-総説

プロトン MRスベクトロスコピーの臨床応用

-脳梗塞および脳臆蕩-

¥

畑津 願

キーワード:MRI， MRS，脳梗塞，脳腫湯

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS)は，

生体内の化合物の組成およびその量を非侵襲的に

測定する手法であり，正常もしくは疾患における

様々な代謝情報をもたらす九現在，臨床用 MR

装置では主にプロトン(lH)MRSが行われてお

り，乳酸， N-acetyl-aspartate (NAA) ，コリン，

クレアチンの組織含量が測定されている.高磁場

MR装置では，リン(31P)からの信号をもとに

ATP，ホスホクレアチン，ホスホジエステル，

無機リン酸，ホスホモノエステルなどのエネル

ギ一代謝関連化合物が測定可能である.ここでは，

すでに多くの臨床応用が行われているlH-MRSに

ついて，その原理，何が測定できるか，臨床にど

のように役立つかを中心にまとめた.

1. MRSの原理

核磁気共鳴法 (NuclearMagnetic Resonance)

は，未知の有機化合物の構造を決定するための重

要な手法である.】Hや31pを含む分子を静磁場に

置くと，これらの原子核の外殻電子は，静磁場と

逆方向の磁性(原子核からみれば静磁場から遮蔽

された状態)をつくりだす.測定対象の原子核の

秋田県立脳血管研究センター放射線医学研究部

干010-0874 秋田県秋田市千秋久保田町6-10

(脳循環代謝 14 : 103-109， 2002)

電子分布は，隣接する原子あるいは置換基の電気

陰性度に影響される.隣接する置換基が電子供与

性であれば測定対象の原子核周囲の電子密度は増

加し，外部静磁場に対して遮蔽状態となる (CH3

ーのlHなど).隣接する置換基が電子吸引性であ

れば測定対象の原子核周囲の電子密度は低下し，

脱遮蔽の状態となる(一OHのlHなど).ベンゼ

ン環，二重結合，三重結合，カルボニル基などは，

原子核の立体構造と磁場に対する配向との関係に

より，測定対象の原子核に対してそれぞれ特有の

遮蔽効果をもっ.電子による静磁場の遮蔽効果(化

学的環境)により，水分子のlHと乳酸のlHの局

所磁場は異なる.核磁気共鳴現象の共鳴周波数ω

は，原子核に固有な磁気回転比yと測定対象の原

子核が置かれた磁場の強さ (B)の積によって決

まる.外部磁場 (MR装置によって付加された静

磁場)が同じで、あっても，外殻電子の遮蔽効呆に

よる局所磁場の差によって，水分子のlHと乳酸

のlHは異なる共鳴周波数を有することになる.

同じ分子内でも，メチル基と水酸基のlHの共鳴

周波数は異なる.このような共鳴周波数の差が化

学シフトであり，スベクトル上，異なるピークと

して観察される(図1).化学シフトは温度にも

敏感で，化学シフトから生体内の温度分布を求め

る方法が開発されている 2)

-103ー

脳循環代謝第 14巻第2号

10

8

6

4

2

。

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

図 1 正常成人の右前頭葉のlH-MRS.N-acetylaspartate (NAA) .クレアチン (Cr).

コリン (Cho)のピークを認める.ピークの積分値が各々の含量に相当する.

lH-MRSでは，外殻電子による遮蔽効果のほか

に，同一分子内の 2個のlH聞の磁気的相互作用

(J -coupling)の効果が観察される. lH聞の磁気

的相互作用の結果，励起時のエネルギー準位が分

裂し，分裂したエネルギー準位間で複数のエネル

ギー吸収，放出が生じる.スペクトルの上では，

一つのピークの細かし、線分裂として現われる(礼

酸の 21峰性ピークなど).

