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MRI 第1話



今年最初の「専門家に聞く」は,巨瀬(こせ)勝美博士にお願いしました。

巨瀬博士は1953年長崎県生まれ。1976年東京大学理学部物理学科卒業,1981年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了,東京芝浦電気(株)総合研究所入所,国産初の人体用MRIの開発などに従事。1986年筑波大学物理工学系講師,1994年同助教授,2001年同教授,現在に至る。専門は物理計測,中でも磁気共鳴イメージング (MRI )。




Ⅰ.人体を画像化する 4 種類の方法



荒田

人体を対象とする画像診断には,レントゲン撮影がこれまで使われてきました。現在では,技術的に大きな進歩があり,さまざまな方法が目的に応じて使い分けられているようですが,まずこの点からお話いただけますか。

巨瀬

画像診断には,X 線,放射性同位元素(Radio Isotope,RI ),超音波,磁気共鳴(おもに核磁気共鳴)を用いる4種類の方法があります。内視鏡や眼底カメラなどの,可視光そのもので見る手法は,伝統的には,画像診断とはされていません。また,ほかにも,生体を画像化する手法が実用化されているものもありますが,主なものは,上の4 種類です。順番に説明します。


X 線 CT

X 線を用いた撮像手法には,単に透過像を用いるいわゆる単純 X 線撮影,造影剤 (バリウム化合物やヨウ素化合物)を投与してから撮像する造影 X 線撮影,多方向からの投影像を用い,コンピュータで画像再構成を行って,断層像などを求める X 線 CT があります。

荒田

X 線 CT にはどんな特徴があるのでしょうか。

巨瀬

X 線が透過するときの X 線の強度の減衰率は,原子番号の4乗に比例するため,人間の体では,皮膚,筋肉,内臓はX 線を透過しやすく,骨の部分は透過しにくいため,主に,骨が描出されます。このため,骨折などの診断に,最も適しています。逆に,骨に囲まれた部位(関節や脊髄など)は適していません。

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X 線CT(東芝)



陽電子放出型CT(PET)  

放射性同位元素(RI)を使う場合にも,さまざまな方法がありますが,最もよく知られている方法は,陽電子放出型 CT (positron emission CT:PET)とよばれるものです。実際には,陽電子を放出する炭素11,酸素15,フッ素18 などの原子を含んだ薬剤(ブドウ糖など)を使います。このような薬剤を患者に投与して,それが患部に集まる様子を,陽電子と電子が合体して消滅する時に発生するガンマ線を検出し,画像化します。ガンの早期発見に役立つということで,PET と X 線 CT を合体した装置が,一時,ブームになりました。

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超音波診断装置


超音波診断装置は,超音波(高い周波数の音波)を,体表から体内に放射して,反射してくる超音波を使って,レーダーと同じ原理で画像化するものです。腹部や心臓などによく使われています。お腹の中の赤ちゃんの診断にも使われます。



MRI


MRI は,人体内の水と脂肪の水素原子核(プロトン)を観測します。MRI は,骨に囲まれた部位,すなわち,関節や脳の診断に,特に適しています。その他,造影剤を使うことなく,血管系を描出することもできます(MR Angiography)。また,脳梗塞の超早期診断や,腫瘍の診断,脳機能計測など,さまざまな用途に使われています。




つづく

by yojiarata | 2012-05-27 17:00 | Comments(0)

MRI 第2話



2 MRI の原理


荒田

ここからは,MRI に話題を絞ってお話を伺いたいと思います。まずはじめに,MRI の原理を,易しく解説していただけませんか。

なお,説明に当たっては,機器メーカーの名称を明記して頂くようお願いします。


2.1 静磁場を用意する


巨瀬

MRI では,まず,均一で時間的に安定した静磁場を発生する磁石を用意し,その中に,位置に比例した磁場を発生する勾配磁場コイルと,共鳴条件を満たす高周波磁場を発生するRF コイルをおきます。そして,RF コイルの中に試料(人体)を入れます。そうすると,人体内の水素原子核(プロトン)が,静磁場の方向を向く傾向を示します。これは,プロトンは,小さな磁石になっており,静磁場の方向を向いた方が,エネルギーが低いからです。でも,分子の熱運動などがあるため,静磁場を向くプロトンの数は,平均すると全体の1/10000くらいと,ほんのわずかです。しかし,これらの多くのプロトンが作る核磁化(棒磁石)の大きさを,その歳差運動(首振り運動)によってコイルに誘起される電圧として検出することができます。これがNMR信号です。

