CT、MRI、超音波の違いは何ですか? また、それぞれの動作原理は何ですか?読むと知識が得られます

簡単に言えば、CT、MRI、B超音波はすべて、人体の内部構造や臓器を観察し、それを正常な生理学的状態と比較することで病気を診断する装置です。これらは現代医学における重要な診断方法であり、これらの装置は将来ますます洗練され、人間の健康と病気においてますます重要な役割を果たすようになるでしょう。

これらの装置はすべて現代物理学の発見と研究結果に基づいています。特定の媒体を使用して人体を通過し、体の内部の画像を取得し、その画像を使用して健康状態を分析および診断します。両者の最大の違いは、人体を通過する際に異なる媒体を使用するため、診断場所や効果が異なることです。

それでは、これら 3 種類の機器の基本的な状況を見てみましょう。

CT

CT は Computed Tomography の略で、電子コンピュータ断層撮影を意味します。主な検査媒体は X 線であり、X 線は身体を貫通し、高感度の検出器を使用してスキャンされた領域の画像を取得します。高速スキャンと鮮明な画像が特徴です。

X 線は高エネルギーの電磁波であり、光の帯であるため、X 線とも呼ばれます。私たちの目に見える可視光線の波長は約380～780nm（ナノメートル）です。 X線の波長は0.001～100nmと極めて短く、周波数も10^16Hz以上と極めて高いです。そのエネルギーは可視光線の何万倍から何十万倍にもなるため、人体の細胞やDNAに損傷を与える可能性があります。

X線は非常に強い透過力を持っています。人体に浸透すると、人体のさまざまな組織のさまざまな密度に応じて異なる吸収率が形成され、写真フィルムにさまざまなグレースケールの白黒画像が残ります。医師はこれらの画像を観察し、分析することで人体の内部組織の状態を把握し、病気の診断を行うことができます。

CTはX線透視法に基づいて開発されました。 CT は回転装置を使用して、ニンジンをスライスするように人体の断面スキャンを実行します。高感度検出器は回転装置を通して透過光線を受信し、得られたデータをコンピュータに入力し、コンピュータはデータをデコードして画像を再構成します。

CT 装置の主な構成要素は、X 線管、検出器、およびスキャン フレームで構成されるスキャン部分の 3 つです。スキャンによって収集された情報データを保存および計算するコンピュータシステム。コンピュータ処理され再構成された画像をテレビ画面に表示したり、複数のカメラやレーザーカメラを使用して医師が観察できるように画像を撮影したりする画像表示および保存システム。

今日のCT装置は第1世代から第5世代まで更新されてきました。当初は、スキャン領域が非常に狭く、スキャン時間が長く（数秒）、検出器の数が少なく（1 つか 2 つのみ）、解像度が非常に低かったです。現在、スキャン領域は大幅に拡大され、空間解像度は 0.4mm (ミリメートル) に達し、スキャン時間は 40ms (ミリ秒) に短縮され、64 層の画像をスキャンするのに 330ms しかかかりません。

スキャン方式も水平移動のみから、プレーンスキャン、エンハンススキャン、コントラストスキャンが可能となり、3次元の動画像も実現可能になりました。

磁気共鳴画像

磁気共鳴画像法は、スピンイメージングまたは磁気共鳴画像法とも呼ばれ、英語の単語「Magnetic Resonance Imaging」の翻訳であり、略して MRI と呼ばれます。磁気共鳴画像法は、外部の勾配磁場を通じて原子レベルでの物理的変化を検出し、物体の内部構造の画像を描きます。これは非常に複雑なプロセスなので、一般向けの科学記事としては詳しく説明しません。

便宜上、いくつかのイメージング原理を以下に引用します。

原子核は回転し、角運動量を持ちます。原子核は電荷を帯びているため、そのスピンによって磁気モーメントが発生します。原子核を静磁場内に置くと、もともとランダムに向いていた双極子磁石が磁場の力の影響を受け、磁場と同じ方向に向くようになります。水素の主な同位体である陽子を例にとると、陽子は「平行」と「反平行」の 2 つの基本状態しか持ち得ず、それぞれ低エネルギー状態と高エネルギー状態に対応します。精密な分析により、スピンは磁場と完全に一致しているのではなく、角度 θ で傾いていることが示されました。このようにして、双極子磁石は磁場の周りを歳差運動し始めます。歳差運動の周波数は磁場の強さに依存します。核の種類によっても異なります。それらの関係はラーモアの関係を満たします: ω0=γB0、つまり歳差角周波数 ω0 は磁場強度 B0 と磁気ジャイロメトリー比 γ の積です。 γ は各核種の基本的な物理定数です。水素の主な同位体である陽子は人体に豊富に存在し、その磁気モーメントは検出しやすいため、核磁気共鳴画像を取得するのに最適です。

