超音波診断装置の発展とともに歩んできた超音波工学フェローの山崎が、超音波に関連する、技術、臨床から雑学、うんちくに至るまで、さまざまな話題を提供します。
今回は超音波画像のアーチファクトについてです。

超音波画像診断装置の原理は、「パルスエコー法」といわれ、生体内に向けてパルス波を送信してから反射波が戻ってくるまでの時間を測定して距離に換算した上で、反射波の強さの変化を、画像にしています。ここで超音波装置は、「プローブから発射した超音波は、狙った方向にまっすぐに進み、そのライン上にある反射体からの反射波がまっすぐにプローブに戻ってくる」ことを前提にして画像を構築していきます。

現実にはこの前提が崩れる現象が生体内でしばしば起きています。生体内を進んでいく超音波が途中でわき道にそれて超音波装置が想定していない方向に進んでいくことがあります。その先に反射体があると、（1）そこからの反射波が来た道と同じ経路を逆にたどってプローブまで戻ってくる場合と、（2）そこで反射した超音波がさらにわき道にそれていって二度とプローブに戻ってこない場合、の2つのケースがあります。どちらの場合にも、超音波装置が映像化すると、生体内に実際には存在しない虚像、アーチファクトが表示されることになります。

このミラーイメージを身近な素材を使ったファントム実験で再現してみましょう（図3）。

用意したのは、「こんにゃく」と「かまぼこ」です。こんにゃくの短辺の片側を斜めにカットします。そのカットした断面の少し上に小さな長方形の穴をくり抜き、同じ大きさにカットしたかまぼこを穴に詰め込みます。こんにゃくのもう片方の短辺にコンベックスプローブを当てて超音波画像を描出すると、あら不思議！！
こんにゃくを斜めにカットした先にも、なにやら構造物らしいものが映像化されています。これがミラーイメージとよばれるアーチファクトです。

図3の中央の画像を使って、アーチファクトが出現するメカニズムを解説します。

プローブから①の方向に発射した超音波は、かまぼこで反射して②の方向に戻ってきて映像化されます。これが真のかまぼこの画になります。
次に、プローブから③の方向に発射した超音波は、こんにゃくを斜めに切り落とした断面に到達します。断面の先は空気に接しているため、超音波はその先に透過することができず、この境界ですべて反射します。境界面に対する入射角と反射角は等しいという関係があり、③の超音波は④の方向に反射して、進んでいった先にあるかまぼこにぶつかります。ここで反射した超音波は、⑤、⑥と来た道と同じ経路を逆にたどってプローブに戻っていきます。

このとき、超音波装置は、「プローブから発射した超音波は、狙った方向にまっすぐに進み、そのライン上にある反射体からの反射波がまっすぐにプローブに戻ってくる」ことを前提にして画像を構築していますので、③の経路で進んでいった超音波は、こんにゃくの切り落とし断面に到達した後もそのまままっすぐに④’の方向に進んで行って、その先にある反射体からの反射波が、⑤’、⑥の経路でまっすぐにプローブに戻ってきたものと想定して（勘違いして）画像にします。その結果がこの画像です。

図2の臨床画像と対比してみましょう。こんにゃくは腹部実質臓器（肝臓）、かまぼこは肝臓内の高輝度の病変（図2には病変がありません）、こんにゃくの切断面が横隔膜、その先の空気は肺の実質に相当します。ミラーイメージでは、横隔膜を起点にして肝臓内の病変までの距離と、肺の中の虚像までの距離とが等しい位置関係にあります。読者の皆さんは、このファントム実験からその理由を容易に理解できたのではないでしょうか。
 

最近ではパソコンやスマートフォンの長時間の使用により手首の腱鞘炎に悩まされている人が増加していると聞きます。図4は、手首の親指側に生じる腱鞘炎（ドケルバン病）の超音波画像です。

外側陰影（がいそくいんえい）について、医用超音波用語集では、「腫瘤などの側面より後方に延びる音響陰影」と解説しています。

この外側陰影を身近な素材を使ったファントム実験で再現してみましょう（図5）。

用意したのは、「こんにゃく」、「ゴム風船」、「水」と「食塩」です。こんにゃくに直径約20mmの穴をあけ、水を封入したゴム風船を穴に挿入します。
こんにゃくの片辺にリニアプローブを当てて超音波画像を描出すると、皆さんが予想したとおりの画像、まん丸い嚢胞様（内部が低輝度エコー）の画像が描出されます。

