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神経画像診断とは、中枢神経系の構造と機能を研究するために定量的（計算的）手法を用いるものであり、健康な人間の脳を非侵襲的に科学的に客観的に研究する方法として開発されました。近年では、脳疾患や精神疾患の定量的研究にも広く用いられるようになっています。神経画像診断は、神経科学、コンピュータ科学、心理学、統計学など、非常に学際的な分野であり、医学専門分野ではありません。
神経画像診断は、神経放射線学と混同されることがあります。神経放射線学は、臨床現場で非統計的な脳画像診断を行う医学専門分野であり、放射線科医（医師）によって行われます。神経放射線学は主に、血管疾患、脳卒中、腫瘍、炎症性疾患などの脳病変の認識に重点を置いています。神経画像診断とは対照的に、神経放射線学は定性的（主観的な印象と広範な臨床訓練に基づく）ですが、基本的な定量的手法を用いることもあります。機能的磁気共鳴画像法（fMRI）などの機能的脳画像診断技術は、神経画像診断では一般的ですが、神経放射線学ではほとんど用いられません。
神経画像診断は、大きく分けて構造的神経画像診断と機能的神経画像診断の2つのカテゴリーに分類されます。構造的神経画像診断は、構造MRIやボクセルベース形態計測などを用いて、脳の解剖学的構造を定量化し、詳細な画像を提供するために使用されます。機能的神経画像診断は、fMRI、陽電子放出断層撮影（PET）、脳磁図（MEG）などを用いて、脳の機能を研究するために使用されます。
神経画像診断の歴史の始まりは、感情的および知的活動中の血液の再分配を非侵襲的に測定できる「ヒト循環バランス」を発明したイタリアの神経科学者アンジェロ・モッソに遡る。 [ 1 ]
1918年、アメリカの神経外科医ウォルター・ダンディは脳室造影法を導入した。脳内の脳室系のX線画像は、濾過した空気を片側または両側の側脳室に直接注入することによって得られた。ダンディはまた、腰椎穿刺によってくも膜下腔に導入された空気が脳室に入り、脳底部とその表面の周囲にある脳脊髄液の区画も示すことができることを観察した。この技術は後に気脳造影法と呼ばれるようになった。[ 2 ]
1927年、エガス・モニスは脳血管造影法を導入し、脳内および脳周辺の正常および異常な血管を非常に高い精度で可視化できるようになった。[ 3 ]
1970年代初頭、アラン・マクラウド・コーマックとゴッドフリー・ニューボールド・ハウンスフィールドは、コンピュータ断層撮影（CATスキャン、現在ではコンピュータ断層撮影（CTスキャン）として知られている）を導入し、診断や研究目的で脳のより詳細な解剖学的画像が利用可能になった。コーマックとハウンスフィールドは、その業績により1979年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。1980年代初頭にCATが導入された直後、放射性リガンドの開発により、脳の単光子放出コンピュータ断層撮影（SPECT）および陽電子放出断層撮影（PETスキャン）が可能になった。 [ 4 ]
ほぼ同時期に、ピーター・マンスフィールドやポール・ローターバーら研究者によって磁気共鳴画像法（MRIまたはMRスキャン）が開発され、彼らは2003年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。1980年代初頭にMRIが臨床に導入され、1980年代には技術的な改良と診断用MRアプリケーションにおいて大きな進歩がありました。PETで測定された大きな血流変化も適切なタイプのMRIで画像化できることがすぐに明らかになり、その結果、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）が開発されました。fMRIは、低侵襲性、放射線被曝のなさ、比較的広く利用可能であることから、1990年代以降、脳マッピング分野を支配するようになりました。[ 5 ] 2000年代初頭には、神経画像分野は、機能的脳画像の限定的な実用化が可能になる段階に達しました。主な応用分野は、粗雑な形態の脳コンピュータインターフェースです。[ 6 ] [ 7 ]
全脳MRI画像の空間分解能の世界記録は、2019年に達成された100マイクロメートルのボリューム（画像）でした。サンプルの取得には約100時間かかりました。[ 8 ]あらゆる方法による人間の脳全体の空間世界記録は、ESRF（欧州シンクロトロン放射光施設）で行われたX線断層撮影スキャンで、約25マイクロメートルの分解能を持ち、約22時間かかりました。このスキャンは、同じ分解能で人体の他の臓器のX線断層撮影スキャンを含む人体臓器アトラスの一部でした。[ 9 ] [ 10 ]
