【超音波の物理特性】音響インピーダンス・反射・屈折・減衰と生体組織の音速まとめ

## 第1章：超音波が媒体中で起こす物理現象

超音波は生体組織という「媒質」を伝わる機械的な振動（縦波・疎密波）です。そのため、媒質の物理的な硬さや密度によって、音速や進行方向、エネルギーの伝わり方が劇的に変化します。

国家試験の計算問題のベースとなる4つの超重要物理現象を、公式の変形パターンまで含めて完璧にマスターしましょう。

### 1-1. 音速の決定因子と波長・周波数の関係

超音波が伝わるスピード（音速）は、決して一定ではありません。また、音速が変化したときに「周波数」と「波長」のどちらが変化するのかを正しく理解することが、すべての計算問題のスタートラインです。

① 音速（C）を決める2つの因子

媒質中を伝わる超音波の（固有）音速 C は、媒質の体積弾性率（k：物質の硬さ・縮みにくさ）と、密度（ρ：物質の重さ）によって決定され、以下の公式で表されます。

$$C = \sqrt{\frac{k}{\rho}}$$

• 体積弾性率（k）が大きく（＝硬く）なるほど、音速 C は速くなる。
• 密度（ρ）が大きく（＝重く）なるほど、音速 C は遅くなる。

生体組織においては、一般的に「硬い組織（骨など）」ほど体積弾性率が圧倒的に大きいため、結果として音速が非常に速くなります。

② 周波数・音速・波長の絶対公式

波の基本公式であり、国試計算問題の最頻出公式です。

$$\lambda = \frac{V}{F} \quad （または \quad C = f \cdot \lambda）$$

• λ（ラムダ）：波長 [m]
• V または C：伝達速度（音速） [m/s]
• F または f：周波数 [Hz]

⚠️ 国試で100%狙われる「ひっかけ」の法則

超音波が「音速の異なる別の物質（例：脂肪から肝臓）」に進入したとき、周波数（f）は絶対に変化せず【一定】のまま保たれます。 変化するのは音速（C）であり、音速の変化に引きずられる形で波長（λ）が変化します。

• 音速が速い媒質に入ると $\rightarrow$ 波長は長くなる
• 音速が遅い媒質に入ると $\rightarrow$ 波長は短くなる

「周波数が変化する」という選択肢はすべて誤りですので、一瞬で見抜けるようにしてください。

### 1-2. 音響インピーダンスの定義と境界での反射

超音波検査で画面に白黒のコントラスト（エコー）が映る理由は、この音響インピーダンス（Z）の差にあります。

① 音響インピーダンス（Z）の公式

音響インピーダンスとは、音波の伝わりやすさ（あるいは突っ張り度合い）を表す固有の値です。

$$Z = \rho \times C$$

• ρ（ロー）：媒質の密度 [kg/m³] （※上付き文字を使用）
• C：媒質固有の音速 [m/s]
• 単位：[kg/(m²・s)] （※上付き文字を使用）

② 境界での反射メカニズム

超音波が媒質Aから媒質Bへと進むとき、2つの媒質の音響インピーダンスの差（Z₁ – Z₂）が大きければ大きいほど、その境界線で音波は激しく「反射」します。

• インピーダンス差が「中程度」： 一部が反射してエコーとなり、残りは奥へと透過します（理想的な画像描出）。
• インピーダンス差が「極大」（例：生体と空気、生体と骨）： 音波は境界線で「全反射」してしまい、その奥には全く進めなくなります。これが、エコー検査で空気や骨の奥が真っ黒な影（音響陰影）になって見えなくなる原因です。

### 1-3. スネルの法則に基づく屈折とその他の現象

音波が斜めに境界線へ進入したとき、音速の差によって進行方向が折れ曲がります。これが屈折です。

① スネルの法則（Snell’s law）

屈折の角度は、両媒質の「音速（C）のみ」に依存します（インピーダンスは関係ありません）。

$$\frac{\sin \theta_1}{C_1} = \frac{\sin \theta_2}{C_2}$$

• θ₁：入射角 （※下付き文字を使用）
• θ₂：屈折角 （※下付き文字を使用）
• C₁：媒質1の音速 （※下付き文字を使用）
• C₂：媒質2の音速 （※下付き文字を使用）

💡 角度の変化パターンを暗記

• C₁ < C₂ （音速が速い側へ進む場合）： sin θ₁ < sin θ₂ となるため、入射角よりも屈折角のほうが大きくなります（外側へ折れ曲がる）。
• 屈折は、画像上でターゲットの位置がズレて表示される「屈折アーティファクト（側方陰影など）」の直接的な原因になります。

② 干渉（Interference）と回折（Diffraction）

• 干渉： 複数の音波が同じ場所で重なり合ったとき、位相が揃っていれば強め合い、ズレていれば弱め合って振幅が変化する現象です。前述の「近距離音場」のムラや、プローブのフォーカス技術（電子フォーカス）に応用されています。
• 回折： 進行方向に障害物がある場合、波がその障害物の後ろ側に回り込む現象です。「障害物のサイズに対して、超音波の波長（λ）が大きいほど多く回り込む」という性質があります。

