WO2023027089A1 - 超音波装置、頭部ホルダ及び超音波信号処理方法 - Google Patents

超音波装置、頭部ホルダ及び超音波信号処理方法 Download PDF

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WO2023027089A1
WO2023027089A1 PCT/JP2022/031786 JP2022031786W WO2023027089A1 WO 2023027089 A1 WO2023027089 A1 WO 2023027089A1 JP 2022031786 W JP2022031786 W JP 2022031786W WO 2023027089 A1 WO2023027089 A1 WO 2023027089A1
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brain
ultrasonic
ultrasound
regions
head
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PCT/JP2022/031786
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French (fr)
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啓吾 疋島
尚隆 新田
潔 葭仲
遼介 津村
尚幸 宮坂
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic device, a head holder, and an ultrasonic signal processing method.
  • the human brain forms the center of the nervous system and performs various functions such as motor regulation, sensation, autonomic regulation, language, emotion, and cognition. It is known that these functions can be realized by coordination of multiple brain regions in the brain. Therefore, brain function network information that indicates the state of connectivity between regions of neural activity in the brain can be used for brain diagnosis and the like.
  • Scalp electroencephalography is a technology that measures changes in brain potential in milliseconds using electrodes placed on the scalp and mainly analyzes activity in the cortical region.
  • Magnetoencephalography is a technique for analyzing brain activity mainly in the cortical region by measuring, in milliseconds, changes in the magnetic field generated by electrical activity in the brain using a superconducting quantum interferometer.
  • Optical topography measurement is a technology that transmits and receives near-infrared rays through an optical fiber installed on the scalp, measures cerebral hemodynamics associated with nerve activity, and analyzes brain activity mainly in the cortical region.
  • Brain function magnetic resonance imaging is a technique for measuring cerebral hemodynamics associated with nerve activity using a magnetic resonance imaging instrument and analyzing brain activity in all brain regions.
  • Cerebral function ultrasound measurement is a technique for measuring cerebral hemodynamics associated with nerve activity by Doppler measurement of ultrasound and analyzing brain activity.
  • JP 2003-79626 A Japanese Patent Publication No. 2017-524430 U.S. Patent Application Publication No. 2018/0177487
  • scalp electroencephalogram measurement can directly capture the electrical activity of the brain in milliseconds, but it is mainly limited to signal measurement at a depth of about 10 mm from the brain surface.
  • artifacts such as body movement and crying are likely to be mixed in, and it is often difficult to attach and maintain electrodes, so it is often necessary to measure during natural sleep and use sedatives.
  • magnetoencephalography like electroencephalography
  • electroencephalography can capture the electrical activity of the brain in milliseconds, but it is difficult to measure the deep part of the brain, and the measuring equipment is large and expensive.
  • artifacts such as body movement and crying are likely to be mixed in, and it is often necessary to measure during natural sleep and use sedatives.
  • optical topography measurement is relatively less affected by body movement, it is limited to signal measurement at a depth of about 20 mm from the scalp, and also includes external information other than the brain.
  • Brain function magnetic resonance imaging can capture the activity of the entire brain, but the measuring equipment is large and expensive. In addition, when measuring infants, artifacts such as body movement and crying are likely to be mixed in, and it is often necessary to measure during natural sleep and use sedatives. Furthermore, the noise generated during brain function magnetic resonance imaging reduces the connectivity of brain networks that appear in the resting state, affecting accurate assessment of resting brain networks.
  • Brain function ultrasound measurement is relatively unaffected by body movement, but ultrasound is greatly attenuated and reflected in the skull. is limited to observation of some brain regions using the thin temporal bone window as an acoustic window.
  • one issue of the present disclosure is to provide a technique for measuring brain function that is suitable for infants who have difficulty controlling during measurement and subjects who are moving.
  • One aspect of the present disclosure transmits and receives ultrasonic waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions, and a plurality of ultrasonic probes disposed corresponding to each of the plurality of head regions; , a head holder including the plurality of ultrasonic probes corresponding to each of the plurality of head regions, a control unit for controlling the plurality of ultrasonic probes, and measurement results obtained from the plurality of ultrasonic probes and an image processing unit that generates functional brain network information calculated from the blood flow states between the plurality of brain regions based on.
  • Another aspect of the present disclosure includes a plurality of ultrasound probes that transmit and receive ultrasound waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions, and the plurality of ultrasound probes include: It relates to a head holder arranged corresponding to each of the regions.
  • Another aspect of the present disclosure is a step of obtaining measurement results from a plurality of ultrasound probes that transmit and receive ultrasound waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions, and based on the measurement results, and generating brain function network information calculated from blood flow states between a plurality of brain regions, wherein the plurality of ultrasound probes are arranged corresponding to each of the plurality of head regions. to a computer-implemented ultrasound signal processing method.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an ultrasound device according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a two-dimensional array of transducers of an ultrasound probe according to one embodiment of the present disclosure;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an infant's head according to one embodiment of the present disclosure;
  • 4A and 4B illustrate a head holder according to one embodiment of the disclosure.
  • FIG. 5 illustrates a probe holder of a head holder according to one embodiment of the present disclosure;
  • 6A and 6B are diagrams illustrating an example of ultrasound propagation from an ultrasound probe according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating transmission patterns from multiple ultrasound probes according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram showing a vasodynamic response due to nerve excitation as an example.
  • 9A and 9B are diagrams showing regional brain images measured by each ultrasound probe according to one embodiment of the present disclosure.
  • 10A-C are diagrams illustrating example composites of images measured by each ultrasound probe according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example coordinate transformation to a 3D brain atlas according to one embodiment of the present disclosure.
  • 12A and 12B are schematic diagrams showing correlation analysis between brain regions according to one embodiment of the present disclosure.
  • 13A and 13B are diagrams showing matrices representing correlations for each brain region according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a diagram showing shortest path lengths and cluster coefficients in a functional brain network according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an ultrasound device according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG. 16 is a diagram showing brain network abnormalities in a developmental disorder model by ultrasound brain function network measurement according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating ultrasound signal processing according to one embodiment of the present disclosure.
  • automatic tracking using a head holder or a robotic arm equipped with a plurality of ultrasonic probes corresponding to a plurality of head regions is used to determine the distance between a plurality of brain regions of a subject.
  • An ultrasound device for analyzing the interaction of is disclosed.
  • An ultrasound device is suitable, for example, for infants and infants, and the head holder accommodates multiple openings in the head, i. It has a plurality of ultrasonic probes provided corresponding to each position of the portal.
  • the ultrasound device utilizes these multiple openings as acoustic windows for ultrasound, and local brain images are measured by each ultrasound probe based on ultrasound pulses transmitted to and received from multiple brain regions of the infant. is generated, and a wide-area brain image of the entire brain is constructed from the generated local brain images.
  • the ultrasound apparatus coordinates-transforms the wide-area brain image into a three-dimensional brain atlas, and indicates the blood flow state between brain regions based on the correlation of the blood flow state between each brain region in the three-dimensional brain atlas. Generate brain function network information.
  • the ultrasonic probe to a probe holder provided in a head holder such as a helmet, or by fixing it to a robot arm that can be automatically tracked based on a 4D image of the head shape by a stereo camera, the subject's body It is possible to suppress the influence of movement, and it is possible to measure easily and safely without using sedatives or during natural sleep, which is used in other noninvasive measurement methods for infants.
  • a functional network evaluation approach that considers a large area of the brain as a single unit.
  • the ultrasound device 100 is preferably used to measure the brains of infants.
  • the ultrasound apparatus according to the present disclosure is not limited to these infants, and may be used for brain measurements in children, adults or the elderly, regardless of gender, or any other type of subject. good too.
  • infants are defined herein as being less than one year of age, ultrasound devices according to the present disclosure are not limited to subjects of this age.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an ultrasonic device 100 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the ultrasound apparatus 100 has a plurality of ultrasound probes 110, a head holder 120, a control section 130 and an image processing section 140.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an ultrasonic device 100 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the ultrasound apparatus 100 has a plurality of ultrasound probes 110, a head holder 120, a control section 130 and an image processing section 140.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an ultrasonic device 100 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the ultrasound apparatus 100 has a plurality of ultrasound probes 110, a head holder 120, a control section 130 and an image processing section 140.
  • each ultrasonic probe 110 transmit and receive ultrasound waves to and from multiple brain regions via multiple head regions.
  • each ultrasonic probe 110 has a transducer (piezoelectric element) that transmits an ultrasonic signal toward an object and receives a reflected signal from the object.
  • the ultrasonic probe 110 has a plurality of transducers arranged in an array, transmits an ultrasonic signal from each transducer to an object, and receives a reflected signal from the object for measurement.
  • the measurement result is passed to the control section 130 .
  • each ultrasonic probe 110 has (N x ⁇ N y ) two-dimensionally arranged transducers, N x in the horizontal direction and N y in the vertical direction. You may
  • the ultrasonic probe 110 utilizes spherically diffused waves in which the transmitted wave spreads with distance. good.
  • a virtual point sound source is placed behind the two-dimensional array of transducers with respect to the transmission direction of the ultrasonic waves.
  • a difference in arrival time of ultrasonic waves from a virtual point sound source to each transducer is set as a delay time, and the control unit 130 transmits a drive signal to each transducer of the ultrasonic probe 110 .
  • the control unit 130 and the image processing unit 140 integrally constitute a control device 150 of the ultrasonic probe 110, and the control device 150 and the ultrasonic probe 110 may be connected by wire as shown in FIG. or connected wirelessly.
  • the shape of the ultrasonic probe 110 may be a sector type, a convex type, a linear convex type, or a phased array type. 1, each ultrasonic probe 110 emits a spherically diffuse wave, but the ultrasonic probes 110 of the present disclosure are not limited to this, and any suitable A mechanism may be provided, and an ultrasonic signal having an arbitrary wavefront shape may be transmitted using the mechanism. For example, two-dimensional or three-dimensional plane waves or diffuse waves may be applied.
  • the head holder 120 includes a plurality of ultrasonic probes 110 corresponding to each of the plurality of head regions.
  • the head holder 120 is a set of a plurality of helmets, hats, hoods, etc., which covers the subject's head and has a lower limit of head circumference of 33 cm for newborns and a upper limit of 60 cm for adults.
  • the head holder 120 may be realized as a helmet having a two-layer structure in which the outer side is made of hard resin and the inner side is made of soft sponge. A soft sponge material is used inside the helmet to protect the head while wearing it.