磁気共鳴画像法の重要な考え方は、スピン系にスピン状態間のエネルギー差に等しい周波数のエネルギー（例えば、高周波パルス）を照射することで、正味磁化ベクトルを移動させることができるという点である。系に十分なエネルギーが供給されれば、正味磁化ベクトルを外部磁場の磁化ベクトルと直交させることが可能となる。[ 11 ]
神経放射線学は、医師が神経疾患を患っている、または患っている可能性のある患者についてより詳細な検査を行う必要性を発見した神経学的検査の後に行われることが多い。[ 12 ]
神経画像検査の一般的な臨床適応症には、頭部外傷、脳卒中様症状（例：体の片側の突然の脱力感／しびれ、会話や歩行の困難）、発作、突然発症する重度の頭痛、原因不明の意識レベルの急激な変化などがある。[ 13 ]
神経放射線学のもう1つの適応症は、頭蓋内腫瘍、動静脈奇形、およびその他の外科的に治療可能な疾患の治療のためのCT、MRI、PETガイド下定位手術または放射線手術である。 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
人が経験する可能性のあるより一般的な神経学的問題の 1 つは、単純失神です。[ 17 ] [ 18 ]患者の病歴から他の神経学的症状が示唆されない単純失神の場合、診断には神経学的検査が含まれますが、中枢神経系に原因が見つかる可能性が極めて低く、患者がその手順から利益を得る可能性が低いため、ルーチンの神経学的画像検査は適応されません。[ 18 ]
神経放射線学は、片頭痛と診断された安定した頭痛の患者には適応されません。[ 19 ]研究によると、片頭痛の存在は患者の頭蓋内疾患のリスクを高めません。[ 19 ]乳頭浮腫などの他の問題がない片頭痛の診断は、放射線学的検査の必要性を示すものではありません。[ 19 ]慎重な診断を行う過程で、医師は頭痛の原因が片頭痛以外にあるかどうか、また放射線学的検査が必要になる可能性があるかどうかを検討する必要があります。[ 19 ] [ 20 ]
頭部のコンピュータ断層撮影（頭部のCTスキャン）は、さまざまな方向から撮影された一連のX線を使用します。通常、脳損傷を迅速に観察するために使用されるCTスキャンは、測定されたX線シリーズに対して数値積分計算（逆ラドン変換）を実行するコンピュータプログラムを使用して、脳の小さな体積でどれだけのX線ビームが吸収されるかを推定します。通常、情報は脳の断面として表示されます。[ 21 ] [ 22 ]
脳の磁気共鳴画像法は、磁場と電波を使用して、電離放射線（X線）や放射性トレーサーを使用せずに、脳とその構造の高品質の2次元または3次元画像を生成します。[ 23 ]
死後脳全体の最高空間分解能の記録は、マサチューセッツ総合病院による100ミクロンである。このデータは2019年10月30日にScientific Dataに掲載された。 [ 24 ]
陽電子放出断層撮影(PET) および脳陽電子放出断層撮影では、血流に注入された放射性標識された代謝活性化学物質からの放出を測定します。放出データはコンピュータで処理され、脳全体における化学物質の分布の 2 次元または 3 次元画像が生成されます。[25]:57 使用される陽電子放出放射性同位体はサイクロトロンによって生成され、化学物質はこれらの放射性原子で標識されます。放射性トレーサーと呼ばれる標識化合物は血流に注入され、最終的に脳に到達します。PET スキャナのセンサーは、化合物が脳のさまざまな領域に蓄積されるにつれて放射能を検出します。コンピュータは、センサーによって収集されたデータを使用して、化合物が脳のどこで作用するかを示す多色の 2 次元または 3 次元画像を作成します。特に有用なのは、神経伝達物質活動のさまざまな側面をマッピングするために使用される幅広いリガンドです。最も一般的に使用される PET トレーサーは、標識されたグルコース(FDG)です。[ 26 ]
PETスキャンの最大の利点は、さまざまな化合物が活動中の脳組織の血流、酸素、グルコース代謝を示すことができることです。これらの測定値は脳のさまざまな領域における脳活動の量を反映し、脳の働きについてより深く理解することを可能にします。PETスキャンは、初めて利用可能になったとき、解像度と完了速度（最短30秒）の点で他のすべての代謝イメージング方法よりも優れていました。解像度の向上により、特定のタスクによって活性化される脳の領域についてより詳細な研究が可能になりました。PETスキャンの最大の欠点は、放射能が急速に減衰するため、短いタスクのモニタリングに限定されることです。[ 25 ]： 60 fMRI技術がオンラインになる前は、PETスキャンは機能的（構造的とは対照的に）脳イメージングの好ましい方法であり、神経科学 に大きく貢献し続けています。[ 27 ]
