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ありさかせ
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1 歯学科 2 年生講義放射線学総論特殊撮影法超音波診断の基礎担当 : 林孝文超音波診断 Diagnostic ultrasound, 超音波検査 Ultrasonography (US) [ 概要 ] 人間の耳で聞くことのできる音の周波数は 20~20,000Hz の範囲 ( 可聴域 ) とされこれより高い周波数の音波が超音波と言われる超音波を生体内に入射し音響的に性質の異なる境界面から戻ってくる反射波を受信して解剖学的構造や組織性状動きや血流分布状態を画像化する手法である超音波は同一で均一な媒質では直進し媒質が異なると ( 音響インピーダンス [ 密度音速 ] に差があると ) 一部は反射し他は透過する超音波診断はこの境界面での音響インピーダンスの差を画像化する一方境界面に垂直でない角度で超音波が入射した場合には媒質の音速の比に応じて屈折する超音波診断装置で使われる超音波は 1~20MHz 程度であるが口腔領域や頸部では 7.5~18MHz 程度が利用されている超音波診断装置ではパルス状の超音波を放射し生体内の音速を 1,530[m/s](JIS 規格 ) あるいは 1,540[m/s](AIUM 規格 ) として [ 音速反射波が戻ってくるまでの時間 2] で反射体までの距離を計算するプローブ ( 探触子 ) には振動子が組み込まれており超音波を発信するとともに生体から戻ってきた超音波を受信する振動子は電気信号を超音波信号にまた逆に超音波信号を電気信号に変換している振幅波形で表示した A モード法輝度の二次元像としてリアルタイムに表示する B モード法 B モード像のある部分の動きを波形として表示する M モード法があるドプラ法は血流内の血球成分により引き起こされるドプラ効果 ( 音源が観察者に近づいてくる場合は疎密波の疎密の間隔が密になり周波数が高く聞こえ遠ざかる場合は疎になり周波数が低く聞こえる現象 ) を利用して血流の速度や方向を測定する利点 : エックス線被曝がなく他の画像検査法と比較し装置が小型で検査料も安く簡便で非侵襲的でありスクリーニング検査や頻回に行う経過観察に適するまた検査部位や目的に合わせて適切なプローブを選ぶことができ特に表在領域では空間分解能は CT や MRI を凌駕するリアルタイム性が高く組織の動きの評価や穿刺術の際のガイドに有用である欠点 : 超音波は軟組織中を良く伝わるが空気や骨石灰化等では超音波はその表面で反射するためそれらよりも深部の情報が得られないまた画像の自由度は高いが検査中にリアルタイムに病態を理解する必要があるため他の画像検査法と比較し術者の技量がそのまま検査精度に反映する傾向が強い画像データ収集はエックス線と異なる反射法であり定量的評価が困難である ( ただし組織弾性評価の有用性が認識されつつある ) 1

2 1. 超音波の特性 (1) 超音波の定義人間の耳で聞くことのできる音の周波数は 20~20,000Hz の範囲とされこれより高い周波数の音波を超音波という超音波は弾性波と呼ばれる波動であり水生体空気あるいは金属などの媒質中を伝搬するが媒質のない真空中では伝わらない医学分野では非常に短い時間だけ持続するパルス状の音波が一定の時間ごとに繰り返される周期波が用いられる (2) 超音波の周波数連続正弦波はひとつの周波数成分 ( 基本周波数 ) で構成されているがパルス波は基本周波数を中心とする多数の周波数スペクトルを持っており周波数成分の中で一番大きなものを中心周波数と呼ぶ持続時間の短いパルス波ほど低い周波数から高い周波数までの広い成分を必要とする基本周波数の整数倍の周波数成分をもつ音波を高調波という生体に放射され組織から返ってきた超音波の周波数成分には発信周波数の整数倍の高調波が含まれこれを画像化したものをハーモニック法という基本波 ( 通常の周波数成分 ) を用いた場合と比較しアーチファクトが少ない鮮明な画像が得られる (3) 伝搬速度生体中を伝搬する音波は生体組織の微小粒子が振動を繰り返しながら音響エネルギーを伝える主に横波と縦波 ( 疎密波 ) に大別できる縦波は音の進行方向と微小粒子の振動方向とが一致しており空間座標を固定して時間経過を観察すると疎密状態が時間的に変化する 2