### 1-4. 距離と周波数に比例する減衰のメカニズム

超音波は生体内を進むにつれて、徐々にそのエネルギー（強さ・振幅）を失って小さくなっていきます。これを減衰（Attenuation）と呼びます。

① 減衰の原因（3大因子）

1. 吸収（メイン）： 音波の機械的な振動エネルギーが、生体組織の摩擦などによって「熱エネルギー」へと変換されて消失する現象です。減衰の大部分を占めます。
2. 散乱： 波長よりも小さな微小物体（細胞など）に当たった際、四方八方にデタラメに跳ね返ってしまい、直進するエネルギーが失われる現象です。
3. 反射： 境界線でエネルギーが手前に跳ね返るため、その分奥へ進むエネルギーが目減りします。

② 減衰量の計算公式

減衰量 [dB]（デシベル）は、進んだ距離と使用した周波数に綺麗に比例します。

$$\text{減衰量 } [dB] = \mu \times z \times f$$

• μ（ミュー）：媒質ごとの減衰係数
• z：超音波が通過した距離 [cm]
• f：超音波の周波数 [MHz]

📌 国試を解くための減衰の超原則

• **「距離（z）が遠くなる（深くなる）」**ほど、減衰量は大きくなる。
• **「周波数（f）が高くなる」**ほど、減衰量は爆発的に大きくなる。

1-3節で学んだ「高周波プローブは深部まで届かない」という臨床的特徴は、まさにこの減衰公式の物理的裏付けそのものです。

## 第2章：生体組織における音響特性と画像コントラスト

超音波検査の画像は、これまで学んだ物理特性（音速や音響インピーダンス）が生体組織ごとに異なることで作られます。

国試で絶対に落とせない「主要組織の物理特性一覧表」と、それが実際の画像上でどのようなコントラスト（見え方）になるのかを徹底解説します。

### 2-1. 主要な組織・臓器の音響特性（完全暗記表）

国試では、各組織の「音速の大小関係」や「具体的な数値」がダイレクトに問われます。以下の表の数値は、基準値として頭に叩き込んでください。

⚠️ 注意点（参考値としての扱い）

これらの値はあくまで平均的な参考値です。実際の生体では、測定時の周波数、体温、組織の線維化の度合いなどの体組成によって多少前後します。

### 2-2. 臨床画像におけるコントラストとアーティファクトの発生原因

上記の数値を踏まえると、なぜエコー画像であのような見え方になるのかが完璧に説明できるようになります。代表的な3つのパターンを解説します。

① 空気の境界：全反射で画像にならない

• 物理的背景： 空気の音響インピーダンス（0.0004）は、隣り合う軟部組織（約1.6）に比べて桁違いに小さいです。
• 画像への影響： インピーダンスの差が大きすぎるため、超音波は空気の表面でほぼ100%全反射してしまい、奥へ進むことができません。そのため、肺やガス（気体）が溜まった消化管の奥は、完全に情報が途絶えた真っ黒な影（音響陰影）になります。これが、検査時に皮膚とプローブの間にエコーゼリーを塗って空気を完全に排除する理由です。

② 水（嚢胞・腹水）：真っ黒に表示 ＋ 後方エコー増強

• 物理的背景： 嚢胞（水たまり）や腹水などの単純液体は、内部が均一で音を跳ね返す境界（反射体）がありません。さらに、軟部組織に比べて固体的な成分がないため、超音波がほとんど減衰せずに通過します。
• 画像への影響： * 内部は反射がないため無エコー（アネコー：真っ黒）として描出されます。
  • 音がほとんど減衰せずに水のエリアを突き抜けるため、水のすぐ後ろ（後方）にある組織には、周りよりも強い超音波が届くことになります。結果として、液体の後ろ側の組織が通常より明るく（白く）映る「後方エコー増強（Posterior echo enhancement）」という重要なアーティファクトが発生します。

③ 骨の境界：白く表示 ＋ 強烈なアーティファクト（クッキリとした影）

• 物理的背景： 骨は軟部組織に比べて密度が大きく、かつ非常に硬い（体積弾性率が巨大）ため、音速（4080 m/s）もインピーダンス（7.8）も突出して高いのが特徴です。
• 画像への影響： * 軟部組織との境界線で強烈な反射が起きるため、骨の表面は非常に輝度の高い「白（高エコー）」として鮮明に映ります。
  • しかし、骨の内部は超音波の吸収（減衰）が極めて激しいため、表面から一歩中に入ると音波は一瞬で消滅します。このため、骨の裏側には一切音が届かず、画像上では骨の後方にクッキリとした真っ黒な影「音響陰影（Acoustic shadow）」が形成されます。

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