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日本バーチャルリアリティ学会誌第 15 巻 1 号 2010 年 3 月

特集

医療から見た VR特集 ■ 医療から見た VR

Heavy-T2 強調 /MR angiography 融合三次元画像を用いた脳幹部手術シミュレーション

鎌田恭輔

旭川医科大学 / 東京大学

KAMADA KYOUSUKE(Steady State Free Precession :SSFP) を保って信号を計測

1．はじめに脳幹部への外科手術に臨む際は，術前の画像診断によすることが可能になった．各社様々な名称 (True-FISP,る詳細な検討と，電気生理学的手法による術中機能モニFIESTA, Balanced-FFE, CISS) があるが，本法により保たタリングが脳幹部核，線維および脳神経機能温存のためれる定常状態とは，TR が対象組織の T2 よりも十分にに重要である．術前に実際の手術野に近い画像を作成し短いという条件で Radio frequency(RF) を連続的に印加すて手術シミュレーションを行うことで，最小限の開頭，ることで，FID(Free Induction Decay) 信号 , spin echo 信号

くも膜，脳切開，さらに血管の同定方向を想定すること

および stimulated echo 信号が合わさり，横磁化がある一ができる．特に後頭蓋窩病変へのアプローチでは，頭蓋定の状態になることを示す．取得データは横磁化成分を底，脳幹，小脳，脳神経，動静脈などが複雑な位置関係含んだ FID，spin echo, stimulated echo 信号で構成されてを構成しているため，術中のオリエンテーション，操作いるため，結果は T2 成分の寄与が大きく，水信号が強は細心の注意を払わなければならない．Cadaver による調された S/N 比の良い画像となる．このような正確な

頭蓋底解剖に関する詳細な検討や手術トレーニングコー

シーケンスタイミングの設定，ハードウエアの確立によスはすでに確立しているが，患者個々の病変に対する適り，S/N が高く，組織の T2/T1 コントラストに依存する

切なアプローチ，治療方針の決定は，未だに術者の経験水を強調した画像取得が可能になった [2]．本方法では，に基づいて行われているのが現状である．患者個々の正水以外の構造物 ( 全ての脳神経，脳神経周囲の血管構造，常解剖バリエーション，および病変部との位置関係を術くも膜など ) が低信号となり，脳幹周辺の病変の描出に前に把握することで，安全かつ迅速な術中判断と操作に極めて適している．さらに，近年の 3 テスラ MRI 装置有用であると期待できる．

では磁場の均一性，eddy current コントロール技術の向上により，髙い S/N 比と歪みの少ない画像を取得する

脳幹部病変の画像診断は，後頭蓋窩によるアーチファクトの少ない MRI 検査が他検査に比して秀でている．

ことが可能になってきた．

脳神経等の 1mm 程度の微小構造物の描出には gradient

一 方， 脳 幹 部 周 辺 の 血 管 情 報 を 取 得 す る た め にecho 法による三次元 T1 強調画像 (3D turbo flip low angle

は，三次元 T1 強調画像 (3D turboFLASH，SPGR) 法にshot(FLASH)，3D spoiled gradient echo (SPGR) など ) を用

preparation pulse を併用することで，time-of-flight 効果

いて，スライス厚を 1.0mm 程に設定して撮像していた．

を検出する 3D-TOF MR angiography(TOF-MRA) が適し

しかし，拍動による gradient echo の揺らぎ，信号・雑音ている．特に後頭蓋窩病変では 3D データの関心領域の比 (S/N 比 ) の低さなどから，視神経，三叉神経以外の厚みを薄く設定できるため，関心領域内への TOF 効果脳神経の描出は困難であった [1]．また，この撮像法でが強く保たれていることが期待できる．また，2003 年は繰り返し時間 (TR) が短いため，血流に由来する flow

2 月より国内で 3T MRI 装置の薬事が承認され，高磁場void や paradoxical enhancement(inflow effect) も現れにく

MRI 装置の臨床応用が可能となった．高磁場装置の特く，血管構造の描出には適していなかった．

徴としては，① S/N 比がほぼ２倍に向上する，②化学シフトの拡大，③ Susceptibility artifact の増大，④組織近 年 MRI 撮 像 技 術 の 進 歩 に よ り 完 全 な 定 常 状 態

