Физические принципы и биоэффекты ультразвукового исследования в первом триместре беременности

Физические принципы и биоэффекты ультразвукового исследования в первом триместре беременности

Введение

Последние достижения в области ультразвуковых технологий наряду с растущим объемом литературы расширили роль акушерского ультразвукового исследования в первом триместре беременности. В настоящее время ультразвуковое исследование в первом триместре считается важным элементом ухода за беременными и клинически используется для точного определения даты беременности, оценки риска анеуплоидии и выявления основных пороков развития плода. Понимание основных физических принципов ультразвукового исследования необходимо для понимания управления прибором, а также для обеспечения безопасности и биоэффектов этой технологии. В этой главе мы представляем основные концепции физических принципов ультразвукового исследования, определяем важную терминологию и рассматриваем его безопасность и биоэффекты, особенно в отношении его использования в первом триместре беременности. В следующих главах будет представлена роль ультразвукового исследования в первом триместре беременности в датировании беременности и в скрининге пороков развития плода.

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

Звук — это механическая волна, которая распространяется в среде продольно и прямолинейно, передавая свою энергию от одной молекулы к другой. Следовательно, звук не может распространяться в вакууме, поскольку для передачи энергии ему требуется среда. Когда звук проходит через среду, молекулы этой среды попеременно сжимаются (сдавливаются) и разрежаются (растягиваются). Важно отметить, что молекулы колеблются, но не перемещаются, когда через них проходит звуковая волна. Семь акустических параметров описывают характеристики звуковой волны и перечислены в Таблице 2.1. В этой главе мы кратко обсудим частоту, мощность и интенсивность звука, учитывая их важность для безопасности ультразвука. Для получения более подробной информации и более широкого обсуждения физики ультразвука читатели могут обратиться к ссылкам по этому вопросу.¹, ², ³

Частота звуковой волны — это количество циклов, происходящих за 1 секунду. Единица измерения Герц равна 1 циклу в секунду. Частота является важной характеристикой звука при ультразвуковой визуализации, поскольку влияет на проникновение звука и качество изображения. В целом, более высокие частоты ультразвука обеспечивают лучшее качество изображения за счет проникновения в ткани. Мощность и интенсивность ультразвукового луча зависят от силы звуковой волны. Мощность — это скорость передачи энергии звуковой волной, выраженная в ваттах. Мощность можно изменять в большую или меньшую сторону с помощью регулятора на ультразвуковом аппарате. Интенсивность — это концентрация энергии в звуковой волне и, следовательно, зависит от мощности и площади поперечного сечения звукового луча. Таким образом, интенсивность звукового луча рассчитывается путем деления мощности звукового луча (Ватт) на площадь его поперечного сечения (см²), выраженную в единицах Вт на см².

Источник звука, которым является ультразвуковой аппарат и / или преобразователь, определяет частоту, мощность и интенсивность звука. Скорость распространения звука в мягких тканях постоянна и составляет 1540 м в секунду. Скорость распространения звука самая высокая в костях и самая медленная в воздухе. Вот почему использование медицинского ультразвука ограничено анатомическими областями, в которых присутствует воздух, такими как легкие или толстый кишечник.

Звук классифицируется в зависимости от способности человеческого уха его слышать. Звуки, воспринимаемые ушами молодого здорового взрослого человека, находятся в диапазоне от 20 до 20 000 циклов в секунду или Герц, сокращенно Гц, и этот диапазон называется слышимым звуком (диапазон от 20 до 20 000 Гц). Если частота звука меньше 20 Гц, он не может быть услышан человеком и определяется как инфразвуковой. Если частота звука превышает 20 000 Гц или кГц, он не может быть услышан человеком и называется ультразвуком или УЗ. Типичные частоты, используемые в медицинском ультразвуковом исследовании, составляют от 2 до 10 МГц (мега [миллион] Герц). Частоты ультразвука, которые обычно используются в акушерстве и гинекологии, составляют от 3 до 10 МГц.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

