1. 頭部領域 - 神奈川 MRI 技術研究会kanamri.umin.ne.jp/37_1-1_PDF.pdfKitasato University Hospital 第37回神奈川MRI技術研究会教えてください 1.5Tと 3Tでは何がどう違うのですか？

Kitasato University Hospital

第37回神奈川MRI技術研究会

教えてください1.5Tと3Tでは何がどう違うのですか？

1. 頭部領域

北里大学病院小見正太郎

2017.11.17


• MR Angiography

• MR Perfusion(DSC, ASL)

• MR Spectroscopy

• MR Tractography

• functional MRI

• SWI

3Tが苦手なもの

• T1 コントラスト

• 歪み

• B1の均一性

3Tが得意なもの


• MR Angiography

• MR Perfusion(DSC, ASL)

• MR Spectroscopy

• MR Tractography

• fnctional MRI

• SWI

• T1 コントラスト

• 歪み

• B1の均一性

3Tが苦手なもの3Tが得意なもの


本日の内容

• SNR

• T1延長

• MT効果

MR Angiography(TOF)

MR Perfusion (ASL)

T1 contrast


本日の内容

• SNR

• T1延長

• MT効果

MR Angiography(TOF)

MR Perfusion (ASL)

T1 contrast


その前に


SNRの話の前に

巨視的磁化ベクトル

N+

N-

B0

ボルツマン分布

平衡状態

逆平衡状態

ｚ

ｘ

ｙ

M0

静磁場と同じ向きを向くプロトンの数が多い

→ 巨視的磁化（M0）が生じる


𝑁+ −𝑁− =𝜸𝒉𝑩𝟎

𝟐𝒌𝑻(𝑁+＋𝑁−)

平衡状態にあるスピンの数は、逆平衡状態のあるものよりも、

全スピン数の𝛾ℎ𝐵0/2𝑘𝑇だけ多い。

SNRの話の前に

巨視的磁化ベクトル

𝑀0 =𝛾ℎ𝐵02𝑘𝑇

×𝛾ℎ𝜌02

スピン数の差に、平衡状態のスピンの

磁気モーメントとプロトン密度をかけ

るとM0になる。

（MEMO）


3TのSNR増加

N+

N-

N+

N-

M0 M0

磁場強度が増えると、スピン数の差が増加するためSNRがUP

ボルツマン分布

平衡状態平衡状態

1.5T 3T

逆平衡状態逆平衡状態


3TのSNR増加

3T 3D FSPGR 1.5T 3D FSPGR

理論通りの『2倍のSNR』とまでは行かないものの、3TのSNR

増加は高分解能化や撮像時間短縮に十分貢献する。


T1緩和

スピン－格子相互作用

RFパルスから受け取ったエネルギーを周囲の格子(分子)に

与えて熱平衡状態に戻る過程。

共鳴周波数と同じ速さで運動する分子にはエネルギーを渡しやすい＝T1が短い


T1延長

磁場強度増加に伴いT1が延長するのはなぜか？

共鳴周波数が上がると、これと同じ

周波数で運動するプロトンが減るため、

エネルギーを受け渡す効率が悪くなる。


本日の内容

• SNR

• T1延長

• MT効果

MR Angiography(TOF)

MR Perfusion (ASL)

T1 contrast


TOF-MRA

3Tの長所（1.5Tとの比較）

• 飽和効果の増強＝脳実質信号の低下

• SNRの向上

• 流入効果の増強＝血流信号の増加


流入効果の比較

3Tの方が、

流入してくる血液の縦磁化が大きいため、血流信号が増強

1.5T 3T


飽和効果の比較

1.5T 3T

3Tの方が、

T1延長のため、静止組織の縦磁化の回復が遅くなり信号低下


3T TOF-MRA MIP 1.5T TOF-MRA MIP

Scan time, 3:45

TR, 33 ms ; TE, 3.4 ms (out of phase)