2.測定法

核磁気共鳴は，磁場の中に置かれた原子核のエ

ネルギー吸収と放出のプロセスである. lH原子

核励起用の高周波帯を付与した後，励起された原

子核から放出されるエネルギー(高周波)を受信

コイルで電気信号の形に変換したものが，時間一

信号強度曲線(自由誘導減衰曲線)である.これ

をフーリエ変換し，周波数信号強度曲線に変換

すると，存在環境ごとの引の共鳴周波数に対応

したスペクトル，すなわちlH-MRSが得られる.

lH-MRSでは. tetramethylsilane (TMS)のメ

チル基のlHの化学シフトを基準(Oppm)にして，

他のlHの化学シフトを表す.31P_MRSでは，ホ

スホクレアチンの化学シフトを基準 (0ppm) に

する.スペクトルは，左に向かうほど高周波信号

(高磁場，脱遮蔽)をあらわす.右に向かうほど

低周波信号(低磁場，遮蔽)を表す.化学シフト

は磁場強度に依存するので，与えられた高周波

(1.5 T装置では約 64MHz) と化学シフトの周波

数(1.5T 装置では 100~500 Hz)の比を用い.ppm

単位で表す. 1.5 T装置では，水，コリン，クレ

アチン.N-acetylaspartate，乳酸の化学シフトは，

-104-

プロトン MRスペクトロスコピーの|臨l末比;JIj

図 2 ;tjrl'大脳動脈閉塞 31時IIIJ後の:jJl:IYx強調l由i像(ノrJ，乳椴(中央)， NAA (む)のchemical shift imaging. lJl、散強制Uhif象のJJiねなにー致して，字L般の孫fi!t，NAAの

il'j失をi認める.不可逆111ーの組織陣容が':1:.じていると考えられる.

各々 4.5ppm， 3.2 ppm， 3.0 ppm， 2.0 ppm， 1.5

ppmである.

MRSには，単一領域からスベクトルを得る sin-

gle voxel 法と同 H寺に多数の領域を iWJ定する

multi-voxel法がある. single-voxel 法は領域選択

性に優れ，測定時間が短い.脳脆傷のil!U定に適し

ている. multi司voxel法は，広範な領域の代謝産

物の分布 (chemicalshift imaging) を一覧するこ

とができる.隣接する voxelからの影響を受けや

すいため，解析には注意を吏ーする.

'H-MRSの測定では，生体に大量に存在する水

分子の'Hからの信号を抑制しなければならない.

具体的な方法については省略するが，静磁場の均

一性とともに，スペクトルの精度に大きく影響す

る.

3.臨床応用

1. iE常脳組織

正常脳組織では，主としてコリン，クレアチン，

NAAに含まれる'Hの化学シフトのピークがみら

れる(図1).NAAはアミノ酸の一種で，グルタ

ミン酸に次いで脳組織に大量に含まれている.初11

経細11胞に特異的に分布 し，神経細胞のマーカーと

されるヘその低下は，神経細胞の消失や機能の

低下を反映すると考えられている.腕蕩組織では，

-105

その中に含まれるや11経細胞成分をおおまかに反映

している.コリンのピークは 3.2ppmにみられ，

コリン，グリセロホスホコリン，ホスフアジルコ

リン，ホスホコリン，アセチルコリンなど多数の

代謝産物の信号が含まれる.コリン含量は，細胞

JJ莫の生合成を反映していると考えられており，新

生児の脳組織や腫主義で高値を示す.乳酸は正常脳

組織では検出されず，虚血病巣や腫場組織など嫌

気性解糖を行う組織で検出される. 1.3 ppmに2

峰性の特徴的なピークを示す.クレアチンのピー

クは 3.0ppmにみられる. NAAやコリンと比較

して安定 している.乳酸， NAA，コリンの組織

含量は，クレアチンのスベクトルの積分値に対す

るよヒ (LaclCr，NAA /Cr， Cho/Cr) として，中日

対的にあらわされることが多い.

健常成人で、は， NAA， Cr， Choの含量には局

所差があるぺ NAA.Crの含量は灰白質で高く，

Choは白質で高い(各々の灰白質/白質比は， 1.2，

1.7， 0.9).小児の NAAノCrは，出生後 3歳まで

は急速に増加し以後成人期まで緩徐に増加す

るぺ Cho/Crは，出生時ーから成人期に至るまで

徐々に低下する.また， 30-34週齢の早産児で

は， 38-42週齢の満ー知j産児と比較して，視床の

NAA/Cr比が有意に低く， Cho/Cr比が有意に上

昇しているへ前頭葉の NAA/Crは，小児期に最

も遅れて成人のレベルに達する. 'H-MRSは，成

IJ前術以Ht謝第 l，jJ~第 2 り

ハリー

8

6

2

。

ワu

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

図3 kuIjJifi葉の gliomaの'H-MRS(single-voxel ild. 1十JAi-と比較して，Ni¥，'¥のjli;f，コリン (Cho)のJi;刊11，手Lt'まのピークを認める.