なお,この歳差運動は,RF コイルを用いて,試料に,共鳴周波数の高周波磁場を加えることにより発生させます。この共鳴周波数は,静磁場強度によって決まり,1 テスラのときは,プロトンでは約42.58MHz で,静磁場強度に比例して変化します。


2.2 MRI 画像を如何にして作製するか?

荒田

MRI を経験した患者さんは,異口同音に,ガンガン変な音がして怖かったと話していますが,変な音の原因は何でしょうか。何故必要なのですか。

巨瀬

磁場の中に導線があって,それに電流が流れると,磁場と電流にそれぞれ垂直な方向に,ローレンツ力という力が発生します。昔のブラウン管テレビの左右に走る走査線では,電子に対しては,この力が使われていました。

さて,MRI では,一定の磁場(静磁場)だけでなく,位置座標に比例して増減する「勾配磁場」を使います。そして,この勾配磁場は,勾配磁場コイルという特殊なコイルで作られます。勾配磁場コイルには,最大数百アンペアの電流が流れたり切れたりしますので,これに伴って,ローレンツ力が変化し,勾配磁場コイルが激しく振動します。これが,すぐ後でお話しするように,MRI 検査の時の騒音の原因になります。

荒田

それが,MRI とどう繋がっているのでしょうか?

巨瀬

歳差運動の周波数は,均一な静磁場の中に置かれていると,全く同一ですので,NMR 信号の中で区別することはできません。しかし,場所毎に少しずつ異なる静磁場を加えてやると,歳差運動の周波数が場所毎に変化しますので, どの場所から,どれだけの量の信号が発生しているか,すなわち,どこにどれだけの量のプロトンがあるかを知ることができます。このために加えるものが,勾配磁場です。

勾配磁場は,位置座標に比例して変化する磁場です。通常,1cm あたり1 ガウスくらい加えます。ですから,静磁場(1テスラ=10,000ガウス程度)に比べると,撮像する領域全体(数10cmくらい)での磁場変化としてはかなり小さな変化です。しかし,勾配磁場を発生させるため,勾配磁場コイルに大きな電流を流したり切ったりするので,コイルに大きな力がはたらき,これが,MRI 検査を受けるときの大きな騒音の原因となります。


2.3 1次元のデータから3次元の画像を作製する


荒田

得られたデータをどのようにして,3次元の画像にするのでしょうか?

巨瀬

1種類の勾配磁場を加えただけでは,一つの方向に沿った核磁化の分布しか求められませんので,画像にはなりません。二次元ないし三次元の画像にするためには,たとえば,二つの勾配磁場(x と y)を組み合わせて,xy 面内でさまざまな方向の勾配磁場を作り,その方向に沿った核磁化分布を求め,X線CTと同じ原理(逆投影法)で画像再構成を行う方法があります。これが,MRI を最初に提案して,ノーベル賞を受賞したPaul Lauterbur による方法です。

ただし,現在は,x 方向,y方向,z方向の勾配磁場を,パルス的に独立して加えることにより,核磁化の位相を変調し,そのすべての組み合わせで信号を計測し,それらを多次元フーリエ変換することによって核磁化分布を求める方法が,広く使われています。これは,1991年にノーベル化学賞を受賞した Richard Ernst による方法です。

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MRI の仕組み。ノーベル賞のウェブサイトより。




つづく

by yojiarata | 2012-05-27 16:50 | Comments(0)

MRI 第3話


2.4 MRI に用いられる磁石
超伝導磁石と永久磁石



荒田

MRI の撮像に入る前,検査技師さんから,磁石にひきつけられる金属,クレジットカードなどを身体から離すように指示されます。これは,磁場の影響を避けるためだと思いますが,MRI の場合に用いられる磁石は,どれくらい強力なものですか。磁石は,最近では超伝導磁石になったようですが,何故ですか。