Matrix, 320*192

Slice thickness, 1.2mm

Flip angle, 20°

Fat sat (－)

Scan time, 3:45


Matrix, 320*192

Slice thickness, 1.2mm

Flip angle, 20°

Fat sat (－)

血管と背景のコントラストが高く、血管の描出能が高い

3Tの方が・・

健常ボランティア


3Tの高いSNRを生かし、高分解能撮像で穿通枝描出も可能

3T TOF MRA partial MIP

Scan time, 6:37


Matrix, 512*224 ; Slice thickness, 0.8 mm

Flip angle, 25°; Fat sat (＋)

3 slab(34slice, over rap 8)


血流が遅い場合は、3Tの方が描出不良となることもある

3T 3T

TR 26 ms, FA 20° TR 30 ms, FA 17°

パラメータを調整して改善

注意

3Tになると、血液のT1も延長しているため飽和効果が増加


TEと脂肪信号

TEが延長すれば脂肪信号は低下

out of phaseの方が脂肪信号低下

1.5T

out of phase

(2.5 ms)out of phase

(6.8 ms)

in phase

(4.6 ms)

脂肪抑制効果を期待してout of

phaseが使用されることが多い

2nd out of phaseが使用される


TEと磁化率の影響

TEが延長すれば磁化率の影響を受けやすくなる

out of phase

(2.5 ms)out of phase

(6.8 ms)

1.5T TOF-MRA

TE延長

1.5T TOF-MRA

MIP MIP


TE 6.8 ms

3T1.5T

TEと磁化率の影響～ 1.5Tと3Tの比較～

TEが同じなら、3Tの方が磁化率の影響を受けやすい

TE 6.8 ms


out of phaseのTE

磁場強度増加

1st out of phase in phase 2nd out of phase in phase

3T 1.15 ms 2.3 ms 3.45 ms 4.6 ms

1.5T 2.3 ms 4.6 ms 6.9 ms 9.2 ms

out of phase (6.8 ms)

out of phase (3.4 ms)

磁化率の影響

UP

TE 短縮

磁化率の影響

Down

out of phase @3T

1.5T

3T

3Tにおけるout of phaseの撮像で、磁化率の影響増大はそれほど顕著ではない。


TOF-MRAのまとめ

• SNRの増加により高分解能化 or 短時間化が可能

3Tは1.5Tに比べて

• 流入効果と飽和効果の増加により血管描出能が向上

• out of phaseのTE短縮により、磁化率の影響は

それほど増えない


本日の内容

• SNR

• T1延長

• MT効果

MR Angiography(TOF)

MR Perfusion (ASL)

T1 contrast


Control Inversion（labeling）

Time delay

for flow

Tagged

Perfusion-weighted

imageControl Tagged

ASL：Arterial Spin Labeling


1.5T

3T

PLD 1525 ms 2025 ms 2525 ms 3025 ms

磁場強度UPによるSNR増加 3D ASL(pCASL)：GE社

Perfusion image


ラベリング効果の持続

血液のT1値 1.5T 1350 ms

3T 1650 ms

Golay X, et al. Neuroimaging

Clin N Am 16(2):259-68, 2006.

延長

Inversion（labeling）

1.5T 3T


1.5T

3T

PLD 1525 ms 2025 ms 2525 ms 3025 ms

Perfusion image

3D ASL(pCASL)：GE社ラベリング効果の持続


長いPLD（Post Labeling Delay）が有用との報告あり

Fan AP, et al. Stroke 48:2441-2449, 2017.