  • An infant's skull has openings (gaps) in the skull called fontanelles, specifically, as shown in FIG.
  • fontanelles There are six fontanelles, a cranial fontanelle 120_D and a left posterior temporal fontanelle 120_E and a right posterior temporal fontanelle 120_F.
  • temporal bone window which is a thin part of the temporal bone even after growth, through which ultrasonic waves can easily pass.
  • the ultrasonic device 100 uses these head regions as acoustic windows of the ultrasonic probes 110_A to 110_F to transmit and receive ultrasonic signals to and from the brain, thereby measuring the brain of the subject. It is possible.
  • the head holder 120 is configured to hold the ultrasound probes 110_A-110_F at positions corresponding to these six fontanelles, respectively.
  • the head holder 120 according to the present disclosure is not limited to this and includes a large fontanelle, a small fontanelle, a left anterior temporal fontanelle, a right anterior temporal fontanelle, a left posterior temporal fontanelle, a right posterior temporal fontanelle and a lateral fontanelle.
  • Three or more, four or more, five or more, six ultrasound probes 110 may be held in two or more head regions of the skull window.
  • each ultrasound probe 110 may be connected to a probe holder 121 fixed to a head holder 120 such as a helmet. Coupling to the probe holder 121 fixes the coordinates and tilt of the ultrasound probes 110, which helps to accurately construct a wide-area brain image of the entire brain from local brain images generated from each ultrasound probe 110.
  • each ultrasonic probe 110 may be held by a probe holder 121 installed on a head holder 120, as shown in FIG.
  • the probe holder 121 is attached to the head holder 120 at a position corresponding to the fontanel.
  • the ultrasonic probe 110 is arranged by a stopper inside the probe holder 121 so as not to touch the subject's head.
  • an adhesive silicone pad 122 may be attached between the probe holder 121 and the head so that the probe holder 121 fits tightly on the scalp.
  • the interior of the silicon pad 122 is filled with warmed ultrasonic gel 123 on sterilized human skin to match the acoustic impedance of the gap between the ultrasonic probe 110 and the scalp.
  • a plurality of types of the head holder 120 and the probe holder 121 may be prepared to accommodate variations in the size and shape of the subject's head and the positions of the fontanels and temporal bone windows. Also, the head holders 120 may be configured such that each probe holder 121 can be placed in different positions on the head and adjusted to different head sizes. This enables safe measurement of the subject's head while suppressing the movement of the ultrasonic probe 110 due to the subject's body motion. If the head holder 120 does not fit the shape of the subject's head, the ultrasonic probe 110 may be fixed with a rubber cap or the like. The cables connected to the ultrasound probe 110 may be bundled together and connected to the probe socket as shown in FIG.
  • the control unit 130 controls the multiple ultrasonic probes 110 . Specifically, the control unit 130 controls the operation of each ultrasonic probe 110 for ultrasonic measurement of an object such as one or more brain regions in the brain, and receives measurement results from each ultrasonic probe 110. do. Specifically, the control unit 130 may control driving of the plurality of ultrasonic probes 110 so that transmission and reception of ultrasonic signals by the ultrasonic probes 110 do not interfere with each other.
  • the ultrasound probes 110_A-110_F are positioned at the major fontanelle, the minor fontanelle, the left anterior temporal fontanelle, the right anterior temporal fontanelle, the left posterior temporal fontanelle, and the right posterior temporal fontanelle 120_A. 120_F, respectively, and ultrasound signals may be transmitted and received using these openings as acoustic windows.
  • each ultrasound probe on the newborn's head is defined as follows.
  • the line (A) on the scalp connecting the root of the nose and the occipital tubercle in FIG. 3 and the line (B) on the scalp connecting the left and right external ear openings and passing through the cranial vertex are used as references.
  • the head holder is provided with a probe holder corresponding to the landmark of the cranial vertex and the coordinates of the ultrasonic probe. Corresponds to the position of the gate.
  • control unit 130 may control the plurality of ultrasound probes 110 to alternately transmit and receive ultrasound waves. Specifically, the control unit 130 may drive the ultrasonic probes 110_A to 110_F according to the transmission pattern of ultrasonic signals from the ultrasonic probes 110_A to 110_F as shown in FIG.
  • the ultrasonic probe 110_A first performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain through the large fontanelle 120_A for a predetermined period, and transmits the measurement result to the control unit 130. do.
  • the ultrasonic probe 110_B performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain through the small fontanelle 120_B for a predetermined period, and transmits the measurement result to the control unit 130 .
  • the ultrasonic probe 110_C performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain through the left anterior temporal fontanelle 120_C for a predetermined period, and transmits the measurement result to the control unit 130. .
  • the ultrasonic probe 110_D performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain through the right anterior temporal fontanelle 120_D for a predetermined period, and transmits the measurement result to the control unit 130. .
  • the ultrasonic probe 110_E performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain for a predetermined period through the left posterior temporal fontanel 120_E, and transmits the measurement result to the control unit 130. do.
  • the ultrasonic probe 110_F performs ultrasonic measurement by transmitting/receiving an ultrasonic signal to/from the brain through the right posterior temporal fontanelle 120_F for a predetermined period, and transmits the measurement result to the control unit 130. do.
  • FIG. 8 shows changes in blood flow over time due to nerve excitation in one example.
  • the number of repetitions of the ultrasonic signal transmission/reception pattern may be set corresponding to the period during which the vasodynamic response can be observed.
  • the transmission/reception pattern of the ultrasonic signals described above is merely an example, and the transmission/reception pattern of the ultrasonic signals by the ultrasonic probes 110_A to 110_F according to the present disclosure is not limited to this. Further, it is not necessary to transmit an ultrasonic signal with the same wavefront shape for all repetitions, and an ultrasonic signal with a different wavefront shape may be transmitted for each repetition. Further, it is not necessary to transmit ultrasonic signals with the same wavefront shape to all the ultrasonic probes 110_A to 110_F, and ultrasonic signals with different wavefront shapes are transmitted to each of the ultrasonic probes 110_A to 110_F. good too.
  • control unit 130 Upon receiving reflected waves as measurement results from the ultrasonic probes 110_A to 110_F, the control unit 130 passes the obtained measurement results to the image processing unit 140.
  • the image processing unit 140 generates brain function network information calculated from blood flow states between multiple brain regions based on the measurement results obtained from the multiple ultrasound probes 110_A to 110_F. Specifically, the image processing unit 140 uses the measurement results obtained from each of the ultrasonic probes 110_A to 110_F, and measures the ultrasonic probes 110_A to 110_F based on the reflected waves of the transmitted ultrasonic signals. A regional brain image is generated showing one or more possible brain regions.
  • an ultrasound probe 110_A placed at the fontanelle 120_A is set, for example, to have virtual sound source coordinates as shown, and a sound from the ultrasound probe 110_A as shown.
  • Regional brain images are obtained of brain regions within the reach of the ultrasound signal.
  • An ultrasound probe 110_B placed at the small fontanelle 120_B is set, for example, to have virtual sound source coordinates as shown, and brain regions within reach of ultrasound signals from the ultrasound probe 110_B as shown.
  • the image processing unit 140 After generating the local brain images of each of the ultrasound probes 110_A to 110_F, the image processing unit 140 synthesizes these local brain images to generate an image of the entire brain. For example, the image processing unit 140 may identify overlapping portions of two local brain images as shown in FIG. 10A and synthesize the two local brain images by overlapping the overlapping portions. Similarly, the image processing unit 140 synthesizes a local brain image by superimposing overlapping portions from the local brain images of each of the ultrasound probes 110_A to 110_F, and as shown in FIG. Generate an image. For example, the image processing unit 140 can reconstruct measurement data from multiple directions and acquire a wide-area brain ultrasound image as shown in FIG. 10C.
  • the image processing unit 140 may generate an image on three-dimensional atlas coordinates representing a plurality of brain regions based on the brain image composed of the measurement results. For example, when the transmission/reception pattern of the ultrasonic signals of the ultrasonic probes 110_A to 100_F is repeated N r times, the image processing unit 140 processes a plurality of local A wide-area brain image of the entire brain can be acquired from the brain image, and the coordinate transformation of the wide-area brain image to a standard brain image prepared in advance can be performed to acquire an image in the same space as the three-dimensional brain atlas.
  • the image processing unit 140 performs analog/digital ( AD) Perform the conversion. Then, as shown in FIG. 9, the image processing unit 140 generates a local brain image of each ultrasonic probe 110 using beamforming corresponding to the position of the virtual sound source of the spherical diffusion wave formation.
  • N a virtual point sound source positions are set in a plane space, and the propagation direction of the spherical diffuse wave is three-dimensionally defined. may be tilted N a times.
  • the images measured at N a virtual point sources may be averaged and the backscatter coherently added while suppressing the angular dependence of blood vessel runs in the brain.
  • the frame rate F of image measurement using one ultrasonic probe 110 may follow equation (1).
  • Z is the maximum depth of the image
  • c is the speed of sound in the living tissue (for example, 1540 [m/sec]).
  • N p for example, N p is an integer from 2 to 6
  • N r the sequential driving is repeated N r times
  • each of the ultrasonic probes 110_A to 110_F the received signal may be averaged with respect to the transmitted ultrasonic signal.
  • the frame rate Fw for image measurement at this time may follow equation (2).
  • Na is the number of virtual point sources.
  • the image measurement frame rate Fw using all the ultrasonic probes 110_A to 110_F is 1.42. [Hz]
  • local brain images are acquired in a time period of 0.7 seconds from all six acoustic windows.
  • the frame rate of 1.42 Hz is sufficiently higher than the Nyquist frequency of 0.6 Hz for the maximum frequency of 0.3 Hz included in hemodynamics associated with nerve excitation. Therefore, it is possible to accurately detect cerebral hemodynamics associated with nerve excitation.
  • the present disclosure is not limited to this, and the frame rate F w is The number N a of virtual point sound sources, the number N r of repetitions, and the number N p of ultrasound probes may be adjusted so that the Nyquist frequency is 0.6 Hz or higher.
  • the image processing unit 140 applies a high-pass filter to the signal value S measured using each ultrasonic probe 110 to emphasize the movement of blood cells, and removes tissue-derived low-frequency component clutter signals. You may Then, the image processing unit 140 can obtain the cerebral blood flow value I by averaging the signal value S using Equation (3).
