［一般総説］
1．はじめに
Arterial Spin Labeling（ASL）は，MRI 装置を用いて血 流画像を得るための撮像技術の一つである．基本的な原理 は，1990 年代に発表されていたが，ラベリング技術の安 定 性 や 信 号 収 集 法 が 技 術 的 に 未 成 熟 で 十 分 な signal-to-noise ratio（SNR）が得られず，臨床の画像診断への利用が 遅れていた[1, 2]．近年，高磁場装置の普及と撮像技術の 改良や高感度な受信コイルの開発などが，画質を飛躍的に 向上させ，臨床への普及を推し進めている．本稿では， ASLによる脳血流イメージングの撮像技術，定量化，臨 床応用について概説する．
2．ASL の概要
灌流画像（perfusion weighted image）とは，組織の毛細 血管レベルでの微小な血流動態（灌流とも呼ばれる）を反 映した画像のことである．ASL では，灌流画像を得るた めに動脈血中の水分子のスピンを内因性トレーサとして利 用する．このため，ガドリニウムキレート造影剤を経静脈 性に投与する必要や放射線被曝がないため，極めて非侵襲 的な手法である．ASL のパルスシーケンスは，ラベリン グ（標識）とラベリング後から信号収集までの時間，およ び信号収集の 3 つのセクションで構成される（Fig.1）．ま ず，撮 像 領 域 の 上 流 側 の 領 域 に 対 し て 選 択 的 に radio frequency（RF）パルスを与えることで血液のスピンの縦 磁化が反転することで磁気的に標識される（ラベリング）． その後，標識されたスピンが血流によって移動して組織の 毛細血管床へ到達すると，組織中のスピンと交換すること で T1緩和時間が変化する．最終的に，この時相で信号収 集を行うことで，組織の灌流を反映した信号が得られるこ とになる． ASLで得られる灌流信号は，静止組織の 1％ 程度と極 めて小さい．そのため，ラベリングを行い収集した画像に 加えて，ラベリング効果を持たないコントロール画像を撮 像 し，そ れ ら を 差 分 す る こ と で，灌 流 画 像 と し て い る （Fig.2）．このため，ラベリングの際に生じる磁化率移動 効果をラベル画像とコントロール画像で同一にし，差分エ ラーを生じさせない技術的な工夫が必要となる．
3．ラベリング技術
ラベリングは，RF パルスと傾斜磁場の印加方法と範囲 によって continuous ASL（CASL）と pulsed ASL（PASL） の 2 つの手法に大別できる（Fig.1）．CASL は，組織に流 入する血管に対して，flow-driven adiabatic passage と呼ばArterial spin labeling による MR 血流イメージング
藤原
康博
†，木村
浩彦
†††熊本大学大学院生命科学研究部医用画像分野 〒862-0976 熊本県熊本市中央区九品寺 4-24-1 ††福井大学医学部病態解析医学講座放射線医学領域 〒910-1193 福井県吉田郡永平寺町松岡下合月 23-3
（2015 年 9 月 25 日受付，2015 年 10 月 13 日最終受付）
MR perfusion Imaging using arterial spin labeling
Yasuhiro FUJIWARA
†, Hirohiko KIMURA
†† †Department of Medical Imaging, Faculty of Life Sciences, Kumamoto University 4-24-1, Kuhonji, Chuo-ku, Kumamoto, Kumamoto, 862-0976, Japan ††Department of Radiology, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui 23-3, Shimoaizuki, Matsuoka, Eiheiji-cho, yoshida-gun, Fukui, 910-1193, Japan
（Received on September 25, 2015. In final form on October 13, 2015）
Abstract : Arterial spin labeling（ASL）is a means of perfusion assessments in magnetic resonance imaging（MRI）. Since ASL uses arterial blood water as an endogenous tracer, it is no need to use contrast agent or irradiation. Therefore, these features make ASL complete non-invasive and easily accepted in routine clinical practice. Recent prevalence of 3T clinical MRI system has dramatically increased the quality of ASL image along together with the development of ASL techniques. In this paper, we have described the overview of ASL techniques such as labeling scheme, post-label delay, background signal control, and intra vascular signal suppression. Finally, we have presented some clinical cases with ASL application from our own experience.
