頭蓋内および頭蓋外平面での脳血流と脳脊髄液動態相互作用の測定に関する研究

背景紹介

脳血流（Cerebral Blood Flow, CBF）と脳脊髄液（Cerebrospinal Fluid, CSF）の相互作用は、頭蓋内圧（Intracranial Pressure, ICP）の安定を維持するための重要な要素です。Monro-Kellie学説によれば、頭蓋内容積（脳実質、脳脊髄液、血液を含む）は一定であり、いずれかの容積変化は他の部分によって補償されなければなりません。しかし、近年の研究によると、脳血流と脳脊髄液の動的変化は必ずしもこの学説に従わず、特に心臓周期内では、脳血流の微小な変化が脳脊髄液によって完全にバランスされるわけではないことが示されています。この現象は、水頭症やアルツハイマー病などの神経疾患において重要な意義を持っています。

多くの研究が位相コントラスト磁気共鳴画像法（Phase-Contrast MRI, PC-MRI）技術を用いて脳血流と脳脊髄液の動的変化を測定していますが、そのほとんどは頭蓋外平面（頸動脈や頸静脈など）での測定に焦点を当てています。しかし、頭蓋外静脈の解剖学的構造と血流動態には大きな個人差があり、これが測定結果の正確性に影響を与える可能性があります。したがって、本研究は、頭蓋内と頭蓋外平面での脳血流と脳脊髄液動態相互作用の測定結果を比較し、どちらの平面が脳血流と脳脊髄液の相互作用を研究するのに適しているかを探ることを目的としています。

論文の出典

本論文は、Kimi Piedad Owashi、Pan Liu、Serge Metanbou、Cyrille Capel、Olivier Balédentによって共同執筆されました。著者らは、フランスのAmiens-Picardie大学病院の医学画像処理部門、放射線科、神経外科に所属しています。論文は2024年に『Fluids and Barriers of the CNS』誌に掲載され、タイトルは「Phase-contrast MRI analysis of cerebral blood and CSF flow dynamic interactions」です。

研究の流れと結果

1. 研究対象と実験設計

研究には38名の健康な若年ボランティア（女性18名、男性20名）が参加し、年齢範囲は19歳から35歳でした。すべての参加者は神経疾患、精神疾患、その他の重篤な疾患の既往歴がありませんでした。研究では3T MRIシステムを使用してデータを収集し、主に頭蓋内および頭蓋外平面での脳血流とC2-C3レベルでの脳脊髄液の流れを測定しました。

2. データ収集と処理

研究ではPC-MRI技術を用いて脳血流と脳脊髄液の動的変化を測定しました。頭蓋内平面では左右の内頸動脈、基底動脈、直静脈洞、上矢状静脈洞の血流を測定し、頭蓋外平面では左右の内頸動脈、左右の椎骨動脈、左右の内頸静脈の血流を測定しました。脳脊髄液の流れはC2-C3レベルで測定されました。

データの後処理には自社開発のソフトウェア「Flow」が使用され、このソフトウェアは半自動セグメンテーションアルゴリズムに基づいており、渦電流効果を補正し、脳血流と脳脊髄液の動的流速を計算することができます。脳血流と脳脊髄液の流速曲線を積分することで、研究チームは脳血流容積変化（Cerebral Blood Volume Change, CB_VC）と脳脊髄液容積変化（CSF Volume Change, CSF_VC）を計算しました。

3. 主な結果

研究の結果、頭蓋外平面での脳血流容積変化の振幅は頭蓋内平面よりも有意に高く（頭蓋外：0.89 ± 0.28 ml/cc；頭蓋内：0.73 ± 0.19 ml/cc；p < 0.001）、頭蓋内平面での脳血流と脳脊髄液容積変化の間の線形関係がより強く（R²：0.82 ± 0.16；傾き：-0.74 ± 0.19）、頭蓋外平面での線形関係は弱い（R²：0.47 ± 0.37；傾き：-0.36 ± 0.33；p < 0.001）ことが明らかになりました。これは、頭蓋内平面での測定結果が脳血流と脳脊髄液の相互作用をよりよく反映していることを示しています。

4. 結論と意義

研究結果は、脳脊髄液が心臓周期内の脳血流変化を完全にバランスしないことを示しており、これはMonro-Kellie学説の予想とは異なります。さらに、頭蓋内平面での脳血流測定結果は脳脊髄液動態との相関が強く、頭蓋内平面が脳血流と脳脊髄液の相互作用を研究するのに適していることを示しています。この発見は、頭蓋内圧変化および関連する神経疾患のメカニズムを研究するための新たな視点を提供します。

研究のハイライト

1. 頭蓋内平面での脳血流測定の初めての実施：本研究は、Willis環の下方で脳血流を測定し、脳脊髄液と脳血流の間の動的関係を検証しました。
2. 頭蓋内と頭蓋外平面の比較：研究では、頭蓋内と頭蓋外平面での測定結果を比較することで、頭蓋外静脈の解剖学的および血流動態の個人差が測定結果に与える影響を明らかにしました。
3. 自社開発ソフトウェアの活用：研究では、自社開発の「Flow」ソフトウェアを使用してデータの後処理を行い、脳血流と脳脊髄液の流れの測定精度を向上させました。

その他の価値ある情報

研究では、頭蓋外静脈の血流動態に大きな個人差があることも明らかになりました。これは、内頸静脈の解剖学的変異に関連している可能性があります。さらに、研究では、今後の研究では心臓周期の長さが脳血流と脳脊髄液動態に与える影響を考慮すべきであると指摘しています。

まとめ

本研究は、PC-MRI技術を用いて初めて頭蓋内平面で脳血流を測定し、脳脊髄液と脳血流の間の動的関係を明らかにしました。研究結果は、頭蓋内平面が脳血流と脳脊髄液の相互作用を研究するのに適していることを示しており、頭蓋内圧変化および関連する神経疾患のメカニズムを研究するための新たなアプローチを提供します。