超音波の原理とは？エコー画像を理解するための基礎知識

“超音波”という名前のとおり、原理は波の性質を使っているの。じつは、光も音も振動も基本的には波なのよね。Aさんは観覧車に乗ったことある？

観覧車を横から見たときに、最下点G席の位置をグラフに描くと、観覧車の大きさ・回転する速度で波形が変わってくるのがわかる（図１）？

そのとおりよ。１周期の時間の分数（１÷１周期の時間〈秒〉）が周波数といわれるもので、１秒間に何回観覧車が回転するかという感じね。周波数はHz（ヘルツ）という単位で表すわ。

周波数が20Hz〜20,000Hz（＝20kHz〈キロヘルツ〉）の波だと、人間の鼓膜を介して音として聞くことができるの。でも、20kHzを超える波になると、音として聞くことはできなくなるのよ。だから、「音を超える波」で“超音波”と呼んでいるの。

この波は、一定の時間をかけて遠い距離まで伝わっていくので、当然速度をもっているのね。この速度（v）を秒速〇〇mという感じで表し、図２のように波長（λ〈ラムダ〉）との関係で、波の速度＝波長×周波数という式で表すことができるの。

波と速度の関係は、理解しにくい部分よね。雷を例に挙げると、雷光、雷鳴、雷動（地響き）の順番に時差を伴って感じるのは、光の波、音の波、振動の波でそれぞれの速度が違うからよ（図３）。

そのとおり。すべては、波の数式で表せるみたいなのね。超音波の話に戻るね。音速は通常300m/秒くらいなので、超音波で使う周波数の5MHz（〈メガヘルツ〉MHzは100万Hz）だと、
300（音速）＝λ（波長の長さ）×5,000,000（周波数）
λ＝300／5,000,000＝0.00006（m）＝0.06mm
になるわ。
人が話すときの声の周波数は100〜300Hzで、波長は１〜3mになるのよ。超音波の波長は、人の声の5〜15万分の１しかないのよ。

この波長は、長くなる（周波数が高い）と分解能（音波をぶつけた物質を詳細に描く能力）は高くなり、透過力（物質の深くまで音波を届ける力）は弱くなる性質があるの（図４）。

反対に、波長が短くなる（周波数が低い）と分解能は低くなり、透過力は強くなるわ。体の中を探るためのエコーはある程度の分解能と透過力が必要で、観察部位の深さに応じて１〜10MHz帯の周波数が使われるみたいよ。

まあ、そうね。表１に、エコーの発信装置であり、また受信装置でもあるプローブの、よく使われる３つを示すね。３行目の周波数が大切よ。

周波数が大きいリニア型のプローブは、浅いところを見るのにすぐれていて、解像度がよくて繊細な画像よ。
リニアの語源は、ラインと同じリネアル（linear）、「線」という意味よ。プローブの末端が直線になっているから。

それから、先の小さなセクタ型のプローブは、周波数が小さいぶん解像度は落ちるけれど、透過力は高いので心臓など深いところを見るのに適しているわ。それに、低い解像度は血流側などの動きに追従できる利点もあるのよね。セクタ（secta）は「後に続く部分」とか「扇型」という意味で、画像が扇状になるのよ。

コンベックス（convex）は「複合」という意味で、リニア型とセクタ型の中間的な感じであることからね。これらは、超音波の周波数に依存した透過性と分解能の違いが原因よ。

そうよ。