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超音波とは

超音波は、人の耳に聞こえる上限（約20 kHz）より高い周波数の音です。診断では、おおむね2〜15 MHz前後の音を使います。

LINA

X線やCTは、透過した放射線で画像を作りますよね。超音波は何を見て画像にしているんですか？

ラッコ先輩

「こだま」だね。プローブから短い音を出して、体の中の境界で跳ね返ってきた音を拾う。返ってくるまでの時間で深さを、返ってきた音の強さで明るさを決めて、1本ずつ線を並べて画像にしているんだ。

LINA

透過ではなく反射なんですね。だから被ばくがなくて、動いている心臓もそのまま見られるんだ。

ラッコ先輩

そう。そのかわり、骨やガスの向こうは見えないし、画像の出来は当てる人の腕に左右される。この弱点は放射線治療で超音波を使うときにもそのまま効いてくるから、原理から順に見ていこう。

音速・周波数・波長の関係

音の速さは、伝わる物質で決まります。軟部組織ではおよそ1540 m/sで、超音波装置はこの値を体じゅうで一定と仮定して距離を計算しています^[1]。脂肪はこれより少し遅く（約1450 m/s）、骨は3000 m/sを超え、空気は約330 m/sです（いずれも代表値）。

波長は「音速÷周波数」で決まり、波長が短いほど細かいものを見分けられます。そのかわり、周波数が高いほど体の中で弱まりやすく、深いところまで届きません。診断で周波数を選ぶときは、つねにこの「細かさ」と「届く深さ」の取り合いになります。

距離方向の分解能はパルスの長さ、横方向の分解能はビームの幅で決まり、ふつうは横方向のほうが粗くなります^[1]。装置の「フォーカス」は、このビームの幅をいちばん細くする深さを決める設定です。見たいものの深さにフォーカスを合わせるのが基本です。

パルスエコー法：こだまで深さを測る

いまの超音波装置は、短い音（パルス）を送っては返りを待つパルスエコー法で画像を作っています。考え方は半世紀前の装置からほとんど変わっていません^[1]。

flowchart TD
    A["① 送信：圧電素子が短いパルスを出す"] --> B["② 伝搬：体の中を約1540 m/sで進む"]
    B --> C["③ 反射：インピーダンスの違う境界で一部が返る"]
    C --> D["④ 受信：同じ素子が音を電気に戻す"]
    D --> E["⑤ 計算：深さ ＝ 音速 × 往復時間 ÷ 2"]
    E --> F["⑥ 表示：返りの強さを明るさにして点を打つ"]
    F -- "ビームをずらして繰り返す" --> A

オレンジの波が送ったパルス、緑の波が境界で返ったこだまです。こだまがプローブに戻った瞬間に、右の欄の計算された深さに明るい点が打たれます。脂肪の厚さを変えてみると、装置が1540 m/sで計算しているかぎり、標的の点が実際の境界（オレンジの点線）より深くずれていきます。このずれは09章の放射線治療の話でもう一度出てきます。

パルスを「短く」するのには理由があります。音を出しっぱなしにすると、どの反射がいつ送った音のものか区別できず、深さがわかりません。短く送って返りを待つから、時間を深さに直せるのです。深い反射ほど途中で弱くなるので、装置は時間がたつほど増幅を強くします。これがSTC（TGC）で、画面の上下で明るさがそろわないときに調整するつまみです。

いまの装置には、送った周波数の2倍の成分だけで画像を作る組織ハーモニックイメージングや、角度を変えた複数の画像を重ねる空間コンパウンドといった技術も入っています^[1]。どちらも、多重反射などの雑音を減らして境界をくっきりさせるためのものです。

反射と減衰

画像の明るさを決めるのは、境界でどれだけ跳ね返るか（反射）と、行き帰りでどれだけ弱まるか（減衰）です。

音響インピーダンスの差が反射を決める

超音波が返ってくるのは、音響インピーダンス（密度×音速）の違う境界です。垂直に当たったときの強度の反射率は ((Z₂−Z₁)/(Z₂+Z₁))² で、差が大きいほど強く跳ね返ります。代表的な値で計算すると、境界ごとの差は次のとおりです。

