変形性関節症の診断：磁気共鳴画像法

近年、磁気共鳴画像法（MRI）は、変形性関節症の非侵襲的診断における主要な方法の一つとなっています。1970年代に磁気共鳴画像法（MR）の原理が初めて人体の研究に用いられて以来、この医用画像診断法は劇的な変化を遂げ、急速な進化を続けています。

技術機器とソフトウェアの改良、画像取得方法の開発、そしてMR造影剤の開発が進められています。これにより、MRIの新たな応用分野が絶えず発見されています。当初は中枢神経系の研究に限定されていましたが、現在ではMRIはほぼすべての医学分野で効果的に利用されています。

1946年、スタンフォード大学とハーバード大学の研究者グループは、核磁気共鳴（NMR）と呼ばれる現象を独立して発見しました。その本質は、磁場中にある一部の原子核が外部の電磁場の影響下でエネルギーを吸収し、それを無線信号の形で放出するというものでした。この発見により、F. ブロッホとE. パーメルは1952年にノーベル賞を受賞しました。この新しい現象はすぐに生物学的構造のスペクトル分析（NMR分光法）に利用されました。1973年、ポール・ラウテンバーグはNMR信号を用いて画像を取得する可能性を初めて実証しました。こうしてNMRトモグラフィーが登場しました。生きた人間の内臓の最初のNMRトモグラムは、1982年にパリで開催された国際放射線学会で発表されました。

2点、明確にしておくべき点があります。この方法はNMR現象に基づいていますが、「核」という言葉を省き、磁気共鳴（MR）と呼ばれています。これは、患者が原子核の崩壊に伴う放射能を連想しないようにするためです。2点目は、MRトモグラフィーが偶然に陽子、すなわち水素原子核に「同調」されているわけではないということです。この元素は組織に多く存在し、その原子核はすべての原子核の中で最も大きな磁気モーメントを持ち、それがかなり高いレベルのMR信号を決定します。

1983年には臨床研究に適した装置が世界に数台しかなかったのに対し、1996年初頭には世界中で約1万台のトモグラフィーが稼働していました。毎年1,000台の新装置が実用化されています。MRトモグラフィーの90%以上は、超伝導磁石（0.5～1.5テスラ）を搭載したモデルです。興味深いことに、1980年代半ばにはMRトモグラフィーメーカー各社が「磁場が高ければ高いほど良い」という原則に基づき、1.5テスラ以上の磁場を持つモデルに重点を置いていましたが、1980年代末には、ほとんどの応用分野において、中程度の磁場強度を持つモデルと比べて、これらのモデルが大きな利点を持たないことが明らかになりました。そのため、MRトモグラフィーの主要メーカー（ゼネラル・エレクトリック、シーメンス、フィリップス、東芝、ピッカー、ブルカーなど）は現在、中磁場および低磁場モデルの製造に大きな力を入れています。これらのモデルは、高磁場システムとは異なり、コンパクトで経済性に優れ、十分な画質と大幅な低コストを実現しています。高磁場システムは、主にMR分光法の研究機関で使用されています。

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MRI法の原理

MRIスキャナの主な構成要素は、超強力磁石、無線送信機、受信用高周波コイル、コンピュータ、そして制御パネルです。ほとんどの装置は、人体の長軸と平行な磁気モーメントを持つ磁場を発生させます。磁場の強さはテスラ（T）で測定されます。臨床MRIでは、0.2～1.5 Tの磁場が使用されます。

患者が強い磁場内に置かれると、磁気双極子であるすべての陽子は外部磁場の方向（地球の磁場に向けられたコンパスの針のように）を向きます。さらに、各陽子の磁気軸は、外部磁場の方向の周りを回転し始めます。この特定の回転運動は行列と呼ばれ、その周波数は共鳴周波数と呼ばれます。短い電磁無線周波数パルスが患者の体内を通過すると、無線波の磁場によって、すべての陽子の磁気モーメントが外部磁場の磁気モーメントの周りを回転します。これが起こるためには、無線波の周波数が陽子の共鳴周波数と等しくなければなりません。この現象は磁気共鳴と呼ばれます。磁性陽子の向きを変えるには、陽子の磁場と無線波が共鳴する、つまり同じ周波数を持つ必要があります。

患者の組織には正味の磁気モーメントが生成されます。組織は磁化され、その磁気は外部磁場と厳密に平行に向きます。この磁気モーメントは、組織の単位体積あたりの陽子数に比例します。ほとんどの組織には膨大な数の陽子（水素原子核）が含まれているため、正味の磁気モーメントは患者の体外に設置された受信コイルに電流を誘導するのに十分な大きさです。この誘導されたMR信号を用いてMR画像を再構成します。

