【MRI認定 25】拡散強調画像 DWI、17問

とっつきにくい撮影ですが出題が結構あります。

今回は原理的な話となります。

出題は「原理」「撮像技術」「所見」がありますが「所見」に関してはまた次回とします。

過去問からの出題

第5回-10

第5回-10
SE-EPI 型拡散強調画像シーケンスについて、正しい文章を解答して下さい。

a.FOV を変えない場合、位相エンコード数によって画像歪みに変化はない。
b.画像歪みを改善するために受信バンド幅を狭くした。
c.MPG による画像歪みは起こらない。
d.受信バンド幅に関係なく実効 TE を短縮すると画像歪みは低減する。
e.拡散測定時間は ADC 値に影響を与える。

a.○
b.×BWを狭く=Tsが長くなる
c.×MPGにより渦電流が発生し歪みの原因
d.×TEは影響しない
e.○

第6回-11

第6回-11
第5回-10

第6回-13

第6回-13
 Black blood technique について、正しい文章を選択して下さい。(正解2つ)

1.in-flow suppression 法は、周波数選択的パルスを用いる簡易的な方法である。
2.MSDE(motion-sensitized driven equilibrium)法では、拡散強調画像撮像時よりも高いb 値を用いて血液抑制効果を得る。
3.double-inversion recovery法は、2つの非選択的inversion pulseを用いる方法でin-flow suppression法よりも良好な血液信号抑制効果を得られる。
4.MSDE法は、傾斜磁場を用いて血液スピンの位相分散を引き起こし、信号を抑制する手法である。
5.MSDE 法は、180°パルスを挟んで対称に傾斜磁場を印可する拡散強調画像撮像のシーケンスデザインをプレパレーションパルスとして用いる。

a.×特別周波数選択パルスは用いらないと思う
b.×低いb値(3〜10s/mm2)
c.×始め全体に非選択パルス、次にスライスに選択パルス
d.○
e.○

第6回-38

第6回-38
高磁場装置を用いた拡散強調画像について、正しい文章を選択してください。(正解2つ)

1.静磁場強度が上昇すると ADC 値は上昇する。
2.静磁場強度が上昇すると T2 および T2*効果が増大する。
3.静磁場強度が 2 倍になると磁化率効果の影響は 4 倍に増強する。
4.静磁場強度が上昇すると Fractional Anisotropy(FA)値は上昇する。
5.静磁場強度が 2 倍になると拡散テンソル画像(DTI)を撮像する場合の MPG の印加軸は半分にできる。

a.×大きな違いは認められない
b.○
c.×比例
d.×大きな違いは認められない
e.×DTIは最低６軸必要、高磁場になっても変わらない

第7回-13

第7回-13
拡散強調像について正しい文章を選択して下さい。(正解 3 つ)

1.拡散係数は温度が高いほど大きい。
2.拡散係数は粘度が高いほど大きい。
3.拡散係数が大きいほど、拡散速度が速い。
4.b 値を大きくすると、拡散よりも毛細血管流の影響が強くなる。
5.同時に 3 方向に motion probing gradient を付加することによって、拡散の異方性をなくすことができる。

1.○ 拡散係数D = kt / 6πηr（t = 温度、η = 粘度、r = 分子の半径）
2.×
3.○
4.×b値大きいほど拡散の影響が大きい
5.○

第9回-8

第9回-8
EPI を用いた拡散強調像において動脈瘤クリップによる画像歪を改善するパラメー タで正しいものを選択してください。(正解 2 つ)

1.加算回数を増やす。
2. TR を大きく設定する。
3. TE を大きく設定する。
4. 長方形 FOV を用いる(位相方向の FOV を小さくする)。
5.Parallel imaging factorを可能なだけ大きく設定する。

1.×歪み改善にはならない
2.×歪み改善にはならない
3.×位相分散が大きくなり悪化
4.○位相エンコード数が減るため
5.○位相エンコード数が減るため

第9回-15

第9回-15
拡散強調像に関して正しい文章を選択してください。(正解 3 つ)

