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15分で分かる（？）MRI
15分で分かる（？）MRI ●○● 古典力学的説明※ ○●○ MRI原理へのいざない Part 2 1個のプロトンから15分単位で理解できる（？） 基本的な信号強度 Part 2 信号の取り出し方について ※学部学生・研修医用の資料 ※T2減衰については、Part 2でもPart. 1での簡略化したモデルで扱っています。とり あえずT1, T2とTR, TEとの関係を、ざっくりと理解することを目標にしています。 ※T1とT2は組織のパラメータで、TRとTEは撮影装置のパラメータ（機械で調整する 値）になります。エックス線検査がラジオならMRIはテレビに相当します。ラジオは選局 （周波数相当）と音量（電流・時間相当）の調整のみですが、テレビの場合、それ以外 に、少なくとも画面の縦（TR相当）と横（TE相当）の大きさに関する設定が必要です。 2009/10/30 初版 2017/01/30 第11.1版 新潟大・歯・西山 Part 1～4へのリンク • Part 1：プロトン密度、T1、T2と信号強度 （学部学生必須） http://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min.pdf • 補遺・任意断面の撮影・その１ --- 位置情報なければ０次元（点） • Part 2：信号の取り出し方について （学部学生・研修医用） http://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p2.pdf • 補遺：TE時間後の信号の取得方法（SE、GRE、UTE etc.） • 補遺：各種撮影法について • 補遺・任意断面の撮影・その2 --- 平面内での位置情報 • Part 3：巨視的磁化ベクトルでの説明 （教科書的記述、研 修医・大学院生用） http://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p3.pdf • 補遺：T1緩和とT2緩和の背景 --- 理論式と生体系との整合性 • 補遺：NMR/MRIの核種について • Part 4：「流れ」を見る。 （大学院生用） http://www5.dent.niigata-u.ac.jp/~nisiyama/MRI-15-min-p4.pdf 新潟大・歯・西山 Part 2. 次の15分 信号の取り出し方とTEについて T1,T2とTR,TEとの関係 TR:繰り返し時間（Repetition Time） 90度パルスの繰り返し間隔 TE:エコー時間（Echo Time） 直前の90度パルスから信号を取り出すまでの時間 ※ここでは、スピンエコー法（SE法）を基本に記述していますが、各種撮影法に共通の項目 となり、グラデュエントエコー（フィールドエコー）法（GRE、FE法）や、UTE（超短TE）という 手法を理解する上でも重要な項目となっています。 ※エコー信号という概念以外での信号取得までの時間に、TE（エコー時間）という用語が 多用されているので、注意が必要です。 新潟大・歯・西山 準備体操は入念に繰り返すこと・・・ • 「90度パルスを１回のみ」では十分な信号を 得ることはできない。 • 「９０度パルスを複数回繰り返す」ことが必要 。 • 「９０度パルスを繰り返す間隔」を繰り返し時 間（TR ＝ Repetition Time）という。 • TRが無限大だとT1 緩和（縦緩和）が終了し、 磁化ベクトルは元のレベルまで戻るが、TRが 短いと緩和は途中の状態となる。 新潟大・歯・西山 90度パルス後の縦緩和（T1緩和）とTR 信号強度（SI） TRが無限大だと縦緩和（T1緩和）が終了し、磁化ベクトルは 元のレベルまで戻るが、TRが短いと緩和は途中の状態となる。 T1緩和 SI t1 PD 1 e t1 T 1 t1 TRのときの信号強度は PD SI TR PD 1 e TR T 1 90度パルス からの時間（t1） TR 1 e t1 T 1 t1 TRのとき 1 e TR T 1 新潟大・歯・西山 90度パルスを繰り返し与えると・・・ SI t1 PD 1 e t1 T 1 信号 強度 （SI） SI TR PD 1 e TR T 1 完全に緩和したときに 戻るレベル:PD TRで繰り返し90度パルス を与えたときに戻るレベル PD 特定断面の画像を得るためにも 繰り返し信号を得る必要がある TR TR TR ※簡略化したモデルで考えている限りでは、このように一定レベルに戻ることは説明できない。 