PETスキャンは脳疾患の診断にも使用され、特に脳腫瘍、てんかん、認知症を引き起こす神経細胞損傷疾患（アルツハイマー病など）はすべて脳代謝に大きな変化をもたらし、その結果PETスキャンで容易に検出可能な変化が生じます。PETは、特定の認知症の初期段階（アルツハイマー病やピック病など）で最も有用であると考えられます。初期段階では、損傷が広範囲に及び、脳容積や大まかな構造にほとんど変化をもたらさないため、CTや標準的なMRI画像では、加齢に伴って（すべての人ではないが）起こる「正常」な範囲の皮質萎縮と確実に区別できるほどの変化が生じません。この正常範囲の皮質萎縮は、臨床的な認知症を引き起こしません。[ 28 ]
FDG-PETスキャンは、適切な薬物療法を受けても発作が続くてんかん患者の評価にもよく用いられます。焦点てんかんでは、発作が脳の小さな部分で始まり、その後他の場所に広がりますが、FDG-PETスキャンは、発作の開始に関与する脳領域を特定するために使用される多くの方法の1つです。通常、発作が始まる脳領域は、患者が発作を起こしていないときでも機能不全であり、健康な脳領域と比較してグルコースの取り込みが少なく、したがってFDGの取り込みも少なくなります。[ 29 ]この情報は、薬剤抵抗性てんかんの治療としててんかん手術を計画するのに役立ちます。[ 30 ]
発作開始部位を特定するために他の放射性トレーサーも使用されているが、これらは臨床使用のために市販されていない。これらには、 11 C-フルマゼニル、1 1 C-α-メチル-L-トリプトファン、11 C-メチオニン、11 C-セルフェンタニルが含まれる。[ 29 ]
単光子放出コンピューター断層撮影（SPECT）はPETに似ており、ガンマ線放出放射性同位元素とガンマカメラを使用して、コンピューターが活動中の脳領域の2次元または3次元画像を構築するために使用するデータを記録します。[ 31 ] SPECTは、放射性トレーサー、つまり「SPECT剤」の注射に依存しており、これは脳に急速に取り込まれますが、再分布しません。SPECT剤の取り込みは30～60秒以内にほぼ100%完了し、注射時の脳血流量（CBF）を反映します。SPECTのこれらの特性により、患者の動きや発作タイプの変動の問題で通常は困難になるてんかんの画像化に特に適しています。SPECTは、発作の終了後にスキャンを取得できるため（放射性トレーサーが発作時に注射されている限り）、脳血流量の「スナップショット」を提供します。 SPECTの大きな制約は、 MRIに比べて解像度が低いこと（約1cm）です。現在では、デュアル検出器ヘッドを備えたSPECT装置が一般的に使用されていますが、トリプル検出器ヘッドを備えた装置も市販されています。断層再構成（主に脳の機能的「スナップショット」に使用される）には、人間の頭蓋骨の周りを回転する検出器ヘッドからの複数の投影が必要なため、一部の研究者は、画像撮影時間を短縮し、より高い解像度を得るために、6および11検出器ヘッドのSPECT装置を開発しました。[ 32 ] [ 33 ]
PETと同様に、SPECTも認知症を引き起こすさまざまな種類の疾患プロセスを鑑別するために使用でき、この目的でますます使用されています。I-123で標識したイソフルパンを使用したSPECTスキャン（DaTスキャンとも呼ばれる）は、パーキンソン病と他の振戦の原因を鑑別するのに役立ちます。[ 34 ]
SPECTスキャンは、薬剤抵抗性てんかんの評価にも使用されます。トレーサーとしてTc 99標識ヘキサメチルプロピレンアミンオキシム（Tc 99 HMPAO）またはエチルシステインダイマー（Tc 99 ECD）を使用します。放射性トレーサーは、発作の開始が検出されるとすぐに患者の静脈に注入され、スキャンは発作が終わってから数時間以内に行われます。この技術は発作時SPECTと呼ばれ、発作中の発作開始領域のCBFの増加に依存しています。発作間欠期SPECTは、同じトレーサーを使用して、患者が発作を起こしていないときに行われるスキャンです。発作の間には、発作開始領域のCBFの減少が見られ、発作中の血流増加ほど顕著ではありません。[ 35 ]
頭蓋超音波検査は通常、乳児にのみ使用されます。乳児の開いた泉門は音響窓となり、脳の超音波画像化を可能にします。利点としては、電離放射線がないことと、ベッドサイドでのスキャンが可能であることが挙げられますが、軟部組織の詳細が不明瞭なため、一部の疾患ではMRIが好まれます。 [ 36 ]
