flow voidとは？MRIで血管内の信号を決定する因子｜流入効果(TOF)・飽和効果

先に結論：MRIで血管の中が白く見えたり黒く見えたりする理由

• CTでは血管の中の濃さ＝血液の濃さですが、MRIでは血液の流れ方によって信号が大きく変わります
• 速い流れは撮影中に画面から出ていくため黒く抜け(flow void)、撮影面に新しく入ってくる血液は白く(流入効果)なります。TOF-MRAはこの流入効果を利用し、止まっている組織の信号を抑えて新しく入ってくる血液だけを白く描きます。遅い流れや乱流では信号がまだらになり、血栓と紛らわしいことがあります
• そのため、血管の中の信号だけで血栓・狭窄・閉塞を判断しないことが大切で、迷うときは造影MRIや別の撮像法、CTで確認します

MRIで血管内の信号を決定する因子

CTでは血管内の濃度＝血液の濃度であるが、MRIの場合は単純ではない。

MRIの血管内の信号を決定する因子には

などがある。多数の要素によって血管内の信号が決定され、そのためCTよりも解釈は難しい。

元々の血管内腔物質自体の性質

• 血管内の物質、特に血液の組成が信号強度に大きく影響する。血液は主に水、赤血球、白血球、血小板から構成され、これらの要素はMRIの信号に異なる影響を与える。酸素飽和度が低い静脈血は、より多くの脱酸素ヘモグロビンを含むため、T2*減少（磁場の不均一による信号減少）を引き起こしやすい。

血管内腔物質の信号の飽和効果(saturation effect)

• 血流が遅い場合や繰り返しパルスが適用されるシークエンスでは、流入する血液のスピンが飽和し、信号が減少する。
• 特に3D撮影や多数のスライスを持つシークエンスで顕著。

流れに関連した増強(Flow related enhancement)

• MRIで観察される現象の一つで、特に血流やCSFなどの流れを評価する際に重要。
• 流入効果とも呼ばれる。
• ほとんどのシークエンスで起こる。Spin echo系、Gradient echo系いずれでも起こる。普通のT1WI,T2WIで起こる。
• この現象は、流れる血液やCSFなどが撮影される際に、信号が増強される。具体的には、移動するスピン（主に水分子）が、撮影プレーンに新鮮なスピンが持ち込まれることによって起こり、これにより、血管内の信号が明瞭になり、背景組織とのコントラストが向上する。
• 特に、Time-of-Flight（TOF）MRIアンギオグラフィでは、この原理を利用して血管の画像を得ることが一般的で最も有名なのがTOFｰMRA。
• Spin echoシークエンスでは、血流が速すぎると逆に抜ける(下のhigh velocity signal loss)。

TOFｰMRAでは上方向に流れる血液を高信号として描出することで血管像を構成することができる。

 

そのため、上方向と逆流する血流がある鎖骨下動脈盗血症候群などでは本来の血管系よりも細く描出される。

High velocity signal loss

• 高速で移動する血液や体液が原因で生じる信号の喪失現象でいわゆるflow void。
• 特に血液が急速に流れる領域で観察され、血液の流速が速いほど、MRIの画像上で信号が見えなくなる。
• 90°パルスで励起された血液が180°再収束パルスを受ける前にスライス外へ流れ出てしまい、エコー信号を出さないため。
• 血管のみでなく脳脊髄液などでも見られる。
• 主にSpin echo系シークエンスで起こる(Gradient echo系では180°再収束パルスがないため、この機序による信号消失は起こりにくい。ただし乱流などによる位相分散で低信号になることはある)。
• 血管の狭窄や閉塞、高流動性の血流異常を評価する際に特に重要。

上矢状静脈洞や両側の中大脳動脈、脳底動脈など流れの速い血管がflow voidとして低信号として認められる。

 

関連記事：脳脊髄液の流れ(CSF flow)によるアーチファクトの画像診断

乱流、渦流などによる位相分散

• 解剖学的な構造により血流パターンが複雑になる場所で見られる。
• 例えば、血管の分岐部や狭窄部、心臓の弁近くなどがこれに該当する。
• 乱流や渦流が存在すると、血流中の個々のスピンの移動方向や速度がランダムになるため、スピン間で位相のずれが生じる。この位相のずれは、スピンの再結合を妨げ、結果として信号の減少（位相分散）を引き起こす。
• TOFｰMRAの際、血管内信号が低下するため、内腔病変との鑑別が問題となる。

両側の内頸動脈に低信号を認め、一見解離のflapのように見えてしまうが、乱流、渦流などによる位相分散によるアーチファクトである。

心拍同期

• 特に心臓や大血管の撮影において、心拍に同期して画像を取得することで、心拍動による動きの影響を抑え、クリアな画像を得ることができる。

流速補正法の使用による信号変化

• 流速補正（gradient moment nulling）は、流れによって生じる位相のずれを傾斜磁場で打ち消す方法で、位相分散による信号低下が減り、血管内の信号が上昇する。なお、血流の速度と方向を定量的に評価するのは位相コントラスト（PC）法で、流速補正とは別の技術である。

