MRIを用いたACL再建術後における大腿骨骨孔位置および径の評価

キーワード ACL Reconstruction Surgery, Bone Tunnel, MRI, CT

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 2021 Japanese Society for Magnetic Resonance in Medicine

doi:10.2463/jjmrm.20201716

原 著

MRI を用いた ACL 再建術後における大腿骨骨孔位置

および径の評価

前 十 字 靭 帯 （ anterior cruciate ligament: ACL）損傷は代表的なスポーツ外傷の 1 つで あり，膝関節の不安定性を引き起こす．ACL 損傷に対する治療法として関節鏡下靭帯再建術 がゴールドスタンダートとなっており，良好な 治療成績が報告されている1)_{．手術方法として} 大腿骨および脛骨に骨孔を作成し，ハムストリ ング腱や骨付き膝蓋腱を再建靭帯として用いる のが一般的である．ACL 再建術では，ACL の 解剖学的付着部に正確に骨孔を作製することが 重要である．特に大腿骨骨孔位置が不良である と，制動不良や再断裂などの成績不良に直結す ることが報告されている2)～4)_． 大腿骨の骨孔位置の評価のために単純 X 線 像あるいは computed tomography (CT）像が 用いられる．単純 X 線像は安価で簡便な方法 であるが，骨孔位置の評価を行うためには正確 な側面像を描出することが必須である．撮影に は診療放射線技師の熟練した技量を必要とする ため，再現性が低いことが欠点となる5)_．CT 像では再構成の処理によって任意の視点および 方向での投影画像が作成できるため，高い再現 性と正確な骨孔位置の評価が可能である．骨孔 位置だけでなく骨孔拡大の有無を評価するため には，経時的な複数回の検査が必要である．し かし，放射線被ばくという大きな欠点が存在す るため，術直後，1 か月後，半年後といった複 数回の CT 検査を施行しにくい．

一方，magnetic resonance imaging (MRI） は ACL 再建術後の再建靭帯生着，半月板およ び関節軟骨の評価のために施行される．しかし MRI は水分量が少ない骨組織を描出すること が困難であるため，一般的に骨孔位置の評価に は用いられない．また骨孔評価のための 3D 画 像の作成のためには，高額な医療用画像処理専 用コンピューターであるワークステーションを 用いた精密な作業や高度な画像処理が必要であ る． MRI を用いた骨孔位置における術前計画法 の報告はあるが5),6)_{，MRI による 3D 画像を用} いた術後の骨孔評価はない．MRI での簡便な 骨孔の評価法が確立できれば，患者への被ばく 侵襲もなく経時的な骨孔の評価も行える．われ われは水分量の少ない骨組織の評価において も，MRI 装置に搭載された処理ソフトを用い て撮像条件を調整することで，CT 像と同様に 骨孔を描出することが可能ではないかと仮説を 立てた．本研究の目的は MRI を用いた骨の サーフェイスレンダリングによる 3D 画像と CT 像における ACL 再建術後の骨孔位置の評 価について比較検討することである． 方 法 対象は原らの術式7)_{に従って ACL 再建術を}

2020 年 7 月 13 日受理 2020 年 9 月 28 日改訂 2021 年 3 月 3 日 J-STAGE 早期公開 Table 1.T1 and T2 values for each sample in a custom-made phantom. Distilled

water Oliveoil Diluted contrast medium(0.3 mmol/L) Jelly food(protein) (multivitamin)Jelly food

T1 value 2770 300 513 1191 976

T2 value 1988 71 433 172 488

Fig. 1. a) Custom-made phantom with a 10-cm diameter water pipe and ˆve 2.5-cm diameter water pipes. b) Image acquired of T1 with sam-ples sealed in custom phantom.