Keywords : magnetic resonance imaging, arterial spin labeling, perfusion, cerebral blood flow
Fig.1 ASLの撮像におけるタイミングチャートとラベリング領
域の概観図
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れる断熱 RF パルスを連続的に与えることで，スピンの縦 磁化を反転させる技術である[3]．この方法は，高い SNR が得られる反面，Specific absorption rate（SAR）を著しく 増大させるため，臨床に利用されていない．一方，PASL は，領域選択的 RF パルスを用いて流入するスピンを一度 に反転させる技術である．これは，ラベル効率が高く SAR も低いために実装しやすい．このことから，ASL の開発 当初に EPISTAR（echo-planar imaging and signal targeting with alternating radiofrequency） や FAIR （ flow-sensitive alternating inversion recovery）をベースとした様々な方法 が考案されている[4-6]． 近年，CASL を改良した新しいラベリング技術である pseudo-Continuous ASL（pCASL）が開発され，この技術が 大きなブレイクスルーとなって臨床への普及を急速に推し 進めた[7]．これは，CASL と同様のラベル面に対して，100 から 200 マイクロ秒程度の極めて短い RF パルスを間欠的 に与え，RF パルス間のスピンの位相差を極めて正確にコ ントロールすることでスピンの縦磁化を反転させる技術で ある．この技術は，SAR の制限内で CASL と同程度の高 いラベル効率が得られるため，高磁場での利用に有利で， ラベリング技術の標準となりつつある． ラベリングされたスピンの縦磁化は，血液の T1緩和時 間に従って指数関数的に緩和するため，組織の毛細血管床 に到達するまでに相対的な信号差は減少する．静磁場強度 が高いほど血液の T1 緩和時間が延長するため，signal-to-noise ratio（SNR）の点で有利である[8, 9]．他方，造影剤 は血液中のスピンの T1緩和時間を著しく短縮させ，ラベ ル効果が得られないため，撮像は造影剤の投与前に行う必 要がある．
4．Post-labeling delay（PLD）
ASLでは，標識された血液のスピンが組織に広く分布 する時相で信号収集を行う必要がある．そのため，到達す るまでの時間を考慮してラベリング終了後から収集までに 待ち時間が必要であり，この時間を PLD と呼んでいる． 通常は，スピンが脳皮質に到達するまでには 1 秒程度必要 なため，PLD を 1.5 秒程度に設定すれば局所脳組織の灌流 を反映した信号が得られることになる．当然ながら組織へ の到達時間は単一ではなく，組織や病態によっても変化す ることに注意が必要である．たとえば，PLD が到達時間 よりも短い場合には，スピンが血管内に留まっているか組 織に到達しない状態で信号収集されるため，灌流を正しく 評価できない[10]．したがって，予想される到達時間より も長い PLD に設定することが望ましいが，前述のように PLDが長いほど SNR を失うことに繋がるため，これらの トレードオフを考慮した設定が必要である．5．信号収集技術と背景信号抑制（background signal
suppression）
ASLの信号収集法は，高速性が求められることから， 従来では 2D Echo Planner Imaging（EPI）が用いられてい た[11]．近年では，3D Fast Spin Echo 法で k 空間をセグメ ント化して螺旋状に信号充填する方法や 3D Gradient and Spin Echo（GRASE）法などの収集法が利用できるように なっている[7, 12]．これらの収集法は，EPI と比較して歪 みの点で有利なだけでなく，3D 化することでボリューム 全体を同一時相の信号として収集できることから，定量化 が容易な利点もある．また，background signal suppression と呼ばれる静止組織 の信号抑制技術も，SNR の向上に寄与している[13, 14]． 理論的には，静止組織からの信号はラベル画像とコント ロール画像の差分で相殺されるため灌流画像に影響しない． しかし，体動や脳脊髄液の拍動などがノイズ源となりSNR 低下の原因となる．このため，ラベリングの前後の適正な タイミングに RF パルスを印加することで，様々な T1緩 和時間を持つ静止組織の信号を抑制することが可能である． さらに，前述したような PLD が到達時間よりも短く， ラベリングされたスピンが比較的太い血管内に残存してい る状態で信号収集した場合には，血管内が高信号に描出さ れるため，定量化の際に問題となることがある．これを抑 制する目的で，収集直前に弱い motion probing gradient パ ルスや，saturation pulse を追加することがある[6, 15, 16]． ただし，血管奇形などの病態など，血管内に留まった信号 も臨床上重要な情報となり得るため，必要に応じたパラメ タ設定が求められている[17]．