その他

• 磁場の不均一性: 機器自体の磁場の不均一性や、被写体の体内（特に金属インプラントがある場合）による局所的な磁場の歪みが信号に影響を与える。
• 造影剤の使用: Gd（ガドリニウム）などの造影剤は、T1緩和時間を短縮し、血管内信号を増強することができる。
• パルスシーケンスの選択: 使用するパルスシーケンスによっても、得られる信号の性質が異なる。例えば、T1WIでは造影剤の効果が強調されるが、T2WIでは血液の信号が抑制される傾向にある。

TOF-MRA(TOF法)の原理とアーチファクト

TOF法の原理

• 短い間隔でRFパルスをくり返すと、撮像範囲の中で止まっている組織は信号が回復しきれずに飽和して暗くなる。一方、範囲の外から新しく流れ込んだ血液はまだ飽和していないため明るく写る。これが流入効果(flow related enhancement)で、TOF(time of flight)法の原理である(Miyazaki 2008)。
• 得られた元画像から、最も信号の高い部分を投影するMIP(最大値投影)で立体的な血管像をつくる。
• 動脈だけを見たいときは、撮像範囲の頭側に飽和パルス(プレサチュレーション)をかけ、上から流れ込む静脈血の信号を消す。

	2D TOF	3D TOF
撮り方	薄い断面を1枚ずつ撮る	厚みのある範囲(スラブ)をまとめて撮る
得意なもの	遅い流れ(静脈など)	細かい動脈(頭部MRAなど)
弱点	断面間のずれによる階段状の乱れ	スラブの奥ほど血液が飽和して末梢が暗くなる

MRA(TOF)で注意したいアーチファクト

• 亜急性期の血栓・血腫などT1強調像で高信号のものは、MIPに取り込まれて血管や血管異常のように見えることがある(Wilcock 1995)。
• 遅い流れや複雑な流れでは、飽和や位相分散で信号が落ち、血管が細く・途切れて見える(狭窄や閉塞と紛らわしい)(Wilcock 1995)。
• 動脈瘤クリップやコイルの磁化率アーチファクトで、周りの血管の信号が低下する(Wilcock 1995)。
• MIPだけで判断せず、元画像(source image)や通常のスピンエコー像も合わせて確認することが大切である(Wilcock 1995)。

関連記事：MRIのSpin Echo系とGradient Echo系の違いとそれぞれの代表的なシークエンスとは？

参考文献：決定版 MRI完全解説第2版 P565

1. Bradley WG Jr. Carmen lecture. Flow phenomena in MR imaging. AJR Am J Roentgenol. 1988;150(5):983-994. PubMed
2. Miyazaki M, Lee VS. Nonenhanced MR angiography. Radiology. 2008;248(1):20-43. PubMed
3. Hada H, Inagawa T, Katoh Y. A case of traumatic internal carotid artery occlusion diagnosed by MRI. Pediatr Neurosurg. 1995;22(2):108-10. PubMed
4. Moosavi A, Kalapos P, Church EW, et al. Localization of spinal dural arteriovenous fistulas from the spatial relationships of perimedullary vessels on standard MRI. J Neurosurg Spine. 2023;40(3):389-394. PubMed
5. Kannath SK, Rajendran A, Thomas B, et al. Volumetric T2-weighted MRI improves the diagnostic accuracy of spinal vascular malformations: comparative analysis with a conventional MR study. J Neurointerv Surg. 2019;11(10):1019-1023. PubMed
6. Gailloud P. Spinal vascular malformations: Angiographic evaluation and endovascular management. Handb Clin Neurol. 2021;176:267-304. PubMed
7. Wilcock DJ, Jaspan T, Worthington BS. Problems and pitfalls of 3-D TOF magnetic resonance angiography of the intracranial circulation. Clin Radiol. 1995;50(8):526-32. PubMed

flow voidが「ない」「多い」ときに考えること

Q. 本来あるはずのflow voidが消えていたら？
A. 血管閉塞を疑うサインになる。外傷性内頸動脈閉塞の小児例では、内頸動脈のflow voidが消失して内腔が高信号となり、MRAでも描出されず、血管造影で閉塞が確認された(Hada 1995)。ただし遅い流れでも信号は残りうるため、MRAや造影検査で確かめる。

Q. 脊髄の周りにflow voidが多数見えるときは？
A. 脊髄硬膜動静脈瘻(SDAVF)を疑う。T2強調像での脊髄周囲の拡張血管によるflow voidは、瘻の存在の検出で感度1.0、瘻の位置(上下3椎体以内)の推定でも感度0.87と報告されている(Moosavi 2023)。3D(volumetric)T2強調像では、SDAVFの検出感度が通常のT2強調像の71.8%から100%に上がったとの報告がある(Kannath 2019)。

Q. flow voidがなければ血管奇形は否定できる？
A. できない。通常のMRIは高流量の脊髄血管奇形には感度・特異度ともに優れるが、低流量の病変では低く、flow voidを伴わない低流量シャントもあるため、疑わしければカテーテル血管造影が標準とされる(Gailloud 2021)。