巨瀬

臨床診断に使われている磁石の磁場強度は,0.2 テスラから3テスラです。1テスラは10,000ガウスで,地球磁場が0.5 ガウス程度ですから,地球の磁場の4千倍から6万倍の強さの磁場が使われていることになります。

研究用には,最高9.4 テスラのものが使われており,7テスラの人体用 MRI も,世界では50台 くらい使われています。11.7 テスラの磁場を使った人体頭部用MRI が,近々発表される予定で,14 テスラの頭部用MRI も開発が検討されています。こんなに強い磁場は,まだ誰も経験していませんから,被験者に最初になる人の安全性が心配ですが ....

磁場強度が0.2~0.4 テスラのMRI では,永久磁石が,0.5テスラ以上のMRI には,超伝導磁石が使われます。現在,臨床用MRIでは,超伝導磁石の磁場強度としては,1 テスラ,1.5 テスラ,3 テスラ の3種類が使われています。

超伝導磁石が広く使われているのは,強い静磁場が得られる(NMR 信号とノイズとの比は,生体では静磁場に比例します)ため,良好な画像が比較的短時間で得られるからです。


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超伝導磁石を用いた東芝製のMRI (静磁場強度3テスラ)



一方,永久磁石は,開放的な磁石が作りやすく,導入コストや維持コストも,超伝導磁石に比べて低いため,中小の病院や,手術するための用途としては,広く使われています。ただし,希土類元素を使っているため,資源の点が問題になっています。
 

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永久磁石を用いた日立メディコ製のMRI (静磁場強度0.4 テスラ)


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国立環境研に設置されている静磁場強度4.7テスラのMRI (旧 Varian)。医療用には認可されていない。立っているのは,国立環境研(当時)三森文行博士。






つづく

by yojiarata | 2012-05-27 16:30 | Comments(0)

MRI 第4話




2.5 磁場の安全性について

荒田

磁場の人体への影響は確認されているのでしょうか。撮影の途中で,突然,磁場が失われることに伴う危険性などということは,心配しなくてよいですか。


巨瀬
静磁場の中でじっとしている限りは,特に問題となる短期的・長期的な影響はないとされています。ただし,強い静磁場の中に入ろうとするときや,その中で首を振ったりすると,人体に電流が流れますので,気分が悪くなることもあるようです。

撮像中に,超伝導磁石や永久磁石が破壊されたという例は,これまで公式には,報告されたことはないようです。ただし,夜中や,休日中に,超伝導磁石の磁場が無くなっていた(スロークエンチといいます)というのは,何度か聞いたことがあります。

それよりも怖いのは,強磁性体の吸引事故ですね。2001年7月,9.11の約2ヶ月前,ニューヨークの病院で,MRI 検査中に患者が呼吸困難となり,慌てた看護師が鉄製の酸素ボンベを持ち込んだところ,それが磁石に吸引され,患者の頭に衝突して患者は亡くなりました。このような極端な例は少ないですが,強磁性体の吸引事故は,たまに報告されています。


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磁性体の吸引事故の例:ネットには,さまざまな吸引事故の例がアップされていますが,中には,ヤラセのような写真もあるので注意。この写真も,MRI室で使われそうもない椅子が使われているので,やや不自然。


2.6 日本におけるMRIの稼働状況


荒田

全国の病院で用いられているMRIの装置は何台くらいあるのですか。

巨瀬

現在,約6,000台のMRIが全国の医療機関などで使われています。1984年以来,最近まで,設置台数は伸びてきていましたが,2008年に設置台数は,ピークを迎えました。人口あたりの普及率では,世界1位で,2位の米国の2倍くらいです。