  • the virtual sound source coordinates and tilt angle of the ultrasonic probe 110 are known by selecting the head holder 120 used for the subject.
  • the image processing unit 140 may arrange each regional brain image in a lattice coordinate space by nearest neighbor search and automatically superimpose these regional brain images, as shown in FIG. 10A. For example, an arithmetic mean or a voxel value with a high signal-to-noise ratio is adopted for the coordinates that overlap between the local brain images of each ultrasonic probe 110 on the grid coordinate space, and the image processing unit 140 superimposes the overlapped portions. , a global brain image of the whole brain can be generated from a local brain image.
  • the image processing unit 140 converts the wide-area brain image into a standard brain template having an infant population average brain shape constructed by any imaging device such as MRI (Magnetic Resonance Imaging) or CT (Computed Tomography).
  • imaging device such as MRI (Magnetic Resonance Imaging) or CT (Computed Tomography).
  • registration may be performed by rigid or non-rigid image transformations to coordinate transform the global brain image to a standard brain template in standard brain space.
  • the image processing unit 140 performs four-dimensional time- series image data of the wide-area brain image at the measurement time N r / F w as shown in FIG. 1 to NR are obtained.
  • the image processing unit 140 displays the four-dimensional time-series image data thus obtained and the three-dimensional image data obtained by adding them on the time axis as wide-area brain morphology, blood vessel, and blood flow change images. etc., may be displayed.
  • the image processing unit 140 performs coordinate transformation by positioning the standard brain template on a rigid body or a non-rigid body, applies the transformation information to the cerebral blood flow image of the same coordinates as the brain morphology, and widens the area. Transform the brain image into standard brain coordinates.
  • the image processing unit 140 uses a three-dimensional brain atlas having the same coordinates as the standard brain coordinates to perform ROI analysis on ROIs (Region Of Interest) corresponding to each brain region. Acquire the signal change of the ROI.
  • ROIs Region Of Interest
  • the image processing unit 140 band components of 0.01 to 0.1 Hz where fluctuations in cerebral blood flow signals derived from neural activity such as neural excitation exist. Extract with a pass filter and perform a correlation analysis between the two ROIs.
  • the image processing unit 140 may indicate the correlation coefficient derived by the correlation analysis in the standard brain space as the strength of the connection between the ROIs. For example, as shown in FIG. 12A, the correlation coefficient between ROI1 and ROI2 is 0.3, the correlation coefficient between ROI1 and ROI3 is 0.4, and the correlation coefficient between ROI2 and ROI3 is 0.4. is 0.8, the image processing unit 140 displays on the display the three-dimensional brain space superimposed with brain function network information among ROI1, ROI2, and ROI3 as shown in FIG. 12B. You may
  • the cerebral blood flow values at time tn of ROI i and ROI j be I i (t n ) and I j (t n ) respectively
  • the functional connectivity FC between ROI i and ROI j is ij can be derived from the Pearson correlation by equation (4). here, are the average values of I i (t n ) and I j (t n ), respectively.
  • FC ij FC ji
  • brain function network information may be represented by a graph structure with ROIs as nodes and functional connectivity FCs as links, as shown in FIG. .
  • a set M of nodes degree k i of each node (number of links connecting to node i), shortest path length d ij (shortest distance between nodes i and j), cluster coefficient c i (node i A value obtained by dividing the number of triangles whose vertices are adjacent nodes that are connected to each other by the number of connecting links with the node i) or the like may be used.
  • the degree k i of node i is given by equation (5) as the sum of the values a ij (0 or 1) in the i-th row and j-th column of the binarized adjacency matrix A in the i-th row.
  • the shortest path length d ij is the shortest path length between two nodes i,j and is given by equation (6). here, represents the shortest path between nodes i and j, and the length between nodes i and j is calculated by summing the a uv included in the path.
  • the shortest path length d ij can be used as an index of functional integration of networks between brain regions.
  • cluster coefficient c i is calculated from the degree k i of node i and the number of triangles t i composed of node i and its adjacent nodes, and is used as an index of functional separation of the network between brain regions. sell.
  • Cluster coefficients c i are derived as equation (8) from equations (5) and (7).
  • the image processing unit 140 may apply such a network analysis method to the wide-area brain function activity data and display the derived network index together with the brain function network information on the display. This enables the user to quantitatively evaluate functional separation and functional integration in the subject's wide brain network.
  • a plurality of ultrasonic probes 110 corresponding to each of a plurality of head regions are provided in a head holder 120 attached to the head of a subject such as a newborn baby.
  • a head holder 120 attached to the head of a subject such as a newborn baby.
  • the present disclosure is not limited to this, and may be implemented by other configurations capable of transmitting and receiving ultrasound signals to and from multiple head regions of a subject.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing an ultrasound device according to another embodiment of the present disclosure.
  • the ultrasonic device 100A has a camera 110A, a robot arm 120A, a control section 130A and an image processing section 140A. That is, the ultrasonic device 100A utilizes the camera 100A and the robot arm 120A instead of the head holder 120 of the ultrasonic device 100 described above.
  • the ultrasound system 100A includes a camera 110A and a robotic arm 120A, although the disclosure is not so limited.
  • camera 110A and/or robotic arm 120A may be utilized as devices external to ultrasound system 100A and controlled by ultrasound system 100A via, for example, a wired or wireless connection.
  • the camera 110A images multiple head regions.
  • the camera 110A may be implemented by a stereo camera or the like, and may capture an image of the subject's head and acquire 4D measurement data of the subject's head surface shape.
  • the camera 110A may be capable of controlling an optical system such as a lens so as to follow a plurality of head regions corresponding to the movement of the subject under the control of the control section 130A.
  • the robot arm 120A has an ultrasonic probe 121A at the tip of the arm or the like, and each ultrasonic probe 121A transmits an ultrasonic signal toward an object and emits an ultrasonic signal from the object in the same manner as the ultrasonic probe 110 described above. receive the reflected signal of The robot arm 120A, under the control of the control unit 130A, identifies and tracks a plurality of head regions of the subject based on the image of the subject's head captured by the camera 100A, and uses the ultrasonic probe 121A to Ultrasound signals are transmitted toward a plurality of head regions of a subject and reflected signals are received from these head regions.
  • multiple robotic arms 120A may be provided in the ultrasound system 100A for transmitting and receiving ultrasound signals to multiple head regions.
  • the control unit 130A controls the camera 110A and the robot arm 120A. Specifically, the control unit 130A can transmit and receive ultrasonic signals between the head region of the subject to be inspected and the ultrasonic probe 121A based on the image of the head region of the subject captured by the camera 110A.
  • the movement of the robot arm 120A is controlled so that For example, the controller 130A may control the movement of the robot arm 120A so that the ultrasound probe 121A can follow the head region during transmission and reception of ultrasound signals.
  • the control unit 130A passes the obtained measurement results to the image processing unit 140A.
  • the image processing unit 140A performs image processing similar to that of the image processing unit 140 described above on the acquired measurement results, and generates brain function network information.
  • the robot arm 120A operates based on the three-dimensional shape of the infant's papilla obtained from the camera 110A.
  • the position on the head where the ultrasonic probe is placed and the angle at which the ultrasonic probe is applied can be estimated by image processing and/or point cloud data processing.
  • the control unit 130 controls the robot arm 120A so that the ultrasonic probe 121A is placed on a predetermined head region.
  • the control unit 130A tracks the movement of the infant's head using three-dimensional information obtained in real time from the camera 110A so that the relative positional relationship between the ultrasonic probe 121A and the head is always the same.
  • the position and angle of the robot arm 120A may be controlled.
  • the camera 110A may be another camera as long as it can acquire three-dimensional shape information in real time.
  • the robot arm 120A on which each ultrasonic probe 121A is arranged maximizes the visual field and contrast of the brain image data of the infant measured by each ultrasonic probe 121A in addition to tracking the movement of the head by the camera 110A.
  • the position and angle of the ultrasonic probe 121A may be automatically adjusted as follows.
  • Autism spectrum disorder which is one of the developmental disorders, has its main symptoms as communication disorders, deterioration in language ability, and repetitive behavior (diagnostic criteria by the American Psychiatric Association; DSM-V, 2013).
  • the brain network of autism spectrum disorder is characterized by strong local connections according to research using MRI (Belmonte, J Neurosci 2004).
  • the maternal immune activation model used in preclinical research on developmental disorders is a phenotype of autism such as decreased sociality and increased repetitive behavior (Choi, Science 2016). Widely used.
  • Brain network measurement using ultrasound in this autism model observed an excessive brain network in a wide area of the brain, including the deep brain, in the same way as in autism patients. As a result, the cluster coefficient that evaluates was larger than that of the healthy model (Fig. 16). Therefore, in the present disclosure that evaluates a wide brain network using ultrasound, as an example, it is possible to apply the features of the brain network of infants with developmental disorders to an examination method using network indicators. .
  • ultrasound signal processing is performed by the ultrasonic device 100 described above, and more specifically, one or more processors of the ultrasonic device 100 execute one or more programs or instructions stored in one or more memories. It may be realized by executing
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating ultrasound signal processing according to one embodiment of the present disclosure.
  • the ultrasound apparatus 100 uses the ultrasound probe 110 to transmit ultrasound signals to brain regions in the brain through the acoustic window in the subject's head. Send and receive.
  • the ultrasonic probes 110 are arranged on the head holder 120 corresponding to each of a plurality of head regions of the infant.
  • the head region utilized as the acoustic window of the ultrasound probe 110 may include two or more of the great fontanelle, the minor fontanelle, the anterior temporal fontanelle, and the posterior temporal fontanelle that open on the infant's head. .
  • the head holder 120 is provided with probe holders 121 for holding each ultrasound probe 110 such that the ultrasound probes 110 are placed in their head region when the infant wears the head holder 120 .
  • Each ultrasound probe 110 transmits an ultrasound signal into the subject's brain through an acoustic window as an arranged opening, and receives a reflected ultrasound signal.
  • the ultrasound apparatus 100 may control the transmission/reception pattern of ultrasound signals by each ultrasound probe 110 , such as by alternately driving the ultrasound probes 110 .
  • Each ultrasonic probe 110 can obtain measurement results for brain regions near the opening based on the difference between the transmission time and the reception time of the transmitted and received ultrasonic signals.
  • the ultrasonic device 100 acquires measurement results from each ultrasonic probe 110 .
  • the ultrasound apparatus 100 acquires measurement results of brain regions near the placement position from each ultrasound probe 110 and generates a local brain image based on the measurement results from each ultrasound probe 110 .
