整形外科MRIのPROPELLER実践ガイド

整形外科MRIでPROPELLERが最も役立つのは、疼痛、呼吸伝播、嚥下、拍動などによりCartesian FSEの位相方向ゴーストが診断を妨げそうな場面です。

1. ルーチン全体を置き換えず、動きやすいシーケンスだけ置換する
2. 得意なのはブレード間の面内剛体運動。面外・非剛体運動は万能に直せない
3. 脂肪信号とオフレゾナンスは放射状のボケになり得るため、脂肪抑制とrBWを設計する
4. 金属対策シーケンスではない。術後金属ではCartesian FSEより目立つことさえある
5. AIR Recon DL対応なら、ノイズが律速の条件でNEX・rBW・matrixを再配分し、約1分の撮像も検討できる

PROPELLERの価値は「動いても無傷」ではなく、破綻しやすいゴーストを、診断を邪魔しにくい誤差へ変え、補正可能な動きを整合させることにあります。

事前にPROPELLERへ置き換える候補

• 強い疼痛、振戦、認知機能低下、閉所恐怖
• 肩の呼吸伝播・疼痛性体動
• 頸椎の嚥下、胸椎の呼吸伝播
• Cartesianで一度失敗し、同じ条件では再失敗しそう
• 撮像時間短縮そのものが体動低減につながる

Cartesianを維持しやすい場面

• 十分に静止でき、標準像が安定している
• 高分解能T1でPROPELLER実装の制約が大きい
• 金属近傍の歪み・信号欠損が主問題
• 小関節で放射状ストリークやオフレゾナンスが支配的

PROPELLERは Periodically Rotated Overlapping ParallEL Lines with Enhanced Reconstruction の略称です。James G. Pipeが1999年に発表した、回転する矩形ストリップ（blade）でk空間を取得し、重複する中心データを動き推定へ利用する方法です（Pipe 1999）。

GE HealthCareはこの名称を製品実装に採用していますが、原理そのものは学術誌に公開された一般手法です。

同じ系統でも、blade幅、補正、脂肪抑制、並列化、再構成は一致しません。名称を読み替えても、パラメータ値まで読み替えないことが重要です（Canon JET、Fujifilm Acronym Guide）。

FSE-PROPELLERでは、ETL本の平行線をまとめた矩形領域を1回のecho trainで取得します。これが1 bladeです。

1. 1 shotで1 bladeを取得
2. 次のshotでblade角度を回転
3. k空間中心を通りながら外周を覆う
4. 全bladeを補正・重み付けして再構成

原著の円形coverageでは、matrix径をM、blade内のline数をL、blade数をNとすると、完全充填の目安は次式です。

L × N ≒ M × π / 2

この冗長性が、Cartesian FSEに対する時間コストとmotion robustnessの両方を生みます（Pipe 1999）。

各bladeの中心部分からは、blade取得時点の低分解能像を作れます。この一連の像が、専用navigatorを追加せずに動きを比較する情報源になります。

中心重複の役割は3つです。

• blade間の回転・平行移動を推定する
• 整合性の低いbladeを重み付けする
• 低空間周波数の不整合を平均化する

「中心をN回測るからSNRが単純にN倍」とは言えません。最終SNRは密度補償、重み、coil、reconstruction、blade棄却に依存します。ただし原著は、冗長取得によるSNR増加をPROPELLERの見返りとして明記しています。

重要なのは、3段階目が「別断面を元の断面へ戻す」処理ではないことです。原著のcorrelation weightは低いbladeを完全に消すとは限らず、重複領域での寄与を相対的に下げます。

比較的補正しやすい

• bladeとbladeの間に起きた面内平行移動
• 面内回転
• 散発的で、低分解能像同士を対応づけられる動き

補正しにくい／できない

• 1 blade取得中の速い動き
• through-plane移動・面外回転
• 嚥下、呼吸による変形など非剛体運動
• 撮像中ずっと続く大きな動き

bladeが細すぎるとmotion estimationが不安定になりやすく、研究では16 lines以上のbladeが補正精度に有利と報告されています。ただし商用機ではETL、echo spacing、contrastとの兼ね合いがあります（motion correction研究）。

