超音波装置とプローブ（圧電素子・ビームフォーミング・走査方式）
前回は、超音波の物理——音速、音響インピーダンス、減衰、周波数を見ました。今回はその音を実際に出し入れしている装置の話です。
超音波装置は、CTやMRIと比べればずっと小さな箱です。しかしその中では、電気を音に変え、返ってきた音をまた電気に戻すという変換が、1秒間に何千回も繰り返されています。
そして国家試験では、プローブの中身と分解能、走査方式が繰り返し問われます。ここを図で押さえてしまいましょう。
装置の全体像
まず流れを1本の線で追います。
送信回路（電圧パルスを作る）→ プローブ（電気を音に変えて体へ送る）→ 体内で反射 → プローブ（音を電気に戻す）→ 受信回路（増幅・整相加算）→ 信号処理（検波・対数圧縮）→ DSC（デジタルスキャンコンバータ：走査した順のデータを画面の座標に並べ替える）→ モニタ
意外に思われるかもしれませんが、プローブが超音波を出している時間は全体の1%にも足りません。残りの99%以上は、返ってくる音をただ聞いている時間です。パルスを1回出したら、いちばん深いところからの反射が戻るまで待つ必要があるからです。
この「待ち時間」が、あとで出てくるフレームレートの限界を決めることになります。
圧電素子：電気と音を行き来させる
プローブの心臓部が圧電素子（振動子）です。
圧電効果 … 素子に力が加わってひずむと、電圧が生じる。これが受信にあたります。 逆圧電効果 … 素子に電圧をかけると、伸び縮みする。これが送信にあたります。
つまり同じ素子が送信と受信を兼ねています。マイクとスピーカーを1つの部品でやっているようなものです。
材料と、その弱点
素子の材料には PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）というセラミックスがよく使われます。近年は、PZTと樹脂を組み合わせた複合圧電体（コンポジット）や、単結晶材料も使われます。
材料で覚えておきたいのはキュリー点です。この温度を超えると圧電性が失われて、二度と戻りません。プローブをオートクレーブ（高圧蒸気滅菌）にかけてはいけないのは、この性質があるからです。消毒は薬液で行います。
素子の厚さが周波数を決める
素子は厚さが波長の半分（λ/2）になる周波数で最もよく共振します。つまり素子を薄くすれば高い周波数が出ます。7 MHz用と3 MHz用でプローブそのものが別なのは、素子の厚さが違うからです。
前後をはさむ部品
バッキング材（背面材・ダンパ）は素子の後ろにあります。役割は2つ。
- 背面へ出ていく音を吸収して、背中側からの余計な反射を防ぐ
- 素子の振動を素早く止める
2つめが特に重要です。振動がだらだら続くとパルスが長くなり、距離分解能が悪くなります。バッキング材を効かせるとパルスが短く、周波数帯域も広くなって距離分解能が上がります。ただしそのぶん感度は下がるというトレードオフがあります。
音響整合層は素子の前にあります。圧電素子の音響インピーダンスは 30 前後（10⁶ kg/m²s）と大きく、生体の 1.63 とかけ離れています。このまま接すると、前回やった反射の式のとおり境界でほとんど反射してしまい、音が体に入りません。
そこで中間のZを持つ層をはさんで、段差を階段状にゆるめます。厚さは波長の1/4にします。こうすると層の表と裏で反射した波が打ち消し合い、通り抜けが良くなります。
音響レンズは最前面のシリコーンゴムで、スライス方向（走査面に垂直な方向）にビームを絞る部品です。
音場：ビームは平行に進んでから広がる
振動子から出た超音波は、まっすぐな棒のようには進みません。
近距離音場（フレネルゾーン） … 振動子のすぐ前。ビーム径はほぼ一定で、平面波として直進します。ただし音圧の分布は複雑で、干渉によるムラがあります。
遠距離音場（フラウンホーファーゾーン） … その先。ビームは広がっていきます。音圧の分布は素直になります。
境目までの距離を近距離音場長といい、次の式で表されます。
は振動子の径、 は波長です。振動子が大きいほど、波長が短い（周波数が高い）ほど長くなります。
そしてビームが最も細くなるのは、この境目のあたりです。ここが分解能の最も良い場所なので、見たい深さに焦点を合わせる調整が意味を持ちます。