  • the regional brain image shows the blood flow status of one or more brain regions.
  • the ultrasound apparatus 100 estimates the blood flow state between multiple brain regions in the brain from the measurement results. Specifically, the ultrasound apparatus 100 identifies overlapping portions between the local brain images acquired from each ultrasound probe 110 and the local brain images acquired from adjacent ultrasound probes 110, and identifies the overlapping portions. These adjacent regional brain images may be synthesized by superimposing . The ultrasound apparatus 100 repeats synthesizing local brain images based on the overlapping portions for all local brain images to generate a wide-area brain image of the entire brain. The ultrasound apparatus 100 then estimates changes in the blood flow state of each brain region as a vasodynamic response to nerve excitation, and performs correlation analysis on the blood flow state between each brain region.
  • brain regions A and B may be determined to be functionally connected.
  • the correlation coefficients calculated for brain regions A and B are less than a predetermined threshold, it may be determined that brain regions A and B are not functionally connected.
  • step S104 the ultrasound apparatus 100 determines the presence or absence of functional connectivity described above for each pair of brain regions, and acquires brain function network information between brain regions as a graph structure based on the determination result. can be done.
  • brain activity and brain function network analysis are possible because cerebral hemodynamics associated with nerve excitation are observed like brain function magnetic resonance imaging. Then, it becomes possible to widely provide infants with a functional network evaluation approach that treats a wide area of the brain as a unity.
  • a wide range of applications can be envisioned, including early diagnosis of developmental disorders suspected of abnormalities in brain activity and brain function networks, understanding of the brain during development, and the neuromarketing industry, such as the development of toys for infants.
  • (Appendix 1) a plurality of ultrasonic probes that transmit and receive ultrasonic waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions and are arranged corresponding to each of the plurality of head regions; a control unit that controls the plurality of ultrasonic probes; and an image processing unit that generates brain function network information calculated from blood flow states between the plurality of brain regions based on measurement results acquired from the plurality of ultrasound probes.
  • (Appendix 2) The ultrasonic device according to appendix 1, further comprising a head holder including the plurality of ultrasonic probes.
  • (Appendix 3) a camera that captures images of the plurality of head regions; a plurality of robot arms comprising the plurality of ultrasonic probes;
  • the plurality of head regions includes two or more of a large fontanelle, a small fontanelle, a left anterior temporal fontanelle, a right anterior temporal fontanelle, a left posterior temporal fontanelle, a right posterior temporal fontanelle, and a temporal fenestrae.
  • appendix 1 to 4 the ultrasonic device according to any one of claims 1 to 4.
  • Appendix 6) 6.
  • the ultrasonic apparatus according to any one of appendices 1 to 5, wherein the control unit controls the plurality of ultrasonic probes to alternately transmit and receive ultrasonic waves.
  • Appendix 7 7.
  • the ultrasonic apparatus according to any one of appendices 1 to 6, wherein the ultrasonic probe includes a mechanism that forms a wavefront of arbitrary shape, and transmits the ultrasonic waves using the mechanism.
  • Appendix 8 The image processing unit according to any one of appendices 1 to 7, wherein the image processing unit represents the plurality of brain regions and generates an image on three-dimensional atlas coordinates based on the brain image configured from the measurement results.
  • Ultrasound device (Appendix 9) 9.
  • the ultrasound system according to any one of Appendices 1 to 8, wherein the image processing unit generates the brain function network information based on a correlation in temporal changes in cerebral blood flow signal intensities between the plurality of brain regions. sonic device. (Appendix 10) 10.
  • the ultrasound apparatus according to any one of appendices 1 to 9, wherein the brain function network information is expressed as a graph structure.
  • Appendix 11 having a plurality of ultrasound probes that transmit and receive ultrasound waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions; The head holder, wherein the plurality of ultrasonic probes are arranged corresponding to each of the plurality of head regions.
  • Appendix 12 obtaining measurements from a plurality of ultrasound probes that transmit and receive ultrasound waves to and from a plurality of brain regions via a plurality of head regions; generating functional brain network information calculated from blood flow states between the plurality of brain regions based on the measurement results; The ultrasonic signal processing method executed by a computer, wherein the plurality of ultrasonic probes are arranged corresponding to each of the plurality of head regions.

Abstract

計測時の制御が困難な乳幼児や動いている状態の被検者に適した脳機能を計測するための技術が開示される。本開示の一態様は、複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信し、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される複数の超音波プローブと、前記複数の超音波プローブを制御する制御部と、前記複数の超音波プローブから取得した測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成する画像処理部と、を有する、超音波装置に関する。

Description

超音波装置、頭部ホルダ及び超音波信号処理方法
　本開示は、超音波装置、頭部ホルダ及び超音波信号処理方法に関する。
　人間の脳は、神経系の中枢を成し、運動調節、感覚、自律調節、言語、感情、認知などの様々な機能を果たす。これらの機能は、脳内の複数の脳領域の連携によって実現されうることが知られている。このため、脳内の神経活動の領域間結合状態を示す脳機能ネットワーク情報が、脳の診断等に利用可能である。
