の体内の関心領域に強力な静磁場を印加する。この磁場の強さは通常1.5～3テスラであり、磁場の方向に沿って体組織内の回転する水素原子核を整列させる。次に、一連の高周波（RF）パルスが組織に印加され、整列した水素原子核がエネルギーを吸収してスピンの向きを反転させる。
RFパルスがオフになると、励起された原子核は元のスピン状態に戻り、吸収したエネルギーを無線信号の形で放出する。これらの信号は、レシーバーと呼ばれる高感度コイルによって検出される。その後、信号は高度なコンピューター・アルゴリズムによって処理され、体内構造の詳細な画像が生成される。
MRIにおける磁場磁石の種類
MRIシステムで使用される磁場磁石には、主に超伝導磁石と永久磁石の2種類がある。超電導磁石と永久磁石である。それぞれの磁石には長所と短所があり、それが性能に影響し、さまざまな撮像用途に適している。
1.超電導マグネット
超電導マグネットは、MRIシステムで使用される最も一般的なタイプの磁場マグネットである。超電導マグネットは、ニオブチタン（NbTi）やニオブスズ（NbSn）などの超電導材料で作られており、通常-273℃（または4.2K）以下の極低温に冷却すると電気抵抗がゼロになるというユニークな特性を持つ。この特性により、超電導磁石はエネルギー損失を最小限に抑えながら極めて強い磁場を発生させることができ、MRI用途に非常に有効である。
超電導マグネットは通常、液体ヘリウムを使って冷却され、マグネットのコイルにヘリウムを循環させて超電導状態を維持する。コイルに流す電流を変えることで、磁石から発生する磁場の強さを調整できるため、多彩なイメージングが可能だ。
しかし、超電導磁石には欠点もある。極低温冷却システムと特殊な設置手順が必要なため、製造と維持にコストがかかるのだ。さらに、冷却剤として液体ヘリウムを使用するため、安全上の懸念があり、定期的に補充しなければならない希少で高価な資源であるため、物流上の課題もある。
2.永久磁石
永久磁石はその名の通り、鉄やネオジムなどの強磁性体でできており、永久的な磁性を示す。超伝導磁石とは異なり、磁場の強さを維持するために極低温での冷却や連続的な電流供給を必要としない。その代わり、磁場は材料自体の中にある磁区の配列によって発生する。
永久磁石は一般的に超電導磁石よりも安価で、メンテナンスも容易であるため、小規模なイメージングセンターやクリニックにとっては魅力的な選択肢である。また、よりコンパクトで持ち運びがしやすいため、永久磁石技術をベースとしたポータブルMRIシステムの開発につながった。
しかし、永久磁石は超伝導磁石と比較するといくつかの制限がある。永久磁石は一般的に低い磁場強度を発生するため、画像分解能やSNRが低下する。さらに、永久磁石の磁場強度は容易に調整することができないため、可変磁場強度を必要とする特定の高度なMRIアプリケーションにおける有用性が制限される可能性がある。
結論
界磁マグネットはMRIシステムの心臓部であり、高品質の医用画像診断に必要な強力で均質な磁場を発生させるという重要な役割を担っている。MRIで使用される磁場磁石には、主に超電導磁石と永久磁石の2種類があり、それぞれに長所と短所がある。
超電導磁石は、高価で保守が複雑であるが、磁場強度が最も高く、調整可能であるため、研究および臨床環境における高磁場MRIシステムには好ましい選択肢である。一方、永久磁石はコスト効率が高く、メンテナンスも容易であるが、一般的に磁場強度が低く、調整可能な範囲も限られている。
MRI技術が進化を続ける中、磁場磁石の設計や材料の進歩により、より強力で効率的、かつ汎用性の高いMRIシステムが開発される可能性が高い。このような進歩は、MRIの診断・治療能力をさらに拡大し、最終的には患者と医療従事者双方に恩恵をもたらすであろう。
よくあるご質問
1.MRIの磁場磁石とは？
主磁石または静磁場磁石とも呼ばれる磁場磁石は、高品質の医用画像を生成するために必要な強力で均質な磁場を発生させるMRIシステムの重要なコンポーネントである。
2.MRIで使用される2種類の主な磁場磁石とは？
MRIで使用される磁場磁石には、主に超伝導磁石と永久磁石の2種類がある。超電導磁石は、ニオブ・チタンやニオブ・スズなどの超電導材料でできており、極低温に冷却すると強い磁場を発生する。一方、永久磁石は、鉄やネオジムなどの強磁性体でできており、永久磁性を示し、冷却することなく磁界を発生する。
3.MRIにおける超電導磁石と永久磁石の違いは？
超電導磁石は一般的に永久磁石よりも高価で、メンテナンスも複雑だが、磁場強度が高く、調整可能である。超電導状態を維持するために液体ヘリウムなどの極低温液体を用いて冷却する。一方、永久磁石は安価でメンテナンスが容易ですが、一般的に磁場強度が低く、調整可能な範囲が限られています。永久磁石の磁場は、材料自体の磁区の配列によって発生するため、極低温での冷却は必要ない。
4.MRIにはどのタイプの磁石が適していますか？
MRI用の超電導磁石と永久磁石のどちらを選択するかは、特定のアプリケーションの具体的な撮像要件と制約によって決まる。超電導磁石は一般的に、より高い磁場強度と調整可能性を提供するため、研究および臨床環境における高磁場MRIシステムに好まれる。永久磁石は、低コスト、メンテナンスの容易さ、可搬性から、小規模なイメージングセンターやクリニック、ポータブルMRIシステムに適している。
5.磁場磁石はMRIの画質にどのような影響を与えるのか？
磁場磁石から発生する磁場の強さと均一性は、MRIの画質に影響を与える重要な要素である。超伝導マグネットで達成できる高い磁場強度は、一般に高い画像分解能と信号対雑音比（SNR）をもたらす。磁場の不均一性は画像の歪みや信号アーチファクトの原因となるため、磁場の均一性も重要である。そのため、磁場強度が高く、均質性に優れた磁場磁石は、より質の高いMRI画像を生成する傾向がある。