第 31 回北海道核医学技術セミナー 2017.6.17 本日の内容 マルチモダリティによる心臓再考 MRI マルチモダリティによる心臓再考 MRI 北海道大学大学院保健科学研究院医用生体理工学分野杉森博行 MRIの歴史 心臓 MRIの歴史 心臓 MRIでできること 最近のトピックスから MRI の歴史 MRI の歴史 1946 年 1950 年 1970 年 1977 年 1982 年 Felix Bloch Edward Purcell が NMR 信号を発見 電気通信大学の藤原鎮男と林昭一が日本初の NMR 信号を検出 Raymond V. Damadian が腫瘍組織の T1 T2 値を測定 NMRによる初の人体画像撮影に成功 中津川市民病院に国内の病院として最初の診療用永久磁石式 FONAR QED 80αが導入 放射線医学総合研究所に 1983 年常電導垂直型 MARKJ(0.15T) 導入 1977 年 http://www.fonar.com/news/100511.htm 1983 年 1984 年 1996 年 国立大学一号機としてブルッカー社製常電導機 BNT1000J (0.15T) が東北大学抗酸菌研究所に導入 慈恵医大病院に厚生省から認可を受けた東芝の商用機の 1 号機が設置 NMR から MRI に名前が変更 SCMR 設立 2003 年頭部用 3TMRI 装置が薬事承認 2005 年全身用 3TMRI 装置が薬事承認 1983 年 Circulation. 1983;67:251257 心臓 MRI の歴史 本日の内容 1966 年頃 31P NMR spectroscopy 1970 年頃 Looklocker 法 Rev Sci Instrum 1970;41:250 251. 1984 年頃 CineMRI AJR Am J Roentgenol. 1984;142(4):6617. 1985 年頃遅延造影 Int J Card Imaging. 1989;5(1):18. 1989 年頃 Tagging(SPAMM 法 ) Circulation. 1985;71(4):71724. Radiology 1989; 172: 349350 遅延造影 Circulation 1985; 71(4): 717724 1990 年頃心筋 perfusion Radiology, vol.174, pp. 757762, 1990. 1991 年頃 Blackblood 法 Radiology 1991; 181:641643. 1991 年頃 MRCA AJR Am J Roentgenol. 1996;166(6):1399404. 1998 年頃 T2mapping Magn Reson Med. 1998; 39(6): 988 998. 1999 年頃 Strain(SENC,DENSE 法 ) SENC: MRM 2001;46:324 334. 2002 年頃 PSIR 法 Magn Reson Med. 2002 Feb;47(2):37283. 2004 年頃 2011 年頃 T1mapping( 法 ) ECV JCMR 2011;1316. Radiology 1991;181:655 660. DENSE: JMR 1999; 137(1): 247 252. Magn Reson Med. 2004;52(1):1416. 2011 年頃 Compressed SensingCineMRI MRCA Blackblood 法 Radiology 1991;181:655 660. J Magn Reson Imaging. 2011;34(5):10729 AJR. 1996;166(6):1399404. 現在の心臓 MRI では何ができますか?
人々はこう言うが 先天性心疾患の診断における各モダリティの比較 エコー心臓 MRl CT 核医学 左 / 右室機能 壁運動の評価 CineMRI Tagging(SPAMM 法 ) Strain(SENC 法 ) 簡便さ十十十十十十 心電図非同期心電図同期 +++ ++ 十十 持ち運び可 /ICU 使用可 十十十十 被ばく 十十十十 十十十十 金属アーチファクト 十 十十十 十 空間分解能 <1mm 12mm <1mm 510mm 時間分解能 20ms 30ms 60ms 核種による 心内構造の把握十十十十十十十十 心電図非同期 ++ 心電図同期 ++++ 心外構造物十十十十十十十十 右室機能の定量評価十十十十十 心電図非同期心電図同期 拡張能の評価 十十十 十十 大動脈 / 肺動脈血流の定量化 十 十十十十 +++ 弁逆流の定量化 十十十 十十十十 圧較差の評価 十十十十 十 心筋評価 十 十十十十 十 十十十十 Stress imaging 十十十十 十十十 十十十十 冠動脈の描出十十十十十十十 INNERVISION(30 5)2015.P3335 十十 から転載 汎用性 : 