6．定量評価
ASLでは，single photon emission CT（SPECT）や positron emission CT（PET）による脳血流画像と同様に単位時間あ たりの単位容積中に単位容積の組織の毛細血管に輸送する 血液量を局所脳血流量（regional cerebral blood flow: rCBF） として，定量化できる[18, 19]．一般的には，シングルコ ンパートメントモデルを用いて，単一の PLD で撮像した ASL画像とプロトン密度画像の信号強度から計算によっ て rCBF 求める[20]．この場合，スピンの到達時間の違い は考慮されていないが，単純な計算で求まるため再現性が 高く，MRI でのこれまでのゴールドスタンダードであっ
Fig.2 pCASLによって得た ASL の画像（正常例）．3∼4 分程度の撮像時間で，簡便に脳全体の灌流画
像が得られる．
た dynamic susceptibility contrast（DSC）や SPECT, PET に よる定量値と相関する報告が多い[18, 21, 22]．一方，主幹 動脈の狭窄や閉塞により到達時間が PLD よりも延長する 病態や後方灌流や深部白質などの領域では到達時間が延長 するため，到達時間の補正がない単一の rCBF 計算では精 度が低下することが知られている．これを向上させる目的 で複数の PLD での撮像を行い，到達時間を求めて補正を 行う試みもある[23-25]．
7．臨床応用
ASLは，急性期脳梗塞や慢性閉塞性脳血管障害などの 脳血管障害や脳腫瘍の悪性度診断など広く臨床に応用され 始めている[26-28]．脳血管障害では，脳梗塞後の再開通や 贅沢灌流の病態で高灌流となり，脳梗塞の虚血中心やペナ ンブラの病態では低灌流となる．また，脳腫瘍では髄膜腫 や高悪性度の神経膠芽腫では高灌流となり，低悪性度の腫 瘍や壊死などは低灌流となることが知られている[29-31]． ASLによる腫瘍診断の有効性は DSC による脳血液量のそ れと同等であり，悪性度の高い膠芽腫では低悪性度のもの と比較して高信号となるとの報告が多い[32, 33]（Fig.3）． さらに DSC と比較して，ASL ではラベルされたスピンを 拡散性のトレーサとして利用するため，相対的に血管透過 性による影響を受けにくい[32]．また、急性期脳梗塞では 拡散が低下した非可逆的な虚血障害部位と灌流低下があ るが可逆的で治療可能な 領 域 と の 差（diffusion-perfusion mismatch）を容易に検出可能である（Fig.4）[34, 35]．さ らに近年では，アルツハイマー病などの精神疾患への応用 も期待されている[36, 37]． ASLの信号は，単に血流の多寡だけではなく，原理上 のさまざまな要因に影響を受けることが報告されている． たとえば，血管床が多い組織や到達時間の遅れから生じる 血管内のラベル化されたスピンの残存は，画像上で高信号 となるが，これも診断情報として利用されている[38-40] （Fig.5）． 近年，国際的な ASL の研究者らが，臨床研究に用いるFig.4 脳腫瘍（神経膠芽腫）への ASL の応用例．右前頭葉から側頭葉にかけての充実性腫瘍で，ASL
で高灌流を呈していることから悪性度の高い腫瘍であることが示唆される（矢頭）．
Fig.3 超急性期の脳梗塞の症例．MR angiography では，右中大脳動脈が急性閉塞している（画像左）．
ASLでは，右中大脳動脈領域の全体に信号が低下しており，灌流低下を示唆している（画像中
央）．一方，拡散強調像では，基底核領域のみが高信号となり，梗塞化している領域が ASL で の灌流低下域と一致しないため，この領域をペナンブラであると推定できる（画像右）．
Fig.5 動静脈奇形の症例．T2強調像で右頭頂葉皮質に異常な flow void が集簇しているのが分かる（画
像左）．MR angiography では，異常な血管塊，拡張した動脈と静脈洞などが描出されている（画 像中央）．ASL 像では，動脈から静脈内に直接シャントした領域が高信号となっており，静脈内 に流入したスピンの鬱滞を見ていると考えられる（画像右）．
−xxxix−
際 の 撮 像 の 推 奨 条 件 を 提 案 し て お り，こ れ に よ る と， pseudo-continuousラベリングを行い，背景信号抑制を付加 し血管内信号抑制パルスを使用せず，セグメント化した 3D収集によって画像を得る．そして，コントロール画像 とラベル画像の差分画像と単純なモデルを利用した CBF 値の両者での画像評価を行うことを推奨しており，各メー カーはこれに準じた撮像が可能なアプリケーションをリ リースしていくと思われる[17]．
8．おわりに
ASLを用いて脳血流の測定が非侵襲的に行える利点は 大きく，今後さらなる応用が広がるとともに，精度向上が 期待されている．現在は，技術開発から臨床応用に展開し つつあり，さまざまな疾患に対する臨床応用を通して， ASLを利用した新たな診断技術の確立が進むであろう．参考文献
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