熟や加齢に1!I':う!Ji泊中J:l織の来11成や代謝の変化を測定

するイ0)な子11;として}刊し、られている.

2. I虚1(11tl: }jì~ 1(11符 I~~i;( ~~1:

JJ前Ifn流i計の低卜ーに1>1"い， 蛋|ド山'1代p謝射|隙僚，九 嫌気f

!僻v昨;私糊iq{の/克じ進 (伴字乳u酸唆のf生l七tリ)成玩)入， 興 f裕R引，↑f刊性I~門ゾ司性H伊例神4中|ドl晴帝椛王引{伝式述物 T抗I の放l山I¥， ATPの布ll沿，初l'奇跡111胞}j見のmi分総など

のー述の過科を経て， JJi.村Il織は制本にでるに '1-1-

MRS を )IJ I，、て収 Ifll.~，j，j l;j~の乳 I~費を測定することに

より，エネルギ一代謝の'fr:嬰な段附を検11'，するこ

とができる.収 Ifl L}Jì~*11織の嫌気'I~I:W，~納は， positron

emission tomographyを川し、て!脳ブドウ税':il'i針h1.‘

および、限素?i'i'[It tíl: を ìJ!!J~ し，その LLil;~.モル比から

の解lijlfをもとに推定されたが， 'H-MRSにより，

来11織に諸積した乳般を刊(接測定することがTI]"能に

なったへ実験動物では，点 Ifll ll'，~の組織乳限合 U14

と組織防告:および:tflt fì~ 1(/;[ ~~与の iWi，'J主はよく十111刻す

る川ヘ動物の実験的JJ品取Ifnモデルでは， JJ前Ifll.流

量が 20ml ' 100 g !min以ドに{氏ドすると組織の乳

限合J11-/){j:Vlか11する"'経H寺的な'H-MRSの測定で

は， lfll符 I~J 水戸I後から手Li唆は 1'17}jllし始めるl:.!)

過↑;1二の!芯Ifn後f1TI1fJ.i.u1では'1'_成された乳酸が組織か

ら洗い11¥されるJ:l.l.ll 党杭引1.¥'111] LIのJJ品川本では

すでに検 11'，され lヘその l-A は臨床的 ]'r(~i，:)丸 ]可愛

と相関するlぺ IUJ本Ifll符がjlJI刑通した抗例ではJJ:

l'flJlJ通例と比較して乳酸合はが低官，'[で、あった17)

党内ir:1T'-)l}Jの雌 IfI川}，j県の乳 l町長合 ill- は!花 Ifll. の，l( ~i，:)主と

l'flJf.J通によるおい、11'，しという:つの!民主の影響を

受けると考えられる.また，手u峻の11'成1'1体は 11]"

逆'1司令の場合があることをノJ~I唆している.ゾi~.I.1&!動物

の!松 Ifllモデルでは，拡散Yrrl湖{象の yl~im.範I!J I を越え

て乳|駿の'1'_成がみられる lぺ発杭'j'.!!)Jの|臨床例で

は，拡散iJrtt，1HiJf象のW'ii¥'がilえも!，!)!)Jの!年lf1l~ムj変をポ

106

プロトン MRスペクトロスコピーの臨床応用

唆する所見と考えられているが，乳酸の生成も同

様に早期の虚血を示す所見と考えられる.

発症後長期にわたり，脳梗塞巣で乳酸を検出す

る.これは，持続する嫌気性解糖や組織修復過程

で集積した食食細胞の代謝を反映していると考え

られている即9) 乳酸蓄積の意味が，急性期と急

性期以降では異なることに留意する必要がある.