心電図同期撮像可能であれば可能 短軸撮像データから容量解析可能 汎用性 : 解析ソフトウェア必要 Tag 格子の大きさに限界有り 汎用性 : 特殊撮像シーケンス / ソフトウェア必要 Pixel 単位での局所壁運動評価可能 Tagging(SPAMM 法 ) の解析は専用ソフトウェアが必要となる 心臓 MRIでできること心筋形態 / 組織性状の評価 Blackblood 法 MRCA 冠動脈形態の評価 CPR 処理 (Curved Planar Reformation) 汎用性 : 汎用性 : 心電図同期撮像可能であれば可能 良好な脂肪抑制必須撮像時間 510 分 PhyZiodynamics Technology を利用した動態解析 ZIOSTATION2 浮腫 炎症範囲の検出 限定的利用 ( 腎機能 アレルキ ー等 ) 川崎病 2 歳 : HR96 心筋虚血の評価心筋 perfusion Stress: 汎用性 心筋バイアビリティーの評価遅延造影 TI 任意入力 : 汎用性 PSIR 法 : 汎用性 遅延造影像の各造影パターン amyloidosis myocarditis Rest: 汎用性 TI=300[ms] HOCM better 3TMRI の高 SNR を利用 TI=400[ms] Looklocker 法 (TIscout): 汎用性 muscular dystrophy MBF の算出
最近のトピックスから T 1 緩和 T 1 値とは造影剤の効果 T 1 値測定方法 T 1 mapping (modified LookLocker sequence) NativeT1 Postcontrast T1 細胞外液分画 (ECV) T 1 緩和 T 1 値とは RF パルス印加 100% 63% 静磁場強度 1.5T or 3.0T 人体が MRI 内に入ると生体内のプロトン ( 水素原子核 ) が静磁場方向に向く RF パルスを印加すると静磁場方向を向いていたプロトンは倒されるが RF パルス印加をやめると静磁場方向に戻る T 1 緩和 T 1 値とは T 1 値 ms t 心筋 血液をはじめ生体すべての組織が固有の T 1 値を持っている 造影剤の効果ガドリニウム造影剤 T 1 値短縮効果 信号強度 T 1 値短縮効果造影前 造影剤によって画像上, 高信号となる M = M0 (1e t/t1 ) T 1 強調画像で撮像すると造影されているところは信号が高い 造影後 造影前造影後 時間 [ms] MRI 画素値の扱いの難しいところ 造影剤投与後 遅延造影像 (T 1 強調画像 ) amyloidosis muscular dystrophy myocarditis これらの画素値を測定しても信号強度 [a.u.] であるため値に何の意味もない 相対的な造影効果を見ているだけ 経過観察や治療効果判定などは 造影面積 ( 造影範囲 ) でしか 評価することができない 造影剤による T 1 値短縮効果を評価したい T 1 値測定 T 1 値測定方法 簡易 T 1 値測定方法 厳密な T 1 値測定は inversion recovery(ir) パルス印加後 inversion time(ti) を変化させデータを収集し T 1 緩和曲線を得る IR パルス TI 高速 spin echo 法や Spin echo 法 gradient echo 法は 90 180 IRパルス echo T 1 緩和曲線 TR TI 測定したい T 1 値の 5 倍以上の TR を設定 ( 試料では TR=10000ms 以上で設定したい ) 上記条件を満たし左の曲線を得るには測定点数にもよるが半日以上かかる 臨床では簡易法で測定 MultiBH IRFLASH Segmented LookLocker 空間 SNR 分解能 同じ心時相での収集であるか プリパレーションパルス 時間分解能 ++ ++ Yes IR ++ 必要心拍数 + + No IR +++ ~20 HB ++ ++ Yes IR ++ T1 値 Accur acy T1 値 Precis ion その他 10 GRE readoutのため HB ++ ++ MT 効果やT2の影響は無視できる ++ ++ sh ++ ++ Yes IR ++ 9 HB ++ ++ variants 心筋 T 1 mapping 用簡易 T 1 値測定シーケンス一覧 GRE readout のため MT 効果や T2 の影響は無視できる 17 HB ++ ++ SSFP readout のため SSFP readout のため fitting 条件に影響を受ける ++ ++ Yes IR ++ 912 HB ++ ++ SSFP readout のため SASHA ++ ++ Yes SR ++ 11 HB +++ + 比較的小さい MT 効果の影響あり系統誤差あり JACC Cardiovasc Imaging. 2016 Jan;9(1):6781.