横緩和の成分を考えに入れると、夜も眠れなくなってしまいかねない。Part. 3で補遺を追加予定。 新潟大・歯・西山 信号は水平面からしか取れない • 90度パルスを与えて、縦方向の成分（PDや T1）を水平に倒すことで、FID信号（電磁波）と して信号を受信することができる。 • 90度パルスから時間が経てば、横緩和（T2 緩和）にて信号が減衰する。 • 90度パルスから信号を受信するまでの時間 をエコー時間（TE ＝ Echo Time）という。 • TEが短いと、ほぼ縦方向の成分（PDやT1） の信号強度を得ることができる。 新潟大・歯・西山 90度パルス後のT2緩和（横緩和）とTE 90度パルス 縦方向の ベクトル成分 PDやT1 信号 強度 （SI） どの時点で 信号を得るのか？ T2減衰の影響（ほとんど）無し PDないしT1の値（に近い） T2減衰の影響あり T2減衰 90度パルス からの時間 T2減衰の影響強く 信号が弱い 90度パルス からの時間 90度回転 した図 TE（Echo time） 新潟大・歯・西山 組織間コントラストを得る • 組織によって、T1値とT2値が異なる。 • 90度パルス後、信号強度は指数関数的に変 化する。 • これらの関係に対し、TRとTEを調整すること で、適切な組織間コントラストを得る。 新潟大・歯・西山 SI t1 PD 1 e t1 T 1 信号強度 （SI） t1 TRのときの信号強度は SI TR PD 1 e TR T 1 PD T1緩和時間の短い組織（緩和速度が速い） T1緩和時間の長い組織（緩和速度が遅い） TR 90度パルス からの時間(t1) 新潟大・歯・西山 PD 信号強度 （SI） TE SI t 2 PD e t2 T 2 t 2 TEのときの信号強度は 信号強度 （SI） SI TE PD e TE T 2 PD T2緩和時間の長い組織（緩和速度が遅い） T2緩和時間の短い組織（緩和速度が速い） 90度回転 90度パルス からの時間 TE 新潟大・歯・西山 緩和速度と信号強度の関係 減衰 方向 縦緩和（T1緩和）は再度90度倒して信号を得る 信号 強度 T1の回復の早さ ＝ T1緩和速度 緩和早い 信号強い 緩和遅い 信号弱い 緩和遅い 信号弱い 信号 強度 減衰 方向 T２の回復の早さ ＝ T２緩和速度 緩和早い 信号強い 新潟大・歯・西山 プロトン密度情報の取り出し方 ①90度パルスを印加後、②直後の（非常に短いTE時間後）のFID信号を受信す ることで、単位体積当たりのプロトンの密度情報を知ることができる。 ③繰り返し 信号を得るには、磁化ベクトルが元に戻るまで十分に長い時間（非常に長いTR 時間後）待って、①90度パルスを印加する。 ①90度パルス ②90度パルス直後 のFID信号を得る。 ③長いTR時間 元に戻る 新潟大・歯・西山 T２減衰状態の取り出し方 ①90度パルスを印加後、② 適度な長さのTE時間後の③FID信号を受信することで、 横方向の緩和状態（T2緩和）を知ることができる。④繰り返し信号を得るには、磁化 ベクトルが元に戻るまで十分に長い時間（非常に長いTR時間後）待って、①90度パ ルスを印加する。 ①90度パルス SI TE PD e TE T 2 ②TE時間後 ③TE時間後、適度にT2 減衰した信号を受信 減衰 TE SI t 2 PD e t2 T 2 ④長いTR時間 新潟大・歯・西山 T１減衰状態の取り出し方 ①90度パルスを印加後、 ②TR時間経過した段階で、③再度９０度パ ルスを印加し、④直後の（非常に短いTE時間後）のFID信号を受信す ることで、縦方向の緩和状態（T1緩和）を知ることができる。 ①90度パルス ②TR時間後 ③２回目以降 の90度パルス 減衰 方向 ④90度パルス 直後のFID信 号を得る。 新潟大・歯・西山 スピンエコー法での 信号強度の基本・まとめ プロトン密度強調画像での信号強度（SI） プロトンの状態が（ほぼ）回復 ≒ プロトン密度 する程度の長いTR。信号取り 出しまでの時間（TE）は短く。 