分解能は3方向にある
前回は距離分解能と方位分解能の2つを挙げましたが、実際には3方向あります。
| 向き | 何で決まるか | 良くするには | |
|---|---|---|---|
| 距離分解能（軸方向） | ビームの進む方向 | パルス幅（波長） | 周波数を上げる・パルスを短く |
| 方位分解能 | 走査面の中でビームに直角 | ビーム幅 | フォーカスを合わせる・開口を広く |
| スライス方向分解能 | 走査面に垂直 | スライス厚 | 音響レンズ・1.5次元アレイ |
いちばん良いのが距離分解能、いちばん悪いのがスライス方向分解能です。スライス方向は音響レンズで固定的に絞るしかなく、深さに応じて調整できません。これが部分体積効果（囊胞の中に偽の内部エコーが出るなど）の原因になります。
ビームフォーミング：遅延でビームを操る
いまのプローブは、微小な素子を100〜200個ほど並べたアレイ型です。この素子を別々のタイミングで鳴らせることが、超音波装置の心臓部といえます。
送信フォーカス（絞る） … 外側の素子を先に、中央を遅らせて鳴らします。すると各素子から広がった波が重なり合って、凹んだ波面ができます。凹面鏡が光を集めるのと同じで、超音波は1点に集まります。
偏向・ステアリング（振る） … 片側から順に遅らせて鳴らすと、合成された波面が傾きます。ビームの向きが変わるので、プローブを動かさずに扇形の走査ができます。これがフェーズドアレイの原理で、セクタ型プローブはこれで走査しています。
受信のダイナミックフォーカス … 受信側では、素子ごとに遅延を与えてから足し合わせます（整相加算）。送信と違って受信は「返ってきてから処理する」ので、深さに応じて遅延を刻々と変えられます。結果としてすべての深さで焦点が合った画像が得られます。
ここは押さえておきたいところです。送信フォーカスは1回に1か所しか置けないが、受信フォーカスは全深度で効かせられる。だから装置の操作パネルでユーザーが動かす「フォーカスマーク」は、送信側の話です。
なお、送信フォーカスを何段にも重ねると画質は上がりますが、1枚の画像を作るのに何度も送信し直すことになるので、フレームレートが落ちます。
走査方式とプローブの種類
| リニア型 | コンベックス型 | セクタ型 | |
|---|---|---|---|
| 素子の並び | 直線 | 凸に湾曲 | 直線（全素子を使う） |
| 走査のしかた | 使う素子群を横にずらす（電子リニア走査） | 同上（面が湾曲） | 遅延で向きを振る（フェーズドアレイ） |
| 視野の形 | 長方形 | 扇形（手前も広い） | 扇形（手前は狭い） |
| 周波数 | 7〜15 MHz | 3〜5 MHz | 2〜4 MHz |
| 接触面 | 広い | やや広い | 小さい |
| おもな対象 | 甲状腺・乳腺・頸動脈・体表 | 腹部（肝・腎・膵）・産科 | 心臓 |
このほか、体腔内に入れる経食道・経直腸・経腟プローブ、血管の中に入れる血管内超音波（IVUS） のラジアル走査、手術中に臓器へ直接当てる術中プローブがあります。素子を面状に並べたマトリクスアレイ（2次元アレイ）を使えば、リアルタイム3D（4D）表示ができます。
表示モード：同じ信号の見せ方の違い
Aモード（Amplitude＝振幅） … 横軸に深さ、縦軸に振幅をとります。1本のビーム上に、反射のあった位置だけ山が立ちます。最も原始的な表示で、いまは眼科の眼軸長測定など用途が限られます。
Bモード（Brightness＝輝度） … 反射の強さを明るさに変え、ビームを走査して2次元の断層像にしたものです。ふだん見ている超音波画像はこれです。
Mモード（Motion＝動き） … 縦軸に深さ、横軸に時間をとります。1本のビーム上にある構造の動きを、時間の流れとして記録します。心臓の壁や弁の動きを見るのに使われ、時間分解能がきわめて高いのが強みです。1本しか走査しないので、Bモードよりはるかに速く繰り返せるからです。
Dモード（Doppler＝ドプラ）は次回まとめて扱います。
装置の調整：どのつまみが何を変えるか
臨床でも試験でも、似た名前の調整を取り違えないことが大切です。