次に、ゴム風船に封入する液体を食塩水に変えます。この食塩水は、飽和水溶液状態（水に溶ける食塩の量を最大にした状態）にします。このゴム風船をこんにゃくの穴に挿入して、同じように超音波画像を描出してみると、あら不思議！！
こんどは、こんにゃくに開けた穴の両側面から後方に延びる音響陰影、外側陰影が出現しました。
外側陰影は、音速が異なる2つの媒質の境界面で超音波が屈折することによって生じるアーチファクトです。この実験で使用したそれぞれの素材（媒質）の音速は実測していません。複数の文献を参考にして音速を大まかに推定しました。

こんにゃく：1,500～1,550m/s
ゴム風船に封入した水（20℃）：1,500m/s
ゴム風船に封入した食塩水（飽和水溶液、20℃）：1,680m/s

こんにゃく（音速：C₁）を進んできた超音波が液体（音速：C₂）を封入したゴム風船に到達すると、前述したスネルの法則に従って超音波が屈折してその先へと進んでいきます。このとき、C₁ < C₂のときに限ってラテラルシャドウが出現する場合があります。C₁ ≧ C₂の場合には何も起きません。
こんにゃくの音速C₁と水の音速C₂には、C₁ ≧ C₂の関係があるため、まん丸い嚢胞様の画像が描出されました。水に食塩を溶かしていくと音速C₂は上昇していきます。飽和水溶液の状態では1,680m/s（推定）まで上昇し、著明にC₁ < C₂の関係が成り立ち、期待とおりの外側陰影が出現しました。

次に、図6を用いて外側陰影が出現するメカニズムを説明します。

C₁ < C₂のとき、入射角θ₁ < 屈折角θ₂になることがポイントです。

1. 超音波が境界面に垂直に入射する場合には、反射波、透過波、どちらも入射波と同一の直線上を互いに逆方向に進むことになります（θ₁ =θ₂ = 0）。
2. 超音波が境界面に斜めに入射した場合には、超音波の入射角θ1と同じ角度で線対称の方向に反射波が進んでいき、透過波はθ₂の角度で屈折して先に進みます。このときθ₁ < θ₂の関係になります（C₁ < C₂のため）。
3. 入射角θ₁を大きくしていくと、あるところで屈折角θ₂が90度になります。この状態は、媒質2に超音波が透過しなくなる限界で、透過波は境界面をすべるように境界面の接線方向に進んでいきます。屈折角θ₂が90度になるときの入射角θ₁を、「臨界角」とよびます。
4. 入射角θ₁が臨界角を超えると、超音波は境界面で全反射して、その先へと進んでいく（透過していく）超音波はゼロになります。つまり、それより後方に超音波ビームが到達しないために無エコーになります。これが画像上で外側陰影とよばれるアーチファクトになります。

C₁ ≧ C₂の場合には、θ₁ ≧θ₂となり、θ₂が90度になることはなく、超音波が境界面で全反射する状態にはならないので外側陰影は出現しません。また、C₁ < C₂であっても境界面が平滑で球体（円筒形）に近い物体（病変）でないと著明な外側陰影は出現しません。この実験では、ゴム風船が境界面を平滑にする役割を果たしています。

それでは、ここでもう一度臨床画像（図4）を振り返ってみましょう。

生体内を進んでいく超音波が途中でわき道にそれて超音波装置が想定していない方向に進んでいくことがあります。その先に反射体があると、（1）そこからの反射波が来た道と同じ経路を逆にたどってプローブまで戻ってくる場合と、（2）そこで反射した超音波がさらにわき道にそれていって二度とプローブに戻ってこない場合、の2つのケースがあります。

（1）は「ミラーイメージ」とよばれるアーチファクトになり、（2）は「外側陰影」とよばれるアーチファクトになることを、こんにゃくを使った実験で解説しました。

実験に使ったこんにゃくは、このあと甘辛煮にしておいしくいただきました。