臨床工学技士問題表示
臨床工学技士国家試験
解説
超音波の生体内伝搬では、周波数が高いほど吸収・散乱による減衰が大きくなり、到達深度は浅くなる(軟組織での減衰係数は概ね0.5〜1 dB/cm/MHz程度)。一方で、同一開口径で比較すると周波数が高いほど波長が短くなりビームの指向性は高まる(開口径/波長の比が増大)。音速は媒質の弾性と密度で決まり、空気(約340 m/s)<軟組織(約1,540 m/s)<骨(約3,000〜4,000 m/s)の順に速い。音響インピーダンスは $Z=\rho c$ で与えられ、空気を多く含む肺は軟組織に比べて非常に小さく、界面で強い反射を生む。以上より、正しいのは「周波数が高いほど減衰が増加する」。
選択肢別解説
誤り。超音波の指向性は開口径に対する波長の比に依存し、周波数が高い(=波長が短い)ほどビームは絞られて指向性が高くなる。したがって「周波数が低いほど高くなる」は逆。
正しい。生体軟組織では減衰係数が周波数にほぼ比例し、周波数が高くなるほど減衰(dB/cm)が増えるため、到達深度は浅くなる(例:0.5〜1 dB/cm/MHz)。
誤り。軟組織中の音速はおよそ1,540 m/sで、空気中(約340 m/s)の約4〜5倍程度にとどまり、10倍(約3,400 m/s超)にはならない。
誤り。骨中の縦波の音速はおおむね3,000〜4,000 m/sで、軟組織(約1,540 m/s)より速い。よって「骨を通ると遅くなる」は不正確。
誤り。音響インピーダンスは $Z=\rho c$ に比例する。肺は多数の肺胞内に空気を含み、密度・音速とも小さいためインピーダンスは小さい。結果として軟組織-肺界面で強い反射が生じる。
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解説
音は媒質中の微小な圧縮・膨張(ひずみ)が隣接領域へ伝わる縦波(疎密波)で、物質そのものの移動ではなくエネルギーを伝える。音の強さは実効音圧と関係し、一般に音圧が高いほど知覚される音量も増す。一方、伝搬速度は媒質の体積そのものでは決まらず、媒質の弾性(体積弾性率など)と密度に依存する。流体中では $v=\sqrt{K/\rho}$ で表され、選択肢5は誤り。
選択肢別解説
正しい。音波は媒質中の粒子が平衡位置のまわりで振動し、その振動エネルギーが隣へ受け渡されることでエネルギーが伝わる。物質の大移動は伴わない波動である。
正しい。音の強さ $I$ は実効音圧 $p_{\mathrm{rms}}$ と媒質の密度 $\rho$、音速 $c$ に対して $I=p_{\mathrm{rms}}^{2}/(\rho c)$ で与えられるため、音圧が高いほどエネルギー密度が大きく、一般に知覚される音量(ラウドネス)も大きくなる(周波数依存などの聴覚特性はあるが本命題は妥当)。
正しい。音の伝搬には媒質の弾性的な変形(圧縮・膨張によるひずみ)が不可欠である。真空のように媒質がない環境では音は伝わらない。
正しい。空気や水中の音波は圧縮と希薄が交互に伝わる縦波であり、密度の高い部分(密)と低い部分(疎)が進む疎密波と表現される。
誤り。音速は媒質の体積そのものではなく、弾性と密度で決まる。流体では体積弾性率 $K$ と密度 $\rho$ により $v=\sqrt{K/\rho}$。固体の縦波ではヤング率 $E$ を用いて近似的に $v\approx\sqrt{E/\rho}$。したがって「媒質の体積で決まる」という記述は誤りである。
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解説
超音波の減衰は生体組織では周波数にほぼ比例して増大し、代表的には約0.5〜1 dB/cm/MHz程度であるため「高周波ほど大きい」が正しい。固有音響インピーダンスは $Z=\rho c$(密度と音速の積)で決まり、密度も音速も大きい骨は筋肉より明らかに大きい。音速は一般に気体<液体<固体で、脂肪は筋肉よりわずかに遅い(筋肉は脂肪より速い)。気体(空気)中では吸収・散乱が大きく減衰は軟部組織よりはるかに大きい。反射強度はインピーダンス差や境界の性状に依存し、血球は波長に対して非常に小さい散乱体でレイリー散乱となるため反射は弱く、骨の境界からの反射の方が大きい。
選択肢別解説
誤り。固有音響インピーダンスは $Z=\rho c$ で、骨は密度・音速ともに大きく、筋肉よりZが大きい。典型的に骨は数Mレイリー(MRayl)と大きく、筋肉は約1.6〜1.7 MRayl程度である。
$誤り。脂肪中の音速は筋肉中より一般に小さい(脂肪はおおむね約1450 m/s台、筋肉は約1540 m/s台が代表値)。したがって「脂肪中の音速が筋肉中より大きい」は不適。なお本文の「脂訪」は「脂肪」の誤記と考えられる(別途typo_check参照)。$
誤り。気体(空気)中の減衰はきわめて大きく、脂肪など軟部組織より小さいという記述は成り立たない。空気の吸収係数は代表的に数値で見ても脂肪よりはるかに大きい。
正しい。生体組織中の超音波の減衰(吸収+散乱)は周波数にほぼ比例し、高周波になるほど大きくなる。代表値として約0.5〜1 dB/cm/MHz程度で増加する。
誤り。血球からの反射はレイリー散乱で非常に弱い。一方、骨は周囲の軟部組織との音響インピーダンス差が大きく、境界で強い反射が生じるため、骨からの反射の方がはるかに大きい。
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解説
超音波画像計測では、組織間の音響インピーダンス差により反射が生じ画像化される。音響インピーダンスは $Z=\rho c$(密度と音速の積)で表され、一般に脂肪より実質臓器(例:肝臓)の方が大きい。高周波は体内での減衰が大きく到達深度が浅くなるため深部観察には不利で、深部にはより低い周波数を用いる。断層像(二次元画像)はBモードで得られ、Aモードはエコーの振幅を深さ方向に一次元表示する。ドプラ計測では、連続波ドプラは距離分解能がなく位置を特定した速度分布は得られない。一方、超音波造影ではマイクロバブル造影剤が広く用いられている。以上より、1と5が正しい。
選択肢別解説
正しい。音響インピーダンスは $Z=\rho c$ で、肝臓は脂肪より密度・音速ともに大きく、結果として音響インピーダンスも大きい。したがって脂肪—肝境界では反射が生じやすく、画像コントラストの源となる。
誤り。超音波の減衰は周波数に概ね比例して増大するため、高い周波数ほど到達深度が浅くなり深部観察には不向きである。深部臓器の観察には一般により低い周波数プローブを用いる。
誤り。Aモードは反射エコーの振幅を深さ方向に一次元で表示する方式で、断層像(二次元像)は得られない。断層像を得るのはBモードである。
誤り。連続波ドプラは送受信を連続して行うためレンジゲーティングができず、どの深さからの信号かを分離できない。したがって位置を特定した血流の速度分布は得られない(空間分解能なし)。
正しい。超音波造影剤としてマイクロバブル(微小気泡)が用いられる。強い散乱・非線形応答を示し、造影ハーモニック法などで肝腫瘍などの血流評価に用いられる。
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