もやもや病

もやもや病におけるASLの堅牢なCBF評価のために、4秒以上のPLDが必要

長いPLDで、血流の到達遅延領域の信頼性の高い評価が可能


CBF map

PLD 1525 ms 2025 ms 2525 ms 3025 ms

1.5T

3T

3D ASL(pCASL)：GE社


ASLのまとめ


• ラベリング効果の持続により、長いPLDでも画質が安定

→ もやもや病などの脳血管疾患で有用


本日の内容

• SNR

• T1延長

• MT効果

MR Angiography(TOF)

MR Perfusion (ASL)

T1 contrast


一般的に、3Tの方が白質と灰白質のコントラスト

が不良と言われている。

T1強調画像のコントラスト@SE法

3T 1.5T


T1強調画像のコントラスト@GRE法(3D)

3T 1.5T

3Tでは、GRE法（3D）で代用すべきとの話も・・


実際は、3Tは1.5Tと同等以上のコントラストを有する

Single-slice撮像でのコントラスト@SE法

1.5T3T


・MT（magnetization transfer）効果

・Cross-talk効果

Multi-slice撮像による

コントラスト悪化の原因



・Cross-talk効果




MT効果

その前に

• MR画像に直接寄与するのは『水』,『脂肪』のプロトン

• 水には『自由水』と『結合水』がある

自由水（Hf）：自由に動ける水，T2値が長い

結合水（Hr）：動きの制限された水，T2値が短い

• MR画像に直接寄与するのは『自由水』

結合水の信号

very short T2 < 200μs

Broad band spectrum

Signal

＞ 10kHz

time Hz

Long T2 < 10ms

＞ 100Hz

Sharp spectrum自由水の信号Signal

＜T2と共鳴周波数幅は反比例＞


• 自由水と結合水は磁気的な相互作用を持ち、

一方の緩和や飽和が他方の緩和や飽和に影響を与える

• その過程が、磁化移動（MT）

蛋白質

結合水

自由水

磁化移動

MT効果

磁化移動＝MTとは？


MT効果

MTパルス

結合水（Hr）

自由水（Hf）

ωω0

①MT pulse

ωω0

②結合水が飽和

③自由水のピークも低下

off-resonance法

結合水と自由水のT2値の差を利用

（T2値が異なる＝共鳴周波数幅が異なる）

自由水の共鳴周波数（ω0）から大きく離れた周波数のRF pulseを照射。

脳実質はMT効果の

影響を受けやすい


Multi-slice撮像によるMT効果

ω

RFパルス：90°, 180°

（周波数 ωMT）

ｘ[m]

B0

ω0 ωMT

RFパルス：90°, 180°

（周波数 ωMT）

信号低下

ω0 ωMT

スライス選択傾斜磁場により、

各スライスは共鳴周波数が異なる。

あるスライスへのRFパルスが、

他のスライスにMT効果をもたらす

Incidental MT効果と呼ばれる


T1強調画像における

MT効果の影響@1.5T1 Slice 3 Slice 7 Slice

13 Slice 19 Slice

TR 700 ms

TE 10 ms

FA 90°

Slice thickness 5 mm

Slice gap 1 mm


T1強調画像における

MT効果の影響@3T1 Slice 3 Slice 7 Slice

13 Slice 19 Slice

TR 700 ms

TE 10 ms

FA 90°


Slice gap 1 mm


MT効果： 3T＞1.5T、白質>灰白質In

cid

en

tal M

TR

at 1

.5T

(%)

Slice number

Inci

den

tal M

TR

at 3

T(%

)

Slice number

白質

灰白質

白質

灰白質

Chang Y, et al. J Magn Reson Imaging. 25:862-5, 2007.

iMTR image


T1コントラストの改善には

低いFAが有効

Gray-to White matter

CNR

Contrast

Martin H.K, et al. American Journal of Neuroradiology

26:2000-2004, 2005.

TR 700ms

TE 10 msMatrix 256×256

FOV 220cm


19slice

FA

3T


50° 70° 90°

110° 130°

T1コントラストの改善には

低いFAが有効自験例

確かに！！

3T


低いFA＝RFパルスの出力低減

その結果、MT効果減少 T1コントラスト改善

ωω0

FA大

ω0

FA小

ωMT ωMT


ちなみに

Presaturation pulseの影響

I sat

Sat onSat off

Kasahara S, et al. Acad Radiol 6:852-7, 2009.

