白黒カラー超音波は、カラー超音波と呼べるのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Zeng Qiuyuchen (超音波研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

次のような場面を想像してみてください。健康診断のために病院に行き、カラー超音波検査室に入ると、医師が長い間お腹の上で謎の器具をいじり、診断報告書を発行します。レポートを手に取ると、レポートの画像セクションに印刷された次の画像がはっきりと見えます。

画像出典: 文書 1

あなたはレポートを見て困惑し、医師に尋ねます。「なぜ「カラー超音波」検査を受けたのに、レポートの画像は白黒なのですか？」

医師はレポートをちらっと見て、「はい、これはカラー超音波レポートです」と言い、次の患者を呼びに行きました。

あなたは疑問でいっぱいで、カラー超音波とはいったい何なのか、そしてなぜ「カラー」超音波が無色である可能性があるのか​​疑問に思っているのではないでしょうか。そこで、帰宅後、「カラードップラー超音波とは何か」をオンラインで検索してみると、次のような答えが返ってきます。

カラードップラーフローイメージング (CDFI) は、カラー超音波の略称です。カラードップラー超音波は、得られたドップラー情報を処理し、カラーグレースケールコーディングを使用して、異なる色と明るさで血流の方向と速度を識別し、それをB型超音波画像に重ね合わせます。

一連の説明を見ると、すべての単語は理解しているようで、それらをまとめると何を意味するのか全く分からないため、カラー超音波レポートがなぜ白黒なのかについてさらに混乱しているようです。

カラー超音波とは何か、なぜカラー超音波を行う必要があるのか​​、そして「なぜカラー超音波が白黒になるのか」という疑問を直感的に理解するためには、医療用超音波検査の歴史から始める必要があります。

最も初期の超音波 - A超音波

人が山頂に立って反対側の崖に向かって叫ぶと、音波は反対側の崖で反射され、エコーが発生します。物理学の知識があれば、叫んでから反響が聞こえるまでの時間差を測定することで、自分と反対側の崖の間の距離を計算することもできます。

画像ソース: askiitians

医療用超音波検査も同様の原理で機能します。超音波が医療検査の分野で初めて登場したとき、医師は現在よく見られる長くて平らな超音波プローブではなく、円筒形に近いプローブを使用していました。このプローブは長くて細い超音波ビームを生成します。

画像出典：著者撮影

細い超音波ビームが人体の中で伝播する際、異なる組織、または組織と臓器の境界に当たると、人体における異なる組織の物理的性質のわずかな違いにより、超音波の一部が反射されます。

画像出典：著者作成

プローブを使用してこれらの反射エコーを記録し、時間振幅の形式でオシロスコープに表示します。

人体における超音波の伝播速度は約 1540 m/s であるため、超音波プローブによって記録されたエコー時間と人体組織境界からプローブまでの距離を簡単に一致させることができます。

これは超音波医療検査の最も古い形式である振幅超音波検査（A 超音波とも呼ばれます）です。

画像出典：著者作成

A 超音波検査の機能は、人体を傷つけることなく、超音波プローブを使用して人体に小さな仮想の「窓」を開くことと同じです。医師はこのウィンドウを使用して、上の写真の心臓など、人体の特定の部分の人体組織にどの深さで変化が起こったかを把握し、既存の医学的知識に基づいて診断を行うことができます。

超音波は他の医療検査方法に比べて多くの利点があります。非侵襲性、放射線フリーであり、検査機器は小型で持ち運び可能、操作も簡単です。

しかし、人間の組織の構造は非常に複雑です。オシロスコープの波形を見て組織構造の変化を推測することは、身体を検査する方法としては非常に非直感的で、間違いを起こしやすい方法です。