機能的磁気共鳴画像法（fMRI）と動脈スピンラベリング法（ASL）は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの常磁性特性を利用して、神経活動に伴う脳内の血流変化を画像化します。これにより、さまざまなタスクの実行中や安静時に、どの脳構造が活性化されているか（そしてどのように活性化されているか）を反映した画像を生成することができます。酸素化仮説によれば、認知活動や行動活動中の局所脳血流における酸素使用量の変化は、その局所ニューロンが、取り組んでいる認知活動や行動活動に直接関連していることを示していると考えられます。
ほとんどのfMRIスキャナーでは、被験者にさまざまな視覚画像、音、触覚刺激を提示し、ボタンを押したりジョイスティックを動かしたりするなど、さまざまな動作をさせることができます。その結果、fMRIは知覚、思考、行動に関連する脳構造とプロセスを明らかにするために使用できます。fMRIの解像度は現在約2～3ミリメートルで、神経活動に対する血行動態反応の空間的広がりによって制限されています。脳活動パターンの研究において、fMRIはPETにほぼ取って代わりました。しかし、PETは放射性標識された受容体「リガンド」（受容体リガンドとは受容体に結合するあらゆる化学物質）を画像化できるため、特定の神経伝達物質に関連する特定の脳受容体（またはトランスポーター）を識別できるという大きな利点を保持しています。また、fMRI分析で使用される統計の一部の妥当性、したがって多くのfMRI研究から導き出された結論の妥当性についても大きな懸念があります。[ 37 ]
偶然では0.8%しか達成できないのに対し、72%から90%の精度でfMRI技術は被験者が見ている既知の画像セットのうちどれかを判断できる。[ 38 ] [ 39 ]
精神医学における機械学習に関する最近の研究では、fMRIを使用して自殺行動のある人とない人を区別できる機械学習モデルを構築している。画像研究と機械学習アルゴリズムを組み合わせることで、患者の自殺リスクに基づいて層別化できる神経画像における新しいマーカーを特定し、個々の患者に最適な治療法や治療を開発するのに役立つ可能性がある。[ 40 ]
拡散光イメージング（DOI）または拡散光トモグラフィー（DOT）は、近赤外光を使用して身体の画像を生成する医療画像診断法です。この技術はヘモグロビンの光吸収を測定し、ヘモグロビンの酸素化状態に応じて変化する吸収スペクトルに依存しています。高密度拡散光トモグラフィー（HD-DOT）は、両方の技術で研究された被験者の視覚刺激に対する反応を使用してfMRIと直接比較され、安心できるほど類似した結果が得られました。[ 41 ] HD-DOTは、言語タスクと安静時の機能的結合の観点からもfMRIと比較されています。[ 42 ]
イベント関連光信号（EROS）は、光ファイバーを通して赤外線を用いて大脳皮質の活動領域の光学的特性の変化を測定する脳スキャン技術です。拡散光イメージング（DOT）や近赤外分光法（NIRS）などの技術はヘモグロビンの光吸収を測定するため血流に基づいていますが、EROSはニューロン自体の散乱特性を利用するため、細胞活動をより直接的に測定できます。EROSは、脳内の活動をミリメートル単位（空間的に）およびミリ秒単位（時間的に）で特定できます。最大の欠点は、数センチメートルより深い活動を検出できないことです。EROSは、被験者に非侵襲的な、比較的安価な新しい技術です。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校で開発され、現在はガブリエレ・グラットン博士とモニカ・ファビアーニ博士の認知神経イメージング研究所で使用されています。[ 43 ]
脳磁図（MEG）は、超伝導量子干渉素子（ SQUID）やスピン交換緩和フリー（ SERF）磁力計などの非常に高感度な装置を用いて、脳内の電気活動によって生成される磁場を測定する画像化技術です。MEGは、神経電気活動を非常に直接的に測定できます（例えばfMRIと比較して）。時間分解能は非常に高いですが、空間分解能は比較的低くなります。神経活動によって生成される磁場を測定する利点は、脳波（ EEG）で測定される電場と比較して、周囲の組織（特に頭蓋骨と頭皮）による歪みが少ないことです。具体的には、頭部を同心円状の球殻のセットとしてモデル化し、それぞれを等方性均質導体とした場合、電気活動によって生成される磁場は周囲の頭部組織の影響を受けないことが示されています。実際の頭部は球形ではなく、伝導率は大きく異方性です（特に白質と頭蓋骨）。頭蓋骨の異方性はMEGにほとんど影響を与えないが（EEGとは異なり）、白質の異方性は放射状および深部ソースのMEG測定に強く影響する。[ 45 ]ただし、この研究では頭蓋骨は均一に異方性であると仮定したが、実際の頭部ではそうではないことに注意する必要がある。頭蓋骨の板間層と板層の絶対的および相対的な厚さは、頭蓋骨の骨間および骨内で変化する。このため、MEGも頭蓋骨の異方性の影響を受ける可能性が高いが、[ 46 ]おそらくEEGと同じ程度ではないだろう。