信号取りだし 90度パルス 90度パルス ① ①へ 短いTE 長いTR 新潟大・歯・西山 スピンエコー法での 信号強度の基本・まとめ T2強調画像での信号強度（SI） ≒ プロトン密度 × T2緩和状態 T2緩和状態はTEで決定 される。（TRは長く） 最小：０、最大：１ 緩和方向 TE 信号取りだし 90度パルス 90度パルス ① ①へ 長いTE 長いTR 新潟大・歯・西山 スピンエコー法での 信号強度の基本・まとめ T1強調画像での信号強度（SI） ≒ プロトン密度 × T1緩和状態 T1緩和状態はTRで決 定される。（TEは短く） 最小：０、最大：１ 緩和 方向 信号 取りだし 90度 パルス ② 90度パルス ① 短いTR 短い TE 90度 パルス ②へ 短いTR 新潟大・歯・西山 TR,TEと各種強調画像との関係 （SE系） TE (msec) 100程度 ～20程度 T2強調画像 T1強調画像 500程度 PD強調画像 2000～4000程度 TR (msec) 新潟大・歯・西山 ＣＴとＭＲＩの対比 左側下顎骨骨髄炎・骨周囲炎（成人男子） CT 軟組織条件 T2強調画像（脂肪抑制併用） CT 硬組織条件 T1強調画像 新潟大・歯・西山 Synovial (osteo)chondromatosisの例 滑液の貯留ないし含水量の多い軟組織（T2WI高信号）内に 多数の軟骨・石灰化物（T2WI低信号） 脂肪抑制併用のT2WI 矢状断画像 水分の多い領域 内部に水分の乏 しい領域 水分の少ない 領域 脂肪抑制併用のT2WI 冠状断画像 水分の少ない領域 水分の多い領域 内部に水分の乏 しい領域 新潟大・歯・西山 SE系列でも高速撮影では T2強調画像で脂肪信号が高くなる 脳脊髄液の信号強度に注意！！ LPM TM Fast SE, T2WI （脂肪抑制併用） Fast SE, T2WI（脂肪抑制なし） MM Fast SE, T1WI Fast SE, PDWI 新潟大・歯・西山 補遺：TE時間後の信号の取得方法 （SE、GRE、UTE etc.） • とりあえずSE法に ついて理解するこ と！！ 電磁波（180°パルス）を使用する方法 後は画像を見なが • スピンエコー法（SE） ら、現場で身につ • 静的な局所磁場の影響を消去する方法で、歪みにくい。 けた方がいい。 • 比較的、検査時間が長くなる。 • 傾斜磁場（高速反転）を使用する方法 • グラデュエントエコー法（GRE法）、フィールドエコー法（FE法）。 • 比較的、検査時間が短い。 • 静的な局所磁場の影響を受け、歪みやすい。 • FID減衰に直接フーリェ変換を使用する方法（等） • 超短TE法（UTE法；Ultrashort-TE） • 含水量の非常に少ない組織（歯・骨の水）を画像化する。 • 周囲に信号強度の強い組織があると判別できない。（マルチエコーに よる差分等が必要） ※エコー信号としては取得できない場合でも、TE相当の時間については、TEという用語を用いているようです。 新潟大・歯・西山 SE: Spin Echo GRASS: Gradient Recalled Acquisition in the Steady State IR: Inversion Recovery 補遺：各種撮影法について 概念を抑える程度に！ 学部学生は個々のシーケンスまでは不要 • スピンエコー系 --- SE • SE, fast SE(turbo SE), IR SSFP: Sｔeady-State Free Precession FISP: Fast Image with Steady-state Precession PSIF: time reversed FISP • グラディエントエコー系 --- GRE （ FE ） • スポイラーパルスをかけないもの（横磁化を残す） • FID収集；GRASS (FISP)、 エコー信号収集；SSFP （PSIF）、FID+エコー信号収集；FIESTA、特殊；CISS • 基本的にT2を強調（本当はT2/T1等複雑）。 • スポイラーパルスをかけるもの（横磁化を消す） • SPGR (FLASH), fast SPGR (turbo FLASH) • 基本的にT1およびPDを強調。 