Основные тенденции развития ультразвуковых методов диагностики
СтатьиОпубликовано в журнале:
Визуализация в клинике »» N20, Июнь 2002
BASIC TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF DIAGNOSTIC ULTRASOUND TECHNIQUES
О. Ю. Атьков
Atkov O.Yu.
Российский кардиологический научно-производственный комплекс МЗ РФ, Кафедра инструментальной диагностики медико-биологического факультета Российского государственного медицинского университета, Москва
Russian Cardiology Research Complex, RF Ministry of Public Health, Chair of Instrumental Diagnosis of the Medico-biological Faculty, Russian State Medical University, Moscow
Имея 30-тилетний опыт работы с диагностическим ультразвуком, автор дает оценку основным тенденциям его развития. Первая декада нового века ознаменуется значимым расширением диагностических возможностей ультразвуковых методов, в первую очередь, за счет внедрения новых технологий, использования вычислительной техники и альянса с фармацевтической индустрией. Такие понятия как ультразвуковая биомикроскопия, ультразвуковая оценка перфузии, локальная и органоспецифическая ультразвуконаправленная терапия войдут в обиход клиники. С развитием недорогих, портативных цифровых ультразвуковых систем расширится масштаб их применения; увеличение возможностей средств связи позволит передавать динамические изображения в экспертные центры из любой точки Земли. Прагматичный рынок визуализирующих диагностических технологий постепенно будет формироваться за счет безвредных, неионизирующих методов, позволяющих проводить многократные динамические исследования, т.е. ультразвук займет безусловно доминирующие позиции.
Having a 30-year experience with diagnostic ultrasound the author evaluates the basic trends in its development. The first decade of the new century will see an appreciable broadening of the diagnostic potential of ultrasound techniques, first of all due to introduction of the new technologies into clinical medicine, the use of computerized technologies and cooperation with the pharmaceutical industry. The modalities such as ultrasound biomicroscopy, ultrasound evaluation of perfusion, local and organ-specific ultrasound-oriented therapy will become popular in clinical medicine. The development of inexpensive, portable digital ultrasound systems will prompt the broadening of their application. The increase of the potencies of the communication facilities will make it possible to transmit dynamic images to the centres of experts from any corner of the Earth. The pragmatic market of visualization diagnostic technologies will progressively be formed owing to safe non-ionizing methods allowing to carry out multiple dynamic studies, i.e. ultrasound will undoubtedly have the dominating position.
(«Визуализация в клинике», 2002, 20: 4-8)
| Ключевые слова: ультразвуковая диагностика, перспективы развития, новые технологии. |
|
Key words: diagnostic ultrasound, prospects of development, new technologies. |
Современная ультразвуковая диагностика покоится на двух китах: методах получения двухмерного изображения и допплеровских режимах. За сравнительно короткий временной отрезок (40 лет) пройден огромный технологический и методический путь. Основные высокотехнологичные инструментальные фирмы Востока и Запада включили в номенклатуру своих изделий ультразвуковые диагностические приборы, и, вкладывая многие десятки миллиардов долларов США, постоянно их совершенствуют и развивают. В настоящее время ультразвуковое диагностическое оборудование, по данным экспертов из Великобритании, занимает 25% мирового рынка медицинских технологий. Развитие ультразвуковых методов нельзя отрывать от основных проблем медицины — причин возникновения болезней, их ранней диагностики и объективизации эффективности лечения. Несмотря на снижение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний (поданным мировой статистики), ситуация с «эпидемией №1» все еще остается далеко неблагополучной. Эффективное хирургическое и малоинвазивное лечение врожденных пороков, ИБС и других заболеваний сердечно-сосудистой системы приведет к росту случаев сердечной недостаточности и хронической недостаточности кровообращения в условиях демографического возрастного сдвига. Через 10-15 лет к нам придут пациенты, прооперированные в раннем детском возрасте по поводу врожденных пороков. Щадящая, малоинвазивная, бескровная хирургия в современной медицине идет рука об руку с терапией, которая становится все более «агрессивной». А если учесть, что наша цивилизация техногенная, то вполне вероятно, что человечество столкнется с новыми, еще неизученными болезнями. На таком фоне и находят свое развитие методы диагностики, среди которых значительное место занимает ультразвук.
Для достижения существенного прогресса в качестве ультразвукового (УЗ) изображения требуется значительное увеличение объема и точности содержащейся в нем информации. Именно увеличение объема и точности диагностической информации на УЗ изображении и служит главной целью развития современных технологий. В настоящее время новые подходы к получению и анализу информации можно разделить на относящиеся к визуализации в двухмерном режиме и относящиеся к допплеровским режимам исследования. В начале 90-х годов XX в. для улучшения визуализации внутренних органов была предложена методика, основанная на анализе гармоник.