　このような脳機能ネットワーク情報のためのいくつかの計測法が提案されている。例えば、頭皮上脳波計測、脳磁図計測、光トポグラフィ計測、脳機能磁気共鳴画像計測、脳機能超音波計測が挙げられる。頭皮上脳波計測は、頭皮上に設置した電極により脳内の電位変化をミリ秒単位で計測し、主に皮質領域の活動を解析する技術である。脳磁図計測は、超電導量子干渉計により脳の電気活動に伴って発生する磁場変化をミリ秒単位で計測し、主に皮質領域の脳活動を解析する技術である。光トポグラフィ計測は、頭皮上に設置した光ファイバーにより近赤外線の送受信を行い、神経活動に伴う脳血液動態を計測し、主に皮質領域の脳活動を解析する技術である。脳機能磁気共鳴画像計測は、磁気共鳴画像計測装置により神経活動に伴う脳血液動態を計測し、全脳領域の脳活動を解析する技術である。脳機能超音波計測は、超音波のドップラー計測により神経活動に伴う脳血液動態を計測し、脳活動を解析する技術である。
特開２００３－７９６２６号公報 特表２０１７－５２４４３０号公報 米国特許出願公開第２０１８／０１７７４８７号明細書
Baranger J, Demene C, Frerot A, Faure F, Delanoe C, Serroune H, Houdouin A, Mairesse J, Biran V, Baud O, Tanter M. Bedside functional monitoring of the dynamic brain connectivity in human neonates. Nat Commun. 2021 Feb 17;12(1):1080. doi: 10.1038/s41467-021-21387-x. Demene C, Pernot M, Biran V, Alison M, Fink M, Baud O, Tanter M. Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates. J Cereb Blood Flow Metab. 2014 Jun;34(6):1009-17. doi: 10.1038/jcbfm.2014.49. Demene C, Baranger J, Bernal M, Delanoe C, Auvin S, Biran V, Alison M, Mairesse J, Harribaud E, Pernot M, Tanter M, Baud O. Functional ultrasound imaging of brain activity in human newborns. Sci Transl Med. 2017 Oct 11;9(411):eaah6756. doi: 10.1126/scitranslmed.aah6756.
　しかしながら、これらの計測法を乳幼児（ここでは1歳までと定義する。）のように計測時にじっとしていることが難しく、その姿勢などの制御が困難な被検者や、動いている状態の被検者に対して利用する場合、いくつかの問題点が考えられる。
　例えば、頭皮上脳波計測は、直接的に脳の電気活動をミリ秒単位で捉えることができるものの、主に脳表から１０ｍｍ程度の深さの信号計測に限られる。また、乳幼児の計測では、体動や啼泣などのアーチファクトが混入しやすく、電極の装着や維持が困難なことが多いため、自然睡眠時の計測や鎮静剤を使用する必要があることが多い。
　また、脳磁図計測は、脳波計測と同様に、脳の電気活動をミリ秒単位で捉えることができるものの、脳深部の計測が困難であり、計測装置が大型で高価になる。また、乳幼児の計測では、頭皮上脳波計測と同様に体動や啼泣などのアーチファクトが混入しやすく、自然睡眠時の計測や鎮静剤を使用する必要があることが多い。
　光トポグラフィ計測は、比較的体動の影響は少ないものの、頭皮上から２０ｍｍ程度の深さの信号計測に限られ、また脳以外の外部情報も含まれる。
　脳機能磁気共鳴画像計測は、脳全体の活動を捉えることができるものの、計測装置が大型で高価になる。また、乳幼児の計測では、体動や啼泣などのアーチファクトが混入しやすく、自然睡眠時の計測や鎮静剤を使用する必要があることが多い。さらに、脳機能磁気共鳴画像計測時に発生する騒音は安静状態に表れる脳ネットワークの結合性を低下させ、正確な安静時脳ネットワークの評価に影響する。
　脳機能超音波計測は、比較的体動の影響は少ないものの、超音波は頭蓋において大きく減衰・反射することから乳幼児における頭蓋骨の骨化が進んでいない結合組織膜である泉門や大人において頭蓋骨が薄い側頭骨窓を音響窓とした一部の脳領域の観察に限定される。
　上記問題点に鑑み、本開示の１つの課題は、計測時の制御が困難な乳幼児や動いている状態の被検者に適した脳機能を計測するための技術を提供することである。
　本開示の一態様は、複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信し、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される複数の超音波プローブと、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して前記複数の超音波プローブを備える頭部ホルダと、前記複数の超音波プローブを制御する制御部と、前記複数の超音波プローブから取得した測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成する画像処理部と、を有する、超音波装置に関する。
　本開示の他の態様は、複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブを有し、前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、頭部ホルダに関する。
　本開示の他の態様は、複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブから測定結果を取得するステップと、前記測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成するステップと、を有し、前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、コンピュータが実行する超音波信号処理方法に関する。
　本開示によれば、計測時の制御が困難な乳幼児や動いている状態の被検者に適した脳機能を計測するための技術を提供することができる。
図１は、本開示の一実施例による超音波装置を示す概略図である。 図２は、本開示の一実施例による超音波プローブの振動子の二次元配列を示す図である。 図３は、本開示の一実施例による乳幼児の頭部を示す図である。 図４Ａ及び４Ｂは、本開示の一実施例による頭部ホルダを示す図である。 図５は、本開示の一実施例による頭部ホルダのプローブホルダを示す図である。 図６Ａ及び６Ｂは、本開示の一実施例による超音波プロ－ブからの超音波の伝搬例を示す図である。 図７は、本開示の一実施例による複数の超音波プロ－ブからの発信パターンを示す図である。 図８は、一例となる神経興奮作用による血管動態反応を示す図である。 図９Ａ及び９Ｂは、本開示の一実施例による各超音波プローブによって計測された局所脳画像を示す図である。 図１０Ａ～Ｃは、本開示の一実施例による各超音波プローブによって計測された画像の合成例を示す図である。 図１１は、本開示の一実施例による３次元脳アトラスへの座標変換例を示す概略図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、本開示の一実施例による各脳領域間の相関解析を示す概略図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、本開示の一実施例による各脳領域の相関を表すマトリックスを示す図である。 図１４は、本開示の一実施例による脳機能ネットワークにおける最短経路長およびクラスタ係数を示す図である。 図１５は、本開示の他の実施例による超音波装置を示す概略図である。 図１６は、本開示の一実施例による超音波脳機能ネットワーク計測による発達障害モデルの脳ネットワーク異常を示す図である。 図１７は、本開示の一実施例による超音波信号処理を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照して、本開示の実施の形態を説明する。
　以下の実施例では、複数の頭部領域に対応して複数の超音波プローブが備えられた頭部ホルダ又はロボットアームを用いた自動追跡を利用して、被検者の複数の脳領域の間の相互作用を解析する超音波装置が開示される。
　本開示の一実施例による超音波装置は、例えば、乳幼児に好適であり、頭部ホルダは、乳幼児期に特有の頭部の複数の開口部、すなわち、大泉門、小泉門などの複数の泉門の各位置に対応して設けられた複数の超音波プローブを有する。超音波装置は、これら複数の開口部を超音波の音響窓として利用し、乳幼児の複数の脳領域との間で送受信された超音波パルスに基づいて各超音波プローブによって計測された局所脳画像を生成し、生成した局所脳画像から脳全体の広域脳画像を構成する。そして、超音波装置は、広域脳画像を３次元脳アトラスに座標変換し、３次元脳アトラスにおける各脳領域の間の血流状態の相関に基づいて、脳領域の間の血流状態を示す脳機能ネットワーク情報を生成する。
　これにより、複数の離れた音響窓から交互に超音波パルスを送信して計測することで、超音波の熱的効果による脳組織の局所的な温度上昇を抑えながら、脳領域間の脳機能ネットワーク情報を取得することが可能である。従来の経頭蓋超音波計測方法では、単一のハンドヘルド型の超音波プローブを泉門や側頭骨窓に当てて脳内を画像化していた。一方、本開示の実施例によると、複数の頭部領域を介した複数の超音波プローブの交互制御に基づいた計測・解析を利用しており、従来の経頭蓋超音波計測に比べて、乳幼児では大脳と小脳など脳の広域の観測が自動的に達成できる。また、超音波プローブをヘルメットなどの頭部ホルダに備えたプローブホルダに固定する、又はステレオカメラによる頭部形状４Ｄ画像に基づいて自動追跡可能なロボットアームに固定することで、被検者の体動の影響を抑えることができ、乳幼児では他の非侵襲計測法に用いられる自然睡眠時の計測や鎮静剤を使用せずに簡便かつ安全に計測することができる。これにより、本開示によれば、脳広域を１つのまとまりとして捉える機能的なネットワーク評価のアプローチを被検者に幅広く提供することが可能になる。
　［超音波装置］
　まず、図１から１６を参照して、本開示の一実施例による超音波装置１００を説明する。本実施例による超音波装置１００は、好適には、乳幼児の脳を計測するのに利用される。しかしながら、本開示による超音波装置は、これら乳幼児に限定されるものでなく、男女の性別は問わず、子供、大人又は老人や他の何れかのタイプの被検者の脳計測に利用されてもよい。ここでは、乳幼児を１歳未満と定義しているが、本開示による超音波装置は、この年齢の被験者に限定されない。
　図１は、本開示の一実施例による超音波装置１００の構成を示す概略図である。図１に示されるように、超音波装置１００は、複数の超音波プローブ１１０、頭部ホルダ１２０、制御部１３０及び画像処理部１４０を有する。
　複数の超音波プローブ１１０は、複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する。具体的には、各超音波プローブ１１０は、対象物に向かって超音波信号を送信し、対象物からの反射信号を受信する振動子（圧電素子）を有する。例えば、超音波プローブ１１０は、アレイ状に配列された複数の振動子を有し、各振動子から対象物に超音波信号を送信し、対象物からの反射信号を受信することによって計測された測定結果を制御部１３０にわたす。例えば、図２に示されるように、各超音波プローブ１１０は、水平方向にＮｘ個と垂直方向にＮｙ個との（Ｎｘ×Ｎｙ）個の２次元配列された振動子を有してもよい。
　超音波プローブ１１０は、図１に示されるように、距離とともに送信波が広まっていく球面拡散波を利用し、泉門の狭い領域を音響窓として脳内を広域かつ短時間に観測してもよい。球面拡散波を形成するため、超音波の発信方向に対して二次元配列の振動子の後方に仮想的な点音源が配置される。仮想的な点音源から各振動子までの超音波の到達時間の差が遅延時間として設定され、制御部１３０は、超音波プローブ１１０の各振動子に駆動信号を送信する。制御部１３０と画像処理部１４０は、一体として超音波プローブ１１０の制御装置１５０を構成し、制御装置１５０と超音波プローブ１１０との間は、図１に記載したように有線で接続されてもよいし、又は無線で接続されてもよい。
　なお、超音波プローブ１１０の形状は、セクタ型、コンベックス型、リニア型コンベックス型、フェーズドアレイ型の何れであってもよい。図１に示される例では、各超音波プローブ１１０は球面拡散波を発信しているが、本開示の超音波プローブ１１０は、これに限定されず、任意形状の波面を構成する何れか適切な機構を具備し、当該機構を利用して任意の波面形状の超音波信号を送信してもよい。例えば、二次元若しくは三次元の平面波、又は拡散波が照射されてもよい。
　頭部ホルダ１２０は、複数の頭部領域のそれぞれに対応して複数の超音波プローブ１１０を備える。例えば、頭部ホルダ１２０は、ヘルメット、帽子、フードなど、被検者の頭部を覆うように、その大きさは新生児の頭囲３３ｃｍを下限、大人用６０ｃｍを上限とする複数のセットであってもよい。具体的には、頭部ホルダ１２０は、外側が固い樹脂から形成され、内側が柔らかいスポンジから形成される二層構造を有するヘルメットとして実現されてもよい。ヘルメットの内側には、柔らかいスポンジ素材を使用することによって、装着時の頭部を保護することができる。
