先見創意の会

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病院で何気なく目にする様々な医療機器、その仕組みや原理等を分かりやすく解説します。

(解説者：医師　北村　大也)


第6回	『医療用超音波』
連載5 ― 「超音波検査の原理(その1)―超音波診断装置―」
(掲載日: 2007.08.10)

<<　連載4 「超音波は音の仲間(その2)―音波の性質―」

1.超音波の発生方法

　超音波が「人に聞こえない高周波数の音波」であることは分かりました。では、どのように超音波を発生させているのでしょうか？

　超音波を発生させるには、ある特殊な物質に高周波交流電流を流します。

図11：ある物質に高電流を流すと物質が伸び縮みし、超音波が発生する

　交流電流とは、周期的に電流の流れる向きや量が変わる電流です。交流電流が流れると、その変化に合わせて、この物質は伸び縮みを繰り返します(図11)。これにより周囲の空気も密度(圧力)が周期的に変化し、振動(＝超音波)が発生します。

　逆に、この物質に超音波が当たり機械的な刺激(音響)を周期的に繰り返すと電流が発生します。こういった性質を持つ物質を「超音波振動子」あるいは「超音波トランスデューサー」と呼びます。

　“トランスデューサー”とは、ある刺激を電気刺激と変換する物質のことです。超音波トランスデューサーとしてよく使用される物質には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)があります。

2．医療用の超音波

　医療用として使われる超音波は、主に2つの目的に分けられます。検査用と治療用です。

　検査用の場合、「超音波検査」または「超音波エコー」と呼ばれ、内科や産婦人科で使用されています。

　一方、治療用の超音波は、整形外科で打撲や捻挫などの治療に、眼科では白内障の手術で水晶体を砕いて取り出す(水晶体乳化吸引術)ために使用されています。

　超音波エコーでは、生体内に超音波を照射し、反射(エコー)した超音波を測定して断層像を得ます。その原理を詳しく解説していきましょう。

3．超音波診断装置

(1)エコー法

　小さな超音波トランスデューサー(振動子)に電流を流し、一瞬で終わる超音波(短時間の波のことを「パルス」と呼ぶ)を発生させます。

　生体内を進んだ超音波パルスは、その組織が変わるところで一部反射されます。連載4で述べたように、“超音波は音響インピーダンスの差があるところで反射される性質がある”ためです。当然、組織ごとに音響インピーダンスは違います。また、その音響インピーダンスの差が大きくなれば反射率も増えていきます。

図12：エコー法の原理

　反射した超音波(「エコー」または「超音波エコー」と呼ぶ)は、再び振動子に届き、電気信号に変換されます。図12が単純化した模式図です。

　これにより超音波が発生してから超音波エコーが振動子に到達するまでの時間と、到達したエコーの強さが分かります。また、生体内の超音波の速さ(音速)は大体1,530m/sと一定です。超音波は、振動子からA点までを往復しているので、距離は1/2と考えます。A点までの距離は以下の式で表せます。

　A点までの距離＝到達までの時間×超音波の速さ÷2

　これでA点がどこにあるか分かりました。

　また、A点で反射した超音波エコーの強さを、強ければ強いほど明るく(白く)写る点として表現します。このような処理により振動子1個分の画像が得られます。

　幅広い画像を得るためには、振動子が動いて行くか、たくさんの振動子があればよいわけです。

(2)プローブの走査方式

　超音波診断装置の振動子がある部分がプローブ(探触子)です。

　図13-ａのプローブは、多数個の振動素子からなっていて、そのうちの数個がグループとして順番に作動してエコー信号を得ていきます。このような作業を走査(スキャン)と呼び、平行に走査するものがリニア走査です。走査方式には、ほかにもセクタ走査などがあります(図13-b)。

図13-a:リニア走査　図13-b:セクタ走査

<POINT!>
※	超音波トランスデューサーは、電気エネルギーを超音波(音響エネルギー)に、超音波(音響エネルギー)を電気エネルギーにそれぞれ変換する。
※	超音波エコーは、生体内にパルス波を送り、その反射(エコー)が戻ってくる時間を測ることにより距離の測定を行い、断層像を作っている。

　以上が超音波検査の主な原理です。次回からは、検査の際の留意点と補足です。

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