В основе получения гармонических изображений лежит эффект нелинейного взаимодействия ультразвуковой волны с тканями организма. Раньше при построении В-изображений нелинейные сигналы от тканей не использовали, отсекая их фильтром. В новой технологии второй гармоники (тканевой или нативной) они используются в качестве основных при построении изображения. Изображение при этом содержит больше информации, что позволяет повысить четкость визуализации.
Гармонические колебания — непрерывные колебания синусоидальной формы, имеющие одну фиксированную частоту. При взаимодействии с веществом любой волновой гармонический процесс возбуждает в веществе собственные колебания. Для этих, вторично возбужденных в веществе колебаний характерна совокупность частот, которые кратны основной частоте, принятой от датчика (fundamental harmonic). Вторая гармоника (second harmonic) имеет частоту в 2 раза большую, чем основная. Третья гармоника имеет частоту в 3 раза большую, и так далее. Каждая последующая гармоника имеет гораздо меньшую амплитуду колебаний, чем основная, но современная техника позволяет выделить их, усилить и получить из них диагностически значимую информацию в виде гармонического В-изображения.
Каковы же преимущества гармонического В-изображения? Классическое В-изображение всегда содержит большое количество артефактов. Возникновение большинства из них обусловлено прохождением сигнала по пути отдатчика до интересующего объекта. Гармонический же сигнал преодолевает путь только из глубины ткани, где он собственно и возник, до датчика. Строится гармоническое изображение, лишенное большинства артефактов пути прохождения луча от датчика у объекту. Особенно это очевидно, когда изображение строится исключительно на основе второго гармонического сигнала, без использования основной гармоники.
Особенно полезна вторая гармоника при исследовании «трудных» для визуализации пациентов.
При определении рабочих характеристик ультразвуковых визуализирующих приборов датчики занимают фундаментальные позиции. Многое из наиболее значимых достижений в улучшении качества изображения и в результате роста наших клинических возможностей связано с инновациями в области разработки датчиков. Диапазоны рабочих частот современных датчиков находятся в пределах 3. 3-15 МГц и позволяют исследовать практически все внутренние органы и поверхностно расположенные анатомические образования и ткани с разрешающей способностью до 500 микрон. Однако неинвазивная визуализация внутренних органов зачастую бывает затруднена из-за анатомо-топографических особенностей залегания, препятствия со стороны естественных «рассеивателей» ультразвукового сигнала (костей и воздуха), а также увеличения «поглощения» и тем самым ослабления отражения сигнала, обусловленного физико-химическими свойствами жировой ткани. Поэтому технология изготовления датчиков претерпела существенные изменения.
В обычных узкополосных датчиках, работающих с классической второй гармоникой, посылается одна частота и принимается только кратная ей удвоенная. При работе же с широкополосными датчиками в ответ на излученный при сканировании широкополосный сигнал получают широкую полосу вторых гармоник. Широкополосная вторая тканевая гармоника обеспечивает сбор всех отраженных сигналов, что позволяет избирательно оптимизировать гармоники для каждого конкретного клинического случая.
Таким образом, широкополосная тканевая гармоника позволяет увеличить разрешающую способность ультразвуковой системы, редуцировать артефакты и потери информации, обусловленные глубиной залегания объекта исследования в теле, повысить контрастное разрешение и минимизировать реверберации. Тем самым повышается качество диагностики и снижаются затраты на проведение ультразвуковых исследований в целом.
Широкое применение получили датчики для полуинвазивных исследований и интраоперационного применения. Использование частоты до 30 МГц позволило добиться разрешения в 150 микрон и тем самым значимо повысить диагностические возможности при исследовании близко залегающих структур и органов.
Еще в 1949 г. советский ученый С. Соколов дал теоретическое описание «ультразвукового микроскопа» для визуализации непрозрачных объектов. Но в то время технического решения это открытие еще не имело. В середине 70-х в Стенфордском университете был создан первый прототип акустического сканирующего микроскопа (АСМ). При скорости распространения звуковых волн, равной 1600 м/с с применением 100 МГц акустической линзы разрешающая способность будет не ниже 16 микрон.
Этот метод может найти применение для исследования тканей во время операций, а также, вполне возможно, и при малоивазивных вмешательствах. Испытание АСМ в Японии показало его пригодность для интраоперационного типирования опухолевых тканей при раке желудка и почек. Эти данные были получены при использовании 200 МГц акустической линзы.
