画像法の原理 (6)

拡散画像 3

荏原病院放射線科井田正博

第 32 回 MR 基礎講座　 ( 関西） 2010.7.31 京都国際会館

拡散画像の MR 信号拡散係数を求める

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

T2 緩和横緩和

拡散

MR 信号

S(h) = S (0) ・ e –bD

log S (h) = log S (0) + (-bD)

log [ S (h) / S (0) ] = - bD

D ≒ ADC = log [S (h) / S (0) ] / -b

ln S(h) = -bD + lnS(0)拡散係数 D は傾き

• 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　 ln S(h) = ln S(0) – b が増大すると信号強度

は低下する．b-value

ln SI

1000

ln S(h) = -bD + lnS(0)

T2WI

ADC ： 2 点の信号から計算

• 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

b-value

ln SI = -bD + lnS0

1000

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

• 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．

• D = - ln [ S(h) / S(0) ] / b

b-value

ln SI = -bD + lnS0 ln SI = -bD + lnS0

b=0-50 b=1000-1200

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．– first components (Df)

– slow components (Ds)

– S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df)

• Bi-exponential diffusion• Multi-exponential diffusion

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300GMWMCSF

Sig

nal

inte

nsi

ty

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．– first components (Df)

– slow components (Ds)

– S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df)

• Bi-exponential diffusion• Multi-exponential diffusion

Sig

nal

inte

nsi

ty

b 値

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．– first components (Df)

– slow components (Ds)

– S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df)

• Bi-exponential diffusion• Multi-exponential diffusion

Sig

nal

inte

nsi

ty

D1

D2

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．– first components (Df)

– slow components (Ds)

– S = K1 exp (-bDs) + K2 exp (Df)

• Bi-exponential diffusion• Multi-exponential diffusion

Sig

nal

inte

nsi

ty

ln Sh = -bD + lnS0

10000

T2WI信号

b-value10000

脳梗塞慢性期

T2WI : 高信号

DWI : 低信号

ADC : 上昇

10000

T2WI高信号

脳梗塞亜急性期

T2WI : 高信号

DWI : 高信号

ADC : 上昇

10000

脳梗塞超急性期

T2WI : 等信号

DWI : 高信号

ADC : 低下T2WI等信号

T2 Shine through

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（ T2 ＷＩ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

10000

T2WI高信号

脳梗塞亜急性期

T2WI : 高信号

DWI : 高信号

ADC : Pseudonormalization ～上昇

超急性期梗塞

細胞性浮腫

細胞外液腔狭小化

拡散低下

T2 変化なし

血管性浮腫

細胞外液増量

拡散上昇

T2 延長

Posterior Reversible Encephalopathy Sx

10000

T2WI高信号

血管性浮腫

T2WI : 高信号

DWI : 高信号

ADC : 上昇

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

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

等方性拡散と異方性拡散

等方性拡散 isotropic

• すべての方向への均等な拡散異方性拡散 anisotropic• 方向の制限された拡散

自由な拡散 方向の制限された拡散

拡散の異方性

拡散 ADC DWI

軸策に直交 小 小 高信号

　軸策に平行 大 大 低信号

髄鞘

神経細胞

軸策

MPG を印加した軸上の拡散が測定される90deg 180deg 　　 Echo

RF pulse

z : slice

p : phase

MPG MPG

r : read

MPG MPG

MPG MPG

静磁場方向

z

y

x

z

y

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

1. 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

軸策と髄鞘直交方向にMPG を印加

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

1. 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

軸策と髄鞘直交方向にMPG を印加

平行方向にMPG を印加

拡散異方性 : 神経線維（軸策）と髄鞘に平行に大きな拡散

1. 平行方向に印加 移動量 g1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

軸策と髄鞘

2. 直交方向に印加 移動量 g2は小

さく， MPG による信号低下は小さい．

相対的に高信号

軸策と髄鞘

g1

g2

脳梁膨大部

x

y

z1

2

3

軸策と髄鞘

xzyz

xy

• 拡散テンソル D の固有値 eigenvector

1 > 2 > 3

• ADC

= ( 1+ 2 + 3 ) / 3

= (Dxx+Dyy+Dzz) / 3

拡散異方性と拡散テンソル

拡散テンソル画像　Fiber tracking

x

y

z1

2

3

髄鞘崩壊、軸策壊死→拡散異方性の低下

• 神経線維に沿った• 拡散異方性

• 拡散異方性の消失

正常な軸策と髄鞘 脱髄、軸策壊死

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

Vision 1.5-T Avanto 1.5-T• TE/　b　=　83/　1000• Matrix　head　coil• iPAT　2　/　Ave.　3

• TE/　b　=　54/　1000• w/o　iPAT

• TE/　b　=　76/　1000• 32-matrix　head　coil• iPAT　4　/　Ave.　5

Trio 3-T

Optic　nerve

• 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

iPAT and 3-T; 磁化率変化の影響を最小限に

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

>

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

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

拡散

MR 信号

水素原子核間距離 →　 nm単位 m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．

T2 強調画像 (b=0) 拡散強調画像 DWI ADC 画像

結語　：　拡散画像

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

SI = N(H) ・ ・ e -TE/T2 ・ e -bD

プロトン密度 T2 緩和 拡散

MR 信号

b: b 値D ： 拡散係

数