放射線医学総合研究所におけるMRI(旭化成製Mark-J)の記憶
元放射線医学総合研究所研究員、現職：千葉労災病院放射線診断科部長
池平博夫
１．旭Mark-JとAberdeen大学のMark-Ⅰ、Mark-Ⅱ
放射線医学総合研究所(以下放医研)に最初のMRI(旭Mark-J)が1983年２月10日に成立した放医研と旭化成の共同研究契約に基づいて、設置されたのは同年３月３日であった。それから４年６か月後の1987年９月30日の契約終了までMark-Jによる臨床研究、基礎研究が行われた。
この間、全期間を通じてMRI研究に関与した放医研の研究者(敬称略)は、臨床研究部長の舘野之男をはじめ、飯沼武、遠藤真広、福田信夫、池平博夫であり、武田純一、牧壮、豊島日出男他多数の旭化成からの開発研究者の方々の協力の元、臨床研究は千葉大学医学部から多くの医師の参加をもって行われた。
Mark-Jの設置から共同研究終了に至る状況については、1992年7月1日付けで旭化成の大島正明監修のMark-Jの思い出という冊子にまとめられた。この冊子は関係者に配布された非売品であるため、今回放医研でのMRIの初期の状況の紹介に当たってこの冊子をもとに思い出をたどろうと思う。
Mark-J誕生に至る装置開発
Mark-JはもともとスコットランドのAberdeen大学の医用物理研究室のMallard教授のグループが開発したMark-Ⅰとそれに続く後継機のMark-Ⅱが元になっている。 Aberdeen大学ではそれまでは化学分析の手段として利用されてきたNMR技術を人体の画像化に応用するというMRIの開発研究を1972年からがスタートしMark-Ⅰが1979年に、Mark-Ⅱが1982年に完成した。
これらのMRIは常電導システムで、400Gauss(0.04Tesla)、800Gauss(0.08Tesla)と今の超電導装置と比較すると非常に低い磁場であった。さらに常電導磁石であるため、磁石の発熱を抑えるために大量の冷却水が必要であった。
MRIの開発当初にあって、常電導装置が利点であったのは磁石のシャットダウンが可能で取り扱いが容易であったことと、初期の技術では低磁場であることが緩和時間の差が大きくなるために、組織間のT1緩和時間の解析に好都合であった。またこの1980年代のMRI(当時はNMR-CTと呼ばれた)の臨床応用は、初期のスピンワープ法など撮像法の開発や、T1マッピング画像などは、S/Nや空間分解能は今日の装置には及ぶべくもないものの、腫瘍組織などのT1緩和時間の解析など今日のMRIの臨床利用の基礎になるデータが蓄積された時期であった。
このようにして1983年に放医研に設置された旭Mark-J(1000Gauss,0.1Tesla)はAberdeen大学で開発されたMark-Ⅱと磁場強度こそ異なるものの同型機であった。
Aberdeen大学でMallard教授とHatchison博士がNMR撮影法の研究をスタートさせたのは1972年のことであり、現在でもなおMRI撮像法の基礎となっているスピンワープ法の原理が発明されたのは1980年、Mark-Ⅰが利用され始めたのが1981年であった。このようなNMR映像法の装置開発が行われていたAberdeen大学のMRI開発研究グループに旭化成の研究者がおられて、1981年6月にベルギーのブリュッセルで行われた国際放射線医学会議に出席していた放医研の舘野之男先生と飯沼武先生がAberdeen大学で旭化成の研究者に出会ったことが放医研と旭化成との旭Mark-Jの共同研究の布石になったようである。 さて、Aberdeen大学のMRI開発25周年を記念して2005年9月1日に行われた記念講演会のプログラムの序文を英文のまま紹介する。
Twenty five years ago, physicists in the Department of Biomedical Physics and Bioengineering made a huge breakthrough. They created a whole body nuclear magnetic resonance scanner, or, as we know it today, MRI.
Their pioneering work continued with the development of the Spin-Warp technique, able to recognise all the main organs of the body.
After initial evaluations, the first deseased patient was scanned on the 26th of August 1980, demonstrating that NMR could successfully diagnose malignant tumours in the liver and bones.
MRI has since developed into high resolution MR imaging and is now an integral part of every major diagnostic imaging department in the world. We bring together the early pioneers in this technology to celebrate the silver anniversary of that historic first scanning. We will also use the opportunity to provide an insight into the history of MRI in Aberdeen over the past 25 years. We hope you will join us for one or both of these events.
