MRIの技術開発は，新たな局面を迎えている。本稿では，東芝が取り組んでいる新しい技術開発〔chemical exchange saturation transfer（CEST），ultrashort TE（UTE），Compressed Sensing（CS）〕について概要を述べる。

■CESTについて

近年，molecular imagingの役割を果たす技術としてCESTが脚光を浴びている。CESTとは，化学交換できるアミドプロトン（O=C-NH），アミノプロトン（-NH₂），ヒドロキシルプロトン（-OH）で，水信号をF0とした場合，それぞれ3.5ppm，2ppm，1ppmに信号として見られるものである。CEST効果を観察するためには，(1)magnetization transfer（MT）パルス（通常強度│B1│が1〜2μT）をイメージングシーケンスの前に印加し，(2)約±6ppm周波数帯域にて，MTパルスの励起周波数を変えて測定する。その信号値をZスペクトラムと呼ぶ。(3)得られたZスペクトラムの中心周波数から＋方向と−方向の違いをasymmetric magnetization transfer ratio（MTR_asym）で計算し，上記のアミド（3.5ppm），アミン（2ppm），ヒドロキシル（1ppm）のプロトン信号を算出したものである。つまり，MTR_asymは次の式で求められる。

　MTR_asym（Δω）＝S（−Δω）/S −
　S（Δω）/S 

CEST効果として，アミド，アミン，ヒドロキシルのプロトンがMTR_asym信号として示されるが，その信号強度は，磁場強度，それぞれのプロトンの濃度，温度，pH，分子が置かれている環境などによって異なる。CEST効果は，正常組織と異常組織で異なるため，molecular imagingとして期待されている。
CEST効果において，D-glucoseのヒドロキシルのプロトンはglucoCESTと呼ばれ，glycogenのそれはglycoCESTと呼ばれる。ヒドロキシルは，水信号に近い共鳴周波数のため，高磁場でのCEST効果が認められる。また，paramagnetic分子を用いたmolecular exchangeはPARACESTと呼ばれる。
転移性脳腫瘍のCEST効果（3.5ppm）を図1に示す。正常組織と比較して，腫瘍部分のアミドプロトン（3.5ppm）信号の上昇が認められる。

図1　転移性脳腫瘍のCEST効果（W.I.P.）
（画像ご提供：京都大学・伏見育崇先生）

■UTEについて

図2　kスペーストラジェクトリ

TE時間を極力短縮した技術としてUTEがある。UTEの技術として，(1)UTEを実現するために，RF励起パルスのすぐ後からデータ収集がはじまる，(2)ラジアルラインはkスペースの中心から収集される，(3)UTEでは2Dまたは3Dの画像化が可能，などが挙げられる。3D収集では，スライス選択励起パルス，スライス非選択パルス，どちらも使用でき，ラジアルラインのエンドポイントは球の表面上に分布し，kスペーストラジェクトリは図2に示すようにクッシュボール型であるという特徴がある。
UTEの特性として，(1)通常のMR画像で見えない短いT2/T2＊の信号を観察することができる，(2)TRごとにkスペースの中心からデータ収集するため，動きの影響を受け難い，(3)TEが1ms以下と短いため，血流など流れの特性に優れている，(4)ラジアルスキャンのサンプリングの基準（Nyquistサンプリング基準）を満たすため，ある程度の繰り返しが必要である，という点が挙げられる。
UTEの臨床応用例を示す。肺野組織は，ほかの臓器と比較して空気が支配的であるため，T2/T2＊が極端に短く，通常のMR画像では描出が困難である。一方，UTEはTEが1ms以下であるため，肺野の描出が可能となる。図3に，肺野のUTE画像とthin slice CT画像を示す。UTE画像（図3a）においても，CT画像（図3b）同様に扁平上皮癌が右上葉部に認められ，肺気腫と正常部位のコントラストの違いが認められる。

図3　扁平上皮癌の例
UTE画像（a）とthin slice CT画像（b）。UTE撮像条件：（TR：4ms, TE：0.96ms, Flip Angle：6degree/1×1×1mm）。3D FFE UTE（W.I.P），Vantage Titan 3T。
（画像ご提供：神戸大学・大野良治先生）

