MRIは組織中の水分の変化に非常に敏感であるため.水のMRI信号特性を調べる必要がある。
ヒトの組織中の水は.自由水と結合水に分類される。 自由水の固有振動数は高く.プロトンの入射振動数よりかなり高い。 自由水の固有運動周波数は非常に高く.プロトンの入射周波数よりもかなり高い。一方.高分子タンパク質の周囲には.いくつかの水分子が付着して水和層を形成しているが.これらの水分子は結合水と呼ばれる。 そのため.自由水のT1値は非常に長く.一方.結合水は組織のT1値を短くすることができる。
自由水の成分が増加した組織は.T1WIで信号強度の減少を示す（例：脳浮腫など）。 結合水の割合が増加すると.T1WIで相対的に信号強度の増加.あるいは高信号を示すようになる（粘液を含む嚢胞.膿瘍の厚い膿など）。 膿瘍や星細胞腫などの一部の腫瘍では.嚢胞液や膿の中に自由水に加えて結合水が存在するため.T1WIでは.基本的に自由水で構成されている脳脊髄液よりも高い信号強度を様々な程度に示す。
脳浮腫
脳疾患は臨床MRIにおいて最も重要なものの一つであり.脳浮腫は脳疾患の最も一般的な基礎病理変化の一つであり.幅広い脳組織疾患において見ることが可能である。 そのため.脳疾患の診断には.MRIで脳浮腫の症状を認識することが重要である。
脳浮腫は.病理学的には血管原性脳浮腫.細胞毒性脳浮腫.間質性脳浮腫の3種類に分類され.それぞれ.血管原性脳浮腫.細胞毒性脳浮腫.間質性脳浮腫の3種類に分類されます。
1.血管新生性脳浮腫
血管性浮腫は.脳浮腫の最も一般的な形態で.主に血液脳関門が破壊され.血漿が血管から細胞外空間に漏れ出すことによって起こる。 血管新生性脳浮腫は.脳腫瘍周辺.血腫周辺.炎症.脳梗塞.外傷.その他多くの脳疾患でよくみられます。 腫瘍や血腫の周囲に発生する血管新生性水腫は.脳の白質に発生することが多く.間質性脳浮腫は脳の灰白質に発生しにくい構造になっているため.比較的起こりやすい。 しかし.炎症.脳梗塞.外傷などによる間質性水腫は.脳の灰白質にも白質にも発生することがあります。
血管原性水腫は主に自由水の増加を伴うため.T1WIでは低信号.T2WIでは高信号として現れる。 T2WIはT1WIよりも間質性脳水腫に感度が高い。 細胞外空間に存在する水分子は比較的自由に拡散するため.間質性脳浮腫はDWIで高信号を示さず.測定したADC値は正常脳組織よりも高いことが多い。
T1WIやT2WIで.腫瘍と周囲の血管由来の脳浮腫が完全に区別できないことがあり.Gd-DTPA強調スキャンを行うことがある。 血液脳関門がわずかに破壊されており.Gd-DTPAは通常.わずかに破壊された血液脳関門を容易に透過しないため.腫瘍や血腫周囲の血管由来浮腫は一般に強調されない。 炎症や脳梗塞では血液脳関門がより高度に破壊され.Gd-DTPAが通過するため.しばしば増強が見られ.脳の灰白質領域に見られることが多いのです。
2.細胞障害性脳浮腫
細胞毒性水腫は.主に脳虚血と低酸素症によって起こる。 神経細胞は嫌気性酵素を受けられないため.低酸素症に非常に敏感である。 虚血後数分で神経細胞のATP産生が著しく低下し.ATPに依存して働くナトリウム-カリウムポンプが誤作動を起こす。 ナトリウムが細胞内に閉じ込められ.細胞内浸透圧が上昇し.細胞外から水分子が侵入し.細胞が膨張して細胞外空間が狭くなり.細胞毒性水腫と呼ばれる状態に陥ることになる。
細胞毒性水腫は.超急性期脳梗塞や急性期・亜急性期脳梗塞病変の周囲によく見られる。 実際.脳梗塞病変の発症・進行過程では.細胞障害性水腫と血管新生性水腫が共存することが多く.病変の段階によってどちらかの水腫が優位になることがある。 脳組織虚血の初期には.細胞毒性水腫が優勢となり.次いで血管新生水腫となる傾向があり.細胞の崩壊と血液脳関門の重度の破壊が起こると.血管新生水腫が優勢になり.最後に脳軟化症の病巣が出現することになる