SPGR:SPoiled GRass FIESTA: Fast Imaging Employing STeady-state Acquisition CISS:Constructive Interference in Steady State, （FISP+PSIF+α） FLASH:Fast Low Angle Shot 新潟大・歯・西山 スピンエコー系（１） • SE (spin echo) • 典型的・基礎的な撮影方法。 • 分かりやすいので信号強度の説明に用いられる。 • FSE (fast SE)、TSE (turbo SE) • SEでT2強調画像を得ようとすると、10分以上必要 • 1回のTR内にて多数のエコーを収集することで、 短時間にてT2強調画像を得ようとするもの。 • 通常のSE法と比較して、j-couplingと呼ばれる現 象にて、脂肪信号が上昇するので注意！！ • 現在、撮影の中心的な位置を占めている。 新潟大・歯・西山 スピンエコー系（２） • SE (spin echo) • シングル・エコー； 90°-180° • 一回のTR中に、エコーを一つ • マルチ・エコー; 90°-180°x(2 or 4) • 一回のTR中に、エコーを２つないし4つ • FSE (fast SE)、TSE (turbo SE) • 一回のTR中に、エコーをたくさん; 90°-180°xn • IR (inversion recovery); 180°-180° • STIR（脂肪抑制）、FLAIR(水抑制) STIR: Short TI Inversion Recovery FLAIR: FLuid-Attenuated Inversion Recovery 新潟大・歯・西山 SE系とGRE系 （１） • スピンエコー系 • • • • TR間隔で90°パルスを使用する 十分な縦磁化の回復を待つ必要あり 時間がかかる 磁場の不均一性による影響が小 • グラディエントエコー系 • • • • z軸 α TR間隔で小フリップ角(α<90°）を使用する 縦磁化成分が最初から十分残っている 短時間で撮影できる（反転に変動磁場をもちいる） 磁場の不均一性による影響が大（T2*で画像化） • ただし、TEを短くすることで、影響を抑えることができる。 xy平面 信号として 受信される 新潟大・歯・西山 SE系とGRE系 （２） スピン の反転 撮像 時間 局所磁場 基本的 の影響 な式 理解 しやすさ スピン 電磁波 エコー系 180度パルス 相対的 に長い 小さい 簡単 理解 しやすい グラデュ 磁場 エント 傾斜磁場 エコー系 相対的 に短い 大きい 複雑 理解 しにくい 新潟大・歯・西山 メタルアーチファクト（矯正用ブラケットの例） 貴金属、チタンではほとんど生じませんが、非磁性体の合金であっても、 組成に強磁性体（Co,Ni等）を含む場合に強いアーチファクトが生じます。 位置のズレ、信号強度の変化 信号欠損（signal void） グラデュエントエコー（フィールドエコー）法 スピンエコー法 グラデュエントエコー法で影響が強く、スピンエコー法では影響が弱くなります。 新潟大・歯・西山 MRI、T1WI チタンプレートの例 MRIでのアーチファクトが少ない。 CT軟組織表示 CT硬組織表示 新潟大・歯・西山 補遺・任意断面の撮影・その2 平面内での位置情報 2次元フーリエ変換の意味を理解する。 TRとTEのタイミングで与えられる傾斜磁場の役割。 スライス面選択(1次元）＋2次元平面内の位置 ＝3次元位置情報 新潟大・歯・西山 スライス面内での 2次元位置情報の付与 x軸方向の傾斜磁場 α相当 軸位 方相 向エ のン 傾コ 斜ー 磁 場ド y 1).z軸方向の傾斜磁場によるスライス選択 磁場強度B0の断面（「その１」参照） B0 周波数エンコード 3).スライス内のデータに対し、倒れ たスピンからの信号を受信するとき に、回転する磁化ベクトルの位相（ス タートポイント；β）と、回転周波数（回 転速度；α）とを変えることで、２次元 平面の座標系にマッピングする。 β β ω0=γB0 α 下から見た回転 2).スライス選択後、巨視的磁化ベク トルの歳差運動の位相と周波数を傾 斜磁場にて修飾して信号を受信する。 相 当 4).ある時刻（t）での信号強度（SI）を三角関数で表すと、 SI（α,β） = A×expi(αt＋β) = A×(cos (αt＋β)+i×sin(αt＋β) ) となり、波と強度の関係になる。