原子核の電子が励起状態から平衡状態へ遷移する過程は、スピン格子緩和過程または縦緩和と呼ばれます。この過程は、T1（スピン格子緩和時間）によって特徴付けられます。これは、90°パルスによる励起後、原子核の63%が平衡状態へ遷移するのに必要な時間です。T2（スピンスピン緩和時間）も区別されます。

MR断層像を取得する方法はいくつかあり、それぞれ、無線周波数パルス生成の順序と性質、およびMR信号解析方法が異なります。最も広く使用されている2つの方法は、スピンラティス法とスピンエコー法です。スピンラティス法は、主にT1緩和時間を解析します。様々な組織（脳の灰白質と白質、脳脊髄液、腫瘍組織、軟骨、筋肉など）には、異なるT1緩和時間を持つ陽子が含まれています。MR信号の強度はT1の持続時間と関連しており、T1が短いほどMR信号が強くなり、テレビモニターに表示される画像の特定の領域が明るくなります。MR断層像では、脂肪組織は白く表示され、続いて脳と脊髄、高密度の内臓、血管壁、筋肉の順にMR信号強度が高くなります。空気、骨、石灰化は実際にはMR信号を生成しないため、黒く表示されます。これらの T1 緩和時間の関係は、MRI スキャンで正常な組織と変化した組織を視覚化するための前提条件となります。

スピンエコーと呼ばれる別のMRI法では、患者に一連の高周波パルスを照射し、歳差運動中の陽子を90°回転させます。パルスが停止すると、応答MRI信号が記録されます。ただし、応答信号の強度とT2時間との関係は異なります。T2時間が短いほど信号は弱くなり、結果としてテレビモニター画面上の光の輝度も低くなります。そのため、T2法で得られた最終的なMRI画像は、T1法で得られた画像とは逆の色合いになります（陰性と陽性の反対のように）。

MRI断層撮影は、CTスキャンよりも軟部組織（筋肉、脂肪層、軟骨、血管など）を鮮明に映し出します。一部の装置では、造影剤を注入せずに血管の画像を撮影できます（MRI血管造影）。骨組織は水分含有量が低いため、造影剤はX線CTスキャンのように遮蔽効果を生じません。つまり、脊髄や椎間板などの画像に干渉しません。もちろん、水素原子核は水だけでなく、骨組織内でも非常に大きな分子と高密度構造として固定されているため、MRIの妨げになりません。

MRIの利点と欠点

MRIの主な利点は、非侵襲性、無害性（放射線被曝なし）、3次元画像取得、動いている血液からの自然なコントラスト、骨組織からのアーティファクトがない、軟部組織の高度な分化、生体内組織代謝研究のためのMP分光法の実施能力などです。MRIは、人体のあらゆる断面（前頭面、矢状面、体軸面、斜面）の薄層画像を取得することができます。臓器の体積画像を再構成したり、断層画像の取得を心電図の歯と同期させたりすることも可能です。

主な欠点としては、画像を取得するのに比較的長い時間（通常は数分）がかかるため、呼吸運動によるアーティファクトが現れやすく（特に肺の検査の有効性が低下する）、不整脈（心臓の検査の場合）、結石、石灰化、一部の骨病変を確実に検出できない、機器とその操作に高額な費用がかかる、機器が設置されている建物に特別な要件がある（干渉からの遮蔽）、閉所恐怖症の患者を検査できない、人工ペースメーカー、非医療用金属で作られた大きな金属インプラントなどが挙げられる。

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MRI造影剤

MRIの使用が始まった当初は、異なる組織間の自然なコントラストにより造影剤は不要であると考えられていました。しかし、すぐに、異なる組織間の信号差、すなわちMR画像のコントラストは、造影剤によって大幅に改善できることが発見されました。最初のMR造影剤（常磁性ガドリニウムイオン含有）が市販されると、MRIの診断情報量は大幅に増加しました。MR造影剤を使用する本質は、組織および臓器の陽子の磁気パラメータを変化させること、すなわちT1およびT2陽子の緩和時間（TR）を変化させることです。今日、MR造影剤（または造影剤 - CA）にはいくつかの分類があります。

緩和時間に対する主な影響に応じて、MR-KA は次のように分類されます。

• T1-CAはT1時間を短縮し、組織のMP信号強度を増加させます。陽性CAとも呼ばれます。
• T2-CAはT2時間を短縮させ、MR信号の強度を低下させます。これらは陰性CAです。