施行した男女 20 例 20 膝（一重束再建術 7 例 7 膝，二重束再建術 13 例 13 膝），平均年齢は 29.2 歳（15～56 歳）である．MRI および CT の撮像は術後 3 週目に施行した．この後ろ向 き研究は院内倫理委員会（IRB）の承認を得て， オプトアウトを実施した（承認番号ERB 2002）． 1. 至適撮像条件の検討 骨の描出に最適な 3D シーケンスにおける条 件の検討を行った．撮像条件の検討は，バンド 幅，フリップ角および Echo Time (TE）につ いて実験を行った．MRI 撮像におけるシーケ ンスは脂肪抑制を併用したグラディエントエ コーシーケンスである 3D- spoiled gradient echo (SPGR）法を使用した．

a. フリップ角（Flip Angle: FA）の検討 FA については，自作ファントムにより検討 した．ファントムは直径 10 cm の水道管に直 径 2.5 cm の水道管を 5 つセットし固定した． 試料には模擬脳脊髄液（模擬灰白質）として蒸 留水，模擬脳白質として 0.3 mmol/L のガドリ ニウム希釈造影剤，模擬脂肪としてオリーブオ イル，模擬筋肉としてプロテインゼリー状食 品，模擬軟骨としてマルチビタミンゼリー状食 品を封入し，各試料の周囲を水道水で満たした （Fig. 1）．プロテインゼリー状食品の T1 値が 測定の結果，1.5T における筋肉の T1 値と近 似しており，またマルチビタミンゼリー状食品 の T1 値 が 軟 骨 の T1 値 と 近 似 し て い た た め8)_{，模擬筋肉および模擬軟骨として使用し} た．各試料の T1 値および T2 値を（Table 1） に示す． 自作ファントムを使用し，蒸留水（模擬灰白 質）と希釈造影剤（白質），蒸留水（模擬脳脊 髄液）とオリーブオイル（脂肪），オリーブオ イル（脂肪）とプロテインゼリー状食品（模擬 筋肉），オリーブオイル（脂肪）とマルチビタ ミンゼリー状食品（模擬軟骨）の 4 項目につ いて FA 9°, 12°, 20°, 30°, 45°および 60°で撮像 し，Contrast-to-Noise Ratio (CNR）を測定し た．CNR の測定には組織間測定法の空中雑音 法を用いた（式 1)9)_．

CNR＝(2－p/2)1/2_{･|SIa－SIb|/SDair……(1)}

SIa・SIb対象とした 2 種類の ROI の平均信 号値 SDair空中に設定した ROI の標準偏差 また，ボランティア膝を FA 9°，20°および 60°で撮像し，骨の閾値で画像を描出して骨と 他組織との分離を比較した． b. バンド幅の検討 ACL 再建術で用いる固定器具によるメタル アーチファクトの影響を考慮し，自作ファント ムにてバンド幅 19.23 kHz と 31.25 kHz で撮 像を行い，サーフェイスレンダリング像にて 3D 像を作成し比較した．自作ファントムは ペットボトル内部にチタン製のボルトとナット を貼り付け固定し，水道水を満たしたものを使