■CSのMRIへの適用とは？

CSは，画像や情報圧縮の分野で近年大いに注目を集めている。よく知られているように，JPEGなどの画像圧縮，MPEGなどの動画圧縮は，視覚特性を利用した非可逆アルゴリズムの適用で容易に1/10，1/100オーダで情報を圧縮している。では，そもそも1/100に圧縮できる情報をすべて収集する必要があるのかというのがCSの問題意識である。
CSの目的は，圧縮された情報の収集である。収集（センシング）の量を減らしても，元の情報を収集した結果と同等の情報が得られれば良い。収集された情報とMRIの画像xの関係は，xの連立方程式として表せる。このとき，式の数を減らしてしまうと未知数が式の本数よりも多くなり，たくさんの解xが存在するようになる。そこで，CSでは画像圧縮の考え方を逆に取り入れる。図4に示すように，画像圧縮の場合，Tという変換により，0を増やした分＝圧縮された情報量を表す。CSの場合，画像に合った適切なTを適用することで，ほぼ所望の割合で0を含むx’を作ることができれば，x’のいくつかが0になるような方程式の解を探すことにより，その解xを1つに絞り込める，という考えが概念的な理解となる。CSのイメージを掴んでいただくために，例として，図5のようなヒントの足りないクロスワードパズルを用意した。数学的にはどのぐらい元のデータに冗長性があって，0の量を増やすことができるかという性質のことをスパース性と呼び，スパース性の高さが圧縮しやすさを決めるファクターになる。ここから先の数学的な説明は，参考文献1），2）に詳しいのでそちらを参照いただきたい。

図4　CSの考え方

図5　CSのイメージ：ヒントの足りないクロスワードパズル

変換Tによりスパース性を向上させることはもちろんだが，JPEGでの線画の圧縮率が高いことから類推できるように，まばらでゼロの多い画像であればCSは効果的であると期待できる。そのような画像の典型例として，MRAが挙げられる。われわれも東芝研究開発センターマルチメディアラボラトリーと連携して検討を開始しており，フィージビリティスタディの一環として得られたMRAの画像を図6に示す。CSでは，原理的に細かな血管の情報が徐々に失われていくため，目的とする臨床情報と倍速率の妥協点を見つける必要がある。この場合，倍速率はおよそ3倍で，大きな画質劣化がないことを確認している。

図6　CSを頭部MRAに適応した例
MRAの場合，大きな画質劣化なしに倍速率を高められることが確認できた。

また，Toshiba Medical Research Institute USAでは，非造影MRA撮像へCSを適用し，さらにデータ収集時間を短縮する取り組み^4）を進めている。Fresh Blood Imaging（FBI）の特徴として，MRAよりもコントラスト比が高いこと，差分処理を含むことなどから，図7に示すように，倍速率を上げても画質劣化が少ないことを確認している。
このように，パラレルイメージングにCSを組み合わせることで，さらに情報収集量を減らし，撮像時間の短縮をめざしている。

図7　CSをFBIに適応した例
FBIの場合，大きな画質劣化なしにMRAよりも倍速率を高められることが確認できた。

◎

当社が取り組む3つの先端研究開発を紹介した。これらは次世代の臨床価値を創造しうる最新テクノロジーである。今後も皆様のご支援と，東芝の総合技術力によって，革新的な装置を具現化していく。

＊本稿で紹介する技術は薬事法未承認のため，販売・授与できません

^{●参考文献
1）van Zijl, P., et al. : Chemical exchange saturation transfer（CEST）; What is in a name and what isn’t? Magn. Reson. Med., 65・4, 927〜948， 2011.
2）田中利幸 : 圧縮センシングの数理. 電子情報通信学会 Fundamentals review, 4・1, 39〜47， 2010.
3）町田好男, 齋藤俊輝 : 圧縮センシング（CS）MRイメージング─情報技術による新しい高速撮像法. INNERVISON, 28・9, 2〜4, 2013.
4）Ouyang, C., et al. : Time Resolved Non-Contrast Fresh Blood Imaging MRI using Compressed Sensing reconstruction. Proc. ISMRM 2014, 2518， 2014.}