Cartesian FSEでは、一貫した位相エンコード方向へmotion ghostが並びます。PROPELLERではblade方向が回転するため、残った誤差は一方向へ集中しにくくなります。

その代わりに現れやすいのが、

• 放射状streak
• swirl／ring状のoff-resonance artifact
• 全方向へ分散するblur
• blade undersamplingに伴うradial artifact

です。

したがって評価は「artifactがゼロか」ではなく、病変・腱・軟骨へ重なって診断を妨げるかで行います。肩の研究でもstreak artifactは増えましたが、motion artifactより診断への影響が小さいと報告されています（Eur J Radiol 2016）。

原著の円形coverageでは、同等matrixのCartesianに対して冗長取得がπ/2 ≒ 1.57倍必要です（Pipe 1999）。

しかし実際の時間比は固定ではありません。

• blade幅（ETL）
• blade数／coverage／NEX表示
• FOV形状
• parallel imagingの可否
• slice数、TR、SAR
• AIR Recon DLを前提にしたNEX・rBW・matrix再設計

で変わります。

また「矩形FOVは原理的に使えない」は誤りです。Pipeの原著は一方向のFOVを縮小する異方性FOVと、必要blade数の削減を記載しています。商用GE実装で選択できる範囲は版依存なので、操作卓の制約と分けて考えます（原著、anisotropic FOV研究）。

Cartesianではchemical shiftがreadout方向へ一定にずれます。PROPELLERではbladeごとにreadout方向が変わるため、脂肪のずれも多方向へ回転し、swirl・ring・blurとして現れます（Rydén et al.）。

対策の優先順位は、

1. 目的に合う脂肪抑制
2. 適切なshimと中心合わせ
3. rBWを確保
4. fat-water境界を細かいvoxelで表現
5. 残るstreakとSNRを評価

です。

脂肪抑制は全PROPELLERに必須ではありません。 非脂肪抑制T1/T2にも用途があります。ただし肩・膝のPD/T2でfat-water境界を読む場合、脂肪由来artifactを避ける価値が高くなります。

SARを単純にB0²だけで計算し「1.5Tは常に3Tの1/4」と断定するのは避けます。実際のSARはRF pulse、flip angle、patient loading、TR、coil、シーケンス実装に依存します。

1.5TはPROPELLERを組みやすい条件ですが、SNR不足を長時間化だけで埋める必要はないというのがDL再構成時代の追加論点です。

AIR Recon DLは、raw complex dataを用いる再構成パイプラインで、ノイズとtruncation artifactを低減します。2022年のFDA資料ではPROPELLERと一部3D Cartesianへの対応拡張が確認できます（FDA K213717、Lebel 2020）。

PROPELLERとの組み合わせでは、

• NEX／blade coverageを減らす
• rBWを上げてchemical shiftとecho spacingを抑える
• matrixを上げる
• 同等画質をより短時間で得る

ための余裕になり得ます。

GEのMR 30資料では、肩のAxial PD FatSat PROPELLERを2分25秒から1分58秒へ短縮しながら高分解能化した例が掲載されています。

短縮を検討しやすい：主な制約がランダムノイズ

• NEXを減らしてもblade coverageとartifactが許容範囲
• rBW上昇のSNR損失を補いたい
• 体動を減らすため1〜2分台へ収めたい
• 取得voxelは診断目的を満たしている

DLだけでは救えない

• blade undersamplingによる強いstreak
• 1 blade内のmotion
• through-plane／非剛体運動
• 長すぎるETLによるT2 blurとcontrast shift
• 金属によるsignal void・pile-up・through-plane distortion
• fat sat failure

AIR Recon DLのHighを含むlevelはノイズ低減量の選択です。Gibbs ringing低減はlevelとは独立する設計で、Highを一律に「のっぺりする」と決めつけず、病変視認性で比較します（Lebel 2020）。

PROPELLERにしただけでT1・T2・PDの意味が変わるわけではありません。ただしblade内で複数echoを使うため、ETLとecho orderingが点拡がり関数と実効contrastへ影響します。

1.5T膝の前向き研究では、DL併用PROPELLERのSagittal PDを1分09秒で取得した例があります。ただしNEX、matrix、rBWを同時に変更した研究プロトコルであり、単一値をそのまま移植しません（Kaniewska et al. 2023）。