Mallard先生は2021年2月25日(享年94歳)に逝去されました。
２．放医研のMark-Jを用いた研究
旭Mark-Jは磁場強度0.1Tesla、プロトンの共鳴周波数は4.5Mhz、低磁場で少しでもS/Nを上げるために常電導縦型磁場を用いた装置であった。放医研にMark-Jが設置された1983年3月から1987年9月までの4年半、このMark-Jの１号機は基礎や臨床の研究を進めながら、最後までハードソフトともに試行錯誤の連続に終始した。
研究成果が最初に発表されたのは1984年3月発行の日本核医学会の機関紙核医学誌の21巻3号の紙面であった。この装置はT1時間の分布のカラー画像が主であり、そのために飽和回復法(Saturation Recovery、SR)と反転回復法(Inversion Recovery、IR)を用いてT1の計算を行い、撮像時間はSR法で38.4秒、IR法で256秒であった。T1計算画像は。形態画像でなくいわゆるT1時間の分布をプロットしたもので、いわゆる機能画像の一種であり、今日の形態画像とは全く異なった画像であった。
以後1984年には当時の核磁気共鳴医学研究会誌として発刊されたばかりのNMR医学第1巻4号に骨腫瘍への応用としての第2報、肝疾患への応用のまとめや下垂体腫瘍の放射線治療との関係、Arnord-Chiari奇形(1型)などの発表が次々と行われた。
放医研へのMark-Jの設置導入に際して現場で最も尽力されたのは遠藤真広先生で、物理工学的見地から設置調整だけでなくNMRのことなど全く知らなかった医師の研究者に対しても丁寧に教育や説明サポートを行っていただいた。
また、基礎医学的研究は福田信夫先生の主導で行われ、日本各地の大学から参集した多くの研究者を指導された研究は、Mark-Jが1000Gauss,0.1Teslaという低い磁場の装置であることが縦緩和時間(T1)の計測に優れていることから、主としてT1測定をもとにした様々な研究がテーマであった。T1の応用研究は、血管内血流分布計測法、Feイオンによる放射線線量分布計測法、組織内結合水分画の画像化などに発展した。
Mark-Jで行われた研究の成果は最後に示す主な論文リストのように4年間で３０件を超え、またMark-Jは合計３５台が世に送り出されたと旭化成の牧壮氏は述べている。
以下に当時の画像を提示します。
放医研から出されたMrak-Jの業績リスト
1.Diagnosis of small hepatocellular carcinoma: correlation of MR imaging and tumor histologic studies.
Ebara M, Ohto M, Watanabe Y, Kimura K, Saisho H, Tsuchiya Y, Okuda K, Arimizu N, Kondo F, Ikehira H, et al.Radiology. 1986 May;159(2):371-7.
2.Digital imaging of dose distributions by magnetic resonance.
Hiraoka T, Fukuda N, Ikehira H, Hoshino K, Nakazawa K, Tateno Y, Kawashima K.Nihon Igaku Hoshasen Gakkai Zasshi. 1986 Mar 25;46(3):503-5.
Matsumura K, Nakano I, Fukuda N, Ikehira H, Tateno Y, Aoki Y.Muscle Nerve. 1988 Feb;11(2):97-102.
4. Magnetic resonance imaging of cardiovascular thrombi.
Imai H, Sakakibara M, Yoshida K, Watanabe S, Masuda Y, Inagaki Y, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.J Cardiogr. 1985 Sep;15(3):681-94
5.Nuclear magnetic resonance imaging in a case of facial myokymia with multiple sclerosis.
Kojima S, Yagishita T, Kita K, Hirayama K, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.No To Shinkei. 1985 Jun;37(6):583-8.
6.Clinical trial of NMR-CT, Mark-J (1).
Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y, Endo M, Iinuma T, Aoki Y, Tsunemoto H.Kaku Igaku. 1984 Mar;21(3):269-72.
7.Experimental production of MRI renal functional image using Gd-DTPA.
Ikehira H, Aoki Y, Nagahara Y, Yamane T, Fukuda N, Matumoto T, Endo M, Iinuma T, Fukuda H, Tateno Y.Kaku Igaku. 1987 Nov;24(11):1683-7.
8.Nuclear magnetic resonance imaging in multiple sclerosis.
Kojima S, Yagishita T, Hirayama K, Ikehira H, Fukuda N.Rinsho Shinkeigaku. 1985 Feb;25(2):171-8.
9.Statistical aging study on human tissue with in vivo NMR.
Ikehira H, Fukuda N, Yamane T, Shinotoh H, Endo M, Matumoto T, Iinuma T, Tateno Y.Kaku Igaku. 1986 Jun;23(6):825-8.
10.Application of NMR-CT for malignant bone tumors.
Umeda T, Yui N, Ito I, Kinoshita F, Koakutsu M, Fukuda N, Ikehira H, Tateno Y.Kaku Igaku. 1984 Dec;21(12):1657-60.
