Magnetic Resonance Angiography: current status and future directions

CE MRA at 1.5 T and 3.0 T 56歳男性 腹腔動脈（閉じ矢印）および上腸間膜動脈（開き矢印）の解離を有する患者。 1.5TのCE MRA（A）は3.0TのCE MRA（B）に比べて空間分解能とコントラスト対ノイズ比が低い

通常、CE-MRA技術はNCE-MRA技術よりも頻繁に使用されている。 飛行時間（TOF）および位相コントラスト（PC）などの他のMRA技術と比較したCE-MRAの利点は、取得時間の短縮、解剖学的範囲の改善、および血流および脈動に起因するアーチファクトに対する感受性の減少を含む。 動脈と静脈の複合強調を避けるためには、純粋に「動脈」のみの位相画像を得るために、取得時間の短縮が必要である。 これは、パラレルイメージングや時間分解法による取得を用いることで実現できる。 3.0Tでは、SNRの向上により、パラレルイメージングの加速度係数を高くしてスキャン時間を短縮し、空間分解能をさらに向上させることができる。 1.5T用に最適化されたパルスシーケンスを3.0T用に調整する必要があるかもしれない。 さらに、高い磁場強度は、後述するように、患者へのエネルギー沈着と磁場の不均一性を増加させる。

Contrast-enhanced MRA at 3.0T

ガドリニウムベースの薬剤は優れた安全記録を有しているが、ガドリニウムと腎性全身線維症が関連するという報告により、「低用量の」CE-MRAおよびNCE-MRAへの関心が再び高まってきている。 さらに、低用量の造影剤はCE-MRAの実施費用の削減にもつながる。 ガドリニウムキレートは常磁性化合物で、スピン-格子相互作用およびスピン-スピン相互作用を阻害することにより、T1およびT2緩和時間をそれぞれ短縮させる。 このようなガドリニウムの生体組織への作用は、磁場強度の増加には比較的影響されない。 したがって、3.0Tでは体組織のT1緩和時間は増加するが、Gd造影剤のT1緩和時間は高い磁場強度でも比較的変化しない。 その結果、1.5Tと比較して血液プールと背景のコントラスト・ノイズ比（CNR）が顕著に増加する。 3.0TでのCNRの増加は、1.5Tでの同様のスキャンと比較して、同量の造影剤を用いた画質の向上や、注入する造影剤の量の減少に利用できる（図2）。 Tomasianらは最近、大動脈上部の3.0T MRAにおいて、0.15mmol/kgから0.05mmol/kgに造影剤の投与量を低減しても、画質、撮影速度、空間分解能を損なわないことを実証した(図2)。 図2

Low dose CE MRA. 0.1mmol/kgのガドベネートジメグルミンを用いた3.0Tでの造影腎臓MRA。

CE-MRAは、末梢血管疾患の評価において従来の血管造影に代わる非侵襲的な方法として確立されており、急性肺塞栓症の診断ではCTAの代替となりうる。 下肢MRAは、一般的にMRイメージング技術の中で最も高い造影剤投与プロトコルを伴い、しばしば2倍量（0.2mmol/kg）以上のGd-コントラストが投与されることが必要である。 3.0Tで下肢MRAを行う場合、1.5Tで行う場合に比べ、Gd-Contrastを最大で1/3（0.3mmol/kgから0.1mmol/kg）に低減できることが明らかにされている。 低用量の造影剤で得られた画像は、高用量画像よりも動脈が明瞭であったが、これはおそらく最初の造影剤注入による残留バックグラウンド信号が少なく、静脈の汚染が少ないためと思われる

3.0T の腎臓 CE-MRA 品質も低用量の Gd で評価されている。 Attenbergerらは、3.0Tで0.1mmol/kgのガドベネートジメグルミンと1.5Tで0.2mmol/kgのガドブトロルを比較し、腎動脈を評価する際に同等の画質を実証した。 Kramerらは、29人の患者の腎動脈狭窄の評価において、3.0Tでの低用量（0.1mmol/kg）ガドペンテト酸ジメグルミンと従来のデジタルサブトラクション血管撮影（DSA）を比較し、感度および特異度それぞれ94％と96％の良好から優れた品質の画像を得た …。 これらの知見は、3.0Tにおいて、現在の診療における造影剤の投与量は必要以上に高く、空間分解能や全体的な画質に悪影響を与えることなく低下させることができることを示唆している。

