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1 MRI (Magnetic Resonance Imaging) 磁気共鳴画像法 今日のスライドは :

2 磁気共鳴画像法 MRI (Magnetic Resonance Imaging) Siemens 機械で心は読めるか? 何を見ているかわかるか? GE

3 Intel Arrandale CPU/GPU 複合プロセサー Intel Developers Forum, IDC 2009, SF

4 fmri は脳活動による局所血流の変化を見ている コンピュータの CPU の発熱分布をみて CPU のどの部分が今計算しているかを測るのとそう変わらない Intel Arrandale CPU/GPU (2009) CPU GPU (Graphics Prossesor Core) 通常の CPU コアとグラフィクスプロセサを同一パッケージに搭載したノート PC 用複合 CPU 発熱総量が一定値を超えないように計算負荷とバランスを制御 IDF (Intel Developers Forum) 2009 SF: Arrandale CPU/GPU Termal Design. Muli Eden' Keynote Speech For Details: Intel IDC2009/PC Watch

5 11.7T 高磁場 MRI ( 磁気共鳴イメージング ) システム 1 cm Zebrafish No. 4, micro2.5, TR/TE: 5000/27.7 ms, FOV: 2.0 cm, MTX: 256 x 256, 78µm x 78µm, Slice: 500 µm, Average: 32

6 ミニトマト 高い空間解像度 39 µm x 39 µm x 1 mm 3 次元構造画像 5 mm 標準的な臨床 MRI (1.5T) の 1 ピクセルの大きさ (3mm x 3mm x 3mm)

7 これは何でしょう?

8 Spin 体内に多く存在する水素原子中の原子核 ( プロトン ) の核磁気共鳴を利用 スピンする荷電粒子は電磁場をつくる 各々のスピンはランダムな方向を向いているので 合成ベクトルはゼロになる =

9 多核のオプション :MRI & MRS In vivo で測定可能な核種と可能性のある核種 1 H 13 C( 体内物質もしくは 13 C をトレーサーとして使える ) 14 N 15 N 17 O 19 F( 抗ガン剤 合成物 : 識別力のある化合物の合成 ) 23 Na 25 Mg 31 P( 高エネルギーリン酸化合物 リン脂質 ) 39 K( 感度の高い 84 Rb が代用できる可能性もある ) 43 Ca 投与 7 Li 19 F

10 小型超高磁場 NMR/MRI Magnet の内部構造 He: 4K (-269C) N 2 (-196C )

11 静磁場 B0 静磁場を加えると 各々のスピンは静磁場方向に向くものが多くなる 上向きのスピンの方が下向きよりわずかに多いので 合成ベクトルは静磁場方向を向く B0

12 Spin & Lamor Frequencies 1 H, 13 C, 15 N, 19 F and 31 P

13 Spin & Lamor Frequencies Larmor precession (named after Joseph Lamor) 歳差運動 ( 地磁気 : T = 50 µt) B0 = 1T (Tesla) の時の 1 H (proton) の Lamor Frequency:

14 MRI の原理 90 RF パルスを加えると 90 RF パルスと同じ周波数の面で共鳴が起こる スピンは上向きと下向きとが同数になり位相も揃うので 合成ベクトルは静磁場と直角方向を向く ( これをスピン周波数の回転座標系から見ると合成ベクトルが 9 0 倒れたように見える )

15 RF 波による励起 : 歳差運動

16 歳差運動の減衰 : RF 波の放出 (FID signal) FID (Free Induction Decay) signal

17 RF 波の放出 (FID signal)

18 T2, T1 緩和時間 : 組織により異なる T2: 多数の核の Spin 歳差運動の位相ずれによる信号減衰 T1: Spin が平衡状態に戻るまでの時間

19 MRI の構成

20 Gradient Coils: 位置情報を得る

21 Gradient Coils 各横断スライスは異なるラーモア周波数により共鳴することになる そのため RF パルスの周波数を調整することで 特定のスライスにのみエネルギーを吸収させることが可能

22 Functional MRI (fmri)

23 ( 例 ) スペクトロスコピーとして物質レベルでの評価 1 H, 13 C, 31 P, 19 F 等が in vivo でも使える 高磁場化で有利 マウス脳の 1 H-NMR スペクトル 尾状核 被殻 : 8µL 2mm x 2mm x 2mm 海馬 : 4.5µL 1.5mm x 1.5mm x 2mm 7 T (300MHz) 10min

24 ( 例 ) ウイルスの居場所が分かる 体内で鉄貯蔵タンパクを発現させる (1) 緑部分が鉄分貯蔵タンパク質 (MRI レポーター ) をコードする遺伝子 (2) MRI レポーター遺伝子をベクターに組み込む ( 非増殖型アデノウイルス ) (3) ベクターを被験体 ( 生きているマウス ) の脳に注入 (4) 1 ヶ月以上にわたり定期的に MRI レポーターの発現を画像化したこのウイルスは素早く細胞に進入するが増殖しない 毒性が見られない ET Ahrens:

25 例 マクロファージの居場所が分かる 磁性ナノ粒子(USPIO)の活用1 USPIO EA Neuwelt 虚血直後 24時間後 磁性粒子強調 虚血領域に集まったマクロファージが 磁性粒子を取り込んでいるからである 4.7 T (200MHz)

26 ( 例 )ES 細胞の動きが分かる 磁性ナノ粒子の活用 2 Embryonic Stem Cell の虚血領域への移動過程を画像化 ES 細胞に磁性ナノ粒子を取り込ませ 脳に移植した 2D 移植当日 8 日後 16 日後 3D 移植当日 6 日後 11 日後 拡大 7 T (300MHz)

27 ( 例 ) 血管構築 : 造影剤無しでも分かる

28 ( 例 )Mn 2+ の活用 1: 識別 & 高感度化 Alzheimer Mice (Transgenic): contrast enhancement with Mn 2+ HP Juretschke, Aventis Pharma, Lead Optimization, Germany 数日にわたり Mn 2+ を皮下に投与神経線維の豊富な場所で信号変化 7 T (300MHz) 90x90x400 µm 3 7 min

29 ( 例 ) 高解像でアミロイドプラークが見えた アルツハイマー病マウス ( トランスジェニック ) の例 CR Jack, Jr. et al.: In Vivo Visualization of Alzheimer s Amyloid Plaques by Magnetic Resonance Imaging in Transgenic Mice without a Contrast Agent. Magn Reson Med 52: , (9.4T/31cm, horizontal, 300mT/m)

30 ( 例 )Mn 2+ の活用 2: 識別 Mn 2+ を硝子体より投与 Mn 2+ を尾状核に投与 HRP- 染色 4.7 T (200MHz)

31 MRI 装置に関する危険 Quenching ( クエンチ ) -- 酸欠死 高磁場 -- 磁場により磁性物体が飛ぶ 装置に固着 高周波電磁波による火傷

32 小型超高磁場 NMR/MRI Magnet の内部構造 He: 4K (-269C) N 2 (-196C )

33 Quench による酸欠死の危険 - movie

34 高磁場 (11.7T) による危険 / 装置損傷 金属物体 / 磁性物体は所定の場所へ腕時計 ipod イアリング ネックレス ペンダント ペン ヘアピン ATM/ クレジットカード 財布 道具 ( レンチ ドライバー 上記等 ) を装置に近づけない危険 + ボアの中に入ってしまったら 取り出し不可能 磁性粉末を持ち込まない砂鉄 ( 砂場遊び サッカー等後の衣服のまま来ないで ) カイロの使用は禁止金属工作は MRI 室の外で 詳細は資料 1

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