　乳幼児の頭蓋骨には、泉門と呼ばれる頭蓋骨の開口部（隙間）があり、具体的には、図３に示されるように、大泉門１２０＿Ａ、小泉門１２０＿Ｂ、左前側頭泉門１２０＿Ｃ及び右前側頭泉門１２０＿Ｄ、並びに、左後側頭泉門１２０＿Ｅ及び右後側頭泉門１２０＿Ｆの６つの泉門がある。また、成長しても側頭骨の薄い部位として超音波が透過しやすい側頭骨窓がある。超音波装置１００は、これらの頭部領域を超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの音響窓として利用して脳内との間で超音波信号を送受信することによって、被検者の脳を計測することが可能である。本実施例では、頭部ホルダ１２０は、これら６つの泉門に対応する位置にそれぞれ超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆを保持するよう構成される。しかしながら、本開示による頭部ホルダ１２０は、これに限定されず、大泉門、小泉門、左前側頭泉門、右前側頭泉門、左後側頭泉門、右後側頭泉門及び側頭骨窓の内２つ以上の頭部領域に３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つの超音波プローブ１１０を保持してもよい。一方、被検者の脳全体を計測するためには、可能な限り多数の頭部領域に超音波プローブ１１０を備えることが望ましい。
　図４に示されるように、各超音波プローブ１１０は、ヘルメットなどの頭部ホルダ１２０に固定されたプローブホルダ１２１に接続されてもよい。プローブホルダ１２１に結合されることによって、超音波プローブ１１０の座標及び傾きが固定され、各超音波プローブ１１０から生成された局所脳画像から脳全体の広域脳画像を精度良く構成するのに役立つ。
　例えば、各超音波プローブ１１０は、図５に示されるように、頭部ホルダ１２０に設置されたプローブホルダ１２１によって保持されてもよい。図示された例では、プローブホルダ１２１は、泉門に対応する位置において頭部ホルダ１２０に取り付けられる。また、超音波プローブ１１０は、プローブホルダ１２１の内側のストッパーによって被検者の頭部に触れないよう配置される。頭部の形状は個人差があるが、当該個人差は頭部ホルダ１２０とプローブホルダ１２１との組み合わせによって概ね対応可能である。しかしながら、プローブホルダ１２１が頭皮にしっかりとフィットするように、プローブホルダ１２１と頭部との間に粘着性のシリコンパッド１２２が装着されてもよい。シリコンパッド１２２の内部には、滅菌済みの人肌に温めた超音波ジェル１２３が充填され、超音波プローブ１１０と頭皮との隙間の音響インピーダンスが整合される。
　頭部ホルダ１２０及びプローブホルダ１２１は、被検者の頭部の大きさ及び形状、泉門や側頭骨窓の位置のばらつきに対応するため複数種類用意されてもよい。また、各プローブホルダ１２１が頭部上の様々な位置に配置可能となるように、また、様々な頭部サイズに調整可能となるように、頭部ホルダ１２０は構成されてもよい。これにより、被検者の体動による超音波プローブ１１０の移動を抑えながら、被検者の頭部に対して安全な計測が可能になる。なお、頭部ホルダ１２０が被検者の頭部の形状に適合しない場合、ゴム製のキャップなどによって超音波プローブ１１０が固定されてもよい。超音波プローブ１１０に接続されるケーブルは、図４に示されるように１つにまとめられ、プローブソケットに接続されてもよい。
　制御部１３０は、複数の超音波プローブ１１０を制御する。具体的には、制御部１３０は、脳内の１つ以上の脳領域などの対象物に対する超音波計測のため各超音波プローブ１１０の動作を制御し、各超音波プローブ１１０から測定結果を受信する。具体的には、制御部１３０は、各超音波プローブ１１０による超音波信号の送受信が互いに干渉しないように、複数の超音波プローブ１１０の駆動を制御してもよい。例えば、図６に示されるように、超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆが、大泉門、小泉門、左前側頭泉門、右前側頭泉門、左後側頭泉門及び右後側頭泉門１２０＿Ａ～１２０＿Ｆにそれぞれ配置され、これらの開口部を音響窓として超音波信号を送受信してもよい。
　新生児の頭部において、各超音波プローブの位置は次のように定義する。図３の鼻根と後頭結節を結んだ頭皮上の線（Ａ）および左右の外耳孔間を結び頭蓋頂を通過する頭皮上の線（Ｂ）を基準とする。Ａの中点（頭蓋頂）に対し、Ａの長さの１３％前方の位置を中心に、正中線上Ａの長さの±５％以内、Ａの垂線上Ｂの長さの±５％以内に大泉門に対応する超音波プローブの中心を配置する。また、頭蓋頂に対し、Ａの長さの４０％後方の位置を中心に、正中線上Ａの長さの±５％以内、Ａの垂線上Ｂの長さの±５％以内に小泉門に対応する超音波プローブを配置する。そして、Ｂに平行かつ頭蓋頂からＡの長さの１０％前方の位置を通過する頭皮上の線において、Ａとの交点からＢの長さの４０％両側方の位置を中心に、Ｂに対する同平行線上にＢの長さの±５％以内、Ｂの垂線上にＡの長さの±５％以内に左右の前側頭泉門に対応する超音波プローブの中心を配置する。同じくＢに平行かつ頭蓋頂からＡの長さの１０％後方の位置を通過する頭皮上の線において、Ａとの交点からＢの長さの４５％両側方の位置を中心に、Ｂに対する同平行線上にＢの長さの±５％以内、Ｂの垂線上にＡの長さの±５％以内に左右の後側頭泉門に対応する超音波プローブの中心を配置する。頭部ホルダには上記の頭蓋頂のランドマークと上記超音波プローブ座標に対応するプローブホルダが設けられており、頭蓋頂にヘルメットのランドマークを合わせることで自動的に各超音波プローブが各泉門の位置に対応する。
　一実施例では、制御部１３０は、交互に超音波を送受信するよう複数の超音波プローブ１１０を制御してもよい。具体的には、制御部１３０は、図７に示されるような超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆからの超音波信号の発信パターンに従って、超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆを駆動してもよい。
　図示される例では、超音波プローブ１１０＿Ａがまず、大泉門１２０＿Ａを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　次に、超音波プローブ１１０＿Ｂが、小泉門１２０＿Ｂを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　次に、超音波プローブ１１０＿Ｃが、左前側頭泉門１２０＿Ｃを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　次に、超音波プローブ１１０＿Ｄが、右前側頭泉門１２０＿Ｄを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　次に、超音波プローブ１１０＿Ｅが、左後側頭泉門１２０＿Ｅを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　次に、超音波プローブ１１０＿Ｆが、右後側頭泉門１２０＿Ｆを介し脳内との間で所定期間だけ超音波信号を送受信することによって超音波測定を実行し、測定結果を制御部１３０に送信する。
　このようにして、６つ全ての超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆが超音波測定を完了すると（Ｎｐ＝６）、図７に示されるように、上述した超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの超音波測定が更に繰り返される。図示された例では、上述した超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆによる超音波信号の送受信パターンが２００回繰り返される（Ｎｒ＝２００）。このように、複数の離れた音響窓から交互に超音波パルスを送信して計測することで、超音波の熱的効果による脳組織の局所的な温度上昇を抑えながら、脳領域間の脳機能ネットワーク情報を取得することが可能である。
　図８は、一例による神経興奮作用による経時的な血流量の変化を示す。図８に示されるように、神経興奮作用が発生すると、当該神経興奮作用に起因した脳内の血流状態の変化は、血管動態反応として数秒の時間差で出現することが知られている。従って、血管動態反応を観察可能な期間に対応して超音波信号の送受信パターンの繰り返し回数が設定されてもよい。
　しかしながら、上述した超音波信号の送受信パターンは単なる一例であり、本開示による超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆによる超音波信号の送受信パターンは、これに限定されるものでない。また、全ての繰り返しに対して同一の波面形状の超音波信号が送信される必要はなく、各繰り返しに対して異なる波面形状の超音波信号が送信されてもよい。また、全ての超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆに対して同一の波面形状の超音波信号が送信される必要はなく、各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆに対して異なる波面形状の超音波信号が送信されてもよい。
　各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆから測定結果として反射波を受信すると、制御部１３０は、取得した測定結果を画像処理部１４０にわたす。
　画像処理部１４０は、複数の超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆから取得した測定結果に基づいて、複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成する。具体的には、画像処理部１４０は、各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆから取得した測定結果を利用して、発信された超音波信号の反射波に基づいて、当該超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆによって測定可能な１つ以上の脳領域を示す局所脳画像を生成する。
　例えば、図９に示される例では、大泉門１２０＿Ａに配置された超音波プローブ１１０＿Ａは、例えば、図示されるような仮想音源座標を有するよう設定され、図示されるような超音波プローブ１１０＿Ａからの超音波信号の到達範囲内の脳領域の局所脳画像を取得する。小泉門１２０＿Ｂに配置された超音波プローブ１１０＿Ｂは、例えば、図示されるような仮想音源座標を有するよう設定され、図示されるような超音波プローブ１１０＿Ｂからの超音波信号の到達範囲内の脳領域の局所脳画像を取得する。
　各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの局所脳画像を生成すると、画像処理部１４０は、これらの局所脳画像を合成し、脳全体の画像を生成する。例えば、画像処理部１４０は、図１０Ａに示されるような２つの局所脳画像に対して重複部分を特定し、当該重複部分を重畳させることによって２つの局所脳画像を合成してもよい。同様にして、画像処理部１４０は、各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの局所脳画像からの重複部分を重畳させることによって局所脳画像を合成し、図１０Ｂに示されるように、脳全体の広域脳画像を生成する。例えば、画像処理部１４０は、複数の方向からの計測データを再構成し、図１０Ｃに示されるような脳広域超音波画像を取得することができうる。
　このようにして脳全体の画像を取得すると、画像処理部１４０は、測定結果から構成される脳画像に基づいて、複数の脳領域を表す３次元アトラス座標上の画像を生成してもよい。例えば、超音波プローブ１１０＿Ａ～１００＿Ｆの超音波信号の送受信パターンがＮｒ回繰り返された場合、画像処理部１４０は、図１１に示されるように、各超音波プローブ１１０から提供された複数の局所脳画像から脳全体の広域脳画像を取得することができ、予め準備されている標準的な脳画像に広域脳画像を座標変換して３次元脳アトラスと同一空間画像を取得することができる。
　より詳細には、制御部１３０から各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの測定結果を取得すると、画像処理部１４０は、取得した測定結果の各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆの受信信号に対してアナログデジタル（ＡＤ）変換を実行する。そして、画像処理部１４０は、図９に示されるように、球面拡散波形成の仮想音源の位置に対応したビームフォーミングを利用して、各超音波プローブ１１０の局所脳画像を生成する。例えば、様々な方向に走行する血管に対して血管内を流れる血球を均一に捉えるため、Ｎａ個の仮想的な点音源位置が平面空間において設定され、球面拡散波の伝搬方向を三次元的にＮａ回傾斜させてもよい。Ｎａ個の仮想点音源において計測された画像を加算平均し、脳内の血管走行の角度依存性を抑えながら、後方散乱がコヒーレントに加算されてもよい。
