脳脊髄液の流れのMRI

PC-MRIにおける双極性勾配の原理は、この勾配を用いて周波数を変化させる場合、静止したプロトンは正負の振幅が等しくなるため位相シフトが生じないという点にある。^{[ 4 ]}しかし、移動するプロトンは、勾配方向に沿って位置が常に変化するため、様々な程度の位相シフトを受ける。この概念は、平面内を移動するプロトンをモニタリングするために適用できる。位相コントラストから、浮遊するプロトンを検出できる。位相を決定する式では、この双極性勾配によって局所的な磁化率の影響は除去されない。したがって、双極性勾配を用いた第2のシーケンスを反転させ、その信号を元の取得データから差し引く必要がある。このステップの目的は、静止領域の信号を打ち消し、位相コントラストイメージングで特徴的な静止像を生成することである。

${\displaystyle \Delta \phi =\gamma {\vec {\nu }}\Delta M_{1}}$どこ${\displaystyle \Delta \phi }$= 位相シフト、${\displaystyle \gamma }$=磁気回転比、${\displaystyle {\vec {\nu }}}$は陽子の速度であり、$\displaystyle \Delta M_{1}}$磁気モーメントの変化

式1。これは位相シフトを計算するために使用され、位相シフトは磁気モーメントの変化に応じて勾配の強さに直接比例します。^{[ 5 ]}

位相コントラストイメージングでは、位相シフトの度合いと勾配方向の陽子速度の間には直接的な相関関係があります。しかし、360°を超える角度には制限があるため、角度は0°に戻り、特定の範囲の陽子速度しか測定できません。たとえば、ある速度が361°の位相シフトを引き起こす場合、これを1°の位相シフトを引き起こす速度と区別することはできません。この現象はエイリアシングと呼ばれます。前方方向の速度と後方方向の速度の両方が重要であるため、位相角は通常-180°から180°の範囲内です。^{[ 5 ]}

バイポーラ勾配を用いることで、軸方向に特定の速度で移動するスピンの位相シフトを生成することが可能です。バイポーラ勾配に向かって移動するスピンは正の正味位相シフトを持ち、勾配から遠ざかるスピンは負の正味位相シフトを持ちます。正の位相シフトは一般的に白で、負の位相シフトは黒で示されます。正味位相シフトは、バイポーラ勾配の印加時間と流速の両方に直接比例します。そのため、バイポーラ勾配の大きさと幅が類似した速度パラメータを選択することが重要です。これは速度エンコーディングと呼ばれます。^{[ 4 ]}

速度エンコーディング（VENC）は、cm/sで測定され、双極性勾配の特性に直接関係します。VENCは、PC-MRIで推定される最高流体速度として使用されます。VENCを過小評価すると、VENC値よりわずかに高い速度は逆符号の位相シフトを持つため、エイリアシングアーチファクトが発生します。しかし、VENC値を過大評価すると、取得されるフロー信号が低くなり、SNRが低下します。典型的なCSFフローは5～ 8cm/sですが、高ダイナミック循環の患者では、最大25cm  /sの高いVENCが必要になることがよくあります。^{[ 2 ]}正確なVENC値は、可能な限り最高の信号を生成するのに役立ちます。

${\displaystyle Because\ \Delta \phi <\pi ,\ {\vec {\nu }}<VENC}$

${\displaystyle VENC={\frac {\pi }{\gamma \Delta M_{1}}}}$

式2。これは、勾配強度に反比例するVENCを計算するために使用されます。^{[ 5 ]}変数は式1で定義されているものと同じです。

PC-MRIは、各平面の振幅画像と位相画像、および取得されたVENCで構成されます。振幅画像では、流れている脳脊髄液（CSF）はより明るい信号で表示され、静止している組織は抑制されて黒い背景として視覚化されます。位相画像は位相シフトエンコードされており、白い高信号は順方向の流れのCSFを表し、黒い低信号は逆方向の流れを表します。位相画像は位相に依存するため、画像から速度を定量的に推定できます。背景は中間の灰色です。また、補償された信号の流れの振幅である再位相画像もあります。これには、明るい高信号の流れと目に見える背景が含まれます。^{[ 1 ]}