ETLを延ばすとbladeが太くなり、必要blade数を減らしやすくなります。一方、長いecho train内でT2 decayが進み、blade内方向のblurとcontrast変化が増えます。時短の第一手をETLだけにしないことが重要です。

PROPELLERでは脂肪抑制不良が一方向の縁取りではなく広がって見えるため、prescan後に対象関節がisocenterから外れていないか、shim volumeが適切か、fat sat中心周波数が合うかを確認します。

1. ETL：増やすとbladeが太くなり時短しやすいが、blurが増える
2. blade coverage／oversampling：減らすと短くなるが、streakとmotion robustnessが悪化し得る
3. NEX表示：GE PROPELLERではfractional valueを含み、通常FSEの「全k空間を何回平均したか」と同じ意味で読めない場合がある
4. TR：slice数・SAR・contrast・撮像時間の制約を受ける

時短するときは、最初に「何が余っているか」を見ます。ノイズが余るならNEX/rBW、解像度が余るならmatrix、motion correctionが余るならcoverage、contrastが余るならETLというように、原因に対応するレバーを選びます。

GE操作卓がrBWを±kHzで示す場合、全受信帯域は2倍です。

Pixel BW = 2 × |±rBW| ÷ frequency matrix

例：±62.5 kHz、frequency matrix 320なら、

125,000 ÷ 320 ≒ 391 Hz/px

1.5Tの水脂肪差を約220 Hzとすると、type 1 chemical shiftは約0.56 pixelです。

rBWを上げると、

• chemical shiftが小さくなる
• echo spacingを短縮しやすい
• 金属・off-resonanceのreadout変位を抑えやすい
• ただしSNRは低下する

ため、AIR Recon DLで補いやすい代表的なトレードオフです。

MR 30のアプリケーション情報をまとめたIPEM資料では、NPWの開始候補としてMSKで1.5（transmit/receive coil）または2（receive-only coil）が紹介されています。これは普遍値ではなく、FOV外の脂肪信号と使用coilで確認する値です（IPEM資料）。

1.5T膝PROPELLER＋DL研究では、3シーケンス合計を10分03秒から4分45秒へ短縮し、Sagittal PD 1分09秒、T1系1分36秒、Axial PD FS 2分00秒でした。病変検出の一致は保たれ、膝蓋軟骨評価はDL群で改善しました（Kaniewska et al. 2023）。

頸椎ではSagittal T2が代表適応です。嚥下は非剛体・面外成分も含むため完全補正ではありませんが、Cartesianの位相ghostを分散できます。胸椎では呼吸と心拍が連続するため、streakが残る場合はsat band、位相方向、同期、FOVの見直しも必要です。

開始候補

111例の肩MR arthrography研究では、PROPELLER/BLADEでmotion artifactと全体画質が改善しましたが、撮像時間は約1分〜1分18秒増加しました（Dietrich et al. 2011）。

肩は呼吸伝播と疼痛性体動が多く、PROPELLERの価値が高い一方、術後anchorの磁化率artifactが強くなった例もあります。金属が主問題なら別対策を優先します。

膝は肩ほど常に動く部位ではないため、静止可能ならCartesianを基本にします。PROPELLERは、疼痛性体動、膝窩血管のpulsation、再撮像、DLを使った高速protocolの候補です。

DL研究の1分09秒は実証例ですが、matrix 360×360、NEX相当1.5、rBW 244.1 kHzなど複数条件を同時最適化しています。自施設では同じ順序で一項目ずつ検証します（Kaniewska et al. 2023）。

股関節

• 深部SNRと大FOVが律速。DLでNEXまたはrBWへ余裕を戻しやすい
• 腸管・呼吸は非剛体成分を含み、streakが残ることがある
• spectral fat satが不安定なら、STIR/Dixonの可否を確認

手関節・足関節

• 小FOV・薄slice・高matrixでSNRが不足しやすい
• anatomyがcoil中心から外れるとfat satとoff-resonanceが悪化
• PROPELLERの冗長性よりCartesian高分解能が有利な静止症例も多い