Kojima S, Yagishita T, Hirayama K, Arimizu N, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.No To Shinkei. 1986 Mar;38(3):225-32.
12.Clinical evaluation of the MR imaging for radiotherapy of uterine carcinoma.
Nakano T, Arai T, Gomi H, Morita S, Tsunemoto H, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.Nihon Igaku Hoshasen Gakkai Zasshi. 1987 Sep 25;47(9):1181-8.
13.NMR-CT in muscular disorders: muscle T1 values in Duchenne muscular dystrophy carriers.
Matsumura K, Nakano I, Fukuda N, Ikehira H, Tateno Y.Rinsho Shinkeigaku. 1987 Feb;27(2):237-43.
Matsumura K, Nakano I, Fukuda N, Ikehira H, Tateno Y, Aoki Y.Neuroradiology. 1989;31(5):373-6.
Matsumura K, Nakano I, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y, Aoki Y, Kawai M.Rinsho Shinkeigaku. 1986 Jul;26(7):733-41.
16.The trial of the kinetic study for the renal function, using NMR-CT by gadolinium-DTPA.
Ikehira H, Yamane T, Fukuda N, Torii S, Shibata S, Matsumoto T, Iinuma T, Tateno Y.Kaku Igaku. 1985 Feb;22(2):219-24.
Masuda Y, Imai H, Watanabe S, Inagaki Y, Tateno Y, Ikehira H.Jpn Circ J. 1990 Mar;54(3):276-82.
18.NMR: preparation of a signal intensity map for the NMR-CT diagnosis.
Torii S, Ikehira H, Fukuda N, Iinuma T, Tateno Y, Matsumoto T, Maki T, Takeda J.Kaku Igaku. 1984 Nov;21(11):1481-5.
19.A case of malignant glioma diagnosed by MRI.
Nose T, Kukita C, Yoshii Y, Maki Y, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.Kaku Igaku. 1985 Jul;22(7):1081-6.
20.NMR: a three-dimensional gray scale model for T1 images of NMR-CT.
Torii S, Ikehira H, Fukuda N, Iinuma T, Tateno Y, Matsumoto T, Maki T, Takeda J.Kaku Igaku. 1984 Aug;21(8):973-7.
21.NMR: T1, T2-sensitivity map of signal intensity to diagnosis of NMR-CT.
Torii S, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y, Endou M, Matsumoto T, Iinuma T, Ueshima Y, Nisizawa J.Kaku Igaku. 1985 Oct;22(10):1461-7.
22.Clinical application of NMR-CT (report 6)--clinical utility of NMR-CT for uterine disease.
Ikehira H, Fukuda N, Yamane T, Shinotoh H, Torii S, Kajima T, Endo M, Matumoto T, Nakano T, Arai T, et al.Kaku Igaku. 1985 May;22(5):567-73.
Ikehira H, Aoki Y, Matsumura K, Fukuda N, Yamane T, Shinotoh H, Matsumoto T, Endo M, Iinuma T, Tateno Y.Kaku Igaku. 1986 Dec;23(12):1731-8.
Ikehira H.Kaku Igaku. 1987 Mar;24(3):263-72.
Ikehira H, Smith FW, Reid A.Kaku Igaku. 1983 Apr;20(3):349-52.
Imai H, Yoshida K, Watanabe S, Masuda Y, Inagaki Y, Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y.Kaku Igaku. 1984 Dec;21(12):1557-67.
27.Evaluation of renal kinetic function, using NMR-CT by gadolinium-DTPA. .
Ikehira H, Torii S, Yamane T, Fukuda N, Shibata S, Endo M, Matumoto T, Shinotoh H, Iinuma T, Tateno Y.Kaku Igaku. 1985 Nov;22(11):1615-24.
28.Tracer measurement by MRI. Kidney function evaluation.
Ikehira H, Yamane T.Nihon Rinsho. 1987 Jan;45(1):162-6.
29.Clinical trial of NMR-CT (report 4): clinical evaluation of a hybrid image.
Ikehira H, Fukuda N, Yamane T, Torii S, Matsumoto T, Iinuma T, Tateno Y.Kaku Igaku. 1985 Jan;22(1):67-73.
30.Clinical trial of NMR-CT (report 3)--the utility of NMR-CT for liver and pancreas diseases.
Ikehira H, Fukuda N, Tateno Y, Endo M, Matsumoto T, Iinuma T, Ebara M.Kaku Igaku. 1984 Oct;21(10):1277-84.
31.全身NMR-CTアトラス。福田信夫、池平博夫、舘野之男。秀潤社、1984。