1.「b 値」の大きさと MPG 印加の時間間隔は関係する。
2.ADC の単位は mm2/sec で、「b 値」の単位は sec/mm2 である。
3.拡散係数「D」は、温度「T」と粘性係数「 η 」に比例する。
4.受信バンド幅に関係なく実効 TE を短縮すると画像歪みは低減する。
5.FOV を変えない場合、位相エンコード数によって画像歪みに変化はない。

1.○ b=γ²G²δ²〔Δ-(δ/3)〕 G傾斜磁場強度、δMPG印加時間、ΔMPG間隔
2.○
3.× D=(k_BT)/(6πηr) k_Bボルツマン定数
4.×変わらない
5.○

第10回-14

第10回-14
第9回-15と同問

第11回-10

第11回-10
コンベンショナルスピンエコー法による拡散強調画像法の簡易シーケンスチャート を示す。b 値を求める式を選択して下さい。ただし、γ:核磁気回転比。(正解 1 つ)

1.b=γ²G²δ²［Δ-(δ/2)］
2.b=γ²G²δ²［(δ/3)-Δ］
3.b=γ²G²δ²［Δ-(δ/3)］
4.b=γ²G³δ²［Δ-(δ/3)］
5.b=γ²G²δ［Δ-(δ/3)］

1.
2.
3.○
4.
5.

第12回-15

第12回-15
EPI 法による拡散強調像について正しい文章を選択して下さい。(正解 3 つ)

1. b 値の単位は sec/mm3 で表される。
2. 縦緩和の影響を排除するため TR を長く設定する。
3. 歪み対策として周波数方向のマトリクス数を少なくする。
4. 位相エンコードステップ数の低下はアーチファクトの発生や SNR の低下を引き起こす。
5. 空間分解能を維持して位相エンコード数を減らす方法として、パラレルイメージング・half scan・長方形 FOV がある。

1.×sec/mm²
2.○
3.○
4.×SNRは高くなる、SENSEや長方形FOVで位相エンコード数が減ると歪みは低減する
5.○

第12回-21

第12回-21
EPI 型 DWI の歪みに強く影響を与えるパラメータを選択して下さい。 (正解 3 つ)

1. FOV
2. b-value
3. ショット数
4. 位相マトリクスサイズ
5. パラレルイメージングのリダクションファクタ

1.○大きくなる程歪む
2.×影響なし
3.○少ないほど歪む
4.×影響なし、ちなみに周波数方向の分解能を上げるほど歪む
5.○小さくする程歪む

第13回-47

第13回-47
頚部の撮像技術に関する正しい記述はどれか。(正解 2 つ)

1. Motion artifact を軽減するため、受信バンド幅を広く設定した。
2. Metal artifact を軽減するため、T1 強調像を spin echo 法から fast spin echo 法に変更した。
3. 検査依頼内容が脊椎転移性腫瘍の検索目的であったため、T2 強調像から撮像した。
4. 腕神経叢を評価するため、拡散強調像の脂肪抑制法は局所磁場均一性の高い CHESS 法を選択した。
5. CSF の flow void artifact 軽減のため、T2 強調横断像に fast spin echo 法を選択した。

1.○
2.○FSEでは180°パルスを多用することで磁場不均一による位相分散を常に再収束するためMetal artifact軽減となる
3.×T1Sagで低信号となる、T2から撮っても悪くはないが試験なので×
4.×CHESSでは磁場不均一に弱く腕神経叢のような(頸胸部Cor)撮影には向かない、STIRなどを使用
5.×FSEに変更してもflow void artifactの改善にはならない、T2*などを使用

第13回-49

第13回-49
頸動脈の black blood imaging に関する正しい記述はどれか。(正解 2 つ)