MR-CA は、その磁気特性に応じて常磁性と超常磁性に分類されます。

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常磁性造影剤

常磁性は、1つ以上の不対電子を持つ原子に備わっています。これらは、ガドリニウム（Gd）、クロム、ニッケル、鉄、マンガンの磁性イオンです。ガドリニウム化合物は最も広く臨床応用されています。ガドリニウムの造影効果は、緩和時間T1とT2の短縮によるものです。低線量ではT1への効果が優勢となり、信号強度が増加します。高線量ではT2への効果が優勢となり、信号強度が低下します。現在、常磁性体は臨床診断において最も広く使用されています。

超常磁性造影剤

超常磁性酸化鉄の主な効果はT2緩和時間の短縮です。線量の増加に伴い、信号強度は低下します。マグネタイトフェライト（Fe ²⁺ OFe ₂³⁺ O ₃）と構造的に類似した強磁性酸化鉄を含む強磁性CAも、このCAのグループに含まれます。

以下の分類は CA の薬物動態に基づいています (Sergeev PV et al., 1995)。

• 細胞外（組織非特異的）
• 胃腸の;
• 器官指向性（組織特異的）
• 血管空間を決定するために使用される高分子。

ウクライナでは、細胞外水溶性常磁性CAであるMR-CAが4種類知られており、そのうちガドジアミドとガドペンテト酸が広く使用されています。残りのCA群（2～4）は海外で臨床試験が行われています。

細胞外水溶性MR-CA

国際名	化学式	構造
ガドペンテト酸	ガドリニウムジメグルミンジエチレントリアミン五酢酸（(NMG)2Gd-DTPA）	線形、イオン性
ガドテル酸	(NMG)Gd-DOTA	環状、イオン性
ガドジアミド	ガドリニウムジエチレントリアミンペンタアセテートビスメチルアミド（Gd-DTPA-BMA）	直鎖状、非イオン性
ガドテリドール	Gd-HP-D03A	環状、非イオン性

細胞外 CA は静脈内投与され、その 98% は腎臓から排泄され、血液脳関門を通過せず、毒性が低く、常磁性物質のグループに属します。

MRIの禁忌

絶対的禁忌には、検査が患者の生命を脅かす状況が含まれます。例えば、電気的、磁気的、または機械的に作動するインプラント（主に人工ペースメーカー）の存在が挙げられます。MRIスキャナーからの高周波放射線への曝露は、磁場の変化が心臓活動を模倣する可能性があるため、リクエストシステムで作動するペースメーカーの機能を阻害する可能性があります。磁気吸引によってペースメーカーがソケット内でずれ、電極が動くこともあります。さらに、磁場は強磁性体または電子式中耳インプラントの動作を阻害します。人工心臓弁の存在は危険であり、高磁場MRIスキャナーで検査する場合、および弁の損傷が臨床的に疑われる場合にのみ絶対的禁忌となります。検査の絶対的禁忌には、中枢神経系への小さな金属製外科用インプラント（止血クリップ）の存在も含まれます。磁気吸引によってこれらのインプラントがずれると、出血の危険があります。体の他の部位にインプラントが存在する場合、治療後にはクランプの線維化と包埋によりクランプが安定するため、それほど脅威にはなりません。しかし、潜在的な危険性に加えて、磁性を持つ金属インプラントの存在は、いずれにせよアーティファクトを引き起こし、研究結果の解釈を困難にします。

MRIの禁忌

絶対：	相対的：
ペースメーカー	その他の刺激剤（インスリンポンプ、神経刺激剤）
強磁性または電子中耳インプラント	非磁性内耳インプラント、心臓弁人工器官（高磁場、機能不全が疑われる場合）
脳血管止血クリップ	他の部位の止血クリップ、非代償性心不全、妊娠、閉所恐怖症、生理学的モニタリングの必要性

相対的禁忌としては、上記に加えて、非代償性心不全、生理学的モニタリング（人工呼吸器、電動輸液ポンプ）の必要性などが挙げられます。閉所恐怖症は、1～4％の症例で検査の障害となります。これは、一方では開放型磁石を備えた装置を使用することで、他方では装置と検査過程の詳細な説明により克服できます。MRIが胎芽や胎児に悪影響を与えるという証拠はありませんが、妊娠初期のMRIは避けることが推奨されます。妊娠中のMRIの使用は、他の非電離診断画像法で十分な情報が得られない場合に適応されます。MRI検査は、検査中の患者の動きが画像の質に大きく影響するため、コンピューター断層撮影よりも患者の協力を必要とします。そのため、急性病変、意識障害、痙攣性疾患、認知症の患者、および小児の検査は困難となることがよくあります。

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