第3１回 北海道核医学技術セミナー 2017.6.17

マルチモダリティによる心臓再考

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

本日の内容

・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

マルチモダリティによる心臓再考MRI

MRIの歴史

1946年 Felix Bloch、Edward Purcell がNMR信号を発見

1950年 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 80-αが導入

http://www.fonar.com/news/100511.htm

1970年

1977年

1982年

放射線医学総合研究所に常電導垂直型MARK-J（0.15T）導入1983年

1977年

MRIの歴史

国立大学一号機としてブルッカー社製常電導機BNT-1000J（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

全身用3TMRI装置が薬事承認

頭部用3TMRI装置が薬事承認

SCMR設立

NMRからMRIに名前が変更

Circulation. 1983;67:251-257

1983年

1984年

1996年

2003年2005年

1983年

心臓MRIの歴史

Cine-MRI

Tagging(SPAMM法)

T1-mapping(MOLLI法)

遅延造影

Black-blood法

PSIR法Strain(SENC,DENSE法)

ECVCompressed Sensing-CineMRI

T2-mapping

31P NMR spectroscopy 1966年頃

2002年頃 Magn Reson Med. 2002 Feb;47(2):372-83.

1985年頃 Int J Card Imaging. 1989;5(1):1-8.Circulation 1985; 71(4): 717-724Circulation. 1985;71(4):717-24.

Radiology 1989; 172: 349-3501989年頃1990年頃 心筋perfusion Radiology, vol.174, pp. 757-762, 1990.

1984年頃 AJR Am J Roentgenol. 1984;142(4):661-7.

MRCA

AJR. 1996;166(6):1399-404.

1991年頃 AJR Am J Roentgenol. 1996;166(6):1399-404.Radiology 1991; 181:641-643.

1999年頃 SENC: MRM 2001;46:324–334.DENSE: JMR 1999; 137(1): 247–252.

Radiology 1991;181:655–660.1991年頃

Radiology 1991;181:655–660.

Magn Reson Med. 2004;52(1):141-6.

1970年頃 Look-locker法 Rev Sci Instrum 1970;41:250–251.

2004年頃

Magn Reson Med. 1998; 39(6): 988–998.1998年頃

JCMR 2011;13-16. 2011年頃2011年頃

遅延造影

Black-blood法

MRCAJ Magn Reson Imaging. 2011;34(5):1072-9

本日の内容

現在の心臓MRIでは何ができますか？

人々はこう言うが・・

エコー 心臓MRl CT 核医学

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 1-2mm <1mm 5-10mm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 ＋＋＋ 十十

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.P33-35 から転載

先天性心疾患の診断における各モダリティの比較

心臓MRIでできること

Cine-MRI Tagging(SPAMM法) Strain(SENC法)左/右室機能・壁運動の評価

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

心臓MRIでできることTagging(SPAMM法)の解析は専用ソフトウェアが必要となる

ZIOSTATION2PhyZiodynamics Technologyを利用した動態解析

Black-blood法 MRCA

心臓MRIでできること心筋形態/組織性状の評価 冠動脈形態の評価

汎用性：○

心電図同期撮像可能であれば可能

浮腫・炎症範囲の検出 川崎病 2歳: HR96

汎用性：△

良好な脂肪抑制必須撮像時間5-10分

限定的利用(腎機能× ｱﾚﾙｷﾞｰ等)

CPR処理(Curved Planar Reformation)

心臓MRIでできること

心筋虚血の評価 心筋バイアビリティーの評価遅延造影心筋perfusion

Look-locker法(TI-scout)：汎用性◎

TI=300[ms]

TI=400[ms]

PSIR法：汎用性△TI任意入力：汎用性◎Stress：汎用性△

Rest：汎用性○

【better】・3T-MRIの高SNRを利用・MBFの算出

心臓MRIでできること

amyloidosis myocarditis

AMI

AMIsarcoidosis

sarcoidosis

HCM

HCM

HOCM sarcoidosis

sarcoidosis muscular dystrophy

遅延造影像の各造影パターン

最近のトピックスから

・T1緩和・T1値とは造影剤の効果T1値測定方法

・T1-mapping MOLLI(modified Look-Locker sequence)

NativeT1 Post-contrast T1 細胞外液分画（ECV）

T1緩和・T1値とは

RFパルス印加T1緩和・T1値とは

t

63%100%

○○msT1値

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

心筋・血液をはじめ生体すべての組織が固有のT1値を持っている

造影剤の効果

T1値短縮効果ガドリニウム造影剤

造影前造影後

M = M0 (1-e-t/T1）

信号

強度

時間[ms]

T1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

造影前 造影後

造影剤によって画像上,高信号となる

T1値短縮効果

MRI画素値の扱いの難しいところ

amyloidosis

myocarditis

AMI

sarcoidosis

HCM

muscular dystrophy

造影剤投与後-遅延造影像(T1強調画像)

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T1値短縮効果を評価したい

T1値測定

T1値測定方法

厳密なT1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T1緩和曲線を得る

90° 180°

TR

echoIRパルス IRパルス

Spin echo法

TI

TI

高速spin echo法やgradient echo法は×

測定したいT1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

T1緩和曲線

簡易T1値測定方法

SNR 空間分解能

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

必要心拍数

T1値Accuracy

T1値Precis

ionその他

Multi-BH IR-FLASH ++ ++ Yes IR ++ 10

HB ++ ++ GRE readoutのためMT効果やT2の影響は無視できる

Segmented Look-Locker + + No IR +++ ～20

HB ++ ++ GRE readoutのためMT効果やT2の影響は無視できる

MOLLI ++ ++ Yes IR ++ 17 HB ++ ++ SSFP readoutのため

MT効果やT2の影響がある

shMOLLI ++ ++ Yes IR ++ 9 HB ++ ++SSFP readoutのため

MT効果やT2の影響があるfitting条件に影響を受ける

MOLLI variants ++ ++ Yes IR ++ 9-12

HB ++ ++ SSFP readoutのためMT効果やT2の影響がある

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

心筋T1-mapping用 簡易T1値測定シーケンス一覧

JACC Cardiovasc Imaging. 2016 Jan;9(1):67-81.