　このとき、１つの超音波プローブ１１０を利用した画像計測のフレームレートＦは、式（１）に従ってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Ｚは画像の最大深度であり、ｃは生体組織中の音速（例えば、１５４０［ｍ／ｓｅｃ］）である。
　上述したように、Ｎｐ個（例えば、Ｎｐは２から６までの整数）の超音波プローブ１１０が順次駆動され、当該順次駆動がＮｒ回繰り返される場合、各超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆは、発信した超音波信号に対する受信信号を加算平均してもよい。このときの画像計測のフレームレートＦｗは、式（２）に従ってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、Ｎａは仮想点音源の数である。例えば、Ｎａ＝９，Ｚ＝５［ｃｍ］，Ｎｐ＝６，Ｎｒ＝２００である場合、全ての超音波プローブ１１０＿Ａ～１１０＿Ｆを用いた画像計測のフレームレートＦｗは、１．４２［Ｈｚ］となり、６つ全ての音響窓から０．７秒間の時間帯での局所脳画像が取得される。
　神経興奮に伴う血行動態に含まれる最大周波数０．３Ｈｚに対して、フレームレート１．４２Ｈｚはそのナイキスト周波数０．６Ｈｚより十分高いフレームレートである。このため、神経興奮に伴う脳血液動態を正確に検出可能である。しかしながら、本開示は、これに限定されず、超音波の送受信に利用される超音波プローブ１１０の振動子の素子数及び配列、超音波プローブ１１０を駆動する順序に関わらず、フレームレートＦｗがナイキスト周波数０．６Ｈｚ以上となるように、仮想点音源の数Ｎａ、繰り返し数Ｎｒ及び超音波プローブ数Ｎｐは調整されてもよい。
　各超音波プローブ１１０を用いて計測された信号値Ｓに対して、例えば、画像処理部１４０は、血球の動きを強調するためハイパスフィルタを適用し、組織由来の低周波数成分のクラッタ信号を除去してもよい。そして、画像処理部１４０は、信号値Ｓを式（３）により加算平均し、脳血流値Ｉを取得できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　各超音波プローブ１１０によって計測された局所脳画像については、当該被検者に使用される頭部ホルダ１２０を選択することによって、当該超音波プローブ１１０の仮想音源座標と傾斜角度とが既知となる。画像処理部１４０は、図１０Ａに示されるように、最近傍探索によって格子座標空間に各局所脳画像を配置し、これら局所脳画像を自動的に重畳してもよい。例えば、格子座標空間上の各超音波プローブ１１０の局所脳画像間で重なる座標は、加算平均又は信号雑音比の高いボクセル値が採用され、画像処理部１４０は、当該重複部分を重畳させることによって、局所脳画像から脳全体の広域脳画像を生成することができる。
　なお、ゴム製の網やバンドによってプローブホルダ１２１が保持されるケースなどでは、仮想音源座標は想定された位置からずれる可能性がある。このため、画像処理部１４０は、広域脳画像をＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）などの何れかのイメージング装置によって構築された乳幼児の集団平均的な脳形状を有する標準脳テンプレートに対して剛体又は非剛体画像変換によって位置合わせを実行し、標準脳空間において標準脳テンプレートに広域脳画像を座標変換してもよい。
　画像処理部１４０は、Ｎｒ回の計測の繰り返しによって取得された広域脳画像に対して、図１１に示されるように、計測時間Ｎｒ／Ｆｗにおける広域脳画像の４次元時系列画像データ１～ＮＲを取得する。画像処理部１４０は、このようにして取得した４次元時系列画像データと、これらを時間軸に関して加算することによって取得された３次元画像データとを広域脳形態、血管及び血流変化画像としてディスプレイなどに表示してもよい。
　具体的には、画像処理部１４０は、標準脳テンプレートに対して剛体又は非剛体の位置合わせによる座標変換を実行し、その変換情報を脳形態と同じ座標の脳血流画像に適用し、広域脳画像を標準脳座標に変換する。次に、画像処理部１４０は、標準脳座標と同一の座標を有する３次元脳アトラスを利用して、各脳領域に対応するＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ　Ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：関心領域）に対するＲＯＩ解析を実行し、各ＲＯＩの信号変化を取得する。最後に、画像処理部１４０は、脳領域間の機能的結合性を評価するため、神経興奮などの神経活動由来の脳血流信号のゆらぎが存在する０．０１～０．１Ｈｚの成分をバンドパスフィルタで抽出し、２つのＲＯＩ間の相関解析を実行する。
　そして、画像処理部１４０は、相関解析によって導出された相関係数をＲＯＩ間の結びつきの強さとして標準脳空間上に示してもよい。例えば、図１２Ａに示されるように、ＲＯＩ１とＲＯＩ２との間の相関係数が０．３であり、ＲＯＩ１とＲＯＩ３との間の相関係数が０．４であり、ＲＯＩ２とＲＯＩ３との間の相関係数が０．８である場合、画像処理部１４０は、図１２Ｂに示されるようなＲＯＩ１，ＲＯＩ２，ＲＯＩ３の間の脳機能ネットワーク情報が重畳された３次元脳空間をディスプレイ上に表示してもよい。
　ここで、ＲＯＩｉとＲＯＩｊとの時点ｔｎにおける脳血流値をそれぞれＩｉ（ｔｎ）及びＩｊ（ｔｎ）とすると、ＲＯＩｉとＲＯＩｊとの間の機能的結合性ＦＣｉｊは、ピアソン相関から式（４）によって導出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 はそれぞれ、Ｉｉ（ｔｎ）及びＩｊ（ｔｎ）の平均値である。
　画像処理部１４０は、このようにして取得された脳全体の脳領域間の機能的結合性ＦＣに基づいて、脳機能ネットワーク情報を生成する。具体的には、画像処理部１４０は、３次元脳アトラスのＲＯＩ数ｍについて、各ＲＯＩ間の機能的結合性ＦＣ（すなわち、相関係数）を計算し、３次元脳アトラスのＲＯＩ数ｍに対して、図１３Ａに示されるようなｍ×ｍの隣接行列を生成してもよい。すなわち、隣接行列の第ｉ行第ｊ列（及び第ｊ行第ｉ列）には、ＦＣｉｊ（＝ＦＣｊｉ）が入力される。さらに、画像処理部１４０は、当該隣接行列の対角成分を０に設定し、図１３Ｂに示されるように、所定の閾値により２値化した隣接行列をネットワーク解析の対象としてもよい。
　また、画像処理部１４０は、上述した脳機能ネットワーク情報に加えて、脳の機能統合指標及び機能分離指標を導出してもよい。具体的には、図１３Ｂに基づくネットワーク解析のため、図１４に示されるように、ＲＯＩをノードとし、機能的結合性ＦＣをリンクとするグラフ構造によって、脳機能ネットワーク情報が表現されてもよい。当該グラフでは、ノードの集合Ｍ、各ノードの次数ｋｉ（ノードｉに接続するリンクの数）、最短経路長ｄｉｊ（ノードｉ，ｊ間の最短距離）、クラスタ係数ｃｉ（ノードｉを１つの頂点とし、互いに接続する隣接ノードを頂点とする三角形の数をノードiとの接続リンク数によって除算した値）等が利用されてもよい。
　ノードｉの次数ｋｉは、２値化した隣接行列Ａの第ｉ行及び第ｊ列の値ａｉｊ（０又は１）の第ｉ行の合計値として、式（５）により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　最短経路長ｄｉｊは、２つのノードｉ，ｊの間の最短経路長であり、式（６）により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 はノードｉとｊとの間の最短経路を表し、その経路に含まれるａｕｖを合計することによってノードｉとｊとの間の長さが算出される。最短経路長ｄｉｊは、脳領域間のネットワークの機能統合の指標として利用されうる。
　一方、クラスタ係数ｃｉは、ノードｉの次数ｋｉと、ノードｉとこれに隣接するノードから構成される三角形の数ｔｉから計算され、脳領域間のネットワークの機能分離の指標として利用されうる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 式（５）及び式（７）によって、クラスタ係数ｃｉが式（８）として導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　画像処理部１４０は、このようなネットワーク解析手法を広域脳機能活動データに適用し、導出されたネットワーク指標を脳機能ネットワーク情報と一緒にディスプレイに表示してもよい。これにより、ユーザは被検者の広域脳ネットワークにおける機能分離及び機能統合などを定量的に評価することが可能になる。
　図１に示された超音波装置１００では、複数の頭部領域のそれぞれに対応して複数の超音波プローブ１１０が、新生児などの被検者の頭部に装着される頭部ホルダ１２０に備えられたが、本開示は、これに限定されず、被検者の複数の頭部領域に対して超音波信号を送受信可能な他の構成によって実現されてもよい。
　図１５は、本開示の他の実施例による超音波装置を示す概略図である。図１５に示されるように、超音波装置１００Ａは、カメラ１１０Ａ、ロボットアーム１２０Ａ、制御部１３０Ａ及び画像処理部１４０Ａを有する。すなわち、超音波装置１００Ａは、上述した超音波装置１００の頭部ホルダ１２０の代わりに、カメラ１００Ａ及びロボットアーム１２０Ａを利用する。また、図示された実施例では、超音波装置１００Ａは、カメラ１１０Ａ及びロボットアーム１２０Ａを備えるが、本開示は、これに限定されるものでない。例えば、カメラ１１０Ａ及び／又はロボットアーム１２０Ａは、超音波装置１００Ａの外部装置として利用され、例えば、有線又は無線接続を介し超音波装置１００Ａによって制御されてもよい。
　カメラ１１０Ａは、複数の頭部領域を撮像する。具体的には、カメラ１１０Aは、ステレオカメラなどにより実現されてもよく、被検者の頭部を撮像し、被検者の頭部表面形状の４Ｄ測定データを取得してもよい。また、例えば、カメラ１１０Ａは、制御部１３０Ａの制御の下、被検者の動きに対応して複数の頭部領域を追従するようレンズ等の光学系を制御可能であってもよい。
　ロボットアーム１２０Ａは、アームの先端などに超音波プローブ１２１Ａを有し、各超音波プローブ１２１Ａは、上述した超音波プローブ１１０と同様に、対象物に向かって超音波信号を送信し、対象物からの反射信号を受信する。ロボットアーム１２０Ａは、制御部１３０Ａの制御の下、カメラ１００Ａによって撮像された被検者の頭部の画像に基づいて被検者の複数の頭部領域を特定及び追跡し、超音波プローブ１２１Ａによって被検者の複数の頭部領域に向かって超音波信号を送信し、これらの頭部領域から反射信号を受信する。典型的には、複数の頭部領域に対する超音波信号を送受信するため、複数のロボットアーム１２０Ａが、超音波装置１００Ａに備えられうる。
　制御部１３０Ａは、カメラ１１０Ａ及びロボットアーム１２０Ａを制御する。具体的には、制御部１３０Ａは、カメラ１１０Ａによって撮像された被検者の頭部領域の画像に基づいて、検査対象の頭部領域と超音波プローブ１２１Ａとの間で超音波信号が送受信可能となるように、ロボットアーム１２０Ａの動きを制御する。例えば、超音波プローブ１２１Ａが超音波信号の送受信中に頭部領域に追従できるように、制御部１３０Ａは、ロボットアーム１２０Ａの動きを制御してもよい。複数のロボットアーム１２０Ａの超音波プローブ１２１Ａから測定結果を取得すると、制御部１３０Ａは、取得した測定結果を画像処理部１４０Ａにわたす。画像処理部１４０Ａは、取得した測定結果に対して、上述した画像処理部１４０と同様の画像処理を実行し、脳機能ネットワーク情報を生成する。
　例えば、ロボットアーム１２０Ａは、カメラ１１０Ａから取得される幼児乳頭部の３次元形状に基づいて動作する。まず、取得した３次元の頭部形状より、超音波プローブを配置する頭部上の位置と、超音波プローブを当てる角度とが、画像処理及び／又は点群データ処理によって推定されうる。制御部１３０は、推定した位置・角度情報に基づいて、超音波プローブ１２１Ａが所定の頭部領域上に配置されるようにロボットアーム１２０Ａを制御する。さらに、制御部１３０Ａは、カメラ１１０Ａから実時間で得られる三次元情報を用いて乳幼児の頭部の動きを追跡し、超音波プローブ１２１Ａと頭部の相対的な位置関係が常に同じになるようにロボットアーム１２０Ａの位置と角度を制御してもよい。なお、カメラ１１０Ａは、実時間での三次元の形状情報を取得できれば他のカメラでもよい。各超音波プローブ１２１Ａが配設されたロボットアーム１２０Ａは、カメラ１１０Ａによる頭部の動きの追跡に加えて、各超音波プローブ１２１Ａによって計測された乳幼児の脳画像データの視野やコントラストが最大となるように自動的に超音波プローブ１２１Ａの位置と角度を調整してもよい。
　発達障害の１つである自閉スペクトラム症は、その主症状として、コミュニケーション障害、言語能力低下、繰返し行動がある（米精神医学会による診断基準；ＤＳＭ－Ｖ，２０１３）。自閉スペクトラム症の脳ネットワークとしては、ＭＲＩを用いた研究によって強い局所的な結合が特徴として存在する（Belmonte, J Neurosci 2004）。前臨床における発達障害研究に利用されている母胎免疫活性化モデルは、社会性の低下、繰り返し行動の増加という自閉症の表現型として（Choi, Science 2016）、自閉症の病態解明研究に広く利用されている。この自閉症モデルにおける超音波を用いた脳ネットワーク計測によって、自閉症患者と同じように脳深部を含めた脳広域における過剰な脳ネットワークが観測され、そのネットワーク解析により、局所的な結合性を評価するクラスタ係数が健常モデルより大きい結果となった（図１６）。このことから、超音波を用いた脳広域のネットワークを評価する本開示では、その一実施例として、発達障害における乳幼児の脳ネットワークの特徴を、ネットワーク指標を利用した検査法への応用が考えられる。