計算に使った音響インピーダンスは、軟部組織1.63、骨7.8、脂肪1.38、筋肉1.70（単位MRayl）、空気0.0004の代表値です。軟部組織どうしの境界は1%前後しか返さないので、音の大部分は奥へ進み、深いところまで何層もの境界を描けます。一方、空気の層が1枚でもあると音はほぼ全部跳ね返ります。皮膚とプローブのあいだにゼリーを塗るのも、腸管ガスや肺の向こうが見えないのも、この理由です。

減衰は周波数におおよそ比例する

体の中を進む超音波は、吸収や散乱で弱くなります。軟部組織での減衰はおおよそ0.5 dB/cm/MHzとされ、周波数と距離にほぼ比例します。深さ10 cmの反射が戻るまで（往復20 cm）の減衰を、この値で計算すると次のようになります。

10 dB下がるごとに強さは10分の1になるので、100 dBは100億分の1です。だから深い臓器を見る腹部や心臓では低い周波数を、浅い頸動脈や乳腺では高い周波数を選びます。0.5 dB/cm/MHzは計算のための目安で、実際の減衰は組織によって違います。

プローブの種類

プローブ（探触子）は、素子の並べ方と周波数で使い分けます。画面に出る扇形や長方形の形は、プローブの形そのものです。

周波数は機種によって幅があり、表の値は目安です。コンベックスとセクタはどちらも扇形ですが、セクタは接地面がとても小さく、ビームを電子的に振って広げています。肋骨のあいだから心臓を見るには、接地面が小さいことが欠かせません。

体腔内プローブは、対象のすぐ近くまで入れるので、高い周波数でも届きます。前立腺を見る経直腸プローブ（TRUS）は、後半で触れる前立腺の小線源治療やスペーサーの留置でも中心になる道具です。

画像のモードとドプラ

同じ装置でも、何を知りたいかで表示のモードを切り替えます。形を見るのか、動きを見るのか、血流を見るのかで選びます。

flowchart TD
    Q["何を知りたい？"] --> S["形・大きさ・内部の様子"]
    Q --> M["弁や壁の速い動き"]
    Q --> F["血流"]
    S --> B["Bモード（断層像）"]
    M --> MM["Mモード（線の時間変化）"]
    F --> F1["あるか・向き"]
    F --> F2["遅い・細い流れ"]
    F --> F3["速さを測る"]
    F1 --> CD["カラードプラ"]
    F2 --> PD["パワードプラ"]
    F3 --> V["速さは？"]
    V -- "ふつうの速さ・場所を決めたい" --> PW["パルスドプラ"]
    V -- "とても速い（狭窄・逆流の噴流）" --> CW["連続波ドプラ"]

ドプラ効果で血流の速さを測る

動いている血球で跳ね返った音は、近づく流れなら高く、遠ざかる流れなら低くなって戻ってきます（ドプラ効果）。周波数のずれ Δf は「2 × 送信周波数 × 流速 × cosθ ÷ 音速」で、θはビームと流れの角度です^[3]。

式に cosθ が入っているので、装置は検者が合わせた角度で速さを割り戻しています。角度を1°読み違えたときの速さの誤差は、60°なら約3%ですが、80°では約10%に増えます。速さを数字で比べるときに角度を60°以下に保つのは、この誤差を抑えるためです。90°（流れに直角）ではずれが出ず、血流があっても色がつきません。

カラードプラの色は、多くの装置の初期設定でプローブに近づく流れが赤、遠ざかる流れが青です。動脈が赤、静脈が青という意味ではないので、プローブの傾け方を変えれば同じ血管の色が入れ替わります。

「近づく流れ」と「遠ざかる流れ」を切り替えると、同じ血管でも色が赤と青で入れ替わります。「90°で当てる」を押すと、血球は流れているのに色が消えます。血管の中心ほど流れが速いので、明るい色も中心に出ます。「折り返し」を押すと、流速レンジを超えた中心だけが反対の色に化けます。次の項で、この現象を説明します。

折り返し（エイリアシング）

パルスドプラとカラードプラは、パルスを送る回数（PRF）で速さを「標本化」しています。測れる周波数のずれはPRFの半分（ナイキスト限界）までで、それを超える速い流れは反対向きの流れに化けて表示されます。これが折り返し現象です^[3]。