初期の細胞毒性水腫は.脳組織の総水分がわずかに上昇するのみで.T1WIおよびT2WIにおいて有意な信号強度の変化がない場合がある。 急性期脳梗塞では信号強度の変化がわずかなこともあり.従来のMRI法では2つの方法で病変の発見に役立てることができます。
(1) T1WIは.信号変化に対する感度はT2WIより劣るが.構造変化をよく示し.大脳皮質の急性梗塞では信号異常が現れる前に.脳溝の狭窄や脳回の腫脹・ぼやけなどの形態変化がT1WIに現れることがある。
(2) T2WIはT1WIよりも浮腫による信号変化に敏感であるが.梗塞初期の脳灰白質の軽度な信号増加は.脳脊髄液の高信号によってマスクされやすく.この時.FLAIRシーケンスを用いて脳脊髄液の信号を抑制すれば.大脳皮質の異常信号表示に有効である。
近年.臨床に導入されている水分子の拡散強調画像法（DWI）は.細胞障害性水腫を検出する方法として.現在最も感度の高い方法である。 細胞毒性水腫では.細胞外の水が細胞内に侵入するため.水分子の拡散が著しく制限される。一方.細胞内の水分子の拡散は.細胞の膨潤により細胞外空間が狭くなるため.正常組織と比較して程度の差こそあれ制限される。 細胞毒性水腫のDWIにおける信号減衰は.水分子の拡散が制限されるため.正常脳組織と比較して著しく少なく.その結果.高信号となりADC値は著しく低くなる。 DWI技術は.急性脳虚血の早期診断に広く用いられるようになった。 部分腫瘍.血腫.活動性多発性硬化巣.部分膿瘍などの他の病変もDWIで高信号を示すことがあり.病歴と従来のMRIや強調画像検査と合わせて鑑別する必要があることに注意する必要があります。
3.間質性脳浮腫（かんしつせいのうふしゅ
間質性脳浮腫は.主に様々な原因による水頭症に続発するものである。 脳室内圧が上昇した結果.脳脊髄液は脳室管を通って脳室周囲の白質に流れ込みます。 間質性水頭症は側脳室周囲の白質に多くみられ.自由水と結合水の両方が上昇する。 信号はT1WIで正常白質より低いが脳脊髄液よりやや高く.T2WIで正常白質より有意に高いが脳脊髄液よりやや低いという。 間質性脳浮腫はDWIで高信号を示さず.病変部ではADC値が軽度から中等度に上昇することが多い。
出血
出血は全身の多くの病変で起こり得ますが.中枢神経系疾患ではより一般的です。 MRIは出血を映し出すことができ.出血の時期や原因を特定することができるのが特徴です。 脳内血腫は臨床で最も一般的であり.その信号推移はより規則的であるため.本項では脳内血腫のMRI画像に焦点を当てる。
1.脳内血腫のMRI信号の一般的変遷
脳内血腫は一般に超急性期.急性期.亜急性期初期.亜急性期中期.亜急性期後期.慢性期に分けられる。
(1) 超急性期
超急性期とは.漏れた血液がまだ固まっていない出血の直後の段階です。 実際には数分から数十分しか続かず.臨床の場ではほとんど遭遇しません。 超急性期の凝固していない血液は.血液の長いT1と長いT2の特性を示すため.T1WIではやや低信号.T2WIでは高信号として現れる。
(2) 急性期
これは通常.出血後2日以内です。 この段階では.赤血球の細胞膜はそのままで.細胞内の酸素化ヘモグロビンが酸素を放出してデオキシヘモグロビンとなる。 デオキシヘモグロビンの常磁性効果により局所磁場が不均一になり.プロトンが位相ずれで加速されるため.血腫のT2値は著しく短縮され.T2WIやT2*WIで低信号として現れる。 細胞内の脱酸素化ヘモグロビンはT1値への影響が少ないため.この段階の血腫の信号変化はT1WIでは目立たず.やや低信号または等信号として現れることが多い。
