chemical shift selective 法による組織抑制画像の信号抑制...

五十嵐・吉川：Chemical shift selective 法による組織抑制画像の信号抑制効果の検討

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Chemical shift selective 法による組織抑制画像の信号抑制効果の検討－撮像体位が信号抑制効果に与える影響について－

（平成 24 年 11 月 29 日受理）

五十嵐太郎 1)2) 吉川宏起 2) 1) けいゆう病院放射線科 2)駒澤大学医療健康科学部

Magnetic Resonance Imaging: MRI において、脂肪抑制画像は臨床診断に有用な画像である。

Chemical shift selective: CHESS 法は、一般的に使用される脂肪抑制法であるが、撮像部位によっ

て信号抑制不良を発生させる場合がある。静磁場内に撮像対象が入ることで、適用外部磁場の磁

力線が遮断され、共鳴周波数が変化する。共鳴周波数が変化することで、CHESS パルスが、脂肪

の周波数スペクトルに印加されずに、信号抑制不良が生じる。そこで撮像目的部位が適用外部磁

場の磁力線と衝突しないような撮像体位をとることで、均一な脂肪信号抑制画像を得ることが可

能となった。

1. 緒言

強い磁場に曝された核スピンに対し、特定の

周波数のラジオ波（radio frequency：RF）パル

スを照射すると、エネルギー吸収および放射が

生じる。この現象を核磁気共鳴（nuclear magnetic

resonance ：NMR）と呼び、NMR 現象を利用し

て核スピンの空間分布を画像化したものが磁気

共鳴画像（magnetic resonance imaging: MRI）で

ある。MRI で対象となる核種は水素原子の核ス

ピンで、水素原子核の磁気回転比に相当する周

波数のラジオ波を照射することで、核スピンを

操作する。人体において水素原子核を有する分

子構造は、主に水：H2O やメチレン基:-CH2-お

よびメチル基 :CH3-などからなる中性脂肪など

である。水素原子核は同じ磁場環境であっても

化学環境（結合状態や分子構造など）の違いに

より共鳴周波数が変化する。これを化学シフト

δと呼び、基準物質テトラメチルシランに対し、

水が 4.65ppm、中性脂肪が約 1.2ppm の周波数で

水素の核スピンが共鳴する。これを利用して、

周波数選択的に飽和 RF パルスを印加すると、

特定組織の信号を抑制することができる。選択

的組織抑制法の一法である Chemical shift

selective （CHESS）法は、水の中心周波数のピ

ークから 3.5ppm（静磁場強度 1.5 テスラの装置

で 220Hz）低い周波数にオフセット周波数を設

定し、この周波数帯域に周波数選択的飽和 RF

パルスを印加する。この周波数選択的飽和 RF

パルスにより脂肪の磁化をｘ‐ｙ平面に倒し、

直後にホモスポイル傾斜磁場を印加することで

脂肪の横磁化の位相を分散し、信号の抑制を行

っている 1）,2）。

CHESS 法は多種のパルスシーケンスと併用

できることから、最も一般的な脂肪抑制法であ

るが、撮像部位によっては、信号抑制不良を発

生させることがあり、診断の妨げになることが

ある 3),4) 。そこで本研究では、CHESS 法によ

る脂肪抑制画像の信号抑制不良が生じる要因を

解明し、撮像体位による脂肪抑制効果について

検討する。

駒澤大学医療健康科学部紀要第 10 号（2013）

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2. 方法

2.1. ファントムによる CHESS 法の信号抑制

効果の検討

立方体アクリルケース（100mm×100mm×

100mm）に精製水で満たした水ファントムを作

成した。このファントムを用い、CHESS 法によ

る信号抑制効果および共鳴周波数の測定を行な

った。

2.1.1. 周波数選択的飽和RFパルスによるファ

ントムの信号抑制効果の検討

装置は GEHC 社製 SIGNA HDxt ver.15 (1.5T)、

受信 RF コイルに QDHEAD coil(quadrature

detection coil)を使用した。ファントムの１面を、

アライメントライトと平行になるように寝台上

に設置した。撮像シーケンスは高速スピンエコ

