第32回MR基礎講座 (関西） 2010.7.31 京都国際会館 画像法の原理(6) 拡散画像3 荏原病院放射線科 井田正博 拡散画像のMR信号 拡散係数を求める MR 信号 SI = N(H) ・ (1 - e -TR/T1) ・ e -TE/T2 ・ e -bD プロトン 密度 S(h) = T1緩和 縦緩和 縦磁化の回復 T2緩和 横緩和 S (0) log S (h) = log S (0) + (-bD) log [ S (h) / S (0) ] = - bD D ≒ ADC = log [S (h) / S (0) ] / -b 拡散 ・ e –bD ln S(h) = -bD + lnS(0) 拡散係数Dは傾き ln SI • D = - ln [ S(h) / S(0) ] / b • bD = - ln [ S(h) / S(0) ] • bD = - ln S(h) + ln S(0) ln S(h) = -bD + ln S(0) • Dは傾き T2WI ln S(h) = -bD + lnS(0) 1000 b-value – D= - [ ln S(h) - S(0) ] / b – b=0のときはT2WIの信号 強度 ln S(h) = ln S(0) – bが増大すると信号強度は 低下する． ADC：2点の信号から計算 ln SI = -bD + lnS0 b-value 1000 • 異なるbの2点の信号強度は がわかれば，Dが計算できる． • D = - ln [ S(h) / S(0) ] / b • bD = - ln [ S(h) / S(0) ] • bD = - ln S(h) + ln S(0) ln S(h) = -bD + ln S(0) • Dは傾き – D= - [ ln S(h) - S(0) ] / b – b=0のときはT2WIの信号 強度 – bが増大すると信号強度は 低下する． • Sh = S0 e -bD みかけの拡散係数 Apparent Diffusion Coefficient：ADC • 異なるMPGを印加した画像の信号比から D = - ln [ S(h) / S (l) ] / bh-bl • S(h): 高いb値のMPG印加．S(l): 低いb値 • b = 1000，0 を測定する． D = - ln [ S(1000) / S (0) ] / 1000 ADC：2点の信号から計算 ln SI = -bD + lnS0 ln SI = -bD + lnS0 b-value • 異なる2点の信号強度はがわかれ ば，Dが計算できる． • 正確に測定するなら，3点以上計測 し，回帰直線を求める． b=0-50 b=1000-1200 • D = - ln [ S(h) / S(0) ] / b 拡散にもさまざまな成分がある Bi-exponential diffusion 3300 GM WM CSF 3100 2900 • ln Sh = -bD + lnS0 – 実測すると直線関係にならない 2700 Signal intensity 2500 2300 • 拡散にもさまざまな成分がある． – first components (Df) – slow components (Ds) – S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df) 2100 • Bi-exponential diffusion • Multi-exponential diffusion 拡散にもさまざまな成分がある Bi-exponential diffusion • ln Sh = -bD + lnS0 – 実測すると直線関係にならない • 拡散にもさまざまな成分がある． Signal intensity – first components (Df) – slow components (Ds) – S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df) b値 • Bi-exponential diffusion • Multi-exponential diffusion 拡散にもさまざまな成分がある Bi-exponential diffusion • ln Sh = -bD + lnS0 – 実測すると直線関係にならない Signal intensity • 拡散にもさまざまな成分がある． D1 D2 – first components (Df) – slow components (Ds) – S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df) • Bi-exponential diffusion • Multi-exponential diffusion 拡散にもさまざまな成分がある Bi-exponential diffusion • ln Sh = -bD + lnS0 – 実測すると直線関係にならない Signal intensity • 拡散にもさまざまな成分がある． – first components (Df) – slow components (Ds) – S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df) • Bi-exponential diffusion • Multi-exponential diffusion ln Sh = -bD + lnS0 脳梗塞超急性期 T2WI 信号 T2WI 等信号 0 1000 0 脳梗塞亜急性期 T2WI 高信号 0 T2WI : 等信号 DWI : 高信号 ADC : 低下 1000 脳梗塞慢性期 T2WI : 高信号 T2WI : 高信号 DWI : 高信号 DWI : 低信号 ADC : 上昇 ADC : 上昇 1000 0 1000 b-value 脳梗塞亜急性期 T2 Shine through T2WI : 高信号 DWI : 高信号 ADC : Pseudonormalization～上昇 T2WI 高信号 0 1000 拡散低下ではなく、T2延長が原因で、DWI高信号になる状態 – – 脳梗塞発症後2-3日まはADC低下を反映する。