2.7 器械の価格とメンテナンス


荒田

巨大な器械で,値段も巨大だと想像しますが,一台,いくらくらいするものですか。

巨瀬

全身用で,一番安いもので6,000万円程度,一番高いもので,2億円 くらいです。この他に,毎年1,000万円程度のメンテナンス料が必要です。すなわち,導入コストが1 億円だったとして,10年使用すると,トータルのメンテナンス料も同じくらいかかります。メンテナンス料の中身は,低温寒剤(液体ヘリウム)ではなく(冷凍機の更新に,2年に100万円程度を要しますが),迅速な故障への対応(24 時間対応)や,撮像法のアップグレード,RF コイルのチューニングなどがあります。医療機器ビジネスとして見た場合,高価な装置を売っていくというよりも,メンテナンス料を継続的に稼いだ方が,メーカーとしても収益が安定し,継続的な開発のための人員を確保できるなどのメリットがあります。


2.8 健康保険とMRI

荒田

MRIは保険の対象になっているのでしょうか。

巨瀬

国内では,MRI 検査はすべて保険が適用されます。検査料は,部位と静磁場強度(1.5テスラ以上と以下で異なる:高磁場加算),撮像手法によっても異なりますが,いずれも,1万円~2万円です。なお,他の医療費もそうですが,日本のMRI 検査料は,世界的に見れば,最低のランクにあります(米国では,400~500 ドル,インドでも75 ドルと言われていますが,生活水準を考えると,日本のMRI 検査料は,かなり安いと言えます)。





つづく

by yojiarata | 2012-05-27 16:00 | Comments(0)

MRI 第5話



2.9 MRI の応用範囲


荒田

人体だけでなく,小動物,さらに,植物などの画像が作成されているようですが,これらの画像撮影の意義はどのようなものですか。

巨瀬

小動物は,薬剤開発において,病変モデル動物の薬剤に対する治療効果の評価などに使われます。このため,多くの製薬会社は,小動物用MRI を有しています。ただし,MRI を用いて,有用な結果を得るためには,どのグループも苦労しているようです。

植物の撮像は,果実の成熟度の評価,果実の保存法の評価,植物生理の研究などが応用例になります。全く壊すことなく,撮像できるので,時系列変化の追跡など,極めて貴重な応用例が,たくさん報告されています。

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イチゴの維管束の可視化例。MRI以外の手法で可視化するのは,まず不可能。



2.10 動きをMRI 画像として捉える


荒田

“動き”を画像として捉えることは出来るのでしょうか。

巨瀬

超高速イメージング法を使えば,心臓の動きをリアルタイムに捉えることができます。その他に,血流などの液体の流れや,分子拡散などの分子のミクロな動きを捉えることもできます。これらの流れや分子拡散の検出には,勾配磁場を使います。

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首の部分の血管を可視化した例。3TのMRIで撮像。





つづく

by yojiarata | 2012-05-27 15:30 | Comments(0)

MRI 第6話



2.11 MRI の技術の発展と貢献した学者


荒田

MRI の画像作成のための技術には,どれくらいの年月がかかったのでしょうか。

巨瀬

MRI がLauterbur により提唱されたのが1973年,最初に実用的なレベルの撮像方式が確立されたのが1980年(Edelsteinらによるspinwarp法),最初の臨床機が発売されたのが1980年代前半です。しかし,MRI の臨床機は,その後も飛躍的発展を遂げ,2010年 くらいの時点では,当初のMRI に比べ,静磁場強度は100 倍程度,勾配磁場強度も100 倍程度向上し,RF コイルを複数使ったり,スピンエコー数も,1 回の励起で10個 以上発生させるなどの手法が使われています。そして,最近でも,また新しい技術が発表されていますので,MRI の技術開発は,まだ終わった訳ではありません。

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左は,1982年,巨瀬が東芝にいたときに開発途上で撮像した頭部の断層像。右は,2008年,お茶の水のイメージングセンターの3T-MRIで撮像したほぼ同じ部位の断層像。
26年間の進歩がうかがわれる。


