第19章 MRI



  1. 原理
     MRI(Magnetic Resonance Imaging)は磁場内における核磁気共鳴現象を利用して画像を得る方法である。
     MR像は特定原子の密度、緩和時間(T1,T2)を映像化したものである。
     画像は生理的情報から構成されており、パルス系列や撮像パラメータを変えることにより、信号強度が変化するのでコントラストエンハンスメントが可能である。
     MRIは繰り返し時間(TR)やエコー時間(TE)が任意に変えられる。
     任意方向の断層像が撮像できるので、頭部冠状断の撮像でも背臥位で行われる。
     MRIの共鳴周波数を表す式(ラーモアの式)は、
         ω0=γ×B0。
     ただし、γは磁気回転比、B0は静磁場強度である。角周波数と周波数の関係ω=2πfより、ω0=γ×B0/2πとなる。


  2. 特徴と課題

     1.特徴

     MRIの特徴は、
    (1)放射線被ばくがない。
    (2)非侵襲性である。
    (3)矢状断面像、横断面像、冠状断面像など任意方向の断面像が撮像できる。
    (4)軟部組織のコントラストがよい。
    (5)組織の形態情報が得られる。
    (6)生化学的な機能情報が得られる。
    (7)生体内のプロトンに関する情報からの画像構成のため、骨によるアーチファクトがない。
    (8)血管像や血流情報が造影剤を用いずに得られるので、MRアンギオグラフィができる。
    (9)さらに、造影剤なしで脳脊髄膜腔や胆管、膵管を描出できる。
    (10)高磁場(2T)では31Pのスペクトロスコピーが可能である。

      などである。
     心・大血管系の検査には心電図同期撮像法が不可欠である。
     脳出血と脳梗塞との鑑別が可能である。
      
    [頭部MR画像(矢状断)]    [頭部3D-TOF MRアンギオグラフィ]

     2.課題

     MRIの短所は、
     (a)撮像時間が長い。
     (b)動きや血流などによりアーチファクトが生じる。
     (c)被検者を磁場内におくために、ペースメーカー、外科用クリップ(チタン製を除く)、人工内耳等の磁性体を装着していると検査できない。
     (d)骨や石灰化病変の描出能が劣る。     などである。
     検査室内では、磁気カードは磁気の影響を受け、磁気データが破壊される恐れがある。

     3.X線CTとの比較

     X線単純CTと比較したMRIの長所は、
     (1)骨のアーチファクトがない画像が得られる。
     (2)任意の断層面を撮像できる。
     (3)軟部組織のコントラスト分解能が優れている。
     (4)血管の検出能が優れている。
     (5)椎間板ヘルニア、膝十字靭帯断裂、急性期脳梗塞の診断に適している。
    などである。
       
    [MR像]    [CT像]


  3. 信号強度と撮像パラメータ

     1.信号強度

     T1値は、脂肪<白質<灰白質<脊髄液の順に長くなる。
     脳の灰白質はT1強調画像で白質より低信号を呈する。
     脳脊髄液(水)はT2強調画像で高信号を示す。
     脳脊髄液(水)はT1強調画像で低信号を示す。
     
    高濃度の蛋白質を含む液体はT1強調画像で高信号を示す。
     脂肪(皮下脂肪)はT1強調画像で高信号を示す。
     出血(亜急性期)はT1強調画像で高信号を示す。(出血はヘモグロビンの変成により経時的に信号強度が変化する。)
     常磁性体物質(血腫・Gd等)は、T1強調画像で高信号を示す。
     下垂体後葉はT1強調画像で高信号を示す。
     側脳室はT2強調画像で高信号を示す。
     脳梗塞では梗塞部の浮腫(水を含む)がT2強調画像で高信号として描出される。
     血管はT2強調画像で無信号を示す。
     大動脈はT1強調画像でflow voidにて無信号である。
     緻密骨、靭帯はT1,T2強調画像で低信号を示す。
     石灰化はT2強調画像で無信号を示す。
     鉄沈着、脂肪沈着、石灰沈着、蛋白質を含む液体や組織(大脳基底核など)は緩和時間を短縮させる。
     鉄沈着とは、実質細胞や網膜内皮系にフェリチンやヘモジデリンが沈着することで、沈着部位は組織中の鉄によって磁場が乱れ、T2値は短縮してT2強調画像では信号強度が低下する。
     空気、骨皮質は無信号である。
     体内金属は無信号である。
     血液遅滞(静脈、静脈叢)は緩和時間短縮の原因とならない。

