MRIパルスシーケンス解説 — 整形外科領域
骨髄・軟骨・関節——
整形外科MRIを支える2つのシーケンスを、
臨床現場の視点から解き明かす。
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MSK領域を構成する組織と、その緩和時間
| 組織 | T1 (ms) | T2 (ms) | 特徴 |
|---|---|---|---|
| 皮質骨 | 極短 | 極短 | 全シーケンスで低信号 |
| 骨髄（黄） | ~250 | ~60 | 脂肪主体 → T1高信号 |
| 骨髄（赤） | ~500 | ~45 | 造血性 → T1中〜低信号 |
| 関節軟骨 | ~1000 | ~30 | T2中信号・dGEMRIC対象 |
| 半月板 | ~350 | ~15 | 線維軟骨 → T1/T2とも低信号 |
| 靭帯・腱 | ~400 | ~10 | 規則的コラーゲン → 低信号 |
| 筋肉 | ~900 | ~50 | T1中信号・T2中信号 |
| 関節液 | ~3000 | ~2000 | T2極高信号 |
MSK画像診断は「何が高いか、何が低いか」の信号パターンを読むことから始まる。組織ごとのT1/T2差を理解することが全ての基盤。
磁化率アーチファクトが逆に診断の鍵になる
1/T2* = 1/T2 + γ・ΔB0
骨・軟骨・空気の境界では局所磁場不均一（ΔB0）が大きく、T2*減衰が著しい。この磁化率効果は：
軟骨の早期変性をT2*マップで検出する研究が進展中。T2値より短い時間スケールで組織変化を捉える可能性。
【MSK領域の磁化率要因】
┌──────────────┐
│ 空気（副鼻腔）│ ← 大きなΔB0
├──────────────┤
│ 皮質骨 │ ← 大きなΔB0
├──────────────┤
│ 骨髄（脂肪） │ ← 中程度
├──────────────┤
│ 軟骨 │ ← 小さい
├──────────────┤
│ 筋肉 │ ← 小さい
└──────────────┘
金属（インプラント）：
ΔB0 極大 → 信号消失・歪み
→ SEMAC/MAVRICで対策1回の励起で全ての位相エンコードを完了する
EPI（Echo Planar Imaging）は1回の90°パルスでK空間全体を走査する超高速法。読み出し傾斜磁場を高速反転させ、blipパルスで位相エンコード方向に段階的に進む。
EPIは「速さ」の技術ではなく、DWIという画像コントラストを実現するために不可欠な技術。
【EPIパルスシーケンス模式図】
RF 90°─────────────────────────
Gss ─┴──────────────────────────
Gpe ─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─
blip（弱い位相エンコード）
Gro ─┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬┴┬
（強い読み出し往復）
Sig ─┬─┴─┬─┴─┬─┴─┬─┴─┬─┴─┬─┴
│← 50-100ms（single-shot）→│
K空間：ジグザグ（ラスタ）軌跡スピードか、画質か — 病変によって変わる最適解
脊椎DWI・全身骨スキャン
四肢関節の高精細DWI
金属近傍・脊柱管評価
整形外科の実務：脊椎DWIはSingle-Shotが主流。肩・膝などの末梢関節では分解能優先でMulti-ShotまたはRS-EPIを検討。金属近傍はRS-EPIが第一選択。
拡散強調画像のパラメータを読み解く
S = S₀・e-b・ADC
| b値 | 感度 | SNR | 用途 |
|---|---|---|---|
| 0 | なし | 最高 | ベースライン |
| 500 | 低 | 高 | 骨髄スクリーニング |
| 800-1000 | 標準 | 中 | 標準DWI |
| 1500+ | 高 | 低 | 悪性疑い・精査 |
ADC（見かけの拡散係数）を算出することで、主観的な信号強度を数値化。良性・悪性の鑑別に重要。
【ADC値の目安】
正常骨髄：0.2-0.6
×10⁻³ mm²/s
良性圧迫骨折：0.5-1.5
→ ADC高（浮腫・血管性）
悪性脊椎病変：0.3-0.8
→ ADC低（細胞密度高）
化膿性脊椎炎：0.5-1.2
→ ADC中〜高
※ 数値は文献により変動
定量化には施設固有の
カットオフ設定が必要DWIが最も活躍する整形外科の3領域
良性骨折：細胞外腔拡大 → ADC高値。悪性病変：腫瘍細胞緻密 → ADC低値。b=1000 DWI + ADCマップが標準プロトコル。
虚血による細胞死 → 壊死部の拡散制限 → DWI高信号・ADC低下。X線変化が出る前の早期診断に寄与。T1・STIRと併用して評価。
微細骨折に伴う骨髄浮腫はSTIR高信号だが、DWIでも反応性変化を示す。ただし骨折の急性期はADC高値を示すこともあり、時相による解釈の注意が必要。
化膿性脊椎炎と骨軟部腫瘍の鑑別
椎間板と隣接椎体の感染症。STIR高信号に加え、DWIで膿の拡散制限を確認することで診断の確からしさが高まる。硬膜外膿瘍の検出にも有用。
| 病変 | DWI | ADC | 解釈 |
|---|---|---|---|
| 悪性腫瘍 | 高信号 | 低値 | 細胞密度高 |
| 良性腫瘍 | 低〜中 | 高値 | 細胞密度低 |
| 膿瘍 | 高信号 | 極低 | 粘稠な膿 |
| 壊死組織 | 低信号 | 高値 | 細胞崩壊 |
【整形外科DWIの撮像指針】
1.5T標準プロトコル：
SE-EPI
b値：0, 1000
FOV：病変に応じて