疎密波が生体中を伝わる速さを音速または伝搬速度と呼ぶ c = E/ρ [m/sec] ただし E: 体積弾性率 [kg/m 2 ],ρ: 密度 [kg/m 3 ] 生体内の音速は c=1,530[m/sec](jis 規格, 但し温度が 37 の条件 ) ( 厳密には各臓器によっても音速に差があり同じ物質でも温度により音速は変化する ) 波長と周波数の関係 :λ=c/f [m] ただし f:

3 疎密波が生体中を伝わる速さを音速または伝搬速度と呼ぶ c = E/ρ [m/sec] ただし E: 体積弾性率 [kg/m 2 ],ρ: 密度 [kg/m 3 ] 生体内の音速は c=1,530[m/sec](jis 規格, 但し温度が 37 の条件 ) ( 厳密には各臓器によっても音速に差があり同じ物質でも温度により音速は変化する ) 波長と周波数の関係 :λ=c/f [m] ただし f: 超音波の周波数 [Hz] 10MHz での波長は λ=1,530/ = [m]=0.153[mm] (4) 反射と透過屈折超音波は同一で均一な媒質では直進し媒質が異なると ( 音響インピーダンスに差があると ) 一部は反射し他は透過する超音波診断はこの境界面での音響インピーダンスの差を画像化する音響インピーダンス Z=ρ c ただし ρ: 密度,c: 音速境界面に垂直でない角度で超音波が入射した場合には媒質の音速の比に応じて屈折するスネルの法則 (Snell law) sinθ2/sinθ1=c2/c1 ただし c1>c2 のとき θ1>θ2,c1<c2 のとき θ1<θ2 (5) パルスエコー法観測点からある特定の方向にきわめて短い時間だけ超音波を放射し放射時刻と反射波の検出時刻との差 (Δt) を求め波の伝搬速度 (c) を介して観測点と反射体までの距離 (L) を算出する L=Δt/2 c[m] Δt [sec],c [m/sec] 画面の深さ方向は超音波を放射してから反射波が戻ってくるまでの時間によって位置を求め横方向は超音波のビームをスキャンさせて位置を決めている 3

4 (6) 分解能空間分解能とは近接した 2 点を分離した 2 点として見分けられる限度のことであり超音波診断装置の分解能には距離分解能方位分解能スライス方向分解能がある距離分解能は周波数が高くパルスの持続時間が短いほど向上する方位分解能はビーム幅が狭いほど向上するため電子フォーカスにより生体内でビームが収束するように工夫されているスライス方向分解能は断層面に直交する超音波ビームの厚みでありプローブ先端を覆う音響レンズの特性で決まるが通常他の 2 つの分解能よりも劣っているその他コントラスト分解能や時間分解能があり前者は目的とする構造と周囲とのエコー強度の差を識別する能力で後者は速い動きを識別する能力である時間分解能が高いほどリアルタイム性が向上する 3. 超音波の発生検出 (1) 超音波探触子 ( プローブ ) 最も重要な役割を果たしているのが超音波振動子であり超音波振動子は電気信号を超音波信号にまた逆に超音波信号を電気信号に変換している ( 電気音響変換器 ) 4