• 流速レンジを上げる：PRFを上げてナイキスト限界を広げる。ただし深いところほど上げられない（前の節の待ち時間）
• ベースラインを動かす：片方の向きに表示の幅を割り振る
• 送信周波数を下げる：同じ速さでも周波数のずれが小さくなり、折り返しにくくなる
• 連続波ドプラに切り替える：送受信を分けるので折り返しが起きない。かわりに深さはわからない

パワードプラは信号の強さだけを表示するので、向きはわかりませんが、角度に左右されにくく折り返しも起きません。遅くて弱い流れを拾いやすいのが利点です。

アーチファクト：偽の像はヒントにもなる

超音波装置は「音はまっすぐ進む」「音速は一定」「反射は1回だけ」「減衰は一様」と仮定して画像を作っています。この仮定が崩れたところに、実在しない像や欠けた像が出ます^[2]。

flowchart LR
    A["強い反射の後ろが暗い"] --> A1["音響陰影：結石・石灰化・骨・ガス"]
    B["何かの後ろが明るい"] --> B1["後方エコー増強：中身が液体の嚢胞"]
    C["等間隔の線が並ぶ"] --> C1["多重反射：角度を変えると動く"]
    D["同じ構造が反対側にも映る"] --> D1["鏡面像：横隔膜などの強い反射面"]
    E["黒い袋の中にもやもや"] --> E1["サイドローブ・ビーム幅：フォーカスとゲインを見直す"]

アーチファクトは画質を落とす邪魔者であると同時に、組織の性質を教えてくれる手がかりでもあります^[2]。胆嚢の中の高エコーに音響陰影があれば結石を、腫瘤の後ろが明るければ中身が液体の嚢胞を考えます。後方エコー増強と外側陰影は名前が似ていますが、前者は「後ろが明るい」、後者は「縁から下へ影が落ちる」で、別のものです。

減らせるアーチファクトと、減らせないもの

• 当て方で減る：多重反射やサイドローブは、プローブの角度を変える、ハーモニックを使う、ゲインを下げることで軽くなる
• 設定で減る：フォーカスを対象の深さに合わせるとビーム幅のアーチファクトが減る
• 物理の限界で残る：骨やガスの音響陰影は、窓（当てる場所）を変える以外に避けられない

治療の位置合わせで問題になるのも、この表の「屈折・音速の誤差」と「音響陰影」です。後半の09章で、音速の仮定が何mmの位置のずれになるかを計算します。

部位ごとの検査と新しい技術

ここまでの原理が、実際の検査では「どのプローブで」「どこから当てるか」「何に気をつけるか」として現れます。

エラストグラフィ：硬さを画像にする

エラストグラフィは、組織の硬さを画像や数値にする技術です。どの方式も、組織の「ずれ弾性率」の違いをコントラストにしている点は共通です^[4]。プローブで軽く押してひずみの大きさを比べるストレイン法と、組織の中に横波（せん断波）を起こしてその速さを測るシアウェーブ法があり、硬い組織ほど横波は速く伝わります。肝臓の線維化の評価や、乳腺・甲状腺の腫瘤の性質の推定に使われます。

造影超音波

血管の中に小さな気泡（マイクロバブル）の造影剤を入れると、気泡が強く音を返すため、腫瘍の血流が時間を追って見られます。肝臓の造影超音波は、WFUMBとEFSUMBの国際ガイドラインが、使える造影剤ごとの標準的な使い方をまとめています^[5]。日本ではペルフルブタン（ソナゾイド）が使われ、気泡が肝臓の細胞に取り込まれる時相も観察できます。

フュージョンと3D

磁気センサーでプローブの位置を測り、あらかじめ撮ったCTやMRIの同じ断面をリアルタイムに並べて表示するフュージョンイメージングは、超音波だけでは見つけにくい病変の穿刺やラジオ波焼灼に使われます。断面を積み重ねる3D、それを時間で動かす4Dは、産科で胎児の表面を見るときによく知られています^[1]。「別の画像と座標を合わせて使う」という考え方は、放射線治療の超音波とも共通です。

安全性：TIとMI

超音波は電離放射線ではありませんが、エネルギーを体に入れている以上、出力には上限があります。気にするのは「温める作用」と「気泡を揺らす作用」の2つです。

米国FDAのガイダンスは、出力表示の規格に従う装置について、出力の上限を空間ピーク時間平均強度（減衰補正後）720 mW/cm²以下、かつMIが1.9以下（またはパルス平均強度が190 W/cm²以下）と定めています。眼科用はさらに厳しく、720 mW/cm²のかわりに50 mW/cm²以下、MIは0.23以下、TIは1以下です^[6]。画面の隅に出ているTIとMIの数字は、この上限に対して今どれくらいの出力かを示すもので、検者が見張るための表示です。

