MRIで生じるアーチファクト
認識、解明、除去 Harald H. Quick
アーチファクト例 - 物理的因子
物理的因子によるアーチファクトは、MRI検査における信号および画像生成時の物理的方法に起因する画像不良である。これには、折り返しアーチファクト、磁場の不均一、傾斜磁場の非線形、磁化率アーチファクト、そして水と脂肪のケミカルシフトアーチファクトが含まれる。
折り返しアーチファクト
どんなアーチファクトか--認識--
折り返しアーチファクト（またはエイリアシング）は、FOVの一辺で切り取られた画像そのものであり、FOVの反対側に重なって現れる（図10）。重なった画像は鏡のように逆向きにはならない。折り返しアーチファクトは常に位相エンコード方向に認められる。
図10.折り返しアーチファクトは、MRI検査で最も頻繁にみられるアーチファクトのうちの1つである。これらは画像データ収集時の物理的過程により生じる。結局のところ、操作ミスが原因と考えられる。折り返しアーチファクトは常に、位相エンコード方向において検査領域よりもFOVが小さい場合に起こる。切り取られた部分の画像は、位相エンコード方向（この例では画像の左右方向）において画像の反対側で「折り返し」となり、実際のMR画像の縁の部分に重なる。ここで示した例では、患者の鼻と顎が画像の左側で「切り取られ」、画像反対側の後頭部に重なって表示されている。折り返しアーチファクトは、検査対象の長辺を読み取り周波数方向として選択すれば回避できる。通常、読み取り周波数は、最初から信号の折り返しが出現しないよう設定されていることが多い。
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
設定したFOVが撮像対象よりも小さい場合、FOVからはみ出した部位が折り返しとして位相エンコード方向に生じる。読み取り周波数方向では、MRIデータ収集の際、オーバーサンプリングにより折り返しアーチファクトの出現を防いでいる。つまり、撮像時における読み取り周波数方向のオーバーサンプリングは不可欠であり、画像上には表示されないもののFOVの2倍の大きさの情報が読み取り周波数方向では保存されている。一方、位相エンコード方向では通常、その方向に沿って収集したデータのみが画像として表示される。位相エンコード数は撮像時間を決める一つの因子であり、位相エンコード方向では通常、FOVを小さくする。これにより撮像時間をできる限り短くすることができる。位相エンコード方向において画像化する対象よりも必要以上にFOVを小さくしてしまうと、位相エンコードが不完全となるため、FOVからはみ出した信号の部分が切り取られたように、MR画像上では解剖学的に不正確な位置に重なって現れる。位相エンコード方向でFOVが小さいほど、または切り取られた部位が大きいほど、折り返してくる画像も大きくなる。結局のところ、折り返しはMRI撮像時の操作ミスと考えることができる。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
折り返しアーチファクトの原因は上記の『解明』で述べたが、画像化したい身体部位の長辺を読み取り周波数方向に設定するべきであるという結論に至る。これにより折り返しアーチファクトを防止できる。位相エンコード方向では、FOVを可能な限り小さくする必要がある（時間節約のため）が、同時に必要最低限の大きさは確保しなければならず（折り返しアーチファクトを防ぐため）、その上で診断に耐えられる画像でなくてはならない。場合によっては、折り返しアーチファクトを防ぐため位相エンコード方向のオーバーサンプリングを行うことも可能である。これを行うと撮像時間の延長は避けられないが、得られる画像よりも多くの位相エンコード方向のデータを収集すること（オーバーサンプリング）で、結果として位相エンコード方向の折り返しアーチファクトを回避することができる。
磁場不均一
どんなアーチファクトか--認識-
磁場中心から離れた部位やFOVを広く設定した場合に幾何学的歪みとして現れるか、あるいは高信号と低信号が相互に生じる縞状のアーチファクト領域として発生する。明るい部分と暗い部分が曲がった縞状となり交互に現れる特徴的なパターンから、このアーチファクトは「ゼブラアーチファクト」とも呼ばれる（図11）。
図11.MRI撮像領域の端における磁場不均一は、そこがMRI装置の磁場中心から離れた撮像限界領域であることを示す。静磁場の均一性は、磁場中心が最も優れている。理想的な磁場均一性は、撮像範囲内のすべてのスピンを均一に励起し、フリップ角を揃え、同位相において互いを歳差運動させるための、物理的な前提条件となる。静磁場の均一性はアイソセンターから辺縁に向かってその端から急激に損なわれ、強力な局所的磁場勾配が生じる。この磁場の傾きがスピンの位相分散を引き起こし、局所的に信号欠損を伴った高信号と低信号による帯状の領域が交互に生じることとなる。磁場不均一は、この特徴的なパターンからゼブラアーチファクトとも呼ばれる。ここで示した、広いFOVを用いた冠状断の骨盤MRIの例では、FOVを囲むようにアーチファクトが生じている。基本的にこれらのアーチファクトはMRI装置のハードウェア固有のものであるため、使用者がこれらを改善することは難しい。これを防ぐ1つの方法は、撮像領域をできる限りMRI装置の磁場中心にセットし、アーチファクトが含まれる領域が撮像範囲に入らないよう設定することである。