B超音波への移行

上記の問題を解決するために、科学者たちは A 超音波に基づく超音波検査に一連の改良を加えてきました。

まず、科学者たちは超音波プローブに巧妙な改良を加え、機械的な回転や電子的な焦点合わせ（後者はビームフォーミングと呼ばれる）によって超音波ビームを複数の方向やターゲットに放射できるようにした。最も一般的な超音波システムでは、これらのビームは必要に応じて仮想の扇形または長方形の平面に結合されます。

画像出典: 文書2

画像出典: 文書3

第二に、科学者たちはレーダーの経験に基づいて超音波エコーを表示する方法を改善しました。単一ビームによって生成されたエコーでは、異なる深さにあるターゲットの有無に対応するエコーの高さが、走査線上の異なる深さにおける輝度情報に変換されます。

画像出典：著者作成

前述のビームフォーミング技術と組み合わせることで、人体内の複数の方向と位置で多数のスキャンラインを取得できます。これらのスキャンラインをつなぎ合わせると、人体の特定の場所の断面構造を反映した超音波画像が得られます。

画像出典：著者作成

この超音波検査技術では、人体の構造情報が、異なる位置にある異なる明るさの明るい点を通して表示されることから、輝度型超音波検査、または B 超音波と呼ばれます。

カラードップラー超音波がついに登場！

ではカラー超音波とは何でしょうか?簡単に言えば、科学者たちは、技術の進歩により、超音波エコーから人体の構造的位置情報を抽出できるだけでなく、ドップラー運動情報も抽出できることを発見しました。

誰もがこの光景を実際に、またはカメラで見たことがあるはずです。レーシングカーが鋭い轟音を響かせながらこちらに向かってきて、自分の位置を通過すると音が低くなります。これは1842年にオーストリアの物理学者ドップラーによって発見されたドップラー効果です。

動いている物体が観察者に向かって移動すると、その物体が発する音波は両者の相対的な動きによって圧縮され、周波​​数が増加して音が鋭くなります。逆に、物体が観察者から遠ざかると、音波は引き伸ばされ、周波​​数が低下し、より低い音になります。

画像出典: 文書4

科学者たちは、上記のB超音波に基づいて、特定の位置に対応するエコーが圧縮されているか、伸びているか、または同じままであるかを判断することで、血流があるかどうかなど、その領域に動く人体組織があるかどうかをさらに判断できることに気付きました。

画像出典：著者撮影

例えば、医師が上図のような姿勢で患者の首を診察すると、首の組織の断面画像を鮮明に見ることができます。

画像出典：著者撮影

これを踏まえて、カラー超音波機能をオンにすると、頸動脈の血液は心臓から脳へ、つまり超音波プローブの方向に向かって流れるため、画像では頸動脈領域が赤く表示され、動きの方向が正であることを示していることがわかります。頸静脈の血液は超音波プローブから離れて負の方向に流れ、青色で表示されます。

血管や筋肉などの他の組織はプローブに対して動かないので、ドップラー周波数シフトは発生せず、画面には表示されません。

以上の説明から、カラー超音波画像における色は、組織の動きの情報と組織の構造の情報とをより明確に区別できるようにするための単なる人工的な規制であることがわかります。カラー超音波と通常のB超音波の本質的な違いではありません。

カラー超音波画像の原理と目的に基づくと、特定の領域の血流がスムーズかどうかを確認するなど、多くのカラー超音波アプリケーションシナリオでは、組織の動きがあるかどうかを知るだけでよく、組織の動きの方向に関する情報は必要ないことは想像に難くありません。

この場合、超音波システムによって検出された動きの情報を白黒画像で表示することができます。

図中の撮像領域内の白い斑点と移動速度は、超音波システムによって検出された血流のドップラー運動情報に対応しています。画像出典: 参考文献 1

つまり、カラー超音波と通常のB超音波の違いは、表示色が増えるかどうかではなく、画像から人体組織の動きの情報が得られるかどうかであり、それが上の写真の内容です。

ということで、事件はこれで解決しました。カラー超音波は確かにさまざまな色を表示できますが、すべての画像に色を表示する必要はありません。

編集者：王婷婷

参考文献

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