ー法で、撮像条件を repetition time 2000msec、

echo time 30msec、echo train length 8、Field of

view 120mm、slice thickness 20mm で行い、

体軸断面、矢状断面、冠状断面にて撮像を行な

った。信号抑制のための周波数選択的飽和 RF

パルスは、フリップ角 108°、周波数帯域 200Hz

で、周波数選択的飽和 RF パルスの中心周波数

を水の周波数スペクトルのピーク設定し、ファ

ントムの水抑制画像を撮像した。得られた画像

を DICOM で出力し、image J に取り込みサーフ

ェイスプロットを作成した。

2.1.2. 周波数選択的飽和RFパルスによるファ

ントムの共鳴周波数の測定

ファントム設置法および撮像シーケンス、撮

像条件は 2-1-1 と同様で行なった。オートプレ

スキャンでスライス面の中心周波数を水の周波

数スペクトルのピークに設定する。信号抑制の

ための周波数選択的飽和 RF パルスの印加中心

周波数(center frequency of CHESS:CFCHESS)を、ス

ライス面の中心周波数と同じ水の周波数スペク

トルピークに合わせる。この時の CFCHESS の周

波数を 0Hz とし、この周波数から -240Hz～

280Hz まで 40Hz ステップで周波数を変化させ

て水抑制画像を撮像し、信号強度を測定した。

信号測定点の関心領域（region of interest: ROI）

は矩形で 90×90ｍｍ2 大きさに設定し、ファン

トム全体（whole phantom：PW) 信号強度を、

CFCHESS の周波数において測定した。次に ROI

の大きさを 20×20ｍｍ2 に変更し、ファントム

中心部（phantom center: PC）および傾斜磁場の

３軸上のファントム両端部、Gx（phantom right:

PR、phantom left: PL）、Gy（phantom anterior: PA、

phantom posterior: PR）、Gz（phantom superior: PS、

phantom inferior: PI）の信号強度を測定した。

各測定点ごとに、CFCHESS を変化させた時の信

号強度をグラフ化し、その最大信号強度 SImax

と最小信号強度 SImin から、式（1）で信号半値

SIhalf を求める。

SIhalf ＝(SImax－SImin)／2 ・・・・・式(1)

さらにグラフの立ち上がりおよび立ち下がり

の直線部について、最小自乗法で線形近似を行

い近似式を求める。近似式に SIhalf を代入し、グ

ラフの立ち上がりおよび立下りの周波数を求め、

式(2)からから各測定点における共鳴周波数を

算出した。

Resonance frequrncy= (Fmax+Fmin)/2 ・・・式(2)

2.1.3. 足関節における撮像体位による信号抑

制効果の検討

装置は GEHC 社製 SIGNA excite xl ver.11

(1.5T) 、受信 RF コイルに QUADEXT coil

(quadrature detection coil)を使用した。撮像シー

ケンスはスピンエコー法で、 T1 強調画像

（repetition time：300msec、echo time：15msec、

Field of view：160mm、slice thickness：5mm）と

CHESS 法による脂肪抑制 T1 強調画像をそれぞ

れ矢状断面で足関節の撮像を行った。撮像対象

は、実験の同意を得た健常ボランティア 10 名

20 肢（23 歳～42 歳男性 7 名、女性 3 名）で、

足底部を寝台に対して垂直にした中間位と、寝

台と平行にした伸展位で行った。


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足関節中間位および伸展位の画像から、下腿

骨（頚骨、腓骨）、足根骨（距骨、踵骨、立方骨、

舟状骨）、足関節周囲の脂肪組織（足底部、足背

部、踵骨腱部）に関心領域を設定して、信号強

度の測定をした。T1 強調画像の信号強度 SIT1W

と、脂肪抑制 T1 強調画像の信号強度 SICHESS と

から、式（3）にて信号強度比(SIT1W -SICHESS Ratio)

を算出し、脂肪抑制効果について検討を行った。

SIT1W -SICHESS Ratio＝1- SICHESS/SIT1W×100

・・・式(3)