マクロ的な観点から見ると、歳差運動する磁気モーメントの集合内の位相はランダムです。これらの結合した配向により、磁気モーメント M で表されるマクロな磁化が形成されます。受信コイルで NMR 信号を生成するのは、このマクロな磁気モーメントです。多数の水素原子核のうち、半分強が低い状態にあります。 2 つの基本的なエネルギー状態にある核子の間には動的平衡が存在し、その平衡状態は磁場と温度によって決定されることが示されています。 「熱平衡」は、低エネルギー状態から高エネルギー状態へ遷移する核子の数が、高エネルギー状態から低エネルギー状態へ遷移する核子の数と等しくなったときに達成されます。ラーモア周波数に対応する無線周波数エネルギーが磁気モーメントに適用され、このエネルギーがより高い基本エネルギー状態とより低い基本エネルギー状態間の磁場エネルギーの差に等しい場合、磁気モーメントはより低いエネルギーの「平行」状態からより高いエネルギーの「反平行」状態にジャンプすることができ、共鳴が発生します。

簡単に理解しましょう。人体の60〜70％は水で、すべての細胞やさまざまな組織や臓器に分布しています。組織や臓器によって水分含有量は異なります。 MRI を、水の入ったボトルを手に取って振って、かき混ぜられた泡がどのように変化するかを見ることに例える人もいます。

通常の状況では、各水分子の磁力線の方向はランダムです。核磁気共鳴の強力な磁場の下にあると、これらの水分子の磁力線は一定になります。磁場が消えると、これらの水分子の磁力線はランダムな状態に戻ります。核磁気共鳴画像法は、磁場の放出と停止を交互に行うことで人体の磁力線の変化に関するデータを収集し、複雑なコンピューター計算によって画像を再構成します。

磁気共鳴装置は、主に3つの基本コンポーネントで構成されています。磁石部分は、主磁石（強力な静磁場を発生する）、補償コイル（補正コイル）、無線周波数コイル、傾斜コイルで構成されています。磁気共鳴分光計部は、主に無線周波数送信部と磁気共鳴信号受信システム一式から構成されています。信号変換器、レジスタ、画像プロセッサ、コンソール、ディスプレイなどで構成されるデータ処理および画像再構成部分。

核磁気共鳴画像法で使用される磁場は非常に強力で、通常は 1.5T から 3T の間です。 T（テスラ）は磁場の強さを表す非常に高い単位です。 1Tは10,000Gs（ガウス）に相当します。地球の磁場は赤道ではわずか 0.3G ですが、北極と南極では 0.6G です。最も強力なルビジウム磁石の磁場強度はわずか 300G です。したがって、核磁気共鳴の磁場の強さは地球の磁場の約5万倍、最強の磁石の100倍になります。

そのため、MRI スキャンを受けるときは、身体に金属物を身に着けたり、室内に金属機器を置いたりしないように特に注意する必要があります。これらが存在すると、MRI 装置の電源を入れると事故が発生する可能性があります。韓国の朝鮮日報がこの種の事故を報じた。今年10月14日の午後、韓国慶尚道の金海総合病院で、ある患者がMRI検査を受けていた。患者は装置が作り出した強力な磁場によって突然金属製の酸素ボンベの中に吸い込まれ、絞殺された。

磁気共鳴画像法は、非常に強い磁力を持ちますが、人体に害や影響を与えることはなく、最も安全な検査です。これは、別の観点から見ると、磁石が病気を治すことができるという迷信も払拭します。靴の底やマットレスに磁石をいくつか付けると、あらゆる病気が治るという宣伝は、実は詐欺師の策略です。この記事を読んで、皆さんが二度と騙されなくなることを願っています。

B-超音波画像検査

いわゆるB超音波は、人体を通過する超音波のエコーを画像化することで病気を診断するための媒体として超音波を使用する技術です。

すべての波には周波数があり、周波数は 1 秒あたりの振動数です。人間の耳が聞き取れる音の周波数は20～20,000Hzです。この周波数より低い音波は超低周波音と呼ばれ、この周波数より高い音波は超音波と呼ばれます。超低周波音と超音波は人間の耳には聞こえませんが、人工機器を通して可視化することができます。