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医療から見た VR

T1 値の延長，⑤ Signal abortion ratio (SAR) の増大など

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画像合成，および三次元再構成が挙げられる．3T 高磁場 MRI 装置を用いることで，後基本的に撮像時に FIESTA と TOF-MRA の位置座標は頭蓋窩の微小構造をより明瞭に描出が可能になり，上同一にしているが，2 データの重ね合わせ画像を作成し述した SSFP, 3D-TOF MRA などもより高解像な画像をて座標，画像歪みの確認を行った．重ね合わせ画像は得ることができる．さらに高精細な脳血管情報を得る

Dr. View ( 旭化成，東京 ) を用いて作成し，座標位置のズには三次元 digital subtraction angiography (3DDSA) があレが疑われた際には，FIESTA を基本画像として Mutualる．従来の DSA の撮像時に管球を回転させて取得した

information 法による TOF-MRA の座標位置補正を行っデータをラドン変換することで 3 次元画像とすることた後に DICOM フォーマット画像として re-slice をした．

ができる．

3DDSA データは頭部形状も含んでいるため，MRI とまた，コンピュータ画像処理技術の発展により，近年は Mutual information 法による座標位置合わせを行った．

はこのように得られた高解像度データを市販のパーソナ座標位置合わせを行った MRI-3DDSA 情報は空間解像度ルコンピュータ上で三次元再構成することも可能になっの髙い 3DDSA に合わせて re-slice を行った．

た．SSFP 画像を三次元再構成することにより脳神経と同一座標のデータセットは RealIntage (KGT, 東京 )，お頭蓋底を含む脳幹周囲構造が立体的表示できる．さらによび Avizo 5.1 (Mercury, Massachusetts, USA) を用いて画TOF-MRA，3DDSA の情報を加えることで動脈の解剖学

像融合 (fusion) を行った．TOD-MRA, 3DDSA より動脈的位置関係を同時に把握することができる．我々は 3Tを，FIESTA より神経，脳幹，静脈及び小脳の各モデル

MRI による高解像度の SSFP と TOF-MRA，3DDSA の合を作成した．動脈抽出には自動閾値処理による region

成二次元データを三次元再構成することで，脳幹周囲構

growing 法にて血管モデルを描出した．FIESTA の元画造，脳神経と周辺動脈との位置関係の表示を可能とした．

像より病変側の小脳橋角槽を限局して segmentation した

任意の方向，断面，透過度の設定が可能である本法の脳後，自動閾値処理によるサーフェスレンダリング法にて外科手術シミュレーションとしての有用性を，具体的症神経モデルを構築した．この操作において FIESTA から例を呈示して報告する．

は神経の他に動脈も描出されたが，これは融合させた
MRA から再構築させた部分と重なる部分が動脈である

2．対象および方法と判断した．次いで脳幹モデルを region growing 法にて対象抽出し構築した．今回の一連の組織抽出操作において，対象は顔面痙攣，三叉神経痛などの脳神経血管減圧

この脳幹モデルの region growing 法のみマニュアル操作

術を受ける患者 8 例，脳動静脈奇形 2 例，脳幹部血管が必要であった．小脳モデルは FIESTA より小脳のみを芽腫 1 例を対象とした．使用機器は General electric 社製抽出してボリュームレンダリングにて描出した．これら

Signa 3T MRI 頭部専用装置である．の画像を融合し 3 次元画像の完成とした．3 次元再構成
fusion データは神経，血管，小脳，脳幹の各モデルを独撮像条件立して構築できるため，それぞれの画像の透過度，強度，撮 像 シ ー ケ ン ス は GE 社 の Fast Imaging Employing

色彩を別個に指定することができた．

Steady state Acquisition(FIESTA) と TOF-MRA 法 を 用 い

Fusion データを任意の方向から三次元再構成し，脳，た．3T 装 置 で は 1.5T 装 置 に 比 較 し て TR/TE が や や血管および脳神経との位置関係を把握することができ

短 く な っ て い る が，Flip angle (FA) は 同 じ で あ る． まる．さらに内視鏡モードを用いることで，術中所見に近た，スライス厚は薄く (0.4mm)，ピクセルサイズも小さい視野を得ることが可能である．

く (0.3906mm) 設定できるため，高解像の画像取得が可能となった．さらに，FIESTA では脳神経と血管の区別

3．結果が困難なため，MRA による血流の情報を加味した．こ

画像表示のため，TOF-MRA も同様の解像度で脳幹部を含む領域

FIESTA は白，灰色，黒と黄色を用いたグラデーショの座標に一致させて撮像した．3DDSA は subtraction すン， 一 方，TOF-MRA は 赤 色 と し て， そ れ ぞ れ 陰 影る前の頭蓋骨と血管情報を含んだ 2 次元データを使用(shading) 処理後にカラー表示した．三叉神経 (V) VII( 顔した．512 ピクセルが 3 軸方向にならび，空間解像度は面神経 )-VIII ( 蝸牛・前庭神経 ) complex 近傍部は，任意0.3mm とした．