| 調整 | 何を変えるか | 注意 |
|---|---|---|
| 音響出力 | 患者に当てる超音波そのものの強さ | 生体作用に直結（MI・TI）。まず最小限にする |
| ゲイン | 受信した信号の増幅率（画面全体の明るさ） | 患者に当たる音は変わらない |
| STC／TGC | 深さごとの増幅率 | 減衰による深部の暗さを補正。分解能とは無関係 |
| ダイナミックレンジ | 表示する信号の幅 | 広い＝軟らかい階調、狭い＝コントラストが強い |
| フォーカス | 送信ビームの焦点の深さ | 見たい深さに合わせる。段数を増やすとフレームレートが落ちる |
原則は「音響出力は最小限にして、明るさはゲインで作る」。患者に当てるエネルギーを増やさずに画像を明るくできるからです。
フレームレートには物理的な上限がある
1枚の画像を作るには、走査線の数だけ送受信を繰り返す必要があります。そして1本あたりにかかる時間は、いちばん深いところから音が戻ってくる往復時間で決まります。音速は変えられないので、ここに逃げ道はありません。
つまり、
- 深度を深くする → フレームレートが落ちる
- 視野を広げる（走査線が増える）→ フレームレートが落ちる
- 走査線密度を上げる（方位分解能が上がる）→ フレームレートが落ちる
- 送信フォーカスの段数を増やす → フレームレートが落ちる
画質を上げる操作は、たいていフレームレートを犠牲にします。心臓のように動きの速いものを見るときは、深度と視野を必要最小限にするのが定石です。
検査の実際：走査法と前処置
装置の話の締めくくりに、当て方の基本を押さえます。
| 走査法 | 主に見るもの |
|---|---|
| 心窩部横走査 | 膵臓（胃の裏で横に寝ているので、横に当てると全体が見える） |
| 心窩部縦走査 | 腹部大動脈、肝左葉（S2・S3） |
| 右季肋部（肋弓下）走査 | 肝右葉、胆囊、右腎 |
| 右肋間走査 | 肝右葉（S5〜S8）、肋骨の陰になる部分 |
| 左肋間走査 | 脾臓（肋骨に隠れているので隙間からのぞく） |
前処置も定番です。
- 胆囊 ── 絶食。食後は収縮してしまい、観察できません
- 膀胱・骨盤内 ── 蓄尿。尿をためて音の窓を作ります（排尿ではありません）
- 腎臓・甲状腺・乳腺 ── 前処置は不要
まとめ
- 装置の流れは 送信 → プローブ → 受信・整相加算 → 信号処理 → DSC → 表示。超音波を出している時間は全体の1%未満で、あとはずっと聞いている
- 圧電効果（音 → 電気）が受信、逆圧電効果（電気 → 音）が送信。1つの素子が両方を兼ねる
- 材料は PZT など。キュリー点を超えると圧電性を失うので、オートクレーブは不可
- 素子の厚さが共振周波数を決める（厚さ ＝ λ/2）。薄いほど高周波
- バッキング材は振動を止めてパルスを短くし距離分解能を上げる（感度は下がる）。音響整合層は素子と生体のZの差を埋める層で、厚さはλ/4。音響レンズはスライス方向を絞る
- ビームは手前が近距離音場（フレネルゾーン） で平行、その先が遠距離音場（フラウンホーファーゾーン） で広がる。近距離音場長 L ＝ D²/4λ、境目が最も細い
- 分解能は3方向。距離（パルス幅・最良）、方位（ビーム幅）、スライス方向（スライス厚・最も悪い）
- 遅延で波面を作るのがビームフォーミング。外側を先に鳴らせばフォーカス、片側から順に遅らせれば偏向。受信は全深度でフォーカスできるが、送信は1か所ずつ
- プローブは浅い＝リニア（高周波）、深い＝コンベックス、狭い窓＝セクタ（心臓）
- 表示は A＝振幅・B＝輝度（断層像）・M＝動き（心臓）
- 音響出力は患者に当たる音の強さ、ゲインは受信の増幅率、STC／TGCは深さごとの補正。まず音響出力は最小限に
- フレームレートは音速で頭打ち。深度・視野・走査線密度・フォーカス段数を欲張ると必ず落ちる
- 前処置は 胆囊＝絶食、膀胱＝蓄尿
次回は、この装置で血液の流れを見る方法——ドプラ法を扱います。カラー、パワー、パルス、連続波の使い分けと、避けて通れないエイリアシングの話です。
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