5 (2) 圧電効果 piezoelectric effect: 圧電材料の上下面に電極をつけ電圧を印加すると内部に電界が生じ伸縮する逆にこの材料を外力で伸縮させると両電極間に電圧が発生する 4. 表示モード (1)A モード : 表示装置の時間軸上にエコーを振幅波形 (Amplitude) で表示する方式 (2)B モード : 超音波ビームの走査により得られたエコーの強度を輝度 (Brightness) に変換し超音波の進行方向と平行な断面でのエコー分布の輝度の二次元像としてリアルタイムに得る方法反射輝度が強く場合は明るく弱い場合は暗く表示される現在組織の断層像を得るのに最も広く利用されている B モード画像において病変のエコー信号を表現する場合には周囲実質と比較しエコーが密で輝度が高い場合には高エコー (hyperechoic) 同じ場合を等エコー(isoechoic) 疎で輝度が低い場合には低エコー (hypoechoic) という内部で超音波の反射が全く認められない場合は無エコー (anechoic) といい嚢胞性パターン (cystic pattern) とよぶことがある充実性パターン (solid pattern) は様々なレベルの点状エコーを呈する場合で病変内部に超音波が反射散乱する境界面が多数存在することを反映しており病変が液体ではなく充実性成分から構成されていることを意味する (3)M モード : 画面の横軸に時間をとり B モード画像のある部分の動き (Motion) を波形として表示する方法 5

6 5. ドプラ法音源が観察者に近づいてくる場合は疎密波の疎密の間隔が密になり周波数が高く聞こえ遠ざかる場合は疎になり周波数が低く聞こえる現象をドプラ (Doppler) 効果というドプラ法は血流内の血球成分により引き起こされるドプラ効果を利用して血流の速度や方向を測定する方法である超音波ビーム上の多点における平均血流速度とそのばらつきを B モード画像に重ね合わせてカラー表示したものをカラードプラ法といいプローブに近づくものは赤色系遠ざかるものは青色系で表示し血流の大きさは輝度で表しているまた血流信号の積分値を表示したパワードプラ法は輝度が超音波を反射する血球成分の量に比例しており低速血流の感度が高く超音波と血流の角度依存性が低い利点を有する 6. アーチファクト生体に存在する構造に対応しない構成要素が虚像として画像に現れること音響陰影 (acoustic shadow) は超音波の大部分を反射する構造が存在した場合にその背側に出現する帯状の無エコー域をいい唾石などの石灰化物の診断に役立つ場合がある外側陰影 (lateral shadow) は辺縁平滑な類球形腫瘤性病変の外側縁に沿って背側に伸びる細長い音響陰影をいい周囲組織と病変との境界における屈折が原因で生じる後方エコー増強 (posterior echo enhancement) は周囲組織と比較し多くの超音波が透過する嚢胞性腫瘤の背側などに出現する高エコー領域をいう多重反射は超音波がある間隔をもった 2 つの境界面で繰り返し反射することにより画面に反射面が何回も重なって表示される現象であるサイドローブはプローブ中心軸方向に向かう超音波ビーム ( メインローブ ) 以外の成分をいい本来の位置にないものが表示されることがある 6