荒田

開発に当たって,抜きん出た業績を挙げた学者はどなたでしょうか。

巨瀬

やはり,ノーベル賞を受賞した Paul Lauterbur とPeter Mansfield だと思います。

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Paul Lauterbur


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Peter Mansfield


さらに,NMR とMRI のハードウェアに大きな影響を与えたDavid Hoult,General Electric 社の研究者であったPaul BottomleyとBill Edelstein は,現在のMRI のスタンダード(1.5 テスラのMRI)を確立する上で,非常に大きな役割を演じました。 同じくGE社のPeter Roemer は,多数の受信コイルを使用する,phased array coil を提案し,その後のMRI の発展の基礎を築きました。そして,この技術を基礎に,パラレルイメージングが発明され,撮像時間が数分の一になりましたが,それを提案したDaniel Sodickson とKlauss Pruessman も高い評価を受けています。

それと,忘れてはならないのが,1991年にノーベル化学賞を受賞したRichard Ernst です。彼の多次元NMR の手法は,MRI の分野でも主流となっており,多次元NMRの最初の実験例がMRI であると言われています。




つづく

by yojiarata | 2012-05-27 15:00 | Comments(0)

MRI 第7話


2.12 ファンクショナル MRI (f MRI)


荒田

ファンクショナルMRI (f MRI)という言葉を耳にするようになりましたが,これによって,例えば,脳の働きなどが追跡できるようになったのでしょうか。病気の診断などとの関連はいかがですか。

巨瀬

脳腫瘍の手術の前に,f MRIを使って,どの部分までの脳が機能しているかを調べることにより,腫瘍を切除する範囲を決定することなどに使われていると理解しています。また,精神疾患の診断にも,一部使われているようです。

f MRIの基礎技術を開拓したのは小川誠二博士です。ほかに,脳 の白質の構造に切り込むことになる,拡散テンソルイメージングや,脳神経繊維を描出する tractography の基礎を作った Peter Basser も大変大きな貢献をしています。

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(左)巨瀬勝美,(右)小川誠二





つづく

by yojiarata | 2012-05-27 14:30 | Comments(0)

MRI 第8話


2.13 移動可能な MRI 装置の開発


荒田

巨瀬さんは,移動可能なMRI 装置の開発にも力を入れておられると理解していますが,どのような場面に応用できるのでしょうか。脳梗塞などの緊急医療にも利用できる可能性がありますか。

巨瀬

屋外における植物計測(果実や樹木)が,今のところ一番有効だと思っています。一方,脳梗塞をMRI などで,発症後数時間以内に早期診断できれば,血栓溶解術により治癒できる可能性がありますが,このために使用する患者さんのところまで運べるMRI は,必ずしも必要ではありません。というのは,重い磁石を運ぶよりも,患者さんを運んだ方が,遙かに速いことと,脳梗塞の確定診断には,エコープラナー法という超高速撮像法と,拡散強調イメージング手法が必要であり,小型で移動型の装置で実現するのは難しいからです。

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果実計測用モバイルMRI


荒田

スポーツ医学への応用なども可能なような気がするのですが,いかがですか。

巨瀬

トップアスリートをどのように強化していくかというテーマなどには使いにくいかも知れませんが,スポーツに伴う障害の早期発見などには,役に立つと思います。すなわち,野球の投手などは,痛くなってからではなく,普段から,肘や肩のMRI 検査は,定期的にやっておくべきだと思います。放射線被曝もありませんし,検査コストも決して高くないので,プロ野球の投手は,日頃から,健康管理の一環として,そのような検査を受けておくといいと思います。一流投手が,肘や肩を痛めると,1年で10億円くらいの年俸が,全く無駄になってしまいますので,もっとこまめにMRI を撮像しておけばいいのに,と思ったりします。

一流の競走馬が,しばしば屈腱炎という病気で引退し,競馬界の大きな損失になるので,それを予防するために,競走馬用のMRI を開発して欲しいという依頼もありました。さまざまな理由で実現はしませんでしたが,海外では,馬の脚用の専用のMRIが販売されており,既に50台以上売られたと聞いています。

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つづく

by yojiarata | 2012-05-27 14:00 | Comments(0)