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
静磁場が均一でない場合、スピンの位相が乱れることで、幾何学的に歪みが生じるか、または信号の位相が乱れることによる限局的な信号欠損や信号増強が交互に生じる。これらはしばしば湾曲し、幾何学的に歪んだ画像となる。このような磁場不均一によるアーチファクトは、磁場中心から離れた部位やFOVを広く設定した場合によくみられる。MRI装置の構造および設定されたFOVの大きさによってそれぞれの装置が、特徴的なパターンのアーチファクトを引き起こす。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
ゼブラアーチファクトを防ぐためには、静磁場の均一性が保たれた範囲内で撮像が行われるよう、対象となる検査領域をできる限りアイソセンターにセッティングする必要がある。あるいは、FOVを必要以上に大きくしなければ、このアーチファクトをなくすことができる。手動によるシム調整は、局所領域における磁場の均一性を向上させることができる。一般的にSEシーケンスは、GREシーケンスと比べ、磁場不均一によるアーチファクトが生じにくい傾向がある。
傾斜磁場の非線形
どんなアーチファクトか--認識--
傾斜磁場の非線形性に気が付くのは、主に長骨や脊椎など長軸方向の解剖学的構造物に幾何学的変形がみられたときである。これは特にFOVの辺縁で生じる。これらの歪みは比較的大きく、表示された画像は組織の端に向かって圧縮されているように見える（図12および13）。
図12.傾斜磁場の非線形性を視覚化したファントム実験。この目的のために、明瞭な格子構造を有するグリッドファントムをMRI装置で撮像した。画像左（A）では、ファントム中央の領域において、概ね直線状の、幾何学的に整列したグリッドの構造がみられる。画像の辺縁に向かって、特に静磁場の方向において（この場合は上下方向）、本来のグリッド構造に幾何学的歪みと変形が生じているのが分かる。これらの領域では、局所信号をエンコードするための傾斜磁場が線形性を失っている（A）。実際とは異なり対象が歪んで表示されており、これらは傾斜磁場の非線形によるアーチファクトである（A）。画像右（B）は、同じMRI装置で同じファントムを撮像したものである。非線形補正フィルター（広いFOV用フィルターなど）を使用しており、ソフトウェアがFOVの辺縁の歪みをある程度補正している（B）。傾斜時場の非線形はハードウェアに関連するアーチファクトであり、特に広いFOVの辺縁で生じる。
図13.傾斜磁場の非線形による実例。下肢を撮像したため、FOVを広くとっている。画像左（A）では、傾斜磁場の非線形性により、特に画像の上下辺縁に向かって、長骨が湾曲し幾何学的に歪んだ画像が得られている。画像右（B）では、非線形補正フィルター（広いFOV用フィルターなど）を使用したことにより、歪みはほぼ修正されている。
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
撮像範囲全体を解剖学的に正確で歪みのない画像として得るには、画像再構成の際に3軸すべてにおいて傾斜磁場の線形性が保たれていることに加え、静磁場の均一性が優れている必要がある。特にFOVが大きい場合、傾斜磁場の非線形によってFOVの辺縁で画像の歪みが生じる。静磁場および傾斜磁場の磁場分布はそれぞれのMRI装置に特有であることが知られているため、補正用のソフトウェアを用いる場合がある。 このソフトウェアを用いると、傾斜磁場の非線形およびそれによる歪みが予測される画像の位置情報に基づいて、一定の領域内において自動的に補正する処理を行うことができる。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
FOVが大きく、解剖学的に広い領域のMRI検査では、歪み補正フィルター、または関連する非線形を補正するフィルター（大きいFOV用フィルター）を選択することができる。他の方法としては、FOVを小さくすること、および検査領域をできる限りMRI装置のアイソセンター内にセットすることである。磁場中心と適切なFOVを用いることで、磁場均一性と傾斜磁場の線形性は保証されるため幾何学的歪みが少ない。
脂肪抑制不良によるアーチファクト