NAAは虚血後の残存神経組織の指標として多

くの研究がなされた. Houkinらによると，脳虚

血発症後 24時間で正常の NAAレベルの 24%に

低下する16) 虚血巣の NAAの低下と臨床症状の

重症度が相関する制.中大脳動脈領域の脳梗塞で

は， NAAレベルが7mmol/L以上の群の臨床症

状が良好であることが報告されている2ヘ一方， NAAの虚血組織からの洗い出しは遅延

するので NAAの存在は必ずしも正常組織の残存

を意味しない却.この点で，虚血後急性期の NAA

の評価には注意を要する.

図2に，発症当日の右内頚動脈閉塞例の，拡散

強調像，乳酸およびNAAのchemicalshift imag-

ingを示す.組織乳酸含量は，高度の血流低下域，

拡散強調像の高信号に一致して増加している.そ

の周囲の中等度血流低下域，拡散強調像の正常域

にもわずかながら乳酸の存在を認める.NAAは，

乳酸の上昇した領域ですでに低下している.臨床

例において，脳血流量と乳酸生成の関係，拡散強

調画像の異常信号との関係など，まだ十分検討さ

れていない.特に発症早期のデータの蓄積が今後

必要で、ある.

3.脳腫虜

1H・MRSを用いて，非腫蕩組織と腫蕩組織の鑑

別，腫蕩の悪性度の診断，腫蕩の組織学的鑑別の

可能性が試みられた.腫虜組織では， Choの増加，

NAAの減少が特徴的であるお.24). Shimizuら

(single-voxel法)によると，悪性度の高い glioma

ほど，この傾向は強かった.gliomaとmeningioma

には， NAAやCho含量の有意差を認めなかった.

また，乳酸は正常者では検出されず，腫蕩組織で

は検出されたが悪性度との相聞はなかった25) 脳

腫蕩のlH-MRSでは，腫蕩内出血(もしくは中心

部壊死巣)のために静磁場の乱れが生じ，解析可

能なスベクトルを得ることが困難な場合がある.

また，脳表近傍では骨髄，皮膚の脂肪の影響を受

けやすい.

図3に， single-voxel法によって得られた

gliomaのスベクトルを示す.乳酸のピークが認

められる一方，神経細胞成分の減少を反映して

NAAのピークが低下している.

4.現時点での限界

1H-MRSを臨床的に用いる場合，いくつかの問

題がある. chemical shift imagingでは，空間分

解能が低いために病変周囲の影響を受ける.測定

時間が長い (10 分~)ために，虚血性脳血管障

害の急性期診断にルーチンに用いることは困難で

ある.chemical shift imagingでは単一断層の撮

像のみで，範囲が限定される.これらはいずれも

技術的な問題であり，今後の改善が期待される.

107ー

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Abstract

AJNR Am J Neuroradiol17: 737-747，1996

Clinical application of proton magnetic resonance spectroscopy in neurological diseases

Jun Hatazawa

Department of Radiology and Nuclear Medicine Research Institute for Brain and

Blood Vessels-AKIT A 6 -10 Senshuh-Kubota Machi， Akita 010 -0874

Magnetic resonance spectroscopy (MRS) enables the biochemistry of neurological diseases to be non-

invasively monitored. By integrating metabolic information with anatomical information visualized by

conventional MR imaging， a more precise understanding of the origin and progress of various neurologi-

cal diseases can be obtained.

Proton MRS using a 1.5 T MR scanner can be used to measure the tissue content of N-acetyl-

aspartate (NAA; a neuronal component marker) ， choline， creatine， and lactate (an anaerobic glycolysis

marker). In acute ischemic stroke， the amount of lactate detected in the ischemic tissues reflects the coル

version from aerobic to anaerobic energy production. Lactate， as well as limited water diffusion in

diffusion-weighted MR imaging， is a very sensitive marker of ischemic brain damage. Tissue NAA levels

decrease during the first day of stroke onset， indicating neuronal cell damages. The initialloss of NAA is

correlated with the clinical outcome of the chronic stage. An increase in choline， decrease in NAA. and

the presence of lactate are characteristic of brain tumors.

The present proton MRS method has various limitations， including a restricted field of view， a long

data sarripling time， and an unstable magnetic field. Further technological developments should enable

MRS to be used in routine clinical settings.

-109一