足関節中間位および伸展位における信号強度比

(SIT1W -SICHESS Ratio)について有意差検定（t 検定）

を行い、各撮像体位における脂肪抑制効果につい

て検討を行った。

3. 結果

3.1.1. ファントム形状による信号抑制効果

水抑制画像のサーフェイスプロットを figure

1 に記す。水抑制を行ったファントムは、中央

部で信号強度が低下し、十分な信号抑制効果が

得られたが、Gz 上におけるファントム両端 PS,

PI で信号強度が高くなり、信号抑制が不十分と

なった。

3.1.2. 立方体ファントムの共鳴周波数の測定

CFCHESS を変化させた時の各測定点の信号強

度を table 1、figure 2 に記す。またオートプレス

キャンで設定した中心周波数と、各測定点にお

ける resonance freguency の差を table 2 に記す。

オートプレスキャンにて設定したファントムの

中心周波数は 63,849,305Hz であった。Pw の

resonance frequency は、ファントムの中心周波

数に対して＋13.01Hz となった。Pc の CFCHESS

は Pw と近い値を示し、Pr、Pl、Pa、Pp の CFCHESS

は、ファントムの中心周波数よりわずかに低値

を示した。一方 Ps、Pi の CFCHESS は、ファント

ムの中心周波数より約 75Hz 高値を示し、最も

高値を示した Pi と、最も低値を示した Pr との

間には約 100Hz の差が生じた。

3.1.3. 撮像体位による信号抑制効果の検討

中間位および伸展位における脂肪抑制 T1 強

調画像を figure 3 に、SIT1W -SICHESS Ratio の結果

を figure 4 に記す。伸展位による脂肪抑制 T1 強

調画像は均一な脂肪抑制画像を得ることができ

たのに対し、中間位では下腿部もしくは足根骨

のどちらかの脂肪抑制が不良となり、足関節に

対して均一な脂肪抑制画像を得ることができな

かった。SIT1W-SICHESS Ratio は伸展位で 80％以

上の信号抑制効果が得られたのに対し、中間位

では足根骨付近で信号抑制効果が 50％を下回

るなど信号抑制不良が見られ、両者の間に有意

差がみられた。

足関節の各測定点における周波数スペクトル

を figure 5 に記す。中間位における足関節の周

波数スペクトルは水および中性脂肪のピークは

観測できていない。周波数スペクトルの測定範

囲を狭めると水と中性脂肪のダブルピークが観

測できたが、下腿部に対して踵部および足背部

の周波数スペクトルは高周波側にシフトしてい

る。一方伸展位における足関節の周波数スペク

トルでは、ダブルピークが観測でき、各測定点

における周波数スペクトルのシフトも見られな

かった。

4. 考察

CHESS 法は水と中性脂肪の共鳴周波数差を利

用した脂肪抑制法であり、磁化率の影響により脂肪

抑制が困難となることがある５）。今回撮像した水抑

制画像は、ファントム内容物の水の共鳴周波数

に周波数選択的飽和 RF パルスを印加している

ため、水の信号が抑制される。しかし実際には

Gz 上の両端で信号強度が高くなり、十分な信号

抑制効果を得ることができていない。また信号

抑制不良の部分は共鳴周波数が高くなっている。

実験で使用した装置は、静磁場の磁力線の向き

が、筒型コイルの内腔、Gz 方向と並行に存在し

ている。水は反磁性物質で、局所性反磁性効果


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により静磁場 B0 と反対方向に弱い局所磁場を

誘導し、磁力線を拡散させる。均一な磁力線を

もつ静磁場内に、反磁性物質が入ると磁力線は

遮断され磁力線が拡散する。ファントム中央部

は局所性反磁性効果が働き、磁力線の拡散によ

り磁束密度が低くなるが、磁力線が遮断される

Ps、Pi の境界付近は、静磁場の影響を受けてフ

ァントム中央部より磁束密度の高い状態となる。

その結果ファントム内で異なる磁束密度の場所

が存在し、磁場勾配が発生する。磁束密度と周

波数は、ラーモア方程式ω0＝γB0（ω0：角周

波数〈rad/sec〉【ω0=2πf0[ f0 : 周波数〈Hz〉]】、

γ：磁気回転比【１H：42.58MHz】、B0：磁場強

度〈T〉）から比例関係にあることから、ファン

トム内容物が単一物質であるのにもかかわらず、

異なる共鳴周波数成分を持つことになってしま

う。周波数選択的飽和 RF パルスの周波数帯域

は 200Hz であるため、ファントム内で約 100Hz

共鳴周波数が生じることで、飽和パルスの周波

数帯域から外れる場所が発生し、信号抑制不良

が生じたものであると考えられる。

足関節の CHESS 法による脂肪抑制 T1 強調画

像の中間位は、足底部を寝台に対して垂直とな

る撮像体位である。撮像範囲内では、足底部お

よび足背部が静磁場の磁力線と直交している。

磁力線と直交する場所はファントム実験からも

言えるよう、静磁場の影響により磁束密度が高

くなる。一方で下腿部は静磁場の磁力線と平行

であるため、局所性反磁性効果により磁束密度

が低くなる。足関節中間位では、磁場環境の違

いによる磁束密度の変化により、異なる共鳴周

波数が存在し、信号抑制不良が生じたものと考

えられる。一方足関節伸展位では、足底部が静

磁場と平行になるため、撮像対象と静磁場の磁

力線が衝突する面積が小さくなり、静磁場の影

響が小さくなったと考えられる。そのため磁力

線の乱れが少なく、撮像野内の共鳴周波数の変

化が少なくなり、均一な脂肪抑制画像をえるこ

とが出来たのだと考えられる。

5. 結語

CHESS 法の信号抑制不良は、局所性反磁性効

果による磁場勾配の発生を起因とした共鳴周波

数の変化により、適切に周波数選択的飽和 RF

パルスが中性脂肪の共鳴周波数印加されなかっ

たことが原因となる。静磁場と直交するような

撮像体位を回避することで、信号抑制不良を軽

減させることが可能となった。

参考文献

[1] Keller PJ, Hunter WW Jr, Schmalbrock P :

Multisection fat-water imaging with chemical

shift selective presaturation. : Radiology 164 :

539-541, 1987

[2] Haase A, Frahm H, Hanicke W, Mattaei D :

1H NMR chemical shift selective (CHESS)

imaging. Phys Med Biol 30 : 341-344, 1985

[3] 高原太郎；脂肪抑制法日本放射線技術學

會雜誌 53 : 3-5, 1997.

[4] 五十嵐太郎, 吉川宏起；脂肪抑制法の原理