Fig. 2. Quantitative evaluation of MRI (a) and CT (b) images by quadrant method. 用した． c. TE の検討 TE については，検討（a）で用いた自作ファ ントムを使用し，蒸留水（模擬脳脊髄液）とプ ロテインゼリー状食品（模擬筋肉），蒸留水 （模擬脳脊髄液）とマルチビタミンゼリー状食 品（模擬軟骨），プロテインゼリー状食品（模 擬筋肉）とマルチビタミンゼリー状食品（模擬 軟骨）について，TE を 2.8 msec，3.9 msec お よび 4.2 msec で撮像し，CNR を比較した．ま た，ボランティア膝でも同様に撮像し，骨の閾 値で画像を描出して骨と他組織の分離を比較し た． 以上の検討により得られたシーケンスで撮像 し 3D 画 像 の 作 成 を 行 う ． 得 ら れ た 画 像 を MRI 装置に搭載された 3D 画像作成ソフトの サーフェイスレンダリング作成モードにて起動 する．骨が最も見える閾値に設定し，反転処理 後に骨のみを切り出し，背景の除去を行い，骨 のみを描出させた． 2. 大腿骨骨孔位置および入口径の評価 最適な条件で得られた骨の 3D 画像を用いて ACL 再 建 術 後 の 骨 孔 の 位 置 と 骨 孔 径 を 評 価 し，CT 像との比較検討を行った． 骨孔の評価方法は，一重束再建術の場合は前 内側束（AMB）を，二重束再建術の場合には 前内側束（AMB）および後外側束（PLB）を 評価した．骨孔の位置および大きさ（骨孔入口 径）を MRI と CT 像で比較検討した． a. 大腿骨骨孔位置の評価 位置の評価は Bernard らの Quadrant 法を用 いた2)_{．大腿骨を大腿骨外側顆の内壁の骨孔が} 観 察 で き る よ う ， Blumensaat's line で 縦 割 し ， 内 側 顆 を 取 り 除 く ． 側 面 像 で Blumen-saat's line と大腿骨後縁の接線，外側顆前縁と 外 側 顆 の 接 線 か ら な る 長 方 形 を 作 成 し ， Blumensaat's line 沿 い に 外 側 顆 の 近 位 側 を deep ( 0  ）， 遠 位 側 を shallow ( 100  ) , Blumensaat's line 側を high(0），大腿骨後縁 側を low(100）とし，shallow-deep の位置を （t），high-low の位置を（h）として AMB 骨孔， PLB 骨孔の中心をパーセント表示にて定量的 に評価した（Fig. 2)．Quadrant 法により得ら れた各骨孔の位置座標について，MRI と CT 像 と で kappa 係 数 を 用 い て 一 致 率 を 算 出 し た．kappa 値は 0.41～0.60（中等度の一致）， 0.61～0.80（実質的な一致），0.81 以上（ほぼ 完全に一致）と分類される10)_． b. 大腿骨骨孔の入口径の評価 骨孔径は MRI および CT 像を Quadrant 法 と同様に 3D サーフェイスレンダリング画像に て大腿骨を大腿骨外側顆の内壁の骨孔が観察で きるよう，Blumensaat's line で縦割し，内側 顆を取り除き，側面像で PLB 骨孔の上下およ び前後径を計測した．また，AMB の計測は骨 孔の長軸に対する垂直面で評価し，上下（縦） および前後（横）径を計測した． 3D 作成処理と評価および計測は診療放射線 技師 1 名にて行った．使用 MRI 装置および CT 装置は以下を用いた．

MRI 装 置  GE Healthcare 製 1.5T Brivo MR355 Inspire

Table 2. Results of CNR measurement among samples imaged at diŠerent TE.

FA＝9 FA＝12 FA＝20 FA＝30 FA＝45 FA＝60 Distilled water and

Diluted contrast medium (Imitating gray matter andImitating white matter) 15.779 21.623 35.446 27.877 21.483 17.642 Distilled water and

Olive oil (Imitating cerebrospinal‰uid and Imitating fat) 10.254 9.437 8.222 2.555 0.882 0.673 Olive oil and

Jelly food (Protein) (Imitating fat andImitating muscle) 12.006 12.624 3.779 5.858 3.017 2.378 Olive oil and

Jelly food (Multivitamin) Imitating cartilage)(Imitating fat and 9.822 4.859 0.032 2.602 0.992 1.050

Table 3. Results of CNR measurement among samples imaged at diŠerent TE.

TE＝2.8 TE＝3.9 TE＝4.2 Distilled water and

Jelly food (Protein) (Imitating cerebrospinal ‰uidand Imitating muscle) 2.022 1.568 1.179 Distilled water and

Jelly food (Multivitamin) (Imitating cerebrospinal ‰uidand Imitating cartilage) 1.163 0.802 0.832 Jelly food (Protein) and

Jelly food (Multivitamin) (Imitating muscle andImitating cartilage) 0.859 0.766 0.347