　［超音波信号処理］
　次に、図１７を参照して、本開示の一実施例による超音波信号処理を説明する。当該超音波信号処理は、上述した超音波装置１００によって実行され、より詳細には、超音波装置１００の１つ以上のプロセッサが１つ以上のメモリに格納された１つ以上のプログラム又は指示を実行することによって実現されてもよい。
　図１７は、本開示の一実施例による超音波信号処理を示すフローチャートである。
　図１７に示されるように、ステップＳ１０１において、超音波装置１００は、超音波プローブ１１０を利用して、被検者の頭部の音響窓を介し脳内の脳領域に対して超音波信号を送受信する。本実施例では、超音波プローブ１１０は、乳幼児の複数の頭部領域のそれぞれに対応して頭部ホルダ１２０に配設される。例えば、超音波プローブ１１０の音響窓として利用される頭部領域は、乳幼児の頭部上で開口する大泉門、小泉門、前側頭泉門及び後側頭泉門の２つ以上を含んでもよい。乳幼児が頭部ホルダ１２０を装着すると、超音波プローブ１１０がこれらの頭部領域に配置されるように、各超音波プローブ１１０を保持するためのプローブホルダ１２１が頭部ホルダ１２０に設けられる。各超音波プローブ１１０は、配置された開口部としての音響窓から超音波信号を被検者の脳内に送信し、反射された超音波信号を受信する。超音波装置１００は、複数の超音波プローブ１１０を交互に駆動するなど、各超音波プローブ１１０による超音波信号の送受信パターンを制御してもよい。各超音波プローブ１１０は、送受信した超音波信号の送信時間と受信時間との差分に基づいて、開口部の近傍の脳領域に関する測定結果を取得することができる。
　ステップＳ１０２において、超音波装置１００は、各超音波プローブ１１０から測定結果を取得する。具体的には、超音波装置１００は、各超音波プローブ１１０から配置位置の近傍の脳領域の測定結果を取得し、各超音波プローブ１１０からの測定結果に基づいて局所脳画像を生成する。当該局所脳画像には、１つ以上の脳領域の血流状態が示される。
　ステップＳ１０３において、超音波装置１００は、測定結果から脳内の複数の脳領域の間の血流状態を推定する。具体的には、超音波装置１００は、各超音波プローブ１１０から取得した局所脳画像と、隣接する超音波プローブ１１０から取得した局所脳画像との間の重複部分を特定し、特定した重複部分を重畳させることによって、これら隣接する局所脳画像を合成してもよい。超音波装置１００は、全ての局所脳画像に対してこの重複部分に基づく局所脳画像の合成を繰り返し、脳全体の広域脳画像を生成する。そして、超音波装置１００は、神経興奮に対する血管動態反応としての各脳領域の血流状態の変化を推定し、各脳領域の間の血流状態に対して相関解析を実行する。例えば、脳領域Ａ，Ｂについて算出した相関係数が所定の閾値以上である場合、脳領域Ａ，Ｂは機能的に結合していると判定されてもよい。他方、脳領域Ａ，Ｂについて算出した相関係数が所定の閾値未満である場合、脳領域Ａ，Ｂは機能的に結合していないと判定されてもよい。
　ステップＳ１０４において、超音波装置１００は、脳領域の各ペアに対して上述した機能的結合性の有無を判定し、判定結果に基づいて脳領域間の脳機能ネットワーク情報をグラフ構造として取得することができる。
　上述した実施例によると、脳機能磁気共鳴画像計測のように神経興奮に伴う脳血液動態を観測していることから、脳活動や脳機能ネットワーク解析が可能である。そして、脳広域を１つのまとまりとして捉える機能的なネットワーク評価のアプローチを乳幼児にも幅広く提供することが可能になる。これにより、脳活動や脳機能ネットワーク異常が疑われる発達障害の早期診断や発達期の脳の理解、さらには乳幼児を対象にした玩具の開発などのニューロマーケティング産業など幅広い利用が想定されうる。
　以上、本開示の実施例について詳述したが、本開示は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
　（付記１）
　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信し、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される複数の超音波プローブと、
　前記複数の超音波プローブを制御する制御部と、
　前記複数の超音波プローブから取得した測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成する画像処理部と、を有する、超音波装置。
　（付記２）
　前記複数の超音波プローブを備える頭部ホルダを更に有する、付記１に記載の超音波装置。
　（付記３）
　前記複数の頭部領域を撮像するカメラと、
　前記複数の超音波プローブを備える複数のロボットアームと、
　を更に有する、付記１に記載の超音波装置。
　（付記４）
　前記制御部は、前記撮像された複数の頭部領域の画像に基づいて、前記複数の頭部領域に追従するよう前記複数のロボットアームの動きを制御する、付記３に記載の超音波装置。
　（付記５）
　前記複数の頭部領域は、大泉門、小泉門、左前側頭泉門、右前側頭泉門、左後側頭泉門、右後側頭泉門及び側頭骨窓のうち２つ以上を含む、付記１から４の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記６）
　前記制御部は、交互に超音波を送受信するよう前記複数の超音波プローブを制御する、付記１から５の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記７）
　前記超音波プローブは、任意形状の波面を構成する機構を具備し、当該機構を用いて前記超音波を送信する、付記１から６の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記８）
　前記画像処理部は、前記測定結果から構成される脳画像に基づいて、前記複数の脳領域を表し、３次元アトラス座標上の画像を生成する、付記１から７の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記９）
　前記画像処理部は、前記複数の脳領域の間の脳血流信号強度の時間変化における相関に基づいて、前記脳機能ネットワーク情報を生成する、付記１から８の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記１０）
　前記脳機能ネットワーク情報は、グラフ構造として表現される、付記１から９の何れか一項に記載の超音波装置。
　（付記１１）
　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブを有し、
　前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、頭部ホルダ。
　（付記１２）
　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブから測定結果を取得するステップと、
　前記測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成するステップと、を有し、
　前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、コンピュータが実行する超音波信号処理方法。
　１００、１００Ａ　超音波装置
　１１０、１２１Ａ　超音波プローブ
　１１０Ａ　カメラ
　１２０　頭部ホルダ
　１２０Ａ　ロボットアーム
　１２１　プローブホルダ
　１２２　シリコンパッド
　１２３　超音波ジェル
　１３０、１３０Ａ　制御部
　１４０、１４０Ａ　画像処理部
　１５０　制御装置

Claims (12)

  1. 　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信し、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される複数の超音波プローブと、
    　前記複数の超音波プローブを制御する制御部と、
    　前記複数の超音波プローブから取得した測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成する画像処理部と、を有する、超音波装置。
  2. 　前記複数の超音波プローブを備える頭部ホルダを更に有する、請求項１に記載の超音波装置。
  3. 　前記複数の頭部領域を撮像するカメラと、
    　前記複数の超音波プローブを備える複数のロボットアームと、
    　を更に有する、請求項１に記載の超音波装置。
  4. 　前記制御部は、前記撮像された複数の頭部領域の画像に基づいて、前記複数の頭部領域に追従するよう前記複数のロボットアームの動きを制御する、請求項３に記載の超音波装置。
  5. 　前記複数の頭部領域は、大泉門、小泉門、左前側頭泉門、右前側頭泉門、左後側頭泉門、右後側頭泉門及び側頭骨窓のうち２つ以上を含む、請求項１に記載の超音波装置。
  6. 　前記制御部は、交互に超音波を送受信するよう前記複数の超音波プローブを制御する、請求項１に記載の超音波装置。
  7. 　前記超音波プローブは、任意形状の波面を構成する機構を具備し、当該機構を用いて前記超音波を送信する、請求項１に記載の超音波装置。
  8. 　前記画像処理部は、前記測定結果から構成される脳画像に基づいて、前記複数の脳領域を表し、３次元アトラス座標上の画像を生成する、請求項１に記載の超音波装置。
  9. 　前記画像処理部は、前記複数の脳領域の間の脳血流信号強度の時間変化における相関に基づいて、前記脳機能ネットワーク情報を生成する、請求項１に記載の超音波装置。
  10. 　前記脳機能ネットワーク情報は、グラフ構造として表現される、請求項１に記載の超音波装置。
  11. 　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブを有し、
    　前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、頭部ホルダ。
  12. 　複数の頭部領域を介し複数の脳領域との間で超音波を送受信する複数の超音波プローブから測定結果を取得するステップと、
    　前記測定結果に基づいて、前記複数の脳領域の間の血流状態から計算される脳機能ネットワーク情報を生成するステップと、を有し、
    　前記複数の超音波プローブは、前記複数の頭部領域のそれぞれに対応して配設される、コンピュータが実行する超音波信号処理方法。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090264760A1 (en) * 2008-04-21 2009-10-22 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Compounding in medical diagnostic ultrasound for infant or adaptive imaging
JP2016516477A (ja) * 2013-03-13 2016-06-09 ジンヒョン パーク 回転式血管内超音波装置から画像を生成するためのシステム及び方法
US20190321122A1 (en) * 2018-04-20 2019-10-24 Neural Analytics, Inc. Disposable kit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090264760A1 (en) * 2008-04-21 2009-10-22 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Compounding in medical diagnostic ultrasound for infant or adaptive imaging
JP2016516477A (ja) * 2013-03-13 2016-06-09 ジンヒョン パーク 回転式血管内超音波装置から画像を生成するためのシステム及び方法
US20190321122A1 (en) * 2018-04-20 2019-10-24 Neural Analytics, Inc. Disposable kit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BARANGER JEROME, DEMENE CHARLIE, FREROT ALICE, FAURE FLORA, DELANOË CATHERINE, SERROUNE HICHAM, HOUDOUIN ALEXANDRE, MAIRESSE JEROM: "Bedside functional monitoring of the dynamic brain connectivity in human neonates", NATURE COMMUNICATIONS, vol. 12, no. 1, XP093039578, DOI: 10.1038/s41467-021-21387-x *

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