と特徴 : INNERVISION 24 : 47-50, 2009

[5] 中上将司；装置メーカーからの提言「３T

装置に期待する情報」IDEAL、CUBE を中心

に：日本放射線技術學會雜誌 64 : 1600-1603,

2008.


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0

1200

0

1200

Table 1 Center frequency of water in each point in a phantom

Pw Pc Ps Pi

Center frequency of

CHESS[Hz] 13.01±33.27 11.31±0.42 73.98±17.66 78.08±5.84

Pr Pl Pa Pp

Center frequency of

CHESS[Hz] －19.33±5.42 －18.76±4.30 －18.79±5.47 －17.25±5.56

Pw, Pc, Ps, Pi, Pr, Pl, Pa, Pp mean peak frequency of phantom W,C,S,I,R,L,A,P describe in Fig. 2, respectively.

A B

C

Fig.1 The surface plot of a water-suppressed image

A: center slice of axial image

B: center slice of sagittal image

C: center slice of coronal image

0

1200

SI

left right

posterior

anterior

SI

superior

inferior posterior

anterior

SI

left

right

superior

inferior


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Fig.2 Center frequency of water in each point in a phantom

Fig.3 Change of the fat-suppressed effect by the difference in imaging position. fat-suppressed T1 weighted image

of ankle joint by the CHESS

A extension position, B neutral position A B


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Fig.4 The fat-suppressed effect by SIT1W-SICHESS Ratio of an ankle joint (cruris, tarsal bone, fat of ankle

joint)


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A B C D

E F G H

A B C D

E F G H

A B C D

E F G H

Fig.5 Frequency spectrum of an ankle joint

A: whole ankle ( neutral position ),B: cruris ( neutral position ), C:

calcaneus ( neutral position ),D: dorsum pedis ( neutral position ),E whole

ankle ( extension position ),F: cruris (extension position ),G: calcaneus

(extension position ),H: dorsum pedis (extension position ),


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Evaluation for suppression effect in tissue-signal suppressed images by Chemical shift selective

technique; Signal suppression effect by imaging position

Taro Igarashi１）２）, Kohki Yoshikawa２）

1) Department of Radiology, Keiyu Hospital, 2) Faculty of Health Sciences, Komazawa University

Abstract

In magnetic resonance (MR) imaging, fat-suppressed imaging has high clinical usefulness. The

chemical shift selective (CHESS) technique generally used for fat-suppressed MR imaging may cause

poor signal control depending on the interested target site. When an imaging subject enters in a static

magnetic field, interception of lines of magnetic force will be occurred and proton resonance

frequency will also be changed. In such situation, the frequency spectrum of fat will not be

selectively irradiated with a CHESS pulse, and so poor signal control will be occurred. In this report,

we found that it is possible to obtain uniform fat-suppressed images by setting the interested target

site at the position which will not collide with the line of magnetic force of an application external

magnetic field.

(Received: November 29, 2012)

chemical shift selective 法による組織抑制画像の信号抑制...

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