RF コイルは 4ch フレックス ラージコイル

（約 54 cm×約 28 cm）を膝に巻いて撮像した． CT 装 置  GE Healthcare 製 LightSpeed VCT

CT の撮像条件は管電圧 120 kV，管電流 110 mAs～220 mAs，撮像 FOV200 mm とした．

結 果 1. 至適撮像条件の検討 a. FA の検討 FA を変化させた CNR の結果を示す（Table 2）． 蒸留水（模擬脳脊髄液）とオリーブオイル （模擬脂肪），オリーブオイル（模擬脂肪）とプ ロテインゼリー状食品（模擬筋肉），オリーブ オイル（模擬脂肪）とマルチビタミンゼリー状 食品（模擬軟骨）の CNR で高値を示し，かつ 蒸留水（模擬灰白質）と希釈造影剤（模擬白質） で最も低値を示した FA が 9°であった．ボラ ンティア膝を FA＝9°, 20°, 60°で撮像し，骨の 閾値で画像を描出させたところ，FA＝9°に比 べて FA が大きくなる程，3D 画像作成時に骨 と軟部組織の分離が困難であった． b. バンド幅の検討 バ ン ド 幅 19.23 kHz に 比 し 31.25 kHz で メ タルアーチファクトの影響は小さかった．固定 器具による影響はバンド幅 31.25 kHz でメタ ルアーチファクトの影響が小さかった． c. TE の検討 TE を変化させた CNR の結果を示す（Ta-ble 3）． 蒸留水（模擬脳脊髄液）とプロテインゼリー 状食品（模擬筋肉）およびマルチビタミンゼリー 状食品（模擬軟骨）の CNR は TE＝2.8 msec で CNR が最も高値を示し，コントラスト比が 大きいほど，各組織との分離がよりできるとい える．ボランティアの膝を同様に TE を変えて 撮像し，骨の閾値にて各 TE の画像を比較する と TE＝2.8 msec が他の TE の画像に比し，骨 と他組織の境界がより分離できた． 以上の実験により撮像条件は以下のとおりと した． 脂肪抑制 on・TR(Repetition Time)＝18.3 msec・TE(Echo Time)＝2.8 msec

FOV(Field of View)＝180 mm・Slice Thick-ness＝0.8 mm・Location per Slab＝120・ Matrix＝256×256・NEX＝2・Bandwidth＝

Fig. 3. 3D images acquired by MRI and CT. Four conˆgurations, a to d, were compared, but images showed no signiˆcant diŠerences. (a) Images marked with AMB (↑) and PLB () symbols. (b) Images marked with AMB (↑)and PLB () symbols. (c) Images marked with AMB (↑) symbols. (d) Images marked with PLB () sym-bols.

Table 4. Results of calculating the concordance rate using the kappa coe‹cient between MRI and CT images for the position coordinates of each bone tunnel obtained by the quadrant method.

AMB(t) AMB(h) PLB(t) PLB(h) kappa 0.891 1.000 0.87 0.873 31.25 kHz・Time＝7 min28 sec・FA（Flip

Angle)＝9°

2. 大腿骨骨孔位置および入口径の評価 a. 大腿骨骨孔位置の評価

骨孔位置は，AMB における shallow-deep を AMB(t), high-low を AMB(h)，PLB におけ る shallow-deep を PLB(t)，high-low を PLB (h)と表記する．MRI のサーフェイスレンダリ ング画像と CT のボリュームレンダリング画像 を示す（Fig. 3）．Quadrant 法により得られた 各骨孔の位置座標について，MRI と CT 像と で kappa 係数を用いて一致率を算出した結果 を示す（Table 4）．すべての位置においてほぼ 完璧に一致している結果であった． b. 大腿骨骨孔の入口径の評価 本研究では，AMB および PLB ともに全例 で骨孔径が一致した．したがって，kappa 係数 においてはすべてが 1.000 を示し，完全に一致 している． 考 察 MRI の撮像シーケンスにはグラディエント エコーシーケンスを用いたが，グラディエント エコーシーケンスではフリップ角の大きさがコ ン ト ラ ス ト の 決 定 に 大 き く 起 因 す る11)_{． フ} リップ角を極力小さくし，加えて TE も短くす ることが他組織との分離に重要な因子となる． シーケンスの検討において，骨のコントラスト を考慮した場合，FA を大きくして T1 コント ラストを向上させることが有用であるが，骨と 軟部組織との分離が困難になる．そこで，FA を小さくしてプロトン密度強調像に近づけ，コ ントラストを改善するように試みた．これによ り骨と軟部組織の分離が可能であると考えられ る．また，TE を小さく設定することで骨との 境界が明瞭になり，骨としての閾値で描出する ことがより可能となった． MRI に お け る 大 き な 弱 点 が メ タ ル ア ー チ ファクトの存在である．特にグラディエントエ コーシーケンスではメタルアーチファクトの影 響を比較的受けやすい．本法ではバンド幅を広 げることでサンプリング時間を短くし，磁化率 アーチファクトの影響を小さくしてメタルアー チファクトの影響を低減させた．さらにデータ 収集時間（TE）も短縮することが可能となっ た．このバンド幅の調整は TR を短く設定する グラディエントエコーシーケンスで有効であ る．固定材料による大きな歪みはなく，骨孔評 価に影響はないと考えた．また，本法ではスラ