従来のGd造影剤を用いた現在のCE-MRA技術は、関心対象の血管を造影剤が通過する最初の間に比較的迅速に画像を取得する必要があるという制限を受けている。 新しい血管内用Gd系造影剤は、このような制限を克服するのに役立つ。 ガドホスベセット3ナトリウムは、大動脈-腸骨セグメントのCE-MRAに使用するために最近FDAの承認を得たタンパク質結合型血管内造影剤で、他のガドリニウムベースの造影剤とは異なり、血管内の寿命がかなり長く、高い緩和性を有している。 ガドフォスベセットは、総造影量が少なく（図3）、撮影可能時間が60分以上と長い。 そのため、造影剤投与後の定常期に画像を取得することができ、より長いスキャン時間で非常に高い空間分解能のCE-MRA画像を取得することができる。 Klessenらの研究では、10mLのGadofosveset trisodiumは30mLのgadopentetate dimeglumineと比較して、より高い動脈コントラストで質的に優れた画像を生成することが実証された。

血管内造影剤によるCE MRAの結果。 (A)右下葉の分節性肺塞栓を有する25歳男性にガドホスベセット3ナトリウムを0.03mmol/kgで行った造影MRAのファーストパスと定常状態の多面再フォーマット画像(矢印)である。 定常状態でも十分な血管内信号が得られており、肺塞栓症の診断に有用である。

Parallel imaging at 3.0T

Parallel imagingは画像取得速度とトレードオフで関心領域のアンダーサンプリングを行い3.0Tのメリットを更に高める。 パラレルイメージングはCE-MRAに適用され、スキャン時間の短縮と、マルチチャンネルコイルによる解剖学的範囲の改善とエイリアシングアーチファクトの除去による空間分解能の向上が図られている（図4）。 個々のコイルは空間的感度が異なり、1つの高周波（RF）パルスでMR信号を同時に受信するために使用される。 これにより、モーションアーチファクトが少なく、RF励起パルスが少なく、患者のエネルギー負担が少ない高速な画像取得が可能となるが、アンダーサンプリングの結果、k空間データの欠落によりエイリアシングが発生することがある。 Fenchelらの研究では、統合並列収集技術（iPAT2）と1回の造影剤注入により、動脈血管全体の十分な画質を60秒以内に得られ、全身への応用に適したSNRとCNR値が得られることが示された。 パラレルイメージングにより、解剖学的なカバー率を高めることも可能である。 Lumらは最近、2次元自動較正パラレルイメージング技術（2D-ARC）を用いて、腹部CE-MRAのカバー率を向上させることを実証している。 健康なボランティアと大血管疾患が疑われる患者に対して、2D-ARCを使用した場合と使用していない場合の主観的な画質と血管の目立ちやすさを評価した。 その結果、両手法とも同等の画質であり、2D-ARC MRAでは同じ撮影時間で3.5倍の撮影量と腹部完全カバーの利点があることが示された。 また、この同じ手法で、肺塞栓症が疑われる患者や息切れのする患者の評価で重要な高解像度全胸部MRAを短時間で行うことができる（図5、6）

parallel imagingによる大視野CE MRAの実施例。 上行大動脈解離の修復歴（矢印）と下行大動脈に残存する解離（開いた矢印＝真の内腔、閉じた矢印＝部分的に血栓化した偽の内腔）を有するこの49歳男性の大動脈根部から分岐部を超える大動脈全体をスキャンするのに、パラレルイメージングと32チャンネルコイルが使用された。

parallel imagingによる迅速な全胸部CE MRAを実施。 肺動脈性肺高血圧症と肺動静脈奇形（矢印）を有する47歳男性の造影剤による肺MRAである。 2次元パラレルイメージングを用いることにより、胸部全体をカバーしながら16秒という短時間でのスキャンが可能となった。 本症例のようにガドベネートジメグルミンを15mL使用した場合でも、3.0Tで撮影することにより、コントラスト対ノイズ比が向上する。

parallel imagingによる迅速全身CE MRA。 スキャン時間を短縮するためのパラレルイメージングの使用は、息を止めることが困難な患者において特に重要である。 この造影肺MRAは、酸素吸入を必要とする原発性肺動脈性肺高血圧症の42歳女性から得られたものである。 この場合、スキャン時間は16秒でした。