(3) 亜急性期早期
通常.出血後3～5日目です。 赤血球の細胞膜はそのままで.細胞内のメトヘモグロビンが出現し始めるので.メトヘモグロビン細胞内相と呼ばれています。 細胞内n-鉄型ヘモグロビンの出現は.一般に血腫の周辺部から中心部へと進行する。 この段階の血腫はT2WIで高信号を示さず.一般に低信号のままである。
(4) 亜急性中等症
これは通常.出血後6日目から10日目までの間です。 この段階では.赤血球の細胞膜が破れ始め.ノル強熱性ヘモグロビンが細胞外に流出するため.ノル強熱性ヘモグロビン細胞外相と呼ばれるようになった。 また.赤血球の破裂は一般に血腫の周辺部から中心部に向かって進行する。 この段階の血腫はT1WIでまだ高信号を示し.T2WIでは血腫の周辺から中心に向かって徐々に広がっています。
(5) 亜急性期後期
通常.出血後10日～3週間程度です。 この段階では.赤血球は完全に崩壊し.血腫は主にオルトヘモグロビンで満たされているが.血腫の周辺にいるマクロファージがヘモグロビンを貪食して鉄分を含むヘマトキシリンを形成している。 細胞内の鉄を含むヘモグロビンは明らかに常磁性であり.局所的な磁場の不均一性を引き起こすことになる。 したがって.この段階の血腫はT1WI.T2WIともに高信号であるが.T2WIでは血腫の周囲に低信号のリングが出現している。
(6) 慢性期
これは通常.3週間から数ヶ月の出血の後です。 血腫は徐々に吸収または液化し.病変部の周囲のマクロファージに鉄を含むヘマトキシリンの沈着が顕著に見られる。 そのため.血腫は徐々に液状化した病巣へと進展し.T1WIでは低信号.T2WIでは高信号となる。周囲の鉄を含むヘマトキシリンは.T2WIでは低信号リング.T1WIでは同等またはわずかに高信号として出現する。
2.出血のMRI信号に関する注意点
これまで紹介してきたのは.脳内血腫のMRI信号推移の典型的なパターンである。 臨床の現場では.脳内出血の信号推移と一致しない場合があるが.その原因として考えられるのは以下の通りである。
(1)個人差。
(2)出血の正確な時期を判断することは困難である。
(3) 病変部での出血の再発
(4)病変の大きさの違い。
(5）血腫のMRI信号の進展は.異なる磁場強度で変化する可能性がある。
脳内出血に対してCTとMRIのどちらを使用するかは.医師によって意見が分かれるところでしょう。 一般に.血腫のMRI像は複雑で.出血の初期像は非典型的であると言われており.臨床診断が急性脳内出血である症例ではCTが優先されることがあります。 亜急性または慢性の血腫では.MRIはCTよりも感度が高く.出血の原因を決定するのに優れており.MRIが優先されることがあります。
鉄の蒸着
鉄は.人間の代謝に重要な役割を果たす金属元素です。 MRIは鉄分の変化に非常に敏感であり.ここではヒトの組織における鉄分沈着のMRI信号特性について簡単に説明する。 主に3つの領域について説明します。
(1)脳への鉄の沈着。
(2)遺伝性ヘモクロマトーシス。
(3）二次性ヘモクロマトーシス。
1.脳内鉄沈着