イス厚を薄く撮像することで撮像時間が延長し たため，モーションアーチファクトの影響を考 慮する必要がある．バンド幅を広げることで モーションアーチファクトの影響を低減する効 果もあると考えた12)_． 本研究では撮像シーケンスとして SPGR の 脂肪抑制を用いた．脂肪抑制を用いることで骨 が低信号となり，他組織との分離が容易であっ た．また，脂肪組織を低信号にすることよりケ ミカルシフトを抑制する効果も期待できた．水 分量の少ない骨であるという点からも純粋な T1 強調像ではなく，脂肪抑制を併用したプロ トン密度強調像に近いシーケンスであること が，骨の分離を可能にした要因であると考え た．脂肪抑制を用いずに撮像して作成した 3D 像では欠損の目立つ荒い画像となるが，脂肪抑 制を用いた 3D 像では鮮明に大腿骨が描出され た．しかし SPGR シーケンスでは，骨孔評価 のための 3D 画像撮像に約 8 分を要するため， 患者への時間的負担は大きい．画質を維持しつ つ撮像時間を短縮することが今後の課題であ る．他のシーケンスの選択肢としては，Fast Imaging Employing Steady state Acquisition ( FIESTA ） や 脂 肪 抑 制 を 併 用 し た Coherent Oscillatory State Acquisition for the Manipula-tion of Image Contrast(COSMIC）等も候補に あがる．FIESTA は骨情報を明瞭に描出する ことが可能であり，COSMIC では撮像時間も 5 分以内と大幅な短縮が期待できる． FIESTA は， 信 号 強 度 は T2/T1 に 比 例し T2 値の長い血管等の水成分が高信号になるた め，T2 値の長い組織との分離が困難になるほ か，磁化率の影響を受けやすい13)_．COSMIC は，FIESTA の長所である SNR の高さを保ち つつメタルアーチファクトの影響も抑えられる メリットがある．このため，COSMIC につい ては SPGR との比較を検討する必要がある． 3D 画像にはボリュームレンダリングとサー フェイスレンダリングがあるが，ボリュームレ ンダリングには，高額なワークステーションを 用いた精密な作業や高度な画像処理が必要であ る．一方，サーフェイスレンダリングは MRI 装置に付属したソフトを用いて，安価に作成で きる．骨孔の位置や径の評価には内部の微細な 情報を可視化する必要はなく，サーフェイスレ ンダリングで十分な評価が可能であると考え た．本研究では，サーフェイスレンダリングに よる MRI の骨 3D 画像で CT 像と同等の正確 な骨孔評価が可能であった．また，サーフェイ スレンダリングにて大腿骨骨孔と併せて脛骨骨 孔についても同様に評価，観察が期待できる． フォローアップにおける再現性においては，通 常フォローアップは同一施設にて行われるもの であり，同一装置で撮像することが望ましい が，他装置による誤差または磁場強度による誤 差が生じることは考えられる．同一装置であれ ば，高い再現性が得られると考えるが，装置間 による再現性と合わせて調査検討を要する． 本研究では MRI と CT 像の 3D 画像を比較 するため，骨孔が拡大していない術後 3 週目 に MRI と CT 像の撮像を行ったが，半年後， 一年後といった経過観察においても MRI を用 いることで靭帯や半月板等の軟部組織と併せて 骨孔の評価が可能であり，ACL 再建術後の画 像評価方法として有用と考えた．また，CT に よる被ばくを避けられることは非常に大きなメ リットであり，骨孔を経時的に評価する際に患 者の負担を軽減することができる． 移植腱として膝蓋腱を用いた場合は，骨孔入 口近くに Interference Screw が固定されてお り，この Interference Screw のアーチファク トにより，骨孔の正確な描出が困難であるた め，CT 等の別モダリティーの選択が必要であ る． 結 論 本研究ではサーフェイスレンダリングを用い た MRI は，ACL 再建後の骨孔評価法として， CT に代わる被ばくのない有用な撮像方法であ ると考えた． 文 献 1) 関谷詩穂実，時田幸之輔，澤田 豊半腱様筋 腱使用による前十字靭帯再建術後長期経過にお け る 膝 屈 筋 群 活 動 ． 理 学 療 法 科 学 2012 ; 27 : 223226