どんなアーチファクトか--認識--
通常のMR画像で高信号を呈する脂肪は、脂肪抑制法を用いて撮像領域全体で完全かつ均一に信号が抑制されることが理想的である。脂肪抑制を行ったMR画像において、さまざまなサイズで脂肪が高信号あるいは等信号に描出されることがある。これらは脂肪抑制不良によるアーチファクトである（図14）。
図14.骨盤腔のGREシーケンスによる脂肪抑制併用T1強調画像において、脂肪抑制が不十分な部分がみられている。ほぼ全ての脂肪の信号を抑制することができているが、患者の左側の皮下脂肪組織の脂肪抑制が不十分である。この領域の脂肪は、T1強調画像でみられるように高信号として表示されている。このようなアーチファクトは、アイソセンターから遠い部分で、磁場均一性が失われているFOVの辺縁でみられることが多い。これらの部位では磁場不均一により局所の磁場強度が変動しており、この領域での共鳴周波数が、脂肪抑制を目的として照射されるRFパルスの共鳴周波数とずれ、限局的に脂肪抑制が不十分となる。必要な撮像領域において手動によるシム調整が、局所の磁場均一性を高め画質の向上に有用である。
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
水および脂肪を含む組織内のプロトンは、わずかに異なる共鳴周波数を持つ。この周波数の違いは、脂肪信号の抑制を目的とした周波数選択による脂肪抑制法に応用されている。脂肪の共鳴周波数を有するRFパルスを、通常の撮像シーケンスに加えて組織に照射することで脂肪の信号が抑制される。このような脂肪抑制法を用いるためには、MR画像のあらゆる部分で磁場均一性が保たれている必要があり、また画像全体で共鳴周波数が同じである必要がある。静磁場強度が異なる場所、すなわち不均一な部位では、この周波数の選択が適切に行われない可能性がある。脂肪の信号抑制が不良な領域は、FOVの辺縁部で高信号域としてみられることが多い。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
磁場均一性が不十分であることにより生じる全てのアーチファクトと同様に、脂肪抑制不良によるアーチファクトについても、検査領域をできる限りMRI装置の磁場中心にセッティングすることが重要である。加えて、有効で適切な脂肪抑制法を選ぶ必要がある。手動でシム調整を行い撮像領域の局所の均一性を高めることが有用な場合もある。脂肪抑制不良によるアーチファクトは画像の解釈を困難にする場合があるが、脂肪抑制併用画像と、非併用の画像とを比較することで、診断上重要となる病変と組織の組成を把握することができる。
ケミカルシフトアーチファクト
どんなアーチファクトか--認識--
ケミカルシフトによるアーチファクトは、“India ink”（墨汁）アーチファクトとも呼ばれることもあり、臓器の辺縁や、脂肪が多く含まれる組織と、水が多く含まれる組織の境界面でよくみられる。読み取り周波数方向での脂肪と水の信号のわずかなシフトにより、しばしば片側で高信号が重なり、反対側で低信号となる（図15および16）。
図15.脂肪と水の信号間でのケミカルシフトを示した。脂肪および水を含む実際の対象（A）を、脂肪／水の成分を分けて示している。脂肪および水に含まれるプロトンは、それぞれ異なる物理的環境にあるため、わずかに異なる共鳴周波数を有している。1.5Tでは、脂肪は水よりもおよそ220Hz低い共鳴周波数を有する。その結果、MR画像において、エンコードする読み取り周波数方向に沿って脂肪と水の成分のわずかな位置情報のずれが生じる（B）。例えば220Hz/pixelから440Hz/pixelへなど、受信バンド幅（BW）を2倍にすると、この位置ずれは半分に減らすことができ、アーチファクトが減少する。
図16.1.5Tで撮像された膝関節の矢状断MRIにおける脂肪と水のケミカルシフト例。読み取り周波数方向は前後方向であり、画像の左側から右側に向かって示されている。この画像はT1強調TSEシーケンスである。（A）では、40Hz/pixelと小さいバンド幅（BW）が選択されている。220Hz（1.5T）のケミカルシフトにより、脂肪と水の信号が5.2pixelずれている。（B）では、445Hz/pixelと大きなバンド幅（BW）が選択されており、ケミカルシフトが0.5 pixelまで減少している。（A）の矢印は、膝蓋骨と大腿骨遠位部骨頭の骨髄脂肪の信号がどれだけ左側へずれているかを示している。右側にはより低信号領域がみられるのに対し、左側には高信号の重なりがみられる。バンド幅の大きいMR画像（B）では、わずかに脂肪と水の信号のずれがみられるのみで、実際の位置を反映している。個別のアーチファクトを除けば、全体的に画像は鮮明で、より詳細に描出されており、ブラーリングが少ない。しかし画像のバンド幅を高くすると、（B）でのノイズの増加から分かるように、SNR（信号雑音比）が低下する。