Limitations and safety concerns for CE-MRA at 3.0T

3.0T の強い磁場は、まだ完全に克服されていない大きな課題と制限をもたらします。 RF磁場の不均一性と比吸収率（SAR）の増加による建設的および破壊的な干渉は、3.0Tでのイメージング時の大きな懸念事項である

RF磁場の不均一性は、干渉領域や画像フィールド内の完全な解剖学的範囲の喪失をもたらすことがある。 3.0Tでは、水中の陽子の共鳴周波数は128MHzで、1.5Tシステムの2倍の値であり、これは高周波の波長が52cmから26cmに半分になったことを意味する。 この波長の短縮は、大柄な体格の人に多く見られる腹部や骨盤の撮影視野の寸法をカバーすることができる。 2つのRF波がイメージングフィールドで重なり合うと、建設的干渉と破壊的干渉により、それぞれ明るくなったり暗くなったりする領域が生じることがある。 腹腔内に大量の液体がある場合（腹水や妊娠など）にも、同様のアーチファクトが発生する可能性があります。 電流が強磁場下で液体内を循環し、RF 磁場パルスと干渉して、干渉が生じる。 マルチコイル送信ボディコイルなどのコイル設計の進歩により、渦電流を抑制し、より高い磁場強度でのRF磁場の均質性を向上させることができる。 コイル設計の改良に加えて、3次元的に調整されたRFパルスなどの新しいパルスシーケンスにより、高周波励起の均質性が向上することが示されている

RFパルスは、エネルギーを患者内の陽子に伝達し、最終的にエネルギー放出の副産物として熱を発生させる。 患者内で発生する熱は有害な生理的影響を及ぼす可能性があるため、画像処理環境では慎重に監視されており、FDAによる現在の全身加熱の限界は15分間で全身で4W/kgに設定されている。 SARは、RFパルスによって組織に蓄積されたエネルギーを推定するもので、共振周波数の2乗で増加する。 3.0Tでは、共振周波数は1.5Tシステムの2倍であるため、SARは4倍に増加する。 高磁場におけるSARの増加を管理するために、パルスシーケンス、収集技術、ハードウェア設計の改良が行われている。 パラレルイメージングの使用もこの問題に対する重要な解決策となる。より広い解剖学的領域を同時にエンコードするために使用される複数の検出器コイルは、撮影時間の短縮と画像取得に必要なRFパルスの数の減少の両方に役立つ。 しかし、MRのハードウェアとソフトウェアの改善、高リスクの患者群におけるガドリニウムベースの造影剤の安全性に対する懸念など、いくつかの要因がNCE-MRA法への新たな関心に寄与している。 特に後者については、中等度から重度の腎機能不全と血管または代謝障害を持つ患者は、衰弱し、場合によっては生命を脅かす疾患である腎性全身性線維症（NSF）を発症する危険性があるため、注意が必要である。 Agarwalらによる最近のメタアナリシスでは、ガドリニウムを投与された慢性腎臓病患者（N = 79/1393、5.7%）では、ガドリニウムを投与されなかった慢性腎臓病対照被験者（N = 3/2953、0.1%）と比較してNSF発症確率が27倍であることが確認されています。 メタボリックシンドローム、糖尿病、腎臓病が年々増加しているため、画像診断上の重要な課題となっています。 また、静脈内投与が困難であったり、造影剤の静脈内投与が禁忌であったりするため、NCE-MRAが好まれる状況も起こり得ます。 高解像度のCE-MRAは通常、大口径の静脈カテーテルを必要とし、肥満の患者や静脈の悪い患者には設置が困難な場合がある。また、静脈造影剤は動物実験で認められた催奇形性の影響により、通常妊娠中には投与しない。 また、冠動脈、胸部、腎臓および末梢血管疾患での使用も確認されている。 Provenzaleらは、最近のレビューで、頸動脈と椎骨の解離について、CTAと比較してMRIとMRAを併用した場合の診断の質が同等であり、どちらの方法が優れているかは明らかでないと述べている。 TOF MRAはまた、治療された脳動脈瘤の追跡において、コンピュータ断層撮影（CTA）およびデジタル減圧血管撮影（DSA）と比較され、動脈瘤内の残存流量の検出において高い感度を有している。 しかし、冠動脈MRAは、特に小児患者における冠動脈起始部の異常の評価（図7）には、依然としてその役割を担っている。 さらに、中等度から重度の石灰化を有する冠動脈セグメントで有意な狭窄を有する患者の評価において、冠動脈MRAは役割を果たすことができる。これは、石灰化スコアの高い患者では、CTAではアーチファクトが増加し狭窄を可視化することが困難であるからである。 さらに、3.0Tでは、SNRの向上により遠位冠動脈セグメントの視認性が向上し、撮影時間の短縮により画像の鮮明さが改善されます。 3.0TでのSSFPシーケンスによるアーチファクトの増加のため、造影冠動脈MRA法が再検討され、有望な初期結果が得られている。

