機能的超音波画像診断

機能的超音波画像診断法（fUS）は、通常は血行動態（血流）の変化を測定することにより、脳活動部位などの神経活動や代謝の変化を検出または測定する医療用超音波画像診断技術です。これはドップラー超音波検査法の拡張版です。

脳の活性化は、電圧感受性色素、カルシウムイメージング、脳波記録、または脳磁図法を使用してニューロンの電気的活動を画像化することで直接測定できます。また、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）、陽電子放出断層撮影（PET）、機能的近赤外分光法（fNIRS）、ドップラー超音波検査などを使用して神経血管系の​​血流の変化を検出することで、血行動態的に間接的に測定することもできます。^[1]

光学ベースの方法は、一般に最高の空間解像度と時間解像度を提供しますが、散乱のため、表面に近い領域しか測定できません。そのため、光が脳組織に浸透できるように頭蓋骨を部分的に除去または薄くしてから、 動物モデルに使用することがよくあります。

血中酸素濃度依存（BOLD）信号を測定するfMRIとPETは、脳の活動を詳細に画像化できる唯一の技術でした。BOLD信号は、ニューロンの活動が酸素消費量を上回ると増加し、血流が大幅に増加して脳血液量（CBV）の変化をもたらします。ニューロンの活動と血流のこの関係は、神経血管カップリングと呼ばれています。実際、fMRIによる脳血行動態反応の詳細な画像化は非侵襲的であり、初期段階で神経科学における大きな発見への道を開き、人間にも適用できます。

しかし、fMRIにも限界がある。第一に、 MRI装置のコストとサイズが法外なほど大きい。第二に、fMRIで高い空間分解能を達成するには、必然的に時間分解能や信号対雑音比が低下する。その結果、てんかんなどの一過性事象の微細な空間的詳細を画像化することが困難になる。最後に、fMRIはすべての臨床応用に適しているわけではない。例えば、乳児はMRI装置内でじっとしていないため、fMRIは乳児にはほとんど行われない。^[2]

fMRI と同様に、ドップラーベースの機能的超音波は神経血管結合に基づいているため、神経血管結合の時空間的特徴、特に脳血液量 (CBV) の変化によって制限されます。CBV は機能イメージングの適切なパラメータであり、内因性光学イメージングや CBV 強調 fMRI などの他のモダリティですでに使用されています。CBV 応答の時空間的範囲は広範囲に研究されています。感覚誘発 CBV 応答の空間分解能は、皮質柱 (~100 μm) まで低下する可能性があります。時間的には、CBV インパルス応答関数は、超短刺激 (300 μs) に応答して通常 ~0.3 秒で始まり、 ~1 秒でピークに達することが測定されましたが、これは基礎となる電気活動よりもはるかに遅いものです。^[3]

脳内の血行動態の変化は、脳活動の位置をマッピングするための神経活動の代替指標としてよく使用されます。血行動態反応の大部分は小血管で発生しますが、従来のドップラー超音波はそのような小血管の血流を検出するほど感度が高くありません。^[2]

超音波ドップラーイメージングは​​、血流を用いて脳活動の基本的な機能測定を行うために使用できます。機能的経頭蓋ドップラー超音波検査では、低周波（1～3 MHz）トランスデューサーを従来のパルスドップラーモードで側頭骨窓から使用し、単一の焦点位置での血流を推定します。血流速度の時間的プロファイルは通常、中大脳動脈（MCA）などの大動脈で取得されます。ピーク速度は、安静時と作業時、または側方化を調べる場合は右側と左側で比較されます。^[4]

側頭窓は頭蓋骨の最も薄い側方領域であり、大部分は無毛である。fTCDによく使用される。^[5]

パワードップラーは、画像の各ピクセル内の赤血球から後方散乱された超音波エネルギーを測定するドップラーシーケンスです。血流速度に関する情報は提供されませんが、ピクセル内の血液量に比例します。しかし、従来のパワードップラーイメージングでは、小さな細動脈/細静脈を検出する感度が不足しているため、神経血管結合を通じて局所的な神経機能情報を提供することができません。^[2]

機能的超音波イメージングは​​、超高速イメージング^[7]と超高速ドップラー^{[8]の研究に続いて、} ESPCIでミカエル・タンター [fr]のチーム^{[6]によって開拓されました。}

超高感度ドップラーは、1秒間に数千フレーム（約1 kHz）で画像を取得できる超高速イメージングスキャナ^[7]に依存しているため、造影剤を使用せずにパワードップラーのSNRを高めることができます。従来の超音波デバイスのラインごとの取得の代わりに、超高速超音波は、連続した傾斜平面波送信を利用し、その後コヒーレントに合成して高フレームレートで画像を形成します。コヒーレント複合ビームフォーミングは、さまざまな角度（非コヒーレントの場合の音響強度とは対照的）の音圧場で達成されたさまざまな照明からの後方散乱エコーの再結合で構成されます。すべての画像はコヒーレントに加算され、最終的な合成画像が得られます。この加算は、ビームフォーミングされた信号のエンベロープをとったり、コヒーレントな加算を確実にするためのその他の非線形手順を実行したりすることなく生成されます。その結果、いくつかのエコー波をコヒーレントに加算すると、位相のずれた波形がキャンセルされ、点広がり関数（PSF）が狭くなり、空間分解能が向上します。理論モデルは、超高感度ドップラー法の感度の向上は、後方散乱エコーの合成によるグレースケール画像の高い信号対雑音比（SNR）と、超高速フレームレートの高い時間分解能による広範な信号サンプルの平均化の組み合わせによるものであることを示しています。^[2]感度は最近、複数の平面波送信^[9]と、低血流と組織の動きをより適切に区別するための高度な時空間クラッターフィルターを使用することでさらに向上しました。超音波研究者は、チャネルの並列取得とカスタムシーケンスプログラミングを備えた超高速イメージング研究プラットフォームを使用して、超高感度ドップラー/fUSモダリティを調査しています。高フレームレートでイメージングを実行するには、データ転送速度が速い（数GB/秒）カスタムのリアルタイム高性能GPUビームフォーミングコードを実装する必要があります。取得時間に応じて、通常、取得ではギガバイト単位のデータを簡単に提供することもできます。