これもMT効果の影響

3T 3T


Presaturation pulseの影響

実際にやってみると、確かにコントラストが低下した

Sat off Sat on


磁場強度が増加すると、MT効果が増加するのはなぜか？

長い相関時間を有する結合水プロトンのT1値

がB0の2乗に比例する。

MT効果はT1/T2の平方根に依存する。

高分子サイズと相関時間がMT特性に直接影響する。

Bloembergen N, et al. Phys Rev 1948;73:679–712.

McGowan JC, et al. Magn Reson Med 1994;32:517–522.

Koenig SH, et al Biochemistry 1978;17:4348–4358.

Zhong J, et al. Magn Reson Med 1989;11:295–308.

Kennan RP, et al. JMagn Reson B 1996;110:267–277. ちょっと難しいです

T1延長の影響のようです・・・



・Cross-talk効果




あるスライスに対して、その隣のスライスへの励起パルスが

干渉してSNRの低下をきたすこと。

干渉

90°

TR

スライス1

90°

スライス2

実質的なTRが短縮

90°

干渉

Cross-talk効果


あるスライスに対して、その隣のスライスへの励起パルスが

干渉してSNRの低下をきたすこと。

干渉

90°

TR

スライス1

90°

スライス2

90°

Cross-talkなし

Cross-talkあり信号低下

Cross-talk効果


90° TR

スライス1

Cross-talkなしCross-talkあり: 1.5T

Cross-talk効果は３Tの方が大きい

90°

スライス2

90°

Cross-talkあり: 3T

1.5Tに比べて3TではT1緩和時間が延長するため


Cross-talk効果を軽減するには

Fushimi Y, et al. Eur Radiol 17:2921-5, 2007.

Slice間隔を広げる

スライス1

スライス2

スライス3

スライス4

スライス1

スライス2

スライス3

スライス4

コントラストが改善


Cross-talk効果を軽減するには


3T

Sequential 100% Interleaved 200% Interleaved

Sequential収集から

Interleaved収集に変える

158s 314s 450s

スライス1

スライス2

スライス3

スライス4

1st 2nd 1st 2nd

コントラストが改善

Kitasato University HospitalKasahara S, et al. Acad Radiol 6:852-7, 2009.

Interleaved収集Sequential収集

TR TR TR

MT効果軽減の影響も考えられる

Interleaved収集の方がTR中のRFパルスが少ない

Interleaved収集

コントラストが改善するのは・・・


T1 Contrastのまとめ

• Multi-slice撮像の影響が強い

→ MT効果やCross-talk効果が原因


• Flip Angleやデータ収集方法(Interleaved)の工夫が必要

• Presaturation pulseの影響は無視できない


本日のまとめ

1.5Tと3Tでは何がどう違う？

本日は『3TではT1が延長する』がメインテーマでした

3TのT1延長は、良くも悪くも、

様々な形でコントラストやSNR

などの画質に影響します。


参考文献

浦山慎一, 3T MR Physics. 日磁医誌第28巻4 号(2008)

荒木力， MRI 完全解説第2版秀潤社

INNERVISION(23・9)2008

三木幸雄, 3T MRI:1.5T MRIとの比較を中心に.日獨医報第54巻第3・4号16-2(2009)

Golay X, et al. Neuroimaging Clin N Am 16(2):259-68, 2006.

Fan AP, et al. Stroke 48:2441-2449, 2017.

Chang Y, et al. J Magn Reson Imaging. 25:862-5, 2007.

Martin H.K, et al. American Journal of Neuroradiology 26:2000-2004, 2005.


Bloembergen N, et al. Phys Rev 1948;73:679–712.

McGowan JC, et al. Magn Reson Med 1994;32:517–522.

Zhong J, et al. Magn Reson Med 1989;11:295–308.

Kennan RP, et al. JMagn Reson B 1996;110:267–277.

Fushimi Y, et al. Eur Radiol 17:2921-5, 2007.

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