3D 定常自由歳差を用いた冠動脈 MRA. 左冠動脈主幹部（開矢印）は右冠動脈（閉矢印）から発生し、肺動脈と大動脈（挿入図）の間を走行する。 LV＝左心室；RV＝右心室；PA＝肺動脈；Ao＝大動脈＜6153＞＜5666＞＜994＞＜5666＞＜8945＞飛行時間型MRA＜5263＞＜593＞特に末梢および頭蓋内のアプリケーションに最もよく用いられるNCE MRA技術である飛行時間（TOF：Time of Flight）。 TOFは、スライス選択的な高速高周波励起パルスによって静止組織からの信号を飽和させ、バックグラウンド信号を抑制することに依存している。 静脈信号は隣接する動脈の可視化を妨げる可能性があるため、静脈流は通常、撮像スライスの静脈側に飽和帯を適用して選択的に抑制され、撮像スライスに入る際に信号が無効化される。 これと同じ原理を呼吸中の横隔膜や心周期中の心臓に適用することができる。 流速の速い組織面では、流入する血液は励起パルスから解放され、背景組織を飽和させ、強い信号強度をもたらす。

TOF撮影は2Dまたは3Dサンプリングで行われ、頭蓋内血管では、動脈樹の蛇行、撮影面内の流れ、高い空間分解能が必要なことから3D TOFが最もよく使用される。 2次元TOF血管造影は、臨床的には頸動脈（図8）や末梢血管（図9）の評価に多く用いられ、撮影面に対して直交する方向で行われます。 TOFの最大の制約は面内血管内のプロトンの飽和であるが、スラブ内に流入する血液の飽和を補償するためにスラブ内のフリップ角を徐々に大きくすること、複数の薄い3次元スラブとして画像ボリュームを取得するMOTSA（multiple overlapping thin slab acquisition）により克服でき、単一ボリューム3次元取得よりも信号飽和が少ない．

2D time-of-flight MRA of the carotid arteries.頚動脈の画像。 (A）頸動脈（矢印）と椎骨動脈（矢頭）の血管信号が良好な軸索原像。 (B）左頸動脈（矢印）と椎骨動脈（矢頭）の最大強度投影像＜6153＞＜5666＞＜994＞＜5666＞＜1030＞＜6692＞＜8560＞図9＜9043＞＜1030＞＜4743＞＜5666＞＜1031＞2D time-of-flight MRA runoff. 両側の表在性大腿動脈閉塞による両下肢跛行の患者の骨盤、大腿、ふくらはぎの2D time-of-flight MRAを示す。 ふくらはぎの流出血管（楕円）への流れは、大腿深部動脈から生じる大腿の側副動脈（開いた矢印）を通っている＜6153＞＜5666＞＜994＞＜5666＞＜593＞ECGゲートは、心運動によって大動脈の上行部分の血管壁のぼやけをもたらす胸部大動脈のCE-MRA技術にうまく適用されています。 血流が心周期の位相に依存する末梢動脈の撮影では、収縮期ゲーティングを使用して、血流のピーク時に画像取得のタイミングを合わせることができる。 Lanzmanらは最近、末梢動脈疾患患者における有望な新規ECGゲート3D NCE-MRA技術の使用について報告しており、十分な画質と、造影剤を使用せずに下肢の著しい動脈狭窄を開示することを示しています。