生理的な鉄の沈着は.脳.特に側坐核によく起こります。 新生児の脳組織には顕著な鉄の沈着はなく.年齢が上がるにつれて.脳のさまざまな部位で生理的な鉄の沈着が始まるという研究結果があります。 例えば.淡蒼球では生後6カ月.黒質では生後9-12カ月.赤核では生後18-24カ月.小脳歯状核では生後3-7カ月に鉄の沈着が始まる。 鉄の沈着は部位によって発症年齢が異なり.その速度も様々である。 例えば.淡蒼球では鉄の沈着が顕著に始まるが.側坐核では非常に低い鉄濃度から始まり.年齢とともに徐々に増加し.一般的には70歳前後まで淡蒼球に及ばない。 脳および小脳の灰白質および白質における生理的鉄沈着はごくわずかであり.側頭皮下の弧状線維に比較的多く.次いで前頭葉脳白質および後頭葉脳白質で高い。 内嚢の後縁と視神経輻射にはほとんど鉄の沈着はない。 このように脳組織に選択的に鉄が沈着するメカニズムは.現在のところ不明である。
病的な鉄沈着は.脳のいくつかの病気でも起こる。例えば.早老症の患者では大脳皮質での鉄沈着の増加.パーキンソン病の患者では側坐核と淡蒼球での鉄沈着の増加.慢性血腫の周辺での鉄沈着の増加などである。
脳組織における鉄の沈着は主に細胞内であり.細胞内鉄は主に局所磁場不均一性を引き起こし.プロトンout-of-phaseを加速するため.T2WIやT2*WIにおける組織信号が減少する。 T1WIでは信号変化が軽微であることが多く.やや高信号であったり.重度の鉄沈着症ではT1WIで低信号であったりします。
また.鉄沈着物による磁化率効果は.高磁場強度のMRI装置では顕著であるため視覚化しやすく.低磁場強度のMRI装置ではそれほど深刻ではない鉄沈着物は視覚化できないことも重要である。
2.遺伝性ヘモクロマトーシス
遺伝性ヘモクロマトーシスは.原発性ヘモクロマトーシスとも呼ばれ.常染色体劣性遺伝する病気です。 主に小腸の粘膜による鉄の過剰な吸収と血液中への輸送が問題になっています。 鉄は血液中に蓄積され.肝細胞.膵臓腺上皮細胞.心筋細胞.関節軟骨細胞などにフェリチンとして徐々に沈着していく。 このため.これらの細胞は次第に損傷を受け.最終的には肝硬変.肝細胞癌.膵臓機能不全.心筋症.関節変性症などの病気を引き起こす可能性があるのです。
遺伝性ヘモクロマトーシスは発症が緩やかであるため.臨床症状はすでに中期から後期に入っていることが多いのです。 細胞内の鉄分が多いため.肝臓.膵臓.心筋のいずれもT1WI.T2WIで信号強度が著しく低下していることがわかる。 脾臓の信号は概ね正常である 数例ではあるが.脾臓の信号が減少している場合がある。 また.肝硬変.肝細胞癌.心肥大が見られることもあります。
原発性・続発性ヘモクロマトーシスのMRIによる鑑別
鑑別のポイント 原発性ヘモクロマトーシス 二次性鉄沈着症
鉄が沈着する部位 肝臓.膵臓.心筋 網膜内皮系
肝硬変 多くの場合.存在しない なし
肝細胞癌が存在する可能性がある なし
膵臓信号減少 正常
脾臓信号 正常または軽度減少 有意義な減少
心筋の信号が減少している 可能性がある
骨髄信号 正常 低下
3.二次性ヘモクロマトーシス
二次性血色素症とは.慢性溶血性疾患や輸血の繰り返しによる二次的な鉄沈着異常と定義されています。 溶血性疾患でも輸血の繰り返しでも.赤血球の大規模な長期破壊が起こり.ヘモグロビンは血漿に入り.最終的には鉄を含むヘマトキシリンの形で網状内皮細胞によって貪食・除去されます。 したがって.ヘモクロマトーシスによる鉄の沈着は.主に肝芽細胞.脾臓.骨髄などの網状内皮系や.心筋細胞で起こる。 そのため.上記臓器のT1WIおよびT2WIにおける信号の減少が主な症状である。
二次性ヘモクロマトーシスと原発性ヘモクロマトーシスは.その病態や予後が明確に異なっています。 原発性血色素症は.しばしば罹患臓器の進行性障害を呈し.最終的には機能不全や腫瘍の発生に至ります。 二次性血色素症では.鉄沈着臓器へのダメージが少なく.溶血性疾患が改善したり輸血を止めると.過剰な鉄沈着は徐々に除去される。 MRIによる原発性・続発性ヘモクロマトーシスの鑑別は表4の通りである。