1. 呼吸性アーチファクトを軽減するため脂肪抑制を付加して撮像した。
2. プラークの性状を得るために拡散強調画像(b 1000s/mm2)を撮像した。
3. 2 次元データ収集 FSE 法で撮像する場合は心電同期もしくは脈波同期が必須である。
4. 3 次元データ収集再集束フリップアングル法で撮像する場合は心電同期もしくは脈波同期が必須である。
5. 3 次元データ収集再集束フリップアングル法で撮像する場合は血管走行に対して垂直に撮像断面を設定する必要がある。

1.○
2.×性状評価にDWIは用いらない
3.○
4.×同期は必要ない
5.×必要ない、TOFでは垂直が好ましい

第14回-2

第14回-2
正しい記述はどれか。2 つ選べ。

1. T1値≧T2値
2. T2値>T2*値
3. 脂肪のT1値 > 水のT1値
4. 脂肪のT2値 > 水のT2値
5. 大脳白質の ADC > 大脳灰白質の ADC

1.○縦緩和と横緩和は同時に始まるが横緩和が先に終了する(T1値>T2値)、ただし純水のみ同時に終了する(T1値=T2値)
2.○外部要因も緩和に影響するT2*値は一番小さい
3.×脂肪のT1値 < 水のT1値
4.×脂肪のT2値 < 水のT2値
5.×白質0.5~0.8×10^-3mm²/sec ＜ 灰白質0.8~0.9×10^-3mm²/sec

第14回-21

第14回-21
Apparent diffusion coefficient(ADC)に関する正しい記述はどれか。2つ選べ。

1. ADC 値の単位は[s/mm2]である。
2. 生体組織の温度は ADC 値に影響する。
3. 運動検出傾斜磁場の印可時間や間隔は同じ b 値であれば ADC 値に影響しない。
4. ADC 値を計算するためには運動検出傾斜磁場を 3 軸方向以上に印可しなければならない。
5. 大きな MPG(b2)の信号強度を S2、小さな MPG(b1)の信号強度を S1 とすると ln(S1/S2)/(b2-b1)で求めることができる。

1.×mm²/s
2.○拡散係数D = kt / 6πηr（t = 温度、η = 粘度、r = 分子の半径）のため温度も影響すると思う
3.×運動検出傾斜磁場：MPG、b=γ²G²δ²〔Δ-(δ/3)〕 G傾斜磁場強度、δMPG印加時間、ΔMPG間隔
4.×１軸でも可
5.○それぞれのb値の時の信号強度の傾きがADC

第15回-12

第15回-12
脂肪抑制法に関する正しい記述はどれか。2つ選べ。

1. 拡散強調画像には必要不可欠である。
2. モーションアーチファクト低減に寄与する。
3. Dixon 法の opposed phase 画像は脂肪組織が低信号になる。
4. CHESS(chemical shift selective)法は低磁場装置に不向きである。
5. STIR(short TI inversion recovery)法は脂肪の信号を選択的に抑制する。

1.○位相方向に大きくケミカルシフトが生じるため必須と思われる
2.○腹部領域などにおいて呼吸によるアーチファクトは高信号の皮下脂肪が目立つため、脂肪抑制は有効と思われる
3.×脂肪と水が混在する場合低信号
4.○
5.×T1値に依存するため脂肪でなくとも低信号になる場合がある
２つ選ぶ問だが1、2、4は○と考えられる

第15回-28

第15回-28
拡散イメージングに関する正しい記述はどれか。2つ選べ。

1. 拡散強調画像は膿瘍内容が高信号になる。
2. 水分子拡散の確率密度分布は生体内で正規分布しない。
3. 完全な等方性拡散の FA(fractional anisotropy)値は1である。
4. 水の ADC(apparent diffusion coefficient)値は実質臓器よりも低い。
5. DTI(diffusion tensor imaging)の MPG(motion probing gradient)は 3 軸以上必要である。