T2の影響は少ない。 発症6日以降はT2延長（T2ＷＩ高信号）が反映される (T2 Shine through) DWIで高信号でも、T2WIで高信号ならば必ずADCを評価する。 1. Burdette JB, AJR 171:791-795 1998 T2WI 高信号 0 超急性期梗塞 Posterior Reversible Encephalopathy Sx 1000 血管性浮腫 T2WI : 高信号 DWI : 高信号 ADC : 上昇 細胞性浮腫 血管性浮腫 細胞外液腔狭小化 細胞外液増量 拡散低下 拡散上昇 T2変化なし 自由拡散と制限拡散 自由拡散 • 細胞外 • 脳脊髄液腔、膀胱、 嚢胞性腫瘤 • 拡散を制限する構造 がない • 粘稠度に比例 制限拡散 • 細胞内（小器官） • 拡散を制限する隔壁 等方性拡散と異方性拡散 自由な拡散 等方性拡散 isotropic • すべての方向への均等な拡散 方向の制限された拡散 異方性拡散 anisotropic • 方向の制限された拡散 拡散の異方性 髄鞘 軸策 神経細胞 拡散 ADC DWI 軸策に直交 小 小 高信号 軸策に平行 大 大 低信号 拡散異方性 Diffusion anisotrophy 中枢神経では方向の揃っ た有髄神経線維軸索によ り，拡散方向に制限がある． 有髄神経に平行方向の拡 散が大きい MPGを印加した軸上の拡散が測定される 90deg 180deg Echo RF pulse MPG MPG MPG MPG MPG MPG z : slice y p : phase z r : read x y 静磁場方向 z z x MPGを印加した方向の拡散現 象のみ測定される 拡散異方性 神経線維（軸策）と髄鞘に平行な方向に大きな拡散 軸策と髄鞘 直交方向に MPGを印加 直交方向 – 小さな拡散が測 定される – 神経線維が高 信号 2. 平1．0行方向 – 大きな拡散成分 が測定される。 – 神経線維が低 信号 1. 拡散異方性 神経線維（軸策）と髄鞘に平行な方向に大きな拡散 軸策と髄鞘 直交方向に MPGを印加 平行方向に MPGを印加 直交方向 – 小さな拡散が測 定される – 神経線維が高 信号 2. 平行方向 – 大きな拡散成分 が測定される。 – 神経線維が低 信号 1. 拡散異方性: 神経線維（軸策）と髄鞘に平行に大きな拡散 軸策と髄鞘 軸策と髄鞘 Dg2 Dg1 1. 平行方向に印加 移動量 Dg1は大き く，MPGによる信 号低下は大きい． 相対的に周囲脳 実質よりも低信号 脳梁膨大部 2. 直交方向に印加 移動量 Dg2は小さ く，MPGによる信 号低下は小さい． 相対的に高信号 拡散異方性と拡散テンソル l1 z xz yz • • 拡散テンソルDの固有値 eigenvector l1 > l2 > l3 ADC = ( l1+ l2 + l3 ) / 3 = (Dxx+Dyy+Dzz) / 3 l2 x y 軸策と髄鞘 l3 xy 拡散テンソル画像 Fiber tracking l1 z l2 x y l3 髄鞘崩壊、軸策壊死→拡散異方性の低下 正常な軸策と髄鞘 • 神経線維に沿った • 拡散異方性 脱髄、軸策壊死 • 拡散異方性の消失 画像法の原理(6) 拡散画像 • 今日から拡散画像を勉強 する方へ • 拡散とは • 拡散を測定する – 位相、勾配磁場 – b値 • 自由拡散と制限拡散 • ADCを求める – Multi-exponential • 拡散テンソル • 拡散画像の画質改善 • 結語 iPAT and 3-T; 磁化率変化の影響を最小限に Optic nerve Vision 1.5-T • TE/ b = 54/ 1000 • w/o iPAT Trio 3-T Avanto 1.5-T • • • TE/ b = 83/ 1000 Matrix head coil iPAT 2 / Ave. 3 • • • TE/ b = 76/ 1000 32-matrix head coil iPAT 4 / Ave. 5 • Single-shot EPI によるＤＷＩでは磁化率変化による頭蓋底への画像のゆが みが常に問題となる • 強い傾斜磁場．3Tesla におけるＳＮＲの向上、高空間分解能化、parallel imaging技術により これらの問題は改善される 拡散画像とParallel imaging • 磁化率susceptibilityの影響の低減 • Single-shot EPI – k空間のsampling数の低下→sampling時間の短縮 – 位相エンコード方向の位相シフトの集積が低減する． sampling 時間 磁化率による 位相シフト f1 f1> f2 f2 高磁場装置とコイルエレメント数の増加 ３Ｔ装置と32チャネルコイル – 信号雑音比の向上 – 高分解能化 – 撮像時間の短縮 Parallel imaging – 展開精度 – Reduction factorの増加 • SARの低減 • 撮像時間短縮 拡散はプロトン密度 T1緩和 T2緩和とは独立したparameter 荒木力著 拡散MRI 秀潤社 MR 信号 SI = N(H) ・ (1 - e -TR/T1) ・ e -TE/T2 ・ e -bD プロトン 密度 T1緩和 縦緩和 縦磁化の回復 スピン‐格子 緩和 T2緩和 横緩和 横磁化減衰 スピン‐スピン 相互作用 水素原子核間距離 → nm単位 拡散 mm単位 拡散はプロトン密度 T1緩和 T2緩和とは独立したparameter 組織成分や組織構築といった微細な物理環境を反映する． 結語 ： 拡散画像 MR 信号 b: b値 D： 拡散係数 SI = N(H) ・ ・ e -TE/T2 ・ e -bD プロトン密度 T2強調画像(b=0) 拡散強調画像DWI T2緩和 拡散 ADC画像 拡散はプロトン密度 T1緩和 T2緩和とは独立したparameter 組織成分や組織構築といった微細な物理環境を反映 • 全例（脳、躯幹、腫瘤性病変）に拡散画像を施行する意義あり
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