     2.信号強度を決定するパラメータ

     MR画像の信号強度を決定する組織パラメータは、
      (1)縦緩和時間(T1)
      (2)横緩和時間(T2)
      (3)水素密度
      (4)流れの速さ        である。

     MR画像の信号強度を変える撮像パラメータは、
      (1)繰り返し時間(TR)
      (2)エコー時間(TE)
      (3)インバージョン時間(TI)
      (4)フリップ角(α)
      (5)スライス厚
      (6)画素の大きさ        がある。
     SN比は、TRが長いほど、TEが短いほど、スライス厚が厚いほど、画素サイズが大きいほど、FOV(field of view)が大きいほど高い。
     なお、スライス間隔はマルチスライス法ではスライスギャップにより信号強度に影響するが、信号強度は一般にコントラストの意味で用いられているので、信号強度に影響しないと考えられる。


  4. 撮像法

     マルチスライス法は1回の撮像で断層面の異なった複数の画像を得ることができる。
     MRIの撮像時間に関係する因子は、
      (1)画素数(位相方向のマトリックス数)
      (2)繰り返し時間(TR)
      (3)加算回数        がある。
     撮像時間は、位相方向のマトリックス数×TR×加算回数である。
     T2強調画像はT1強調画像に比べて撮像時間が長い。

     右図は各撮像法におけるMR頭部軸位断面像である。
     AはT1強調画像
     BはT2強調画像
     CはFLAIR像
     Dは拡散強調像
     EはT2*強調画像


     1.スピンエコー(spin echo, SE)法

     最初に被検体に90°パルスを印加して磁化を静磁場方向と垂直なxy平面に倒す(横磁化)。
     スピンエコー法は90°パルスから1/2TE時間後に180°パルスを印加し、1/2TE時間後、つまりTE時間後にMR信号(スピエコー信号)を得るシーケンスである。
     SE法ではGRE法と比較して磁化率の影響が少ない。
     SE画像では血流の早い血管は無信号となる。
    (i) T1強調画像
     繰り返し時間(TR)を短くし、エコー時間(TE)を最小に設定したシーケンスでは、画像のコントラストはT1に依存するので、T1強調画像である。
    (ii) T2強調画像
     TRおよびTEを長く設定したシーケンスでは、画像のコントラストはT2に依存するので、T2強調画像である。
    (iii) プロトン密度強調画像
     TRを長く、TEを短く設定したシーケンスでは、プロトン密度強調画像である。
    (iv) マルチエコー(multiple echo)法
     マルチエコー法は1回の撮像でエコー時間(TE)の異なった複数の画像を得ることができる。

     2.インバージョンリカバリー(inversion recovery, IR)法

     IR法は特定の組織の信号を抑制した画像を得るのに有用である。
     STIR(short TI inversion recovery)は脂肪信号を抑制する撮像法である。
     FLAIR(fluid-attemated inversion recovery)法は脳脊髄液(水)信号を抑制する撮像法である。

     3.グラジエントフィールドエコー(gradient filed echo, GRE)法

     グラジエントフィールドエコー法は、エコー信号を集めるために傾斜磁場を使うので、磁化率、磁場の不均一の影響を大きく受ける。
     GRE法の特徴は、フリップ角によって、画像コントラストを変化させることができること。短いTRを用いて撮像時間の高速化ができることである。
     GRE画像では血管が高信号となる。
     GRE法はMRAに使用される。

     4.エコープラナー撮像法(EPI)