1.○
2.○
3.×0となる、異方性拡散が強いと最大値１に近づく
4.×高い
5.×6軸

まとめ

拡散強調画像(DWI)とは拡散のしにくさを強調させた画像のことです。
拡散のしやすさを反映させたと言っても間違いではありません。

DWIのシーケンスはSE-EPIをベースしており、MPGという傾斜磁場を使用します。

MPG (motion probing gradient)

motionは「動き」、probingは「調査」、gradientは「傾き」なので
「動きを調べる傾斜磁場」と言えます。

動きとは拡散のことですね。

拡散とは”グラスに溜まった水にインクを垂らした時の広がっていく様子”などとよく例えられます。

ツイッターとかで情報を広める時も拡散と言いますが、同じことですね。

そしてMPGとはこの拡散を見るために必要となります。

　

例えば正と負の傾斜磁場をかけたとします。

正の傾斜磁場で位相がズレますが、負の傾斜磁場によりズレた分また位相は元通りになります。
（正と負の傾斜磁場の強さと時間は同じとして）

しかしこれは動かないものだけに通用する話であり、動くものは位相がズレてしまいます。

わかりやすいかなと思って図にしましたが、かえってわかりずらくなっていたらごめんなさい

このような同じ強度で極性が反対の2つの傾斜磁場を双極傾斜磁場と言います。

MPGもこの一種です。

ではDWIのシーケンスを見てみます。

これは第11回-10で出題された時の画像です。
MPGがありますがどちらも正ですね、これは間に180°パルスを挟むため極性が反転するので双極傾斜磁場と同じ効果となります。

分解するとわかりやすいかもしれません。

では順に解説します。

①まず90°パルスで励起されます。
②1つ目のMPGにより位相がバラされます。
③次に180°パルスを照射します。
④2つ目のMPGは1つ目のMPGとは逆向きにかかり拡散が制限されている場合はバラされた位相が元に戻るため強い信号が得られます。拡散が制限されていない部位では動いてしまうため1つ目と2つ目のMPGでかかる大きさが変わり位相は元に戻れず弱い信号となってしまいます。

このMPGを大きくすることでより小さな動きにも対応することができます。

要するに、MPGが大きい程ちょっとした動きでも位相がズレやすく信号が低くなってしまいます。

b値

b値は「拡散によるコントラストをどの程度強調するか」の指標です。
言葉だけではわかりづらいですがとりあえず進めていきます。

b値は以下の式で表されます。

先ほどMPGを大きくするほどより小さな動きでも位相がズレやすいと言いましたが、
言い換えるとMPGが大きい程、少しでも拡散があると低信号、拡散の制限が強いところでは高信号ということになります。

b値の式から、大きいb値とは = MPGを大きくすることとなります。

つまりb値が大きい程、少しでも拡散しやすいところは低信号、拡散制限の強いところのみ高信号といったコントラストの画像になります。

これがb値の「拡散によるコントラストをどの程度強調するか」ということです。

ちなみにb=0はMPGがかかってない状態の画像となります。
ベースはT2WIですのでコントラストはT2WIとなります。

　

ここで拡散制限を生じやすいものとして、急性期の脳梗塞や悪性腫瘍があげられます。

臨床ではよくb=1000程度が選ばれます。

b値が低いとコントラストがつきづらいというのはわかりますが、高ければ高い程病変とのコントラストがついて良いということもありません。

b値のSNRは以下の式で与えられます。

b値が高いほどSNRが低下することがわかります。

　

また、b値を高くするにはMPGを大きくする必要があり、磁気回転比(γ)や傾斜磁場強度(G)は限界があるためδとΔを延長させることになります。

するとTEの延長につながってしまいます。

T2緩和の影響も強くなることに注意です。

　

ちなみにイレウス検索にb=50程度DWIを使用する方法もあります。

b=50程度では正常に蠕動運動している腸管は低信号となりイレウスで動きの悪い腸管が高信号として描出されます。

また血管内を低信号に描出するBlack bloodのMSDE(motion-sensitized driven equilibrium)法では低いb値(3〜10)でDWIを応用した技術です。

T2 shine through

DWIはベースがT2WIであるため、拡散制限のあるところだけでなくT2WIで高信号のものも高信号となってしまいます。

それをT2 shine through(T2シャインスルー)と言います。

例えば頭の画像では、T2では脳脊髄液や灰白質が高信号となります。
DWI(b=1000程度)では拡散のしやすさにより脳脊髄液は低信号となりますが、灰白質は若干高信号となります。