Steady-State Free Precession MRA

Balanced steady-state free precession (SSFP) technique is popular for NCE MRA because image contrast is determined by T2/T1 ratios, which leads to inherently bright blood images with little dependent on blood inflow …これは、画像のコントラストが、血流量の依存性が低く、本質的に明るい血液画像になるためです。 SSFP MRAでは動脈、静脈ともに明るい信号が得られるため、血管が太く、動脈と静脈の両方の構造の評価が重要な胸部MRA（図10）に適している（例：先天性心疾患）。 静脈信号がMRAの解釈を妨げる可能性がある臨床場面（例：腎臓MRA）では、静脈流入抑制技術をSSFP MRA技術に適用して、純粋な動脈MRA画像を得ることができる。

SSFP thoracic MRA. 嚢状大動脈弓部瘤（矢印）患者の非造影SSFP MRA。

胸部大動脈のCE-MRAと3D SSFPの両方を受けた患者23人のFrançoisらの後向き分析では、大動脈径の測定は2つの方法でほぼ同じで、大動脈根部の可視化は3D SSFPで著しく優れることがわかった。 別の研究では、ラジオ波焼灼術前の肺静脈（PV）の評価においてCE-MRAと3D SSFPを比較し、3D SSFP画像は優れたSNRとCNRで正確なPV直径の計測を実証している。 Krishnamらによる研究では、胸部大動脈疾患が疑われる50人の患者において、胸部大動脈の自由呼吸ECGゲートSSFP MRAがCE-MRAと同等の診断感度および特異性を有することが示された。 独自の定性的および定量的画像解析により、両手法ともすべての大動脈セグメントで優れた可視性グレードを示した。 SSFP MRAは、大動脈基部の可視性を向上させ、すべてのセグメントでより高いSNRとCNR値を示し、同時に撮影中に患者が自由に呼吸できるようにした。 Makiらは、40人の患者を対象に1.5Tで3D SSFP MRAとCE-MRAを比較し、3D SSFP MRAは感度100%、特異度84%であったことを明らかにした。 同様に、Wyttenbachらは、腎動脈狭窄が疑われる53人の患者を1.5Tの3D SSFPとCE-MRAで評価し、3D SSFP MRAの感度と特異度はそれぞれ100％と84％であったという。 Lanzmanらの研究では、1.5Tと3.0Tの腎動脈の画質と視認性を比較し、3.0TではSNRとCNRがそれぞれ13～16%、16～23%と有意に向上し、分枝動脈で平均画質の向上が最も大きいことが示されている。

動脈スピンラベル(ASL)はSSFPと組み合わせることで、背景組織の抑制を改善し画質を向上させることができる技術である。 撮像野の上流にあるプロトンは、反転パルスで “タグ “が付けられ、コントラストが得られる。 2回の撮影でタグ付けされた血液画像からタグ付けされていない画像を差し引くか、1回の撮影で関心動脈に適用するタグパルスに加えて、撮影フィールド全体に空間的に非選択的なタグパルスを適用することにより、バックグラウンド組織を抑制することができる。 SSFPを用いたASLでは、明血、静脈なし、高SNRの画像が得られ、フローアーチファクトに対する感度が低いため、特に頸動脈と腎動脈のイメージングに適している（図11）。 この手法では、大動脈と腎動脈の複雑な血管系がよく描出され、初期の臨床経験では、健常ボランティアと腎動脈狭窄患者の両方でCE-MRAと同等の結果が得られています（図12）。 Glocknerらは、腎動脈狭窄の疑いのある患者67名にこのタイプのシーケンスを使用し、SSFPはほとんどの症例で診断画像を提供したが、CE-MRAと比較して偽陽性および偽陰性の発生率が高いことを明らかにした。 (A)非造影、流入準備、反転回復SSFP MRA、(B)右腎動脈が2本ある患者における造影MRA（閉じた矢印＝主腎動脈、開いた矢印＝副腎動脈）。 興味深いことに、造影MRAよりもSSFP MRAの方が分枝腎（矢頭）がよく見える。