В настоящее время разработаны и проходят лабораторные испытания датчики для двухмерной визуализации с частотами в 30-50 МГц. Эти технологии, еще не нашедшие широкого применения, уже получили название «ультразвуковой биомикроскопии». По всей вероятности, в ближайшее десятилетие, благодаря развитию этого направления, мы сможем более пристально рассматривать эпителиальные и эндотелиальные ткани, а также исследовать кластеры перерождающихся клеток.
Еще одно техническое достижение, открывающее новые перспективы и возможности в ультразвуковой диагностике, — «трехмерное изображение» (3D). Первоначально 3D появилось в компьютерной томографии, поскольку вычислительные мощности позволяли суммировать параллельные срезы в единый объемный блок.
Еще несколько лет назад 3D воспринималось как практически мало нужное длительное по времени эстетство профессионалов ультразвуковой диагностики. Сейчас оно является неотъемлемой частью не только научных изысканий, но и практической диагностики. Все чаще можно встретить такие термины как «хирургия под контролем визуализации 3D», или «компьютерно-интегирированная хирургия», или «виртуальная колоноскопия».
Большое будущее подобных программ не вызывает сомнений, так как подобное техническое достижение облегчает труд диагноста и позволяет наглядно представлять анатомические особенности и патологические изменения в исследуемом организме.
Создание «интеллигентного» сверхбыстрого электронного датчика, по-видимому, является одной из важнейших сторон нового поколения 3D. Предыдущие являются комбинацией механического + элекронного. По-видимому, идеальным решением может быть 2D матрица датчика с тысячами пьезокристаллов с электронным управлением и фокусированием акустического луча.
Тем не менее, мы не должны забывать, что эхо-сигналы имеют серьезные ограничения в отношении акустических теней и рассеивания луча и поэтому не могут быть сравнимы с существующими томографическими изображениями (РКТ, МРТ) при создании трехмерных реконструкций.
Одним из последних достижений в области цветового допплеровского картирования (ЦДК) является ЦДК в энергетическом режиме. При этом на экране отображается цветовая кодировка интенсивности (мощности, энергии) допплеровского сигнала. Если имеются многочисленные движущиеся структуры, то допплеровский сдвиг частот пропорционален скорости их движения. На этом принципе основаны исследования в спектральных допплеровских режимах и ЦДК в скоростном режиме. Мощность (интенсивность) каждого допплеровского сигнала определяется количеством рассеивающих частиц в опрашиваемом объеме. Проще говоря, мощность допплеровского эхосигнала пропорциональна общему количеству движущихся частиц и рассчитывается как площадь под кривой спектра допплеровского сдвига частот.
Использование ЦДК в энергетическом режиме позволяет получать дополнительную информацию, преодолевая некоторые принципиальные ограничения, свойственные ЦДК в скоростном режиме. Свойствами ЦДК в энергетическом режиме являются:
Картирование потока на основе энергии отраженного допплеровского сигнала увеличивает чувствительность метода в определении наличия или отсутствия кровотока в исследуемых сосудах. Однако метод не дает информации о значениях скоростей и направлении кровотока.
Для ЦДК в энергетическом режиме, по сравнению с аналогичными режимами в обычных технологиях, характерен гораздо более высокий динамический диапазон полезных сигналов (вплоть до 100 дБ, по сравнению с обычными в 40 дБ), что позволяет рутинно регистрировать гораздо более слабые кровотоки и получать полезную информацию на гораздо больших глубинах.
Эффективная дискриминация движений в сочетании с повышенной чувствительностью и разрешающей способностью ЦДК позволяет, например, уверенно регистрировать кровоток в мелких сосудах почки вплоть до коркового слоя, даже при ее существенных движениях, связанных с дыханием.
Другим впечатляющим примером возможности данной технологии в цветовом допплеровском режиме является регистрация кровотока в коронарных сосудах при сканировании из трансторакального доступа.
Возможности современных спектральных и цветовых допплеровских режимов реализованы в еще одной новой технологии, которая получила название допплеровской визуализации тканей (Doppler Tissue Imaging, DTI). Основная область применения данной технологии — эхокардиография (для оценки, в том числе и количественной, движения миокарда). В последнее время появились сообщения о проводимых исследованиях по применению DTI для оценки движения стенок сосудов. Традиционное ЦДК в скоростном режиме используется в эхокардиографии для выявления регургитаций, сбросов и других патологических потоков в сердечных камерах. Для картирования движения миокарда ЦДК не подходит вследствие низких скоростей движения стенок сердца по сравнению с кровотоком в его камерах. Допплеровская визуализация тканей является первым методом, позволяющим проводить количественное измерение скоростей внутри ткани в режиме реального времени. Опрашиваемый объем можно расположить в любой точке внутри стенки сердца или сосуда и зарегистрировать спектр допплеровского сдвига частот из места опроса в режиме реального времени.
