超音波エコー輝度と音響インピーダンス

超音波はエコーから画像を形成します。音波パルスが体内に送られ、機械はそれらがどこで、どれくらいの強さで反射されたかをマッピングします。これらのエコーの強さ、つまり組織のエコー輝度は、主に組織間の境界における音響インピーダンスの差に依存するため、非常に異なる組織間の界面は明るく、均一な組織や純粋な液体は暗く表示されます。

Definition

エコー輝度とは、組織から返される超音波エコーの相対的な強さのことです。音響インピーダンスとは、組織の密度と組織内の音速の積であり、このインピーダンスが変化する界面でエコーが生成され、不一致が大きいほど明るい反射が生じます。

Scope

このトピックでは、音響インピーダンスとその不一致がどのように超音波コントラストを生成するか、つまり、組織がなぜ高エコー、低エコー、または無エコーと表現されるのか、そしてガス入りマイクロバブル造影剤がどのように強力な反射体を追加するのかを説明します。これは超音波画像の物理的基礎に関する参照記述であり、スキャン技術や造影剤投与に関するガイダンスではありません。

Core questions

• 組織のどのような物理的特性が、超音波画像での明るさを決定しますか？
• なぜ異なる組織間の界面でエコーが発生するのですか？
• 高エコー、低エコー、無エコーとはそれぞれ何を意味しますか？
• なぜ骨や空気は超音波ビームを遮断するのですか？
• マイクロバブル造影剤はどのようにエコー信号を増加させますか？

Key concepts

• 音響インピーダンス（密度と音速の積）
• インピーダンス不一致と界面での反射
• エコー輝度（高エコー、低エコー、無エコー）
• 音響陰影と音響増強
• マイクロバブル造影剤
• 超音波ビームの減衰

Mechanisms

超音波トランスデューサーは短いパルスを発信し、戻ってくるエコーを聴取します。各組織境界では、反射される音の割合は、2つの組織間の音響インピーダンスの差によって決まります。小さな不一致（軟組織内など）は弱いエコーを生成し、臓器に特徴的なテクスチャを与えますが、大きな不一致（軟組織から骨またはガスへ）は音のほとんどすべてを反射し、明るい界面とそれより奥の構造の音響陰影を生成します。純粋な液体には反射界面がなく、無エコーとして表示されます。ガス入りマイクロバブル造影剤は、血液内に非常に大きなインピーダンス不一致を導入し、音場内で強く振動するため、Cosgroveによってレビューされているように、灌流組織からの戻り信号を大幅に増加させます。

Clinical relevance

エコー輝度パターンにより、超音波は液体、固形組織、石灰化、ガスを区別でき、これが超音波解剖学の解釈の基礎となります。この項目は超音波画像の物理的起源を説明するものであり、個々の患者における診断基準や造影剤投与の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

インピーダンス、反射、およびエコー輝度の原理は、BushbergらやKremkauなどの教科書に記載されている標準的な画像物理学です。マイクロバブル造影剤の挙動と使用については、Cosgroveなどのレビューで要約されています。

History

診断用超音波は、20世紀半ばにパルスエコー技術から発展し、画像の明るさは当初からインピーダンス境界での音の反射と結びついていました。血流内に大きなインピーダンス不一致を利用するガス入りマイクロバブル造影剤は後に開発され、Cosgrove (2006) などの専門レビューで説明されています。

Seminal works

• cosgrove-2006

Frequently asked questions

なぜ液体は超音波で黒く（無エコーに）見えるのですか？

均一な液体には、音響インピーダンスが異なる内部界面がないため、ほとんど音波が反射されず、その領域からはほとんど、またはまったくエコーが返ってきません。

なぜ超音波は骨やガスをうまく透過できないのですか？

軟組織と骨またはガスとの間のインピーダンス不一致が非常に大きいため、ほとんどすべての音波が界面で反射され、それより奥の構造を画像化するためのエネルギーがほとんど残らず、音響陰影が生じます。

マイクロバブル造影剤はどのようにして血液の視認性を高めるのですか？

マイクロバブル内のガスは血液とは音響インピーダンスが大きく異なり、バブルは超音波場で強く共鳴するため、血液単独よりもはるかに強いエコーを血流から返します。