     エコープラナー撮像法(echo planar imaging)は超高速撮像ができるので、 ファンクショナル(機能)MRIに有用である。しかし、磁化率の違いの影響を受けやすく、信号雑音比(SNR)が低く、空間分解能が低いという欠点がある。
    (i) 拡散強調撮像法(diffusion weighted imaging)  拡散画像撮像法(diffusion MRI)は、水分子の動き(ブラウン運動)の違いをコントラストとして画像化する方法である。水分子の移動距離が大きいとエコー信号強度は低下する。
     拡散テンソル解析法は、MPG(motion proving gradient:双極傾斜磁場)を多方向に印加して、複数の拡散強調画像を得て、拡散の異方性や等方性の解析を行う方法である。
    (ii) 潅流画像撮像法  潅流画像撮像法(perfusion MRI)は、造影剤を急速注入後、ダイナミック撮像し、関心領域の信号変化で局所脳血流量(組織潅流血液量)や流出時間の評価を行う方法である。
    (iii) fMRI  神経細胞が活動すると、組織のぶどう糖と酸素の代謝要求は増加し、血流量や酸素を失った還元ヘモグロビンも増加する。このように脳活動を間接的に反映している生理現象をMR信号変化として画像化する撮像法がfMRI(function MRI)である。
     BOLD(Blood Oxygen Level Dependent)効果は、賦活部位の下流域で還元ヘモグロビン(オキシヘモグロビン)の濃度が減少し、MR信号が増強される効果のことである。

     5.パラレルイメージング

     パラレルイメージングとは複数の小型コイル(フェイズドアレイコイル)を用いて、並列的にデータを収集する撮像法で、画質を低下させることなく、撮像時間を短縮できる。
     その感度分布の差を利用して、あえて折り返しがでるような短縮撮影を行い、重なった信号を元に戻すことによって正しい画像を得る方法である。


  5. 表面コイル(サーフェイスコイル)
     表面コイルは信号強度を変化させ、体表表面付近からの信号を効率良く検出する。
     表面コイルは視野と深さの方向の解像力で制限がある。
     画質を良くするために、部位に応じた表面コイルが使用される。
     表面コイルを用いると感度が高くなり分解能がよくなる。


  6. アーチファクト

     1.動きと流れによるアーチファクト(morion artifact)

     脳脊髄液の流れ・拍動によりアーチファクトが生じる。
     乳幼児のMRI検査は体動によるアーチファクトが起こりやすいので睡眠状態で行うのがよい。
     モーションアーチファクトの対策として、息止め、心電図同期、GMR(gradient motion rephasing)がある。
     腹部MRI検査のモーションアーチファクトの軽減方法として、心拍同期撮像法、鎮静剤の投与、抗コリン剤の投与、抑制帯による腹部の圧迫などがある。
     ゴーストアーチファクトは位相エンコード方向に現れる。
     ゴーストアーチファクトはゴーストの原因となる構造物の信号が強いほど、周期的な動きが大きいほど顕著になる。
     ゴーストアーチファクトの対策としてプレサチュレーションとGMRがある。

     2.ケミカルシフト(化学シフト,chemical shift)

     分子中の原子核は分子内での結合位置に依存して、その原子核固有の共鳴周波数の差が位置情報の差として現れる。この現象をケミカルシフトといい、MR画像上で代表的な水と脂肪のケミカルシフト現象は、アーチファクトの発生となる。
     高磁場ほど共鳴周波数の差が大きくなり化学シフトの影響が大きくなる。
     SE法では読み出し方向で顕著に現れる。
     EPI、GREなどで、極短時間で位相エンコーディングを行う超高速シーケンスにおいては位相エンコーディング方向に大きく現れる。

     3.磁化率の変化によるアーチファクト

     磁化率効果とは、磁場中に物質を置くと磁化されて周囲に磁場を作り、その磁化のされ易さのことである。
     磁化率が異なる組織の境界で画像のひずみが生じやすい。
     非磁性体でも画像の歪みは発生する。
     磁化率効果はTRが短いほど強く現れる。
     磁化率効果はSE法よりGRE法の方が大きい。
     EPI法で磁化率効果を受けやすい。
     磁化率が低いと磁場はその物質中を通りにくくなる。
     下図左の矢印(→)で示すアーチファクトは磁化率アーチファクトである。
     下図右のMR軸位断面像に示されるアーチファクトは、アイシャドーによるアーチファクトである。