7 7. 超音波組織弾性イメージング ( 超音波エラストグラフィ ) 組織の硬さをあらわす物理量である弾性係数 ( ヤング率 ) を画像化したもの歪みを用いた手法とせん断弾性波を用いた手法とが実用化されているがん組織などは周囲よりも硬い傾向にあるため B モード法で判断困難な場合に補助的に利用することができる (1) 歪みを用いた手法 (Strain elastography) 探触子の用手圧迫による加圧などの前後における画像フレームを比較することで変形により生じた組織の各部位の変位分布を求める手法である探触子の接触面とほぼ垂直方向にごくわずかな加圧を行うと超音波パルスの伝搬方向と平行な成分が大部分となる偏位が生じ組織変形は一次元バネモデルで近似可能と判断される E=σ/ε E: 弾性係数 ( ヤング率 ) σ: 応力 ε: 歪み局所の歪みは変位を軸方向に微分することで得られ生体内の応力分布を一様と仮定すれば弾性係数が大きく硬い部分は歪みが小さくなることから歪みは相対的な硬さを表すこととなる各部の変位分布を計測してその空間微分をとることで歪みの分布を得歪みの平均値を算出して平均より大きい歪みを赤平均的な歪みを緑平均より小さい歪みを青でマッピングして B モード画像上に半透明化して重ねることでリアルタイムのエラストグラフィ画像を得ている (2) せん断弾性波を用いた手法 (Shear wave elastography) 生体組織内にせん断弾性波を発生させその伝搬速度から弾性値を算出し組織弾性を評価する手法通常の超音波診断に用いられる疎密波は縦波 ( 進行方向と振動方向が平行 ) であり生体内を 1,530[m/s] で伝搬するがせん断弾性波は進行方向と振動方向が垂直な横波であり生体内を 1~10[m/s] で伝搬する E 3G=3ρ Cs 2 E: 弾性係数 G: 剛性率 ρ: 組織密度 Cs: せん断弾性波伝搬速度生体内の組織密度を一定と仮定すると弾性係数が大きく硬い部分はせん断弾性波伝搬速度が大きくなる 7

8. 歯科領域における超音波診断の適応 (1) 大唾液腺 ( 耳下腺顎下腺舌下腺 ) 炎症性病変 ( 唾液腺炎唾石など ) 腫瘤性病変( 唾液腺腫瘍など ) (2) リンパ節炎症性病変 ( リンパ節炎など ) 腫瘍性病変( 癌の転移悪性リンパ腫など ) (3) 舌口底頬粘膜腫瘍性病変 ( 舌癌口底癌頬粘膜癌など ) 嚢胞性病変( ラヌーラなど ) (4)

8 8. 歯科領域における超音波診断の適応 (1) 大唾液腺 ( 耳下腺顎下腺舌下腺 ) 炎症性病変 ( 唾液腺炎唾石など ) 腫瘤性病変( 唾液腺腫瘍など ) (2) リンパ節炎症性病変 ( リンパ節炎など ) 腫瘍性病変( 癌の転移悪性リンパ腫など ) (3) 舌口底頬粘膜腫瘍性病変 ( 舌癌口底癌頬粘膜癌など ) 嚢胞性病変( ラヌーラなど ) (4) 顎関節顎関節症 ( 関節円板転位, 骨変化など ) (5) 顔面頸部の軟組織咀嚼筋舌骨上筋群炎症性病変 ( 蜂窩織炎膿瘍など ) 腫瘍性病変嚢胞性病変 (5) 歯周組織炎症性病変 ( 根尖病変など ) (6) その他 ( 神経血管など ) 9. 腫瘤性病変におけるエコー像の模式図と用語 1 前面エコー 2 内部エコー 3 後面エコー 4 外側陰影 5 後方エコー版 8

2009 年 11 月 16 日版 ( 久家 ) 遠地 P 波の変位波形の作成遠地 P 波の変位波形 ( 変位の時間関数 ) は波線理論をもとに P U () t = S()* t E()* t P() t で近似的に計算できる * は畳み込み積分 (convolution) を表す ( 付録

2009 年 11 月 16 日版 ( 久家 ) 遠地 P 波の変位波形の作成遠地 P 波の変位波形 ( 変位の時間関数 ) は波線理論をもとに P U () t = S()* t E()* t P() t で近似的に計算できる * は畳み込み積分 (convolution) を表す ( 付録遠地波の変位波形の作成遠地波の変位波形 ( 変位の時間関数 ) は波線理論をもとに U () t S() t E() t () t で近似的に計算できるは畳み込み積分 (convolution) を表す ( 付録参照 ) ここで St () は地震の断層運動によって決まる時間関数 1 E() t は地下構造によって生じる種々の波の到着を与える時間関数 ( ここでは直達波とともに震源そばの地表での反射波や変換波を与える時間関数