断面画像により描出した．任意断面処理と画像を回転す33

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 15 巻 1 号 2010 年 3 月特集医療から見た VRることにより，神経，血管の位置関係の表示が可能となり，透明度 (opacity) は 80-100％とした．
解剖学的構造脳幹前面，V，VII-VIII complex，椎骨 ― 脳底動脈，前下小脳動脈および後下小脳動脈を全例で描出できた．また，Petrosal vein の 信 号 は TOF-MRA で は 検 出 さ れ ず，
FIESTA でのみ観察できた．
三叉神経痛の症例では FIESTA では左 SCA 周辺に背図 2 (A) FIESTA と TOF-MRA の二次元 fusion 画像 : (B) Fusion デー
タの三次元再構成画像 : V に２カ所の動脈による圧迫あり ( 赤矢印 )．

側から圧迫があることが確認された ( 図 1A)．TOF-MRA＊口絵にカラー版掲載

でも同様に三叉神経を圧迫する offending artery の存在が疑われた ( 図 1B)．FIESTA の三次元再構成画像によると三叉神経の脳幹近傍部に赤矢印とピンク矢印で示した 2 箇所の圧迫があることが示唆された ( 図 1C)．しかし，
FIESTA のみでは，再構成角度，拡大率を変えても，その走行からは，動・静脈の鑑別は困難であった．
FIESTA と TOF-MRA の二次元 fusion 画像 ( 図 2A) では，三叉神経に接している構造物が TOF-MRA により動脈と考えられた．三次元再構成した fusion 画像では三叉図 3 (A) 術中所見 : V に２カ所の動脈圧迫 ( 赤矢印 ) あり．(B) 手術記載 : V に２カ所の動脈圧迫 ( 赤矢印 ) あり．

神経脳幹部周辺には背側と，腹側の 2 カ所から動脈が圧* 口絵にカラー版掲載

迫していることが明らかになった ( 図 2B)．
図 3 に術中所見を示す．三叉神経 ( 青矢印 ) 手前に
Petrosal vein が存在し，そのやや尾側に下方から圧迫して別の三叉神経痛の症例を示す．術前は三叉神経脳幹側いる前下小脳動脈 ( 赤矢印 ) を認めた．さらに頭腹側かに上小脳動脈が圧迫していた．周辺は FIESTA で灰色にらは上小脳動脈 ( 赤矢印 ) も圧迫している所見を認めた描出されている ( 図 4A)．術中所見でも，動・静脈は三叉( 図 3A)．参考までに実際の手術所見の図を示す ( 図 3B) が，神経周辺に複雑に走行していた．しかし，明らかに三叉fusion 画像が正確に圧迫部位を表していた．

神経を圧迫していたのは術前画像と同様に上小脳動脈のみが圧迫し，三叉神経に圧痕を認めた ( 図 4B)．

図4

左三叉神経痛症例 2* 口絵にカラー版掲載(A) 術前 fusion データの三次元再構成画像 : V に上小脳動脈 (SCA) の圧(B) 術中所見 : V に上内側から SCA の圧迫 ( 赤矢印 ) あり．
迫あり ( 黄矢印 )．

図1

左三叉神経痛症例 1＊口絵にカラー版掲載(A) FIESTA: 三叉神経 (V) 背側に圧迫血管を疑わせる所見あり ( 赤矢印 )．
(B) TOF-MRA: V に接している動脈信号あり ( 赤矢印 )．
(C) FIESTA の三次元再構成画像 : V に動脈 ( 赤矢印 ) と血管様の構造物( ピンク矢印 ) が圧迫している．

VII-VIII complex は FIESTA のみを用いた三次元再構
成画像でも，その走行の特徴より神経と血管との解剖

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学的関係が把握できる．図 5A では VII-VIII complex が脈，X，XII を観察することができた．PICA の走行の全明瞭に描出されている．蛇行した椎骨動脈が VII の脳幹

体像は術前に予想したように下方へのループと皮質切開側出口付近を圧迫していることが推察された．しかし，して開放した嚢胞底部で上方へのループも確認すること

fusion データの三次元再構成画像 ( 図 5B) によると蛇行ができた．小脳表面の PICA の末梢部分は温存して，病した椎骨動脈より後下小脳動脈が分岐し，その分岐部が変を一塊として摘出することができた．術後吐き気，目VII を圧迫していた．術中所見では蛇行した椎骨動脈に眩，小脳失調は消失した．