В режиме DTI низкоамплитудный сигнал от кровотока удаляется регулировкой усиления (gain), чтобы оставить только высокоамлитудные сигналы от движения сердечных клапанов, стенки сердца или сосудов. После анализа полученного допплеровского сигнала от движущихся тканей результаты кодируются в цветовой гамме.
Допплеровскую визуализацию тканей в скоростном режиме применяют для лучшей визуализации контуров стенок сердца и сосудов, выявления нарушения движения стенок, определения жизнеспособности тканей и при проведении стресс-эхокардиографии. DTI в энергетическом режиме применяют также для четкой визуализации контуров стенок и определения жизнеспособности тканей, а кроме того при проведении контрастного УЗИ. Цветовое картирование ускорения в режиме DTI находится в стадии исследования, и основные возможные области его применения — это оценка жизнеспособности тканей, оценка распространения сокращения в сердечной мышце и диагностика нарушений движения стенок сердца. Наиболее интересной и перспективной областью исследования является разработка диагностических подходов к определению нарушений проводимости сердца с использованием DTI в режиме цветового картирования ускорения.
Как и любой другой метод, допплеровская визуализация тканей имеет свои ограничения:
Основные клинические группы применения DTI — это больные ишемической болезнью сердца, больные с трансплантированным сердцем (оценка диастолической функции левого желудочка), а также кардиомиопатиями. Весьма перспективным направлением является использование DTI у пациентов с нарушением желудочковой деполяризации (синдромом Вольфа-Паркинсона-Уайта). Возможности использования DPI в этих целях находятся в стадии изучения. В области ангиологии возможность измерения скорости движения стенок сосудов позволяет подойти к оценке их эластических свойств. Первые исследования в этой области были проведены на аорте и сонных артериях.
Отдельной областью применения допплеровской визуализации тканей является возможность ее использования при проведении чреспищеводной эхо-кардиографии. Это новое направление может стать крайне полезным для оценки морфологии и функции сердца при его оптимальной визуализации.
Говоря о визуализирующих и допплеровских методах в ультразвуке, нельзя не остановиться хотя бы кратко на перспективах развития этих направлений в ангиологии.
В развитии инсультов повинны не только бляшки, резко суживающие просвет артерии, но и собственно их морфологическое состояние. В оценке морфологии бляшки важны следующие критерии: однородность, наличие дегенеративных процессов и изъязвленность. Ранние стадии процесса характеризуются утолщением интимы, появлением фиброзной бляшки. Она вначале однородная, гладкая и покрыта неповрежденной фиброзной капсулой. Далее с ростом бляшки в ней образуются участки неоднородной плотности и могут появиться кровоизлияния и зоны некроза. Впоследствии, при разрыве такие бляшки становятся клинически значимыми и считаются осложненными, т. к. вследствие этого могут развиться эмболы и/или тромбоз на поверхности бляшки. Дальнейшее может привести к окклюзии артерии и инсульту.
Одним из наибольших достижений ближайшего десятилетия будет развитие визуализирующих методов, описывающих количественно морфологическое состояние бляшек и связанных с этим заболеваний.
К ближайшим перспективам развития ультразвука в ангиологии можно отнести:
По-видимому, внутрисосудистые ультразвуковые исследования (ВСУЗИ) также найдут свое развитие, не взирая на сравнительную дороговизну применения одноразовых зондов. Показания к их использованию в диагностических целях будут касаться случаев рассогласования нестабильной клинической картины и вполне благополучных ангиографических данных.
Среди перспективных направлений ВСУЗИ можно назвать:
Описано несколько попыток разработки и использования впередсмотрящего ультразвукового катетера с механическим приводом. Пока очевидны трудности с интерпретацией полученных изображений.
Доказана возможность оценки механических свойств артериальной стенки при применении радиочастотного метода обработки эходанных. Таким образом, мы сможем судить об эластических свойствах конкретного сосудистого сегмента.
Последние 20 лет ряд фармацевтических фирм работает над созданием препаратов, повышающих диагностическую ценность ультразвуковых методов, так называемых эхоконтрастных средств. Уже сейчас можно сказать о достижении значимого прогресса в этой области.