簡易T1値測定方法 - 各シーケンスの特徴

SAPPHIRESaturation pulse prepared heart rateindependent inversion recovery

MOLLIModified look-locker inversion recovery ShMOLLIShortened MOLLI

Saturation recovery(SR)法SASHASaturation recovery single-shot acquisitionSARCSaturation recovery with composite RF pulse

Inversion recovery(IR)法

Combined法 IR/SRパルスの混合使用

180°パルス

90°パルス

Magn Reson Med. 2014 Mar;71(3):1024-34.

代表的シーケンス名

代表的シーケンス名

代表的シーケンス名

SAPPHIRE and SASHA → higher accuracy

簡易T1値測定方法 - 各シーケンスの特徴

Magn Reson Med. 2014 Mar;71(3):1024-34.

Radiology. 2014 Sep;272(3):683-9.

MOLLI and ShMOLLI → higher precision

MOLLI vs SAPPHIRE4シーケンスの比較

MOLLIはIR法のため心拍変動に弱い

シーケンスによって得られるT1値が若干異なる

MOLLI

ShMOLLI SAPPHIRE

SASHA

T1-mapping MOLLI(modified Look-Locker sequence)

JACC Cardiovasc Imaging. 2016 Jan;9(1):67-81.

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

1pixel毎にT1値を算出

T1map15-20秒の息止め撮像で1断面取得可能

T1-mapping NativeT1

NativeT1：造影前のT1値

・心筋や間質の浮腫のように水分が増加する病態

・局所的あるいはびまん性の線維化

・心筋内あるいは間質へのアミロイド沈着

・心筋梗塞の梗塞部・高度の大動脈弁狭窄

・肥大型心筋症Heart, 99: 932–937, 2013.

Circ Cardiovasc Imaging, 5: 726–733, 2012.

J Cardiovasc Magn Reson, 14: 15, 2012.

JACC Cardiovasc Imaging, 6: 488–497, 2013.

Heart, 99：932–937, 2013.

JACC Cardiovasc Imaging, 5: 596–603, 2012

T1値が長くなる状態(T1値延長)

NativeT1：造影前のT1値

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

・脂肪の存在

・鉄の沈着Circ Cardiovasc Imaging, 6: 392–398, 2013.

J Cardiovasc Magn Reson, 14;59, 2012.

T1値が短くなる状態(T1値短縮)

T1-mapping NativeT1

2100

1400

700

1050

1750

T1-mapping NativeT1

Normal

Amyloidosis

T1値 [ms]

アミロイド沈着によりT1値が延長しているのを反映

T1-mappingにより非造影で心筋が評価可能short-axis 4-chamber

Post contrast T1：造影後のT1値

T1-mapping Post-contrast T1

Post contrast T1-mapNative T1-map LGELate gadolinium enhancement

ガドリニウム造影剤のT1値短縮効果により造影部分のT1値が短縮「 」赤矢印部

Case: sarcoidosis T1-mapping Post-contrast T1

Post contrast T1-mapNative T1-map LGELate gadolinium enhancement

ガドリニウム造影剤のT1値短縮効果により造影部分のT1値が短縮「 」赤矢印部

Native T1-mapでは造影部分のT1値が延長しているのが確認できる「 」橙矢印部

Case: OMI

細胞外液分画（ECV: extracellular volume fraction）

造影前後のT1値を用いて，撮像当日のヘマトクリット値で補正し算出

62人の正常者のECVは25.4±2.5％

正常域は20.4 ～ 30.4％

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

ECV増大

細胞外液分画 ＝ 心筋の間質容積 = fibrosis indexECV ※Vd(m)：myocardial volume of distribution

ECV = (1 - hematocrit) ×

血液の造影後T1値

心筋の造影後T1値 心筋の造影前T1値

血液の造影前T1値

1 1

1 1

－

－

Vd(m)※

J Cardiovasc Magn Reson, 14：64, 2012.

T1-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)

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

簡単3steps!造影前後のT1-mapはAuto registration

(非剛体レジストレーション)

17セグメント表示可全体/内膜側/外膜側表示選択可

ECVセクター表示

造影前T1緩和曲線結果

造影後T1緩和曲線結果

Post-contrast T1-map

Native T1-map

mapDICOM出力

症例：OMILGE image ECV-map

Native T1-map Post-contrast T1-map

造影剤によりT1値が短縮T1値延長を示す

23％

24％ 24％

43％ 43％

62％黄緑～黄色：40%-70%

※正常域：20-30％

まとめ

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

CineBlackBoold-T1WI/T2WIStrain(SPAMM/SENC/DENSE)Stress/rest PerfusionLGE(遅延造影)MRCA

CMR(Cardiovascular

Magnetic Resonance)

ピクセル毎のT1-mapping造影前後のT1値(Native/post-contrast T1-map)

ECV算出