圧迫された後下小脳動脈基部が VII を圧迫していた．椎本症例では複雑な血管構造，脳幹の解剖学的な関係を骨動脈のみの変位による減圧では，操作が不十分となる術前から把握することができたため，術中における血管危険性が予見できた症例であった．と病変の同定に極めて有用であった．
以上のように本方法を用いることにより脳神経，脳幹周囲の血管を明瞭に描出し，手術シミュレーションとして臨床応用が可能であった．

図5

右顔面痙攣症例(A) FIESTA の三次元再構成画像 : 椎骨動脈が顔面神経 (VII) を圧迫している．椎骨動脈 (VA) と蝸牛神経 (VIII) が同定できる．(B) 術前 fusion デー
タの三次元再構成画像 : VA と，分枝している後下小脳動脈 PICA) が VII

図6を圧迫している．

右小脳下部血管芽腫の fusion 画像(A) 開頭野を想定し腹臥位の患者の右側尾側より見上げたシミュレー
ション画像：血管芽腫は嚢胞の下縁に存在して，椎骨動脈に接していた．
VA から分岐した PICA は一度尾側に向かい，下方にループを形成して上嚢胞を伴った壁在結節を形成する血管芽腫の切除にも行，さらに延髄背側で上方へのループを描いた後再び下行していた．この第２の下行している PICA から血管芽腫へ豊富な栄養血管を認めた．
(B) 小脳と病変，血管を表示した fusion 画像．小脳下縁に血管芽腫があり，本法を応用した．Fusion 画像では血管芽腫は嚢胞の下縁に存在して，椎骨動脈に接していた．壁在結節部の栄養小脳内に嚢胞が存在している．PICA の末梢は小脳表面を潅流している．

血管は後下小脳動脈 (PICA) 由来であるため，その走行水色線は予想した皮質切開位置．と小脳，延髄との関係を把握する必要があった．図 6A
では開頭野を想定し，うつ伏せに寝た体位の患者の右側尾側より見上げたシミュレーション画像を作成した．椎骨動脈から分岐した PICA は一度尾側に向かい，下方にループを形成して上行，さらに延髄背側で上方へのループを描いた後再び下行していた．この第 2 の下行している PICA から血管芽腫へ豊富な栄養血管を認めた．小脳と病変，血管の関係を図 6B に示す．第 2 の下行している PICA は最終的に小脳表面を潅流しているため，血管芽腫と栄養血管を切離しながら，温存しなければならなかった．また，嚢胞開放のための皮質切開部も血管の走図7行を把握していることで，延髄背側と PICA を確認する

術中所見とイラストレーション＊口絵にカラー版掲載(A) 病変部摘出前：術野下方に椎骨動脈 (VA) から分枝したばかりの後下小脳動脈 (PICA) が確認でき，その右側に第２の下行している PICA の末梢部分あり．この PICA 末梢部分からオレンジ色の血管芽腫に栄養血管が分枝していた．(B) 病変部摘出後：椎骨動脈 (V)，迷走神経 (X)，舌下神経 (XII) あり．PICA 走行は術前に予想したように下方へのループと皮質切開して開放した嚢胞底部で上方ループも確認できた．小脳表面の PICA の末梢部分は温存した．
(C) 手術記載 : 第２番目に下行している PICA 末梢から血管芽腫への栄養血管を認めた．のに最適な切開部位を術前から決定することができた．
図 7 に実際の術野を示す．術野下方に椎骨動脈から分枝したばかりの PICA が確認でき，その右側に第 2 の下行している PICA の末梢部分を観察することができた．
この PICA 末梢部分からオレンジ色の血管芽腫に栄養血管が分枝していた ( 図 7A)．血管芽腫摘出後には椎骨動35

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医療から見た VR

参考文献

4．考察および今後の課題
ハ ー ド・ ソ フ ト ウ エ ア の 目 覚 ま し い 発 展 に よ り[1] Niwa Y, Shiotani M, Karasawa H, Ohseto K, Naganuma Y:

FIESTA を始めとする SSFP 系の高速シーケンスの臨床

Identification of offending vessels in trigeminal neuralgia

応用が可能になった．すでに，FIESTA により脳神経をand hemifacial spasm using SPGR-MRI and 3D-TOF-MRA,始めとする脳幹周辺構造物を正確に描出できることがRinsho Shinkeigaku 36, pp.544-550 (1996)