MRI 第9話


2.14 研究の動機


荒田

巨瀬さんは何故この分野に興味をもたれたのですか。

巨瀬

大学院博士課程3年生の5月頃に,2年先輩で,東芝総合研究所に勤めていた先輩から,MRI の開発を行うために,物理出のドクターを捜しているという電話があり,面接に行きました。1週間後くらいにOK(内々定)をもらったので,MRI の開発に携わることになりました。大学院のときは,NMR はやりませんでしたが,メスバウワー効果の測定を行い,同じ研究室でも,(磁性体の)NMRをやっている人がいましたので,全く抵抗はありませんでした。なお,入社してからは,まず,実験用の小型MRIの開発に携わりましたが,大学院の時に鍛えた,マイクロコンピュータその他のエレクトロニクスの自作技術が,大変活かされました。


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巨瀬が東芝に入社後開発した,国産初の臨床用MRIのパンフレット


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パンフレットの撮像例。上段のマルチスライス像と下から2段目左の画像は巨瀬自身の画像である。




つづく

by yojiarata | 2012-05-27 13:30 | Comments(0)

MRI 第10話


2.15 今後の研究の発展に向けて


荒田

ほかに,お気づきの点を挙げていただけませんか。

巨瀬

MRI に関しては,日本の政府と学会は,その発展に対して,うまく対応(サポート)できなかったのではないか,という思いが大きいですね。たとえば,国際磁気共鳴医学会(International Society for Magnetic Resonance in Medicine)という磁気共鳴医学分野の国際会議があり,それには,毎年,5000人以上の科学者,技術者,医師が集まりますが,日本(人)の存在感は,極めて薄いと思います。私も責任者の一人でもありますが,日本では,in vivo NMR や MRI は,NMR 討論会などでも,全く傍流中の傍流で,大学で組織的に取り組んでいる研究室は極めて僅かです。

MRI の装置としての世界市場規模は,約3000億円/年,NMR分光計の世界市場規模は,約800億円/年ですから,MRI の市場規模に対応した研究者,技術者の養成が急務ですが,日本の大学/学界の態勢は,そうはなっていません。

一方,MRI 装置の世界シェアは,Siemens (ドイツ),GE (アメリカ),Philips (オランダ)がBig 3と言われ,80%以上のシェアを有しており,日本の東芝と日立は,合計しても10 数%程度です。NMR 分光計に関しては,BrukerとAgilent (旧Varian )が二強で,日本のJEOL の NMR は,国際的には苦戦しているようですが,MRI と同じ構図です。

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世界のMRIの2010年のシェア(金額ベース)。総額は約3,239億円。


いずれにしても,MRI とNMR のユーザーは多いのですが,装置や方式を開発する研究者・技術者は,研究にお金がかかり,論文が書きにくいこともあり,大学で生き残っていくのは難しい状況にあります。不平を言っても仕方がないのですが,客観的な情勢を踏まえつつ,日々努力していくしかないと思っています。

荒田

画像化技術の将来の進歩を,日本のサイエンスの将来像との関連で,お考えをお聞かせいただけませんか。

巨瀬

私自身は,画像化技術というよりも,装置の開発に興味を持って,研究生活を過ごしてきました。一つの行くべき方向が,MRI for everyone, everywhereというものです。すなわち,MRI を使いたい人は誰でも使うことができ,また,どんな場所でもMRI を使うことができるという意味です。ですから,1 台が何十億円もするような装置には,(野次馬的興味以外)ほとんど関心がありません。そのような装置は,ほとんど,装置産業化していて,予算獲得を目的とするメーカーや,国威発揚のための国策だったりするからです。ですから,今後も,個人的なアイデアが生きるような装置開発を目指していきたいと思っています。

荒田

巨瀬さんがおっしゃっていることには大賛成です。この点は日本のサイエンス全般に共通の根の深い問題と関連していると思います。巨瀬さんのようなお考えの研究者が少しでも増えれば,日本の科学行政の将来にも希望がでてくると思います。(⇒ 荒田洋治『日本の科学行政を問う 官僚と総合技術会議(薬事日報社,2010)』

なお,MRIについてさらに詳しく知りたい場合には,巨瀬勝美『NMRイメージング』(共立出版,2004)を読んで下さい。

文中に登場する方々には敬称を省略させていただきました。お忙しい日程の中,貴重な時間を割いてくださった巨瀬さんに深謝いたします。





by yojiarata | 2012-05-27 10:31 | Comments(0)