位相コントラスト速度画像は、速度画像がプロトンの位相シフトを反映するため、振幅画像よりもCSFの流れに対する感度が高い。^{[ 5 ]} CSFの流れを評価するために使用される位相コントラスト画像には2つのセットがある。1つ目は軸方向平面の画像で、平面を貫通する速度は流れの頭尾方向（構造の頭側から尾側への方向）を示す。2つ目の画像は矢状面で、速度は平面内に表示され、頭尾方向を画像化する。最初の手法は流れの定量化を可能にするが、2つ目は定性的な評価を可能にする。平面を貫通する解析は通常、中脳水道に垂直に行われ、部分体積効果を最小限に抑えるため、定量的評価にはより正確である。部分体積効果は、PC-MRIの主な制限である。部分体積効果は、ボクセルに静止物質と移動物質の境界が含まれる場合に発生し、位相の過大評価につながり、物質境界での速度が不正確になる。これらの定量的および定性的な脳脊髄液の流れの画像は、通常のMRIよりも約8～10分多くかかるだけで取得できます。^{[ 4 ]}

脳脊髄液の流れは、中脳水道狭窄症、正常圧水頭症、キアリ奇形の診断と治療に利用できます。^{[ 6 ]}

中脳水道狭窄症とは、シルヴィウス水道が狭くなり、脳脊髄液の流れが阻害されることで、脳内に体液が蓄積する水頭症のことです。脳脊髄液の流れを観察することで、中脳水道の拍出量と最大収縮期速度の低下を検出し、中脳水道狭窄症の診断に役立てることができます。

正常圧水頭症（NPH）では、脳脊髄液（CSF）の流れの値と速度を調べます。NPHは特発性で、尿失禁、認知症、歩行障害など患者によって症状が異なるため、診断には重要です。中脳水道のCSFストローク量と速度の増加はNPHの指標です。^{[ 7 ]} NPHは認知症の治療可能な原因の1つであるため、NPHを認識して治療することが非常に重要です。NPHの治療法として、脳室腹腔シャント手術（VPS）が第一選択です。この治療にはVPシャントが必要で、これは脳室から過剰なCSFを一方的に流出させることを目的とした弁付きカテーテルです。感染や閉塞などの合併症の可能性もあるため、開存性の管理が必須です。 PC-MRIの開発と普及により、VPSの恩恵を受ける可能性のある患者を選択する従来の方法であるスピンエコー（SE）画像に取って代わりました。そして、PC-MRIは徐々に、NPH患者のCSFの流れのパターンを心周期との関連で評価するための最もよく使用されるシーケンスになりました。^{[ 4 ]}

キアリ奇形（CMI）は、小脳扁桃が頭蓋骨の大後頭孔から突出する状態です。脳脊髄液の流れは扁桃の下降レベルとキアリ奇形の種類によって異なるため、MRIは実施する手術の種類を決定したり、経過をモニタリングしたりする際にも役立ちます。^{[ 8 ]}後頭蓋窩と頭蓋頸椎移行部の形態の変化により、脊髄と脳幹のさまざまな領域で脳脊髄液の流れが変化するため、PC-MRIはCMIの研究と臨床評価における基本的な技術となります。

PC-MRIでは、一回拍出量、平均最大速度、および最大収縮期速度の定量的解析は、一方向の流れに垂直な平面でのみ可能です。さらに、2Dまたは3D PC-MRIでは、多軸平面における多方向の流れを計算することはできません。つまり、乱流を伴う臨床応用においては、この技術は有用ではありません。

新たに登場した4D PC-MRIは、多方向の流れの評価において有望な結果を示している。^{[ 4 ]} 4Dイメージング法は、3D画像に時間という次元を追加する。4D PC-MRIには、血流パターンを調べる機能など、多くの応用例がある。これは特に心臓や大動脈のイメージングに役立つが、主な制限は画像取得時間である。