報告されている．さらに 3T MRI 装置の導入により信号[2] Benes L, Shiratori K, Gurschi M, Sure U, Tirakotai W,強度の高い画像データを取得することが可能となった．

Krischek B, et al: Is preoperative high-resolution magnetic

SSFP はスポイリング技術を用いていないため，TRresonance imaging accurate in predicting neurovascular内に生じる off-resonancecompression in patients with trigeminal neuralgia? A single-spin の位相のずれが蓄積さ

blind study. Neurosurg Rev 28, pp.131-136 (2005)

れ続け，位相差による信号の打ち消し合いがブラック
バンドアーチファクトを生じさせる．これを回避する[3] Rauscher A, Sedlacik J, Deistung A, Mentzel HJ,

ために，磁場の均一性の向上と TR の短縮が必要であ

Reichenbach JR: Susceptibility weighted imaging: dataる．目的部位での十分な shimming の施行と，可能なacquisition, image reconstruction and clinical applications.

限り短い TR の設定が必要である．また，完全な定常Z Med Phys 16, pp.240-250 (2006)

状態を達成するには，RF 励起ごとの横磁化の相対的な位相分散をゼロにする必要がある．このため，傾斜【略歴】

磁場により生じる位相分散は，極性を反転した傾斜磁

鎌田恭輔（KAMADA Kyousuke）

場により再びゼロとして，その結果すべての軸の傾斜

旭川医科大学

磁場は，TR 間の総和がゼロとなるよう制御が必要で1988 年 3 月旭川医科大学医学部医学科卒業 ．1988 年 5

あ る． 今 後 の ハ ー ド・ ソ フ ト ウ エ ア の 改 善，Parallel

月〜 1995 年 11 月 北海道大学医学部附属病院医員，北海imaging 法の導入，検出コイルの進歩などにより，よ道大学電子科学研究所にて脳磁図の臨床応用のための研り高解像度の画像データの取得が可能になるものと期

究，および北海道大学工学部 NMR 研究施設にて動物実待される．

験用 7TMRI 装置による実験脳浮腫の研究に従事．1995

医学部

脳神経外科教授

本手術シミュレーションでは静脈情報を加えること

年 12 月 〜 1997 年 3 月 Postdoctorial research fellow (MEG,が未だに困難である．流速の遅い静脈の描出には Phase

1H MR spectroscopy の臨床応用 ), Department of experimental

contrast 法が，TOF 法より感度が高いと考えられるが，neuropsychiatry Universitaet Erlangen-Nürnberg, Erlangen,脳幹周囲の細い静脈の描出は未だ困難である．むしろGermany. 1997 年 4 月 〜 1998 年 5 月 Research Associate

造影剤により信号が増強する TOF-MRA により静脈信(Auditory communication に 関 す る 動 物， ヒ ト 機 能 MRI),号を検出することが現段階では適切と思われる．しかInstitute for Cognitive and Computational Sciences. Georgetown

し，静脈描出のみを目的とした造影剤の使用には慎重

University Medical Center, Washington DC, USA. 1998 年 6 月に適応を考慮すべきである．また，近年は磁化率の違〜 2002 年 8 月北海道大学医学部附属病院医員，北海道大いを強調した Susceptibility-weighted imaging (SWI) が還学 MEG の臨床応用研究に従事．2002 年 9 月〜 2003 年 9

元型ヘモグロビンを強調することで静脈を描出するこ月市立千歳市民病院脳神経外科医長．2003 年 9 月〜 2006とが知られている [3]．本法は細い静脈にも高感度で検年 6 月東京大学医学部附属病院脳神経外科助手．2006 年

出することができる．また，磁化率の違いを強調して6 月〜 2010 年 1 月東京大学医学部脳神経外科講師．2010

いるため，高磁場装置に適したシーケンスであり今後年現在，旭川医科大学医学部脳神経外科教授兼．JST “ ささらなる発展が期待できる．

きがけ ”( 脳情報の解読と制御 ) 研究員．北海道大学医学

以上のように MRI 技術は目覚ましいスピードで進歩

部保健学科非常勤講師．

しつつある．また，解像度の高い MRI データを合成し，三次元再構成することで現実に近い手術野を作成することが可能になりつつある．しかし，さらなる手術シミュレーションの発展には，数多くの MRI の撮像原理とその信号の特徴を理解したうえで，得られたデータを適切に選択，合成表示していくことが必須である．

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