まずCartesianを基本にし、疼痛、振戦、末梢の固定困難が明確な場合にPD/T2 FSを置換します。

FSE-PROPELLERはFSE readoutなので、gradient echoやEPIより磁化率に強い場面はあります。しかし同条件のCartesian FSEより本質的に金属歪みを補正するわけではありません。

肩の比較研究では、術後metal anchor周囲のsusceptibility artifactがPROPELLERでやや強く評価されました（Dietrich et al. 2011）。

金属対策の優先順位は、

1. implantのMR条件と安全確認
2. FSE/STIR、high rBW、薄slice、小voxel
3. SEMAC／MAVRIC系など専用metal artifact reduction
4. 必要に応じてPROPELLERを動き対策として追加

です。

DW-PROPELLERがEPI-DWIより歪みに強い話と、通常T2-PROPELLERがCartesian FSEより金属に強い話を混同しません（Pipe et al. 2002）。

• 頭部T2／T2 FLAIR：静止困難、小児、認知症、救急
• 頸部・眼窩：嚥下、眼球運動。ただし脂肪artifactに注意
• DW-PROPELLER：頭蓋底、側頭骨、真珠腫、EPI歪みが問題となる部位
• Body T2：呼吸によるCartesian ghostを避けたい場面

DW-PROPELLERはmultishot FSE系で、single-shot EPI-DWIより幾何歪みを抑えられる一方、時間とSNRが課題です（Pipe et al. 2002）。

• 対象sequenceでPROPELLERとAIR Recon DLが同時選択できるか
• acquired matrixとdisplay/recon matrixを区別したか
• rBWが±kHzかtotal bandwidthかHz/pixelか
• FOV外信号に対するNPWが足りているか
• ETL延長で腱・軟骨・脊髄がblurしていないか
• spectral fat satの中心周波数とshimが合っているか
• blade coverageを減らした結果、streakが増えていないか
• DL levelは同一raw data／同等条件で比較したか
• motion、金属、noiseのどれを改善するprotocolか明文化したか
• 放射線科医と「診断可能」の基準を共有したか

Q. PROPELLERなら動いても大丈夫？
A. いいえ。blade間の面内剛体運動に強く、面外・非剛体・blade内motionは残ります。

Q. 脂肪抑制は必須？
A. 必須ではありません。PD/T2 FSでは有用ですが、T1や非FS T2にも目的があります。

Q. 矩形FOVは使えない？
A. 原理的には使えます。原著にも異方性FOVがあります。商用実装の可否は別問題です。

Q. AIR Recon DLがあれば1分で十分？
A. ノイズが主制約なら可能性があります。streak、blur、motion、fat sat failureは別に評価します。

Q. 金属に強い？
A. EPI-DWIとの比較ではDW-PROPELLERが有利ですが、通常FSE-PROPELLERをCartesian FSEより優れた金属補正と扱いません。

• PROPELLERは回転bladeと中心重複を利用し、面内motion correctionとbad bladeの影響低減を行う
• 時間コストの理論出発点はπ/2だが、FOV、ETL、coverage、DLで実時間は変わる
• rectangular FOVは原理的に可能。商用GE実装の制約と混同しない
• 肩・脊椎・疼痛性体動の膝で選択的に使う
• PD/T2 FatSatは有力だが、脂肪とoff-resonanceの多方向artifactを設計する
• 金属対策ではなく、必要なら専用metal artifact reductionを優先する
• AIR Recon DLはnoiseとringingを減らし、NEX・rBW・matrix・時間を再配分できる
• 1分撮像は実証例がある。ただしnoise以外が律速なら時間を戻す

本稿の数値はGE HealthCareの公式推奨protocolではなく、一次文献・公式資料・MRI物理から作った検討開始レンジです。装置世代、software、coil、option、患者、読影目的に合わせて検証してください。

主要文献：

• Pipe 1999：PROPELLERの原理
• Dietrich 2011：肩MRI
• Kaniewska 2023：1.5T膝＋DL再構成
• Lebel 2020：AIR Recon DL
• FDA K213717：AIR Recon DLの適用範囲

補足：motion correction review、anisotropic FOV、fat/water PROPELLER、GE MR 30、IPEM、DW-PROPELLER