90-е годы ознаменовались появлением эхоконтрастов, которые изучались во многих мировых медицинских центрах, и в результате некоторые из них были разрешены к использованию у больных. Внедрение эхоконтрастов в клиническую практику резко увеличит количество проводимых ультразвуковых исследований, при этом качество диагностики резко возрастет. По некоторым оценкам, около 1 млрд. долларов США было использовано фармакологической индустрией и исследовательскими центрами для разработки и оценки эхоконтрастных препаратов. Они уже продемонстрировали возможности эхоконтрастов для значимого увеличения чувствительности допплеровских методик. Это в свою очередь привело к появлению возможности лоцировать потоки в глубоко залегающих и мелких сосудах. Ряд эхоконтрастов способен усиливать серошкальное изображение. При этом появилась возможность идентифицировать зоны инфаркта миокарда и улучшить выявление опухолей почек и печени. В экспериментах на животных на моделях опухолей печени удавалось лоцировать структуры диаметром 2-3 мм за счет использования тканьспецифических веществ, захватываемых ретикулоэндотелиальной системой.
Другие уникальные средства находятся на этапе разработки. Так называемые вещества, имеющие тропность к тромбам, выполненные в виде «контейнеров», пристыковавшись к ним, способствуют более легкой их визуализации. Если подобные вещества имеют также и активную лизирующую субстанцию, то с помощью такого комплексного средства можно рассчитывать на комплексное диагностическое и лечебное воздействие. Усиливая мощность подводимой инсонации, контейнеры, содержащие тромболитические вещества, разрываются, и активное вещество попадает непосредственно к тромбу. Аналогичный принцип доставки лекарственного вещества в эксперименте изучался при опухолевых заболеваниях. Тем самым повышались как диагностические возможности ультразвуковых методов, так и направленное лекарственное воздействие.
Сочетанное использование технологии гармоник и эхоконтрастов повысит и длительность устойчивой визуализации при исследовании тканей.
Использование ультразвуковых систем с трех- и четырехмерным отображением информации как в серошкальном режиме, так и в цветовых модификациях, должно улучшить дифференцировку доброкачественных и злокачественных образований за счет возможности оценивать кровоток так же, как и при селективной ангиографии.
Но все эти новые эхоконтрасты пока еще находятся в стадии разработки и станут доступными для врачей в первой декаде XXI века.
Ультразвук, являющийся диагностическим методом №1 в кардиологии и акушерстве, потеснит РКТ, МРТ и радиоизотопные методы при исследовании также и мягких тканей. По оценочным данным, к 2010 г., благодаря очередному технологическому скачку, ультразвуковые методы с использованием различных типов контрастов завоюют 50% диагностического рынка для исследования внутренних органов и мягких тканей. Произойдет также существенное сокращение количества изотопных исследований в неотложной кардиологии, проводимых для выявления инфаркта миокарда, так как на смену им придет ЭхоКГ с контрастированием миокарда, способная отдифференцировать пораженный миокард от жизнеспособного.
Около 1/3 всех опухолей при обычном ультразвуковом исследовании имеют эхогенность сходную с эхогенностью здоровых тканей. Использование контрастирования при РКТ и МРТ исследованиях позволяет повысить разрешающую способность этих методов и различать сосудистый рисунок здоровой и поврежденной тканей. Аналогичный, а может быть и даже еще более точный ответ, может быть получен при эхоконтрастном ультразвуковом исследовании при очевидных преимуществах в стоимости исследования и возможности его выполнения.
Все больше и больше врачей из клиники приходят к необходимости осваивать ультразвуковую технику, поэтому очевидна необходимость качественной подготовки данных специалистов. Одновременно среди классических радиологов отмечается тенденция уделять большее внимание исследованиям по РКТ и МРТ. Поэтому ультразвуковые методы так легко растворяются среди врачей других специальностей. Клиницисты будут готовы (да во многом уже готовы) усилить свои диагностические возможности, используя ультразвук и контрастирование, обходясь зачастую без РКТ, МРТ и радионуклидных методов.
Тем не менее, только в стратегическом партнерстве специалистов ультразвуковой диагностики, радиологов и клиницистов может быть найден ключ к оптимальному диагностическому и лечебному использованию ультразвука.
Основные мысли, изложенные в этой работе, были высказаны автором в Актовой лекции, прочитанной в Российском кардиологическом научно-производственном комплексе МЗ РФ 27 декабря 2001 г.