      
    磁化率アーチファクト

     4.折り返しアーチファクト

     画像の折り返し(aliasing)とは、画像収集領域(FOV)より被写体が大きい場合に領域から外れた部分が位相エンコード方向に折り返して画像に重なる現象である。
     下図左で矢印(→)のアーチファクトがエリアシングによる画像である。解決策としては、撮像視野を被写体より広くすればよい。
     下図右のMR画像には折り返しアーチファクト見られる。
     対処法として、表面コイルを使用したり、位相エンコード方向のオーバーサンプリングを行なう方法などがある。
      
    折り返しアーチファクト

     5.その他

     打ち切りアーチファクトは、信号強度が大きく異なる部位で、撮像マトリックスが少ないほど顕著になる。
     ジッパーアーチファクト(zipper artifact)、クロストークアーチファクト(crosstalk arifact)がある。
     X線CTでアーチファクトの原因となる硫酸バリウムは、MRIでは問題とならない。


  7. 造影剤
     診断能を高めるため、MRI用造影剤が用いられている。
     ガドリニウムキレート剤中のガドリニウムイオン(Gd3+)は常磁性を示す。
     造影剤による造影効果は、周囲のプロトンの緩和時間(T1とT2)を短縮させ、画像コントラストを強調させる。
     ガドリニウムキレート剤(ガドペンテト酸メグルミン等)によるコントラスト増強効果の原因となるのは、局所の血管増生、血液脳関門(blood brain barrier,BBB)の破錠、血管透過性の亢進、造影剤近傍の自由水の増加である。
     ガドリニウムキレート剤はT1, T2双方を短縮させる。また、肝臓のクッパー細胞に取り込まれない。
     クエン酸鉄アンモニウム製剤はMRI用経口消化管造影剤である。
     超常磁性体酸化鉄コロイド(SPIO)はT2*を短縮させる。また、肝臓のクッパー細胞に貪食され、細網内皮系に取り込まれる。
     SPIOなどの組織特異性造影剤には肝臓を対象としたものが多い。
     ガドリニウム濃度とMR信号強度とは必ずしも比例せず、ある濃度以上になるとMR信号強度が低下する。
     Gd-DTPAは主に尿中に排泄される。
     ガドリニウムキレート剤の副作用として、重篤なアナフィラキシーを起こすことがある。
     小児にも造影剤は使用している。
     造影剤の母乳中への移行が報告されているので、授乳中の女性には投与後24時間は授乳を中止する。
     成人におけるガドリウム造影剤の生物学的半減期は新生児や乳児より短い。
     投与量は、脳・脊髄腔造影で、0.2ml/kgで静注投与する。


  8.  MRI検査

     1.頭部MRI検査

     脳機能の診断には運動賦活および視覚刺激を用いたfunctional MRIを用いる。
     発症6時間後の脳梗塞の描出に有効である。

     2.脊椎MRI検査

     通常はSE法かGRE法で撮影する。
     頸部用サーフェイスコイルを用いる。
     頸部MRI検査では、頸髄の長軸像は矢状断と冠状断により得られる。
     外傷後の頸髄病変の診断にT2強調画像は有用である。
     造影剤はGdキレート製剤を使用する。
     腰椎椎間板ヘルニアの診断にはMR myelographyを用いる。
     脊髄腔の描出には造影剤投与は必要ない。

     3.胸部MRI検査

     胸部大動脈瘤の診断にはMR angiographyを用いる。
     冠動脈の撮影は動きの少ない時相のみで信号収集をする。
     心臓の検査では造影剤と肺の空気の磁化率の違いが障害となる。

     4.腹部MRI検査

     肝腫瘍の診断にはdynamic MRIを用いる。
     総胆管結石の診断にはMR膵胆管撮影法(MR cholangiopancreatography、MRCP)を用いる。