これをフーリエ変換（逆 フーリエ変換に相当）すると、位置と強度の関係に戻る。 SI（x,y）=F（SI（α,β）） 新潟大・歯・西山 傾斜磁場と信号受信（概略図） TR毎に位相方向の傾斜磁場強度を変えながら繰り返す β相当 位相方向の 傾斜磁場 平面内で直 交する2軸 α相当 周波数方向の 傾斜磁場 β相当：たとえば、-127から+127まで 256段階の傾斜磁場をTR毎に変えて 与える。256段階であれば、一段階ごと のβの角度差は360度/256に設定。 α相当：信号を受信して いる間中、傾斜磁場をか け続ける。 信号の 取り出し 時間軸 ※周波数方向の傾斜磁場強度によって受信すべき中心周波数(B0)に幅が生じる。 このため、バンド幅と呼ばれる一定の周波数帯域の信号を受信することになる。 ※実際にはスライス選択用の傾斜磁場と同時に用いられる。また、傾斜磁場の 前後に、補正用の傾斜磁場を付与することになる。 新潟大・歯・西山 SI(x,y) 位置→信号強度 y x SI(α,β) x1 y1 x2 y1 x3 y1 x4 y1 β1 x1 y2 x2 y2 x3 y2 x4 y2 x1 y3 x2 y3 x3 y3 x4 y3 x1 y4 x2 y4 x3 y4 x4 y4 ④ 2次元フーリエ変換 β β1 β1 β2 β2 β2 β2 β3 β3 β3 β3 β4 β4 β4 β4 TR間隔での動きの影響を受けやすい 短時間の収集なので動きの影響を受けにくい ③ SI(x,y)→SI(α,β)＝exp[(αｔ＋β)i]としてデータ収 集。K空間と呼ばれる。 ④ SI(α,β) → SI(x,y)として画像に変換。 ①xy 平 面 全 体がβの値に よって行単位 のデータに圧 縮される ② エコー信号 収集中に一定 の傾斜磁場を 与え続ける α ② １回のエコー収集時に、傾斜磁場を与えつづけ ることで、回転速度（周波数）の異なるデータを 得る。すなわち、周波数エンコード(α)を与えなが らデータ収集する。 • β1 ① 傾斜磁場を ＴＲ間隔で変化 ① TR時間ごとに短時間の傾斜磁場を使って、位相 をずらす（波のスタートポイントをずらしていく）。 すなわち、位相エンコード(β)を変えていく。 • k空間：周波数・位相→信号強度 α exp[(t+βk)i] β α1 β1 α2 β1 α3 β1 α4 β1 α1 β2 α2 β2 α3 β2 α4 β2 α1 β3 α2 β3 α3 β3 α4 β3 α1 β4 α2 β4 α3 β4 α4 β4 exp[(αjt+βk)i] ③ 各行がα の値によって、 各列に配分さ れる。 新潟大・歯・西山 位相エンコード方向の モーションアーチファクトの例 頸動脈（および椎骨動脈など）の拍動によるアーチファクト。 動脈の拍動部分から信号の強弱の斑紋様パターンが位相 エンコード方向に分布している。 周波数 エンコード 方向 位相 エンコード 方向 SE系列、T1強調・ダイナミック造影（15秒間隔、３フェーズ目） 新潟大・歯・西山 参考資料 • MRIの基本 パワーテキスト第2版―基礎理論から最新撮像法まで、 Ray H. Hashemi (原著), Christopher J. Lisanti (原著), William G.,Jr. Bradley (原著),メディカル・サイエンス・インターナショナル、6,500円（税 別） • MRI「超」講義―Q&Aで学ぶ原理と臨床応用、 Allen D. Elster (原著), Jonathan H. Burdette (原著)、メディカル・サイエンス・インターナショナ ル、5,800円（税別） • MR撮像技術学、日本放射線技術学会（監修）、オーム社、4,900円（税 別） • MRIデータブック、MEDICAL VIEW、6,000円（税別） • NMRハンドブック 、Ray Freeman (著)、共立出版、8,400円 • パルスおよびフーリェ変換NMR―理論および方法への入門 (現代科学) 、Thomas C. Farrar (著), Edwin D. Becker (著)、吉岡書店 • 生体系の水、上平 恒 、 逢坂 昭 (著) 、講談社 • 細胞の中の水、パスカル マントレ (著), 辻 繁, 落合 正宏, 中西 節子, 大 岡 忠一 (翻訳) 、東京大学出版会、5,200円（税別） 新潟大・歯・西山