簡易 T 1 値測定方法 各シーケンスの特徴 簡易 T 1 値測定方法 各シーケンスの特徴 Inversion recovery(ir) 法 180 パルス Modified looklocker inversion recovery Sh Shortened 4 シーケンスの比較 vs SAPPHIRE Saturation recovery(sr) 法 90 パルス SASHA Saturation recovery singleshot acquisition SARC Saturation recovery with composite RF pulse Magn Reson Med. 2014 Mar;71(3):102434. は IR 法のため心拍変動に弱い Combined 法 IR/SR パルスの混合使用 SAPPHIRE Saturation pulse prepared heart rate independent inversion recovery シーケンスによって得られる T 1 値が若干異なる and Sh higher precision SAPPHIRE and SASHA higher accuracy Sh SASHA SAPPHIRE Magn Reson Med. 2014 Mar;71(3):102434. Radiology. 2014 Sep;272(3):6839. T 1 mapping (modified LookLocker sequence) 拡張中 ~ 末期の動きの少ない複数時相を得て T1 緩和曲線を算出 T 1 mapping NativeT 1 NativeT 1 : 造影前のT 1 値 T 1 値が長くなる状態 (T 1 値延長 ) 1520 秒の息止め撮像で 1 断面取得可能 1pixel 毎に T 1 値を算出 T 1 map JACC Cardiovasc Imaging. 2016 Jan;9(1):6781. 心筋や間質の浮腫のように水分が増加する病態 JACC Cardiovasc Imaging, 5: 596 603, 2012 局所的あるいはびまん性の線維化 Heart, 99:932 937, 2013. 心筋内あるいは間質へのアミロイド沈着 JACC Cardiovasc Imaging, 6: 488 497, 2013. 心筋梗塞の梗塞部 J Cardiovasc Magn Reson, 14: 15, 2012. 高度の大動脈弁狭窄 Heart, 99: 932 937, 2013. 肥大型心筋症 Circ Cardiovasc Imaging, 5: 726 733, 2012. T 1 mapping NativeT 1 NativeT 1 : 造影前の T 1 値 T 1 値が短くなる状態 (T 1 値短縮 ) 脂肪の存在 J Cardiovasc Magn Reson, 14;59, 2012. 鉄の沈着 Circ Cardiovasc Imaging, 6: 392 398, 2013. T 1 mapping NativeT 1 T 1 mapping により非造影で心筋が評価可能 shortaxis 4chamber Normal T 1 値 [ms] 2100 1750 1400 腎機能が悪く造影剤を使用できない場合でも心筋をある程度評価可能 Amyloidosis 1050 700 アミロイド沈着により T 1 値が延長しているのを反映
T 1 mapping Postcontrast T 1 Case: T 1 mapping Postcontrast T 1 Case: OMI Post contrast T 1 : 造影後の T 1 値 Native T 1 map Post contrast T 1 map LGE Late gadolinium enhancement Native T 1 map Post contrast T 1 map LGE Late gadolinium enhancement ガドリニウム造影剤の T 1 値短縮効果により造影部分の T 1 値が短縮 赤矢印部 ガドリニウム造影剤の T 1 値短縮効果により造影部分の T 1 値が短縮 赤矢印部 Native T 1 map では造影部分の T 1 値が延長しているのが確認できる 橙矢印部 細胞外液分画 (ECV: extracellular volume fraction) 細胞外液分画 = 心筋の間質容積 = fibrosis index ECV Vd(m) Vd(m):myocardial volume of distribution 造影前後のT 1 値を用いて, 撮像当日のヘマトクリット値で補正し算出 1 1 心筋の造影後 T 1 値心筋の造影前 T 1 値 ECV = (1 hematocrit) 1 1 血液の造影後 T 1 値血液の造影前 T 1 値 T 1 mapping 画像処理 ZIOSTATION2 搭載ソフトウェア MR 心筋 T1 マッピング ( ザイオソフト株式会社 ) 簡単 3steps! Native T 1 map 1. 内 / 外膜トレース 2. 血液の関心領域設定 3. ヘマトクリット値入力 造影前後の T 1 map は Auto registration ( 非剛体レジストレーション ) ECV セクター表示 造影前 T 1 緩和曲線結果 ECV 増大 severe AS 陳旧性心筋梗塞の梗塞部心筋炎アミロイドーシス肥大型心筋症の遅延造影部 62 人の正常者の ECV は 25.4±2.5% 正常域は 20.4 ~ 30.4% Postcontrast T 1 map 17セグメント表示可全体 / 内膜側 / 外膜側表示選択可 mapdicom 出力 J Cardiovasc Magn Reson, 14:64, 2012. 造影後 T 1 緩和曲線結果 症例 :OMI まとめ LGE image ECVmap 正常域 :2030% 23% 24% 24% 43% 43% 黄緑 ~ 黄色 :40%70% 62% Native T 1 map Postcontrast T 1 map CMR (Cardiovascular Magnetic Resonance) Cine BlackBooldT1WI/T2WI Strain(SPAMM/SENC/DENSE) Stress/rest Perfusion LGE( 遅延造影 ) MRCA ピクセル毎の T 1 mapping 造影前後の T 1 値 (Native/postcontrast T1map) ECV 算出 T1 値延長を示す 造影剤により T1 値が短縮 定量的評価に限界があった LGE を補完し CMR の臨床的有用性をさらに押し上げる可能性