     5.MRA

     MRIによる血管撮像法(MRA)はTOF(time of flight)法とPC(phase contrst)法、および造影剤を使用した造影法がある。
     TOF効果とは、撮影断面に飽和していない血液の流入や飽和した血液が流出することである。
     血流位相シフト(phase shift)とは、スピンが血流により乱されて、本来の位相情報にズレが生ずる現象である。
     TOF法は血液の流入効果を利用している。
     TOF法はPC法に比べ磁場均一性への依存度が低い。
     TOF法は断層面に平行な流れを描出しにくく、断面に垂直な流れを描出しやすい。
     TOF法で血管内の信号低下の原因として速い血流、渦流、乱流があり、遅い血流、層流では上昇する場合がある。
     PC法は血流による位相のずれを画像化しているため、磁場均一性への依存度が高い。
     PC法は位相差の大きさが流れの測度に比例するので、特定の流速を強調でき、流速と方向性の定量化ができる。
     PC法はTOF法より撮像時間が長く、短時間撮像が困難であるので、呼吸性移動のある体幹部では良好な画像が得られない。
     TOF法とPC法の撮像には、二次元法と三次元法がある。
     MTC(magnetization transfer contrast)は、磁化移動コントラストのことで、マルチスライスFSE(Fast spin-echo)法で、他のスライスの励起パルスが off-resonance RFとして作用し、脳実質などの信号が抑制される現象である。MRAに用いられている。

     6.MRCP

     MRCP(MR cholangiopancreatography)とはMRIによる膵胆管撮像法のことで、非常に強いT2(heavy T2)強調画像を用いて、鬱滞した水のみを描出して、水に満たされた膵胆道の形態を画像化する方法である。
     従来の膵胆管造影と比べて、
      利点
       (1)造影剤を必要としない。
       (2)カテーテル操作を必要としない。
       (3)閉塞部より中枢や末梢側の膵胆管も描出可能である。
       (4)検査時の苦痛が少なく合併症の心配がない。
       (5)膵炎・胆管炎の急性期にも施行可能である。
       (6)胃全摘後や全身状態の悪い患者にも適応できる。
      欠点
       (1)ERCPに比べて空間分解能が低い。
       (2)腹水合併症では明瞭な画像が描出できない。
     腸管からの信号を抑えるために、経口投与で陰性造影剤(クエン酸鉄アンモニウム)を使用する場合がある。


  9.  禁忌事項と安全管理

     1.MRI検査の絶対禁忌と相対禁忌

     MRI検査を行ってはならない患者は、
      (1)心臓ペースメーカーを装着している患者
      (2)人工内耳を埋め込んでいる患者
      (3)眼窩内に砲弾破片のある患者である。
     相対禁忌の患者は、
      (1)義歯を装着している患者(義歯を装着している患者でも、強く固定されているか、取り外して検査可能な場合はMRIを行うことができる。)
      (2)大動脈瘤に対する人工血管置換術を受けた患者(通常は磁性体を使用していない。)
      (3)チタン製クリップを用いた脳動脈瘤の手術を受けた患者
     などである。
      磁性体の体内金属のうち、脱着不可能な入れ歯や骨折時のプレート等においては状況によって装着したままで検査を行う場合がある。

     2.安全管理

     金属検出器で探査しても問診すべきである。
     脳動脈瘤の手術の有無を事前に確認する。
     材質不明の体内金属がある場合は実施しない。
     検査中は患者の状態を監視する。
     患者に両手を組まないように指示する。
     看護師やその他のスタッフに限らず、人が入室するときは所持品を確認する。
     患者が急変しても検査室内に酸素ボンベ(磁性体)は持ち込んではならない。
     検査後の消毒を目的に殺菌灯(磁性体)を持ち込んではならない。
     患者を検査室に入室させるときには、MRI専用(非磁性体)のストレッチャーを使う。
     ペースメーカー装着の放射線技師はMRI検査室への入室を禁止する。
     肺動脈圧モニタ用のスワンガンツラインは火傷を起こす可能性がある。
     ケーブル類はループ状に束ねてはならない。
     クエンチが発生したときは患者を検査室外に連れ出す。



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2010年7月作成