2) 大坪英則，鈴木智之，鈴木大輔，黒田未来，山 下敏彦，史野根生解剖学的二束ACL 再建術 の 大 腿 骨 孔 位 置 ． 整 形 ・ 災 害 外 科 2014 ; 57 : 405410 3) 加藤有紀前十字靭帯損傷の臨床．日本医学雑 誌 2013 ; 72 : 8185 4) 鈴木朱美，成田 淳，山本尚生，浅野多聞，福 島重宣，高木理彰解剖学的二重束前十字靭帯 再建術における大腿骨骨孔作製法の比較検討． 山形医学 2017 ; 35 : 6168 5) 小橋昌司MRI 画像解析に基づく計算機支援に よ る 定 量 的 なACL 再 建 術 最 適 化 ． 科 研 費 2017 ; 26462315 6) 盛田健人，小橋昌司，柏 薫里，中山 寛，神 原俊 一郎 ，森 本雅 和， 吉矢 晋一 ，相 河 聡 ACL 再建術における MR 画像を用いた術前計画 法．31st_{Fuzzy System Symposium 2015 ; 24}

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Using MRI to Evaluate Femoral Bone Tunnel Position and Diameter after ACL Reconstruction Surgery

Katsuya TSUNEYOSHI1_{, Hiroyuki KAN}2_{, Keiichirou UESHIMA}2_{, Manabu HINO}2_,

Shintarou KOMAKI2, Seiji SHIMOMURA2, Tomoharu YOSHIKAWA1

1_{Kyoto Interdisciplinary Institute hospital of community medicine Department of Radiology}

19 Higashitakada-cho, Mibu Nakagyo-ku, Kyoto 6048845

2_{Kyoto Interdisciplinary Institute hospital of community medicine Department of Orthopaedic Surgery}

Purpose

The assessment of bone foramina is essential for evaluating surgical results after ACL reconstruc-tion. Typically, CT scans are used to evaluate bone tunnels, whereas 3D MRI images are rarely used for evaluation. Therefore, the purpose of this study was to use MRI to verify whether surface render-ings created using the image processing software installed in the MRI system were useful for evaluat-ing femoral bone tunnels without usevaluat-ing workstation software.

Method

To determine the optimal 3D sequence parameters for evaluating bone tunnels, we created 3D im-ages of 20 male and 20 female patients, aged 1556 years who underwent ACL reconstruction sur-gery and evaluated the images using the quadrant method. We compared CT and MRI using the quadrant method to determine whether MRI can be used to evaluate bone tunnels.

Conclusion

Calculation of concordance rates among kappa coe‹cients of MRI and CT images for the position coordinates and foramina diameters obtained by the quadrant method determined kappa coe‹cients which were 0.87. Accordingly, MRI using surface rendering is a useful imaging method without ex-posure to radiation as an alternative to CT for bone hole evaluation after ACL reconstruction.