この灰白質は拡散の制限によって高信号となっているのではなくT2の影響により高信号となっているのです。

しかしこれでは高信号所見を見つけても拡散制限があるためなのかT2の影響なのか判断に困ってしまいます。

そこでADCというものがあります。

ADC (apparent diffusion coefficient)

ADCはapparent(みかけ上の)、diffusion(拡散)、coefficient(係数)=みかけの拡散係数と言います。

みかけのとは拡散だけでなく毛細血管の灌流の影響も含むということです。

ADCは先ほどのT2 shine throughを判断するのに用います。

DWIで拡散制限があると高信号、T2 shine throughも高信号であり、ADCでは拡散制限が低信号、T2 shine throughは高信号となります。

	DWI	ADC
拡散制限	高信号	低信号
T2 shine through	高信号	高信号

ADCの式は以下となります。

歪み

DWIはSE-EPIをベースとしていると言いましたがEPIについて簡単に説明します。

EPIは励起RFパルス後に傾斜磁場を高速に反転させてk空間すべてを一気に取得してしまう方法です。

そしてSE-EPIとは90°-180°で発生するSE信号を傾斜磁場の高速反転で取得することとなります。

FSEの「連続180°パルス」が「連続反転傾斜磁場」に置き換わったような感じです。

EPIでは位相方向に対して連続的にデータサンプリングを行うため、磁場不均一による位相ズレが蓄積して歪みが生じやすくなります。そして歪みは位相方向に生じます。

ここで歪みの程度は次式で表されます。

1shotとは
まずEPIの撮像方式は二つに分けられ、一気にk空間全てを埋めるのをシングルショットEPI、
数回に分けてk空間を埋めるのをマルチショットEPIと言います。

シングルショットEPIであれば1shotはk空間全てとなり、
マルチショットEPIであれば1shotはk空間の途中となります。

なので上記式よりマルチショットEPIの方が歪みが小さいことがわかります。

またパラレルイメージングも有効であり、リダクションファクターを大きくするほどpFOV_shotが小さくなり歪みも小さくなります。

位相FOVも小さくすると歪み低減となります。

　

エコースペース(esp)に関して、

周波数エンコード数を小さくするとespも小さくなるため歪みが低減します。

位相エンコード数では変わらず歪み低減には関与しません。

バンド幅(BW)は広げた方が歪みが低減します。

　

試験でも出ますので、歪みに影響しない因子について、

①TE
②位相エンコード数(SENSEやpFOVを除く)
③b値

※TEそのものを短くしても歪みには影響しませんが、TEを短くする行為は結果的にespを短くすることがあり歪み低減となることがあります。
※SENSEやpFOVにより位相エンコード数が少なくなると歪み低減に繋がりますが、FOVを変更しない状況での位相エンコード数の変更は歪みに影響しません。

↑ややこしいですが一応注釈です。

拡散係数

最後に拡散係数の式です。

DWIの信号強度の式でも出てきましたね。

拡散係数が高いほど拡散しやすくDWIの信号強度は低下します。
温度が高く、粘度が低いほど拡散しやすくなります。

見た目通り右のヤツの方が拡散係数が高いです。

ひとまずDWIについては終わります。

DWIの所見についての出題もかなり多く、またEPIやテンソルについても出題されているため

説明も長くなってしまい体力知力ともに限界のためまた改めます！

　

以前に何かの記事で学会があると書いた気がするのですが、その学会がもう間近となり次の記事投稿はちょっと遅くなります！

もしくは誰も得しないユルユルの記事なら投稿するかもしれません。

出題

第5回-10,第6回-11,第6回-13,第6回-38,第7回-13,第9回-8,第9回-15,第10回-14,第11回-10,第12回-15,第12回-21,第13回-47,第13回-49,第14回-2,第14回-21,第15回-12,第15回-28

参考文献

MRI応用自在 P27