SSFP 腎移植MRAの例です。 (A）非造影、流入準備、反転回復SSFP MRA、（B）造影MRA、（C）デジタルサブトラクション血管撮影 腎移植動脈狭窄（閉じた矢印）を有する患者の場合。 総腸骨動脈にも狭窄が認められる（開矢印）

ASL は血管速度に依存して撮影面内の血液をタグ付き血液に置換するため、限界がある。 流れの遅い末梢動脈では、タグ付けされた血液の流入が周辺組織のT1に近づくことがあり、したがってタグ付け効果を排除することができる。

Phase-Contrast MRA

Phase-Contrast (PC) MRAは、パルスシーケンス中にバイポーラ速度エンコード勾配を相反する方向に2回かけることによって画像を生成する。 信号の強さは、移動する血液の速度と、速度エンコード（Venc）値を設定することで規定されるバイポーラ流れエンコード勾配の強さに比例する。 Vencは、ドップラー速度計測と同様に、エイリアシングなしに正確にエンコードできる最大速度を記述している。 このように、位相差MRAは、TOFやCE-MRAとは異なり、血流に関する血流動態データに加えて、血管の解剖学的画像を提供する。 血行力学的に有意な狭窄部およびその遠位部での3D PC MRAにおける血管内信号の損失（図13）は、乱流に関連したボクセル内位相分散によるものであり、狭窄部の血行力学的重要性を推定するために用いることができる。 PC MRAはTOFに比べ背景抑制に優れ、流れの方向や速度の同定に使用することができる。 しかし、画像取得時間が長く、心周期における血流の速度と大きさの変化に対する感度が高いため、その使用は制限される。 3.0Tでは、1.5Tと比較して血流計測の精度は向上しないが、与えられたVENCでより大きな信号とより少ないノイズが計測される。 これにより、VENCを増加させることができ、全体的な画像ノイズを許容できないレベルまで増加させることなく、高流量領域でのエイリアシングアーチファクトを減少させることができます。 (右腎動脈狭窄（矢印）の患者における（A）造影MRA、（B）3次元位相差（PC）MRA、（C）デジタルサブトラクション血管造影を示す。 3次元PC MRAでは信号の空白があり、血行力学的に有意な狭窄であることがわかる。 カテーテル血管造影時の狭窄部の圧力勾配は18mmHgであった。

従来、PC MRAは時間情報を含まない3方向の速度エンコーディングを行い、「複素差分」MR血管図を得ていた。 このアプローチでは、各撮影は異なる速度補償方向で3回、流れ補償なしで1回繰り返された。 3次元PC MRAでは4回の撮影が必要であるため、スキャン時間が長く、撮影ボリュームも限られている。 このため、パラレルイメージング技術や3次元ラジアルアンダーサンプリング（Vastly undersampled Isotropic Projection Reconstruction：VIPR）により、カバー率や分解能を損なうことなくスキャンタイムを短縮することが可能となった。 さらに、これらの画像取得高速化技術により、通常の3次元PC MRAの取得に加え、時間情報の取得が可能となり、4次元（4D＝3次元空間エンコーディング、3方向速度エンコーディング、時間）PC MRAとして、さまざまな血管への適用が可能となった。 これらの新しい4D PC MRAシーケンスはNCE MRAに使用することができるが、これらの技術の将来の方向性は、提供される追加の血行力学的な情報にある。 従来の2次元（2D）PC MRAでは、撮影前に関心血管を把握し、検査中にスキャナで画像面を規定する必要があったが、4D PC MRA技術では、同じ撮影から撮影ボリューム内のあらゆる血管の流速を事前に評価することが可能である。 さらに、4D PC MRAは心血管系内の複雑な流れのパターンを定性的に評価し（図14）、圧力勾配、壁せん断応力、振動応力指数などのさまざまな血行力学的パラメータを非侵襲的に算出することができる。

4D フロー MRA. 図1の患者と同じ患者の4DフローMRA（PC VIPR）の粒子トレース。 真の管腔に層流（閉じた矢印）、偽の管腔にヘリカル流（開いた矢印）が存在する