超高感度ドップラーは、使用される超音波周波数に応じて、通常50～200μmの空間分解能を持ちます。^[2]時間分解能は約10msで、脳の深部全体を画像化でき、3D血管造影が可能です。^[10]

この信号増幅により、神経活動に関連する小動脈の微妙な血液変動 (1 mm/秒まで) をマッピングするために必要な感度が得られます。感覚刺激、聴覚刺激、視覚刺激などの外部刺激を適用することで、超高感度ドップラー動画から脳の活性化マップを作成することができます。

機能的超音波（fUS）は、間接的に脳血液量を測定し、その効果サイズは20％近くに達するため、BOLD応答が通常数％しかないfMRIよりもかなり感度が高い。相関マップまたは統計的パラメトリックマップを作成して、活性化領域を強調表示することができる。fUSは、フェレットにおいて15MHzで100μmのオーダーの空間分解能を持つことが示されており[ ^{11] 、覚醒した}霊長類で単一試行検出を実行できるほど感度が高い。^[12]機能的結合などの他のfMRIのようなモダリティも実装できる。

特殊なハードウェアとソフトウェアを備えた市販のスキャナー^[13]により、fUSは超音波研究室を超えて神経科学コミュニティへと急速に拡大しています。

4D 機能的超音波画像 (4D fUS) とは、脳の 3D 領域を時間の経過に沿って fUS 画像化することを意味します。

一部の研究者は、げっ歯類の全脳活動の 4D fUS を実施しました。現在、3D および 4D fUS データを取得するための 2 つの異なる技術的ソリューションが提案されており、それぞれに利点と欠点があります。^[14] 1 つ目は、線形プローブの電動移動に基づく断層撮影アプローチです。このアプローチは、げっ歯類の脳の 3D 網膜トピック マッピング^{[15] [16]}やフェレットの聴覚系の3Dトノトピック マッピングなど、いくつかのアプリケーションで成功した方法であることが証明されています。 ^[11] 2 番目のアプローチは、高速 3D イメージングのために、高周波数 2D マトリックス アレイ トランスデューサー技術と高チャンネル数電子システムを組み合わせています。マトリックス要素の本質的に低い感度を相殺するために、研究者らは、アダマール係数を使用して送信信号を 3D 時空間エンコードする 3D マルチプレーン波方式を考案しました。各送信ごとに、異なる平面波からの混合エコーを含む後方散乱信号は、適切なアダマール係数を持つ連続受信からのエコーの合計を使用してデコードされます。この合計により、より高い振幅を持つ仮想の個別の平面波送信からのエコーを合成して構築できます。最後に、デコードされたエコーのコヒーレント複合ビームフォーミングを実行して3D超音波画像を生成し、血流を組織の動きから分離する時空間クラッターフィルターを適用して、脳血液量に比例するパワードップラー量を計算します。^[17]

fUSは、脳全体の脳機能のモニタリングに役立ち、これは正常または病的な状態における脳の大規模な働きを理解する上で重要です。fUSを使用して高時空間分解能と高感度で脳血液量を画像化する能力は、てんかん誘発性血液量変化の画像化など、fMRIが限界に達する用途にとって非常に興味深いものとなる可能性があります。^{[6] fUSは、薄くなった頭蓋骨[18]}またはより小さな頭蓋窓を介して、またはマウスの頭蓋骨を介して直接、動物モデルの慢性研究に適用できます。

トノトピックスまたはレチノトピックスマップ^{[19]は、周波数が変化する音[11]}または動く視覚ターゲット[15]の反応をマッピングすることによって構築することができます。^{[ 19] [16]}

刺激が与えられていない場合、fUSは安静時の機能的結合を研究するために使用できます。この方法はラット^[20]と覚醒マウス^[21]で実証されており、薬物をテストする際の薬理学的研究に使用できます。^[22]シードベースのマップ、安静時モードの独立成分分析、またはアトラスベースの関心領域間の機能的結合マトリックスを高解像度で構築できます。

専用の超軽量プローブを使用することで、ラットやマウスで自由に動く実験を行うことができます。^{[23] [24]プローブのサイズとfUSの電磁両立性により、マウスの頭部固定セットアップ[16]}や霊長類の電気生理学チャンバーでも簡単に使用できます。 ^[12]

fUSは携帯性に優れているため、新生児の臨床検査にも使用されています。^[25]機能的超音波画像は、泉門窓を通して非侵襲的に新生児の脳画像診断に適用できます。この場合、超音波検査が行われることが多いため、現在の手順を変更する必要はありません。高品質の血管造影画像は、周産期虚血や脳室出血などの血管疾患の診断に役立ちます。

成人の場合、この方法は脳神経外科手術中に外科医を血管に誘導し、腫瘍切除前に患者の脳機能をモニタリングするために使用できます^{[26] [27]}

• 機能的磁気共鳴画像法（fMRI）
• 機能的神経画像