超音波は優れた浸透性と異方性を備えているため、吸収、反射、屈折、回折などの特性を通じて物体の内部を画像化することができます。医学において、超音波検査の動作原理は、人体に超音波を送信することです。体内のさまざまな界面に遭遇すると、光は反射および屈折し、さまざまな組織でさまざまな程度に吸収および減衰します。これらのプロセスは機器を通じてさまざまな波形、曲線、画像に反映され、医師はこれらの画像を分析することで病気を診断できます。

超音波を用いた診断技術は、A、B、C、D のタイプに分けられます。音波の振幅の形で病気を診断する方法は、英語の単語「Amplitude」の最初の文字が「A」であるため、「1 次元表示」と呼ばれ、A 超音波とも呼ばれます。グレースケールの明るさモードで病気を診断することを「2次元表示」と呼びます。これは、英語の「Brightness」の最初の文字が「B」であるためで、B超音波とも呼ばれます。 M 型および D 型の疾患診断方法は、通常、それぞれ心臓と血流を調べるために使用され、心エコー検査およびドップラー超音波診断とも呼ばれますが、ここでは詳細には説明しません。

B-超音波検査装置は、主にプローブ、ホスト、電源、ディスプレイ、シェル、周辺機器で構成されています。このうち、プローブ部分は、チップ、吸音ブロック、マッチング層、吸音ブロックで構成されています。ホストとディスプレイは、情報処理用のコンピュータとディスプレイで構成され、プローブによって収集された情報を受信し、計算と処理を通じてさまざまなデータを画像に変換し、ディスプレイに表示したり印刷したりするために使用されます。電源装置とシェルは、ホストとプローブにエネルギーと保護を提供する補助設備です。

B-超音波診断技術は、超音波内視鏡、超音波血管造影、3次元画像、弾性画像など、現在ますます広く使用されるようになり、ますます重要な役割を果たしています。

3つの方法の主な利点と欠点

超音波検査

便利で、高速、比較的安価、非侵襲性、放射線フリーであり、連続的な動的繰り返しスキャンを実行できます。腹部、肝臓、腎臓、膀胱、骨盤などの固形臓器や液体を含む臓器の検査に適しています。ただし、超音波検査はガスや骨によって遮られやすいため、肺、消化管、骨の検査には適していません。しかし、現在の超音波内視鏡はこれらの欠点をある程度克服することができます。

さらに、超音波検査は、検査者のリテラシー、経験、検査技術、真剣さに大きく左右され、診断結果の確実性にもある程度影響を及ぼします。

CT

病変を高精度で詳細に観察でき、診断結果の確実性も高いため、頭部、胸部、心臓、骨格、四肢などの疾患の診断における第一選択肢となっています。ただし、一部の骨には多くのアーチファクトがあり、頭蓋底や脊柱管などの周囲の軟部組織構造の表示に影響を与え、呼吸運動の影響を受けるため、肺や肝臓の小さな病変など、小さな病変を見逃しやすくなります。

さらに、X線は人体に有害な高エネルギー放射線であり、長期または頻繁な検査には適していません。重度の肝機能障害や腎機能障害、甲状腺機能亢進症、喘息、特定のアレルギー疾患などの重篤な疾患を持つ患者様は、この検査に適さない場合があります。

核磁気共鳴

早期診断に敏感で、一部の病変の初期段階で異常を検出することができます。 CT や B 超音波法よりも早期に問題を検出できます。頭部、脊髄、骨、四肢などの検査に適しています。例えば、頭部検査では骨アーチファクトの影響を受けないため、頭蓋底や脊柱管の検査効果が特に良好です。 CTと比較すると、多平面画像を直接撮影できないという欠点も補っています。造影剤を注入せずに血管造影を行い、病変をより鮮明に映し出すことができます。

デメリット: 画像診断法は複雑で比較的高価なため、一般的には病気の診断の第一選択肢にはなりません。緊急機器は MRI 室に入ることができないため、この検査は一般に重篤な患者には適していません。 MRIは胎児に良くないので、妊婦はこの検査を受けることができません。体内に金属インプラント（ペースメーカーや特定のステントなど）が入っている患者様は、この検査を受けることができません。 MRI では、石灰化した病変や骨皮の画質が悪いため、骨折などの画像診断には適していません。

上記の紹介を読んだ後、CT、MRI、B-超音波検査の特徴、利点、欠点についてある程度理解しているはずです。今後は、さまざまなニーズに応じて、どのような検査を行うかを選択できます。もちろん、一番大切なのは医師の言うことをよく聞くことだと思いますが、どうでしょうか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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