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
水および脂肪を含む組織に存在する水素原子核は、わずかに異なる共鳴周波数を有している。1.5Tにおける脂肪の共鳴周波数は、水を含む組織と比べおよそ220Hz低い。3Tではこの差は2倍となり、およそ440Hzとなる。MRI撮像の読み取り周波数方向では、脂肪と水の成分は、これらが同じ場所から生じたものであっても互いに異なる位置に表示される。この2つの信号のケミカルシフトの影響は、画像データ収集中に、読み取り周波数方向で用いる受信バンド幅が小さいほど大きくなる。ケミカルシフトによるアーチファクトは、例えば組織または臓器の境界にみられ、読み取り周波数方向で、対象部位の片側の辺縁が高信号、反対側の辺縁が低信号となるのが特徴である。なぜ3TMRIでは、これらのアーチファクトが原則として1.5TMRIの2倍となるのかは、脂肪と水の周波数の違いが磁場強度に直接的に依存していることから説明できる。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
ケミカルシフトによるアーチファクトは、読み取り周波数方向で読み出しを行う受信バンド幅を大きくすることで、効果的に減らすことができる。これにより、干渉を起こさない程度までシフトを減らすことができる。しかしバンド幅を大きくすることで、本来得られたであろうSNR（信号雑音比）は低下する。
アーチファクトを避ける他の方法は、脂肪抑制法を用いることである。脂肪信号を除去することで、妨げとなる信号の重なりおよび異なる位置情報が生じなくなる。もう一つの方法として、画像収集の際に読み取り周波数方向と位相エンコード方向を入れ変える方法がある。これらの方法で、ケミカルシフトに起因すると考えられるアーチファクトは同定が可能なため、診断への影響も少なくなると考えられる。
磁化率アーチファクト
どんなアーチファクトか--認識--
空気、組織、骨が接する部位、特に顔面骨や消化管に近い部位では、限局的な信号欠損がしばしば生じ、部分的に幾何学的歪みを伴う場合もある。限局的な信号欠損は、小さな金属性インプラントの周囲でも生じる（図17および18）。
図17.局所磁場における磁化率の効果を示した。均一な磁場では、磁力線は平行に走り、互いに等距離である（A）。反磁性の物質を挿入すると、この物質の磁場は限局的に弱まり、磁力線は反発する（B）。常磁性の物質を挿入すると、この物質の磁場は限局的に強まり、磁力線はそれに応じて引き寄せられる（C）。強磁性の物質ではこの効果がさらに強まり、磁力線は非常に強く引き寄せられる（D）。限局的に傾斜磁場が生じた結果、部分的な歪み、信号欠損、その他の磁化率アーチファクトが生じる。
図18.海綿状血管腫および微小出血の患者における、磁化率を強調したGREシーケンスの画像。磁化率の差を強調して診断に応用している。周辺の脳組織に対する、鉄沈着と血液成分のわずかな磁化率の違いが描出されている。同一患者に対して行われた1.5T（A）と7T注） （B）のMRIを比較すると、磁化率の差は静磁場強度に大きく影響していることがよく分かる。7Tで病変が必要以上に大きく描出されることも、磁化率アーチファクトと解釈することができる。
注）国内では7T は臨床使用範囲外
なぜこのアーチファクトが生じるのか--解明--
すべての組織および物質は、磁化率という物理的特性を有している。物理量である磁化率χは、さまざまな物質が個別に帯びた磁気の程度を表す。χ＜0すなわち磁化率が負の物質は、反磁性と呼ばれる。これらはわずかに外部磁場と反発する。磁化率が正で、磁性が弱い物質（χ＞0）は常磁性と呼ばれ、外部磁場にわずかに引き寄せられる。磁化率が正で、磁性が強い物質（χ＞＞0）は強磁性と呼ばれ、非常に強く外部磁場に引き寄せられる。
隣接する組織または臓器では、わずかに磁化率が異なっている。これらの接する部位では弱く限局的な傾斜磁場が生じる可能性がある。これによりMRI信号の限局的な位相分散が生じる場合があり、信号欠損または部分的な信号変調をきたす。MRIのT2*強調画像または磁化率強調画像（SWI）では、例えば微小出血や海綿状血管腫を高い感度で検出する目的で、非常に小さな磁化率の差を表示し、この効果を診断に応用している。
どうすればこのアーチファクトを回避できるのか--除去--
磁化率アーチファクトは、特にGREシーケンスを用いた場合によく生じる。このため、GREシーケンスは診断上有用となる磁化率の差を視覚化するために用いることが多い。一方、SEシーケンスでは、エコー収束用の180°パルスが、組織の境界やインプラント近傍での局所的な信号の分散を補う動きがあるため、アーチファクトが減少する場合がある。エコー時間を短くすること、および受信バンド幅を高くすることも、このアーチファクトを減らすのに有用である。