放射線治療で使う超音波

放射線治療の画像誘導はkVやMVのX線画像が主流ですが、超音波も以前から使われてきました。電離放射線を使わず、軟部組織のコントラストが高く、装置が安いことが強みです^[8][9]。診断では「病変が見えるか」が問われますが、治療では「どこにあるか」をmm単位で測ります。

骨盤部のほか、腹部や乳房への応用も報告されていますが、臨床研究がもっとも積み重なっているのは前立腺です^[8]。

音速の仮定が位置の誤差になる

02章で見たとおり、装置は1540 m/sの1つの値で往復時間を深さに直しています。診断ではほとんど気にならないこの仮定が、mm単位で位置を測る治療では誤差の源になります^[10]。02章のアニメーションで脂肪の厚さを変えたときに見えた標的のずれが、まさにこれです。

Fontanarosaらは、CTの密度から音速の分布を推定して画像を補正すると、前立腺では構造物がプローブ側へ最大3.6 mm動いたと報告しています。肝臓では重心が6 mm以上動いた例もあり、乳房は最大1.3 mmと小さめでした^[10]。同じグループのファントム実験では、補正をしない運用で最大4 mm（超音波とCTを比べる運用）と3 mm（超音波どうしを比べる運用）の誤差が出た一方、計画CTを使って音速を補正すれば、組織の厚さが変わっても誤差は画像の分解能より小さく収まりました^[18]。

経腹超音波：普及した方法と、わかった限界

前立腺は骨盤の骨に対して毎日数mm動くため、軟部組織そのものを見る方法として超音波が使われてきました。初期の超音波IGRTは、恥骨の上からプローブを当てる経腹走査です。2003年のLangenらの研究は、この方式を前立腺内に留置した金マーカーによるX線画像での位置合わせと比べています^[12]。

頭尾と左右では超音波の結果がマーカーと系統的に食い違い、8人の操作者のあいだで寝台移動量の幅は平均で前後7 mm、頭尾7 mm、左右5 mmもありました^[12]。操作者によって結果が変わることが、超音波IGRTのいちばん大きな課題です。

もう一つの課題がプローブの押し込みです。Artignanらの健常ボランティア10名の測定では、きれいな画像を得るのに必要な押し込みは平均1.2 cmで、そのとき前立腺は平均3.1 mm、主に背側へ動きました。押し込みが1 cmまでなら全員で5 mm未満でしたが、2 cmでは5 mm未満に収まった人は40%だけでした^[11]。一方、経会陰の超音波で前立腺を見張りながら経腹プローブを当てた研究では、動きの平均は各方向とも±0.2 mm以内、最大でも2.6 mmでした^[17]。押す強さを一定にし、画像が出る最小限の圧で止めることが再現性を左右します。

経会陰超音波：照射中も前立腺を見続ける

近年広がっているのが、会陰部に3Dプローブを当てて固定する経会陰超音波です。英国の臨床試験の一部として行われた検証では、Elekta社のClarity Autoscanが推定した照射中の前立腺の位置と、ポータル画像で見た金マーカーの位置の差は、中央値で0.6 mm（95%一致限界2.5 mm）でした。金マーカーが超音波画像に写ったのは240回中3回だけで、装置はマーカーではなく前立腺の組織そのものの特徴で追っていました^[14]。同じグループの22名・330回の解析は、限界もはっきり示しています^[16]。

著者らは、熟練した操作者が欠かせないこと、施設をまたいだ教育と品質管理の基準が要ることを結論に挙げています^[16]。

膀胱容量の確認

前立腺や子宮の位置は、膀胱と直腸の中身で変わります。膀胱容量は、超音波で膀胱を数方向から測る専用の膀胱用スキャナーでベッドの上ですぐ測れます。英国のHyndsらは前立腺癌の30名で、全員に文書と口頭で同じ飲水の指示をしたうえで、計画CTの直前と毎回の照射直前に膀胱容量を測りました^[15]。