マトリクス：128×128〜
スライス厚：4-5mm
脂肪抑制：必須（STIR併用）
3Tの場合：
b値800でSNR確保
RS-EPI検討（歪み対策）
マトリクス向上可能
全身DWI（WB-DWI）：
ステージングに有用
STIR+EPI composite整形外科領域で特に問題になる3つの歪み
脊椎（骨-靭帯-空気）、術後（インプラント）で顕著。対策：SE-EPI選択、z-shimming、RS-EPI、可能なら3Tより1.5T。
骨髄（脂肪主体）と周囲組織（水主体）の境界でシフト。脊椎評価では致命的。対策：脂肪抑制必須、広帯域受信。
位相方向に反復像が重なる。MSKでは関節の解剖的判読を阻害。対策：自動位相補正、参照スキャン精度の確保。
TRがT2*より短い世界で何が起きるか
SSFP = Steady-State Free Precession。極短TRの連続RFパルスで横磁化が完全減衰する前に次の励起が来る。5-7回のRFで定常状態に到達。
S ∝ T2/T1
水（関節液）：T2/T1大 → 高信号。脂肪（骨髄）：T2/T1小 → 中信号。靭帯・腱：プロトン密度低 → 低信号。
関節液が高信号・軟骨が中信号・骨が低信号——このコントラストが整形外科評価に最適。
【定常状態の条件】
∫Gss dt = 0（スライス方向）
∫Gpe dt = 0（位相方向）
∫Gro dt = 0（周波数方向）
→ 1TR内で全傾斜磁場の
正負が完全バランス
【MSK組織の信号（bSSFP）】
関節液 ：■■■■■ 極高
軟骨 ：■■■□□ 中〜高
骨髄 ：■■□□□ 中
筋肉 ：■■□□□ 中
皮質骨 ：□□□□□ 極低
半月板 ：■□□□□ 低
靭帯・腱：■□□□□ 低液体が高信号になる特性が関節診断を支える
| Param | 設定 |
|---|---|
| TR | 4-6ms |
| TE | 2-3ms |
| FA | 40-60° |
| 優位性 | 軟骨-液コントラスト |
| 用途 | 変性評価・術前mapping |
| Param | 設定 |
|---|---|
| 3D取得 | 任意断面再構成 |
| 優位性 | 高SNR・短時間 |
| 用途 | 半月板断裂・ACL損傷 |
| 注意 | 魔術角効果 |
| Param | 設定 |
|---|---|
| 手法 | 3D bSSFP（CISS等） |
| 優位性 | 髄液-脊髄コントラスト |
| 用途 | 脊髄空洞症・神経根 |
| 注意 | 椎体間のbanding |
高分解能3D取得がもたらす関節診断の進化
薄層連続取得＋任意断面再構成が可能。関節の複雑な3D解剖を一覧でき、手術計画に直結する情報を提供する。
| ベンダー | 名称 | 特徴 |
|---|---|---|
| GE | FIESTA / FIESTA-C | Phase-cyclingでbanding低減 |
| Siemens | TrueFISP / CISS | CISSは2回取得でbanding除去 |
| Philips | bFFE / bTFE | Segmented k-space対応 |
cos θE = e-TR/T1
TR=5ms, T1(軟骨)≈1000ms → θE ≈ 4°。しかしbSSFPはT2/T1信号なので、FA 40-60°が関節評価の実用的範囲。
【膝関節 3D bSSFP例】
TR：5-7ms
TE：2-3ms
FA：45-55°
FOV：14-16cm
マトリクス：256×256
or 320×224
スライス厚：0.5-0.8mm
取得時間：3-5分
【肩関節例】
TR：5-6ms
FA：40-50°
スライス厚：0.6-1.0mm
用途：関節唇・棘上筋腱
Bankart/Bankart変法
【股関節例】
TR：6-8ms
FA：50-60°
用途：寛骨臼唇・軟骨整形外科領域で直面する3つの問題
3Tで顕著。骨髄脂肪-水境界で暗帯が出現し、軟骨評価を阻害。対策：phase-cycling（FIESTA-C/CISS）、shimming最適化、1.5T選択。
関節周辺の血流がbSSFPの定常状態を乱す。対策：flow compensation、SAT pulse配置、TE短縮。
腱・靭帯が主磁場と55°をなす角度でT2が延長し、高信号として描出。病変との鑑別が必須。対策：TE延長で軽減、またはT2加重で確認。
| 臨床シーン | 選択 | 理由 |
|---|---|---|
| 脊椎圧迫骨折の鑑別 | EPI | DWI + ADCで良性/悪性鑑別 |
| 化膿性脊椎炎 | EPI | 膿の拡散制限を確認 |
| 骨軟部腫瘍の質的評価 | EPI | ADCで細胞密度を推定 |
| 関節軟骨の変性評価 | SSFP | 軟骨-液コントラストに最適 |
| 半月板・靭帯損傷 | SSFP | 3D高分解能・任意断面 |
| 脊髄・神経根評価 | SSFP | 髄液-脊髄の高コントラスト |
| 大腿骨頭壊死 | EPI+SSFP | DWI+形態評価の併用 |
| 術後金属周囲 | MAVRIC/SEMAC | EPI・SSFPとも困難 |
DWIという画像コントラストを実現する基盤。
骨髄病変の鑑別（骨折・感染・腫瘍）に不可欠。ADCマップで定量的評価が可能。
液体-軟骨コントラストを生み出す高速3D法。
関節・半月板・靭帯の高分解能評価。任意断面再構成で手術計画を支援。
アーチファクトとの戦い。
磁化率（EPI）、banding（SSFP）——原理を理解すれば、対策は見える。1.5Tと3Tで戦略が変わる。
EPIは「病変の性質を見極める」技術。
SSFPは「関節の形態を鮮明に描く」技術。
両者を使い分けることが、
整形外科MRIの質を決める。