MEGには、外科医が病変部位を特定するのを補助したり、研究者が脳のさまざまな部位の機能を決定するのを補助したり、ニューロフィードバックなど、多くの用途があります。[ 47 ]
機能的超音波画像診断（fUS）は、神経活動や代謝の変化、例えば脳活動部位などを検出または測定する医療用超音波画像診断技術であり、通常は血流や血行動態の変化を測定することによって行われます。機能的超音波診断は、高感度ドップラーと超高速超音波画像診断に依存しており、これにより高感度の血流画像診断が可能になります。[ 48 ]
2021年6月、研究者らは磁気イメージングを使用する初のモジュール式量子脳スキャナーの開発を報告し、これは新しい全脳スキャン手法となる可能性がある。[ 49 ] [ 50 ]
fMRIは、他の画像診断法に比べて非侵襲的であるため、一般的にリスクが最小限から中程度に分類されます。fMRIは、血液酸素化レベル依存性（BOLD）コントラストを使用して画像を生成します。BOLDコントラストは体内で自然に発生するプロセスであるため、fMRIは、同様の画像を生成するために放射性マーカーを必要とする画像診断法よりも好まれることがよくあります。[ 51 ] fMRIの使用における懸念事項は、体内に医療用インプラントやデバイス、金属物がある人への使用です。装置から放出される磁気共鳴（MR）は、適切にスクリーニングされないと、医療機器の故障を引き起こしたり、体内の金属物を引き付けたりする可能性があります。現在、FDAは、MR適合性に応じて、医療用インプラントとデバイスを3つのカテゴリに分類しています。MR安全（すべてのMR環境で安全）、MR非安全（どのMR環境でも安全ではない）、MR条件付き（特定の環境でMR適合、さらなる情報が必要）。[ 52 ]
CTスキャンは1970年代に導入され、すぐに最も広く使用されている画像診断法の1つになりました。CTスキャンは1秒未満で実行でき、臨床医に迅速な結果をもたらすため、その使いやすさから、米国で実施されたCTスキャンは1980年の300万件から2007年には6200万件に増加しました。臨床医はしばしば複数回のスキャンを実施し、CTスキャンの使用に関するある研究では、30%の人が少なくとも3回のスキャンを受けています。[ 54 ] CTスキャンは、従来のX線よりも100～500倍高いレベルの放射線を患者に照射する可能性があり、放射線量が高いほど解像度の高い画像が得られます。[ 55 ]使いやすい一方で、CTスキャンの使用の増加、特に無症状の患者における使用の増加は、患者が非常に高いレベルの放射線に被曝するため、懸念事項となっています。[ 54 ]
PETスキャンでは、画像化は生体本来のプロセスに依存するのではなく、血流に注入された異物が脳に到達することに依存します。患者には、脳内で代謝され陽電子を放出して脳活動を可視化する放射性同位元素が注入されます。[ 51 ] PETスキャンで患者が受ける放射線量は比較的少なく、個人が1年間に受ける環境放射線量に匹敵します。PET放射性同位元素は一般的に半減期が非常に短く（約2時間）、急速に崩壊するため、体内での曝露時間が限られています。[ 56 ]現在、fMRIは放射線を伴わず、PETよりも時間分解能が高く、ほとんどの医療現場でより容易に利用できるため、PETと比較して脳活動を画像化する好ましい方法です。[ 51 ]
MEGとEEGの高い時間分解能により、これらの方法では脳活動をミリ秒単位で測定できます。MEGとEEGはどちらも、機能するために患者を放射線にさらす必要はありません。EEG電極はニューロンによって生成される電気信号を検出して脳活動を測定し、MEGはこれらの電流によって生成される磁場の振動を使用して活動を測定します。MEGの普及を妨げる障壁は価格であり、MEGシステムは数百万ドルかかる場合があります。EEGは、EEGシステムの方がMEGシステムよりもはるかに安価であるため、このような時間分解能を達成するためのより広く使用されている方法です。EEGとMEGの欠点は、どちらの方法もfMRIと比較すると空間分解能が低いことです。[ 51 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2026年6月現在非アクティブです（リンク）