計画時の平均は282 mLでしたが、治療期間中の平均は189 mLまで下がり、尿がたまる速さも毎分4.6 mLから2.5 mLに落ちています^[15]。指示だけでは膀胱容量はそろわないので、測って、施設で決めた範囲で判断します。どの範囲なら照射してよいかに決まった正解はなく、前立腺のCBCTでの位置のずれと突き合わせて見直していくのが現実的です。

flowchart TD
    P["計画CT：膀胱容量を記録"] --> D["照射日：膀胱容量を測る"]
    D -- "範囲外" --> W["待つ・一部排尿"]
    W --> D
    D -- "範囲内" --> U["最小限の圧で前立腺を撮る"]
    U --> Q{"画質は十分？"}
    Q -- "いいえ" --> X["CBCTなど別の方法へ"]
    Q -- "はい" --> M["基準画像と照合し寝台を補正"]
    M --> R["照射・記録・別の人が見直す"]

小線源・処置・品質管理

小線源治療では、超音波は位置を測る道具であると同時に、針やアプリケータを入れるための目そのものです。画像がずれていれば、線源の位置も線量もずれます。

前立腺：経直腸超音波で見ながら刺す

前立腺の永久挿入（シード）治療と高線量率の組織内照射は、経直腸超音波（TRUS）で前立腺を横断像と縦断像で見ながら、会陰から格子状のテンプレートを通して針を刺します。米国小線源治療学会（ABS）の2012年のガイドラインは、この手技の患者選択から治療後の線量評価までをまとめ、挿入後60日以内のCTによる線量評価は品質保証に欠かせないとしています^[20]。

TRUSの画像はそのまま治療計画装置に送られ、前立腺の体積や針の位置の計算に使われます。だからAAPMのTG-128は、小線源用の超音波装置に絞った品質管理の項目を定めました^[13]。

項目の多くは、01〜03章で見た分解能・減衰・音速の話そのものです。欧州のGEC-ESTRO/ACROPは2020年に、TG-128を土台にしつつ、ステッパーの試験や、婦人科や肛門管など前立腺以外の部位まで対象を広げた勧告を出し、業者の保守点検の代わりにはならないことも明記しています^[21]。

婦人科：タンデムの穿孔を挿入中に見つける

子宮頸癌の腔内照射では、子宮の中にタンデムを入れます。このとき子宮の壁を突き破る子宮穿孔が起きることがあり、正面と側面のX線写真では見逃されやすいことが知られています。Smallらは、術後のCTで穿孔がわかり、2回目は術中の超音波で正しく入れられた症例を報告し、すべてのタンデム挿入で超音波をリアルタイムに使うことを検討すべきだとしています^[22]。標的を描く道具としても、MRIを基準に高リスク臨床標的体積（HR-CTV）の最大幅を比べると、TRUSとの差は平均0.0 ± 4.7 mm、CTは平均13.8 ± 6.7 mm大きく描いたという報告があります^[23]。

スペーサーとマーカーの留置

前立腺と直腸のあいだに吸収されるゲルを入れるハイドロゲルスペーサーは、経直腸超音波で前立腺と直腸の間の層を確かめながら注入します。222名のランダム化試験では、スペーサー群の前立腺と直腸の距離は12.6 ± 3.9 mmで、対照群の1.6 ± 2.0 mmより大きくあきました^[24]。

この試験では79.2 Gy/44回の画像誘導IMRTが行われ、ゲルは12か月のMRIで吸収されていました^[24]。位置合わせ用の金マーカーも経直腸超音波で見ながら入れますが、経会陰の超音波ではマーカーがほとんど写りません^[14]。マーカーはX線での照合用、超音波は軟部組織の照合用と、役割を分けて考えます。照合の考え方そのものは、乳房リニアックグラフィの記事で解説した「何を基準に合わせるか」と共通です。

品質管理の考え方

外照射で超音波を使うときの基準が、AAPMのTG-154です。超音波の物理の要点、計画と照射それぞれでの注意、品質管理の手順と頻度と許容値をまとめ、利用者の教育とピアレビューについても勧告しています^[7]。小線源のTG-128やGEC-ESTRO/ACROPの勧告とあわせ、どれも「位置の正しさ」と「画質」の2本立てで組まれています^[13][21]。リニアック全体の精度管理と並べて読みたい人は、AAPM TGレポートの読み方とTG-142とJASTROのQAガイドラインの比較もあわせてどうぞ。

よくある質問と確認リスト