Ультразвуковые волны генерируются крошечными пьезоэлектрическими кристаллами, помещенными в ультразвуковые преобразователи. Когда к этим кристаллам подается переменный ток, они сжимаются и расширяются с той же частотой, с которой ток меняет полярность, и генерируют ультразвуковой луч. Ультразвуковой луч проникает в организм с той же генерируемой частотой. И наоборот, когда ультразвуковой луч возвращается к датчику, эти кристаллы меняют форму, и это незначительное изменение формы генерирует крошечный электрический ток, который усиливается ультразвуковым аппаратом для создания ультразвукового изображения на мониторе. Таким образом, пьезоэлектрические кристаллы внутри преобразователя преобразуют электрическую энергию в механическую (ультразвук) и наоборот. Резиновое покрытие ультразвукового преобразователя защищает кристалл и помогает снизить сопротивление передаче звука (импеданс) от кристаллов к телу и наоборот. Чтобы свести к минимуму воздействие воздуха, на кожу пациента наносится жидкий гель, облегчающий передачу звука к датчику и от него.

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

Современное ультразвуковое оборудование создает градуированное ультразвуковое изображение в серой шкале, посылая несколько звуковых импульсов от преобразователя в слегка отличающихся направлениях и анализируя отраженное эхо, получаемое кристаллами. Детали этого процесса выходят за рамки данной главы, но важно отметить, что ткани, которые являются сильными отражателями ультразвукового луча, такие как кости или воздух, будут генерировать сильный электрический ток пьезоэлектрическими кристаллами, который будет отображаться на мониторе в виде гиперэхогенного изображения (яркого) (Рис. 2.1). С другой стороны, слабые отражатели ультразвукового луча, такие как жидкость или мягкие ткани, приведут к слабому току, который будет отображаться на мониторе в виде гипоэхогенного или безэхогенного изображения (темного) (Рис. 2.1). Таким образом, ультразвуковое изображение создается на основе сложного анализа возвращающихся эхо-сигналов в формате шкалы серого. Учитывая, что ультразвуковой луч распространяется в продольном направлении, для получения наилучшего изображения необходимо поддерживать угол падения ультразвукового луча перпендикулярно интересующему объекту, поскольку угол падения равен углу отражения.

РЕЖИМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Ультразвук в режиме B

Ультразвук в режиме B, что означает “Режим яркости”, также известен как двумерная (2D) визуализация и обычно используется для описания любой формы отображения ультразвукового изображения в серой гамме. Изображение создается на основе интенсивности возвращающегося ультразвукового луча, который отражается в различных оттенках серого, формирующих ультразвуковое изображение (Рис. 2.2). Важно отметить, что В-режим получается в режиме реального времени, что является важной и фундаментальной характеристикой ультразвуковой визуализации. B-режим, или визуализация по шкале серого, является основным методом визуализации при ультразвуковом исследовании в первом триместре беременности и, как обсуждается далее в этой главе, он обеспечивает наименьшее количество энергии.

Ультразвук в М-режиме

Ультразвук в режиме M, что расшифровывается как “Режим движения”, представляет собой дисплей, который часто используется на ранних сроках беременности для оценки движения сердечных камер и клапанов плода с целью документирования сердечной деятельности. М-режим основан на пронизывающем тело одиночном луче с высокой частотой следования импульсов. На дисплее монитора отображается время отображения M-режима по оси x и глубина по оси Y (рис. 2.3).

Спектральная (импульсная) допплерография

Спектральные (импульсные) режимы допплерографии — это ультразвуковые дисплеи, которые зависят от принципа (эффекта) допплерографии. Принцип Доплера описывает видимое изменение частоты звуковой волны по мере приближения или удаления источника волны относительно наблюдателя. Это видимое изменение частоты, или то, что называется частотным сдвигом, пропорционально скорости движения объекта (ов), излучающего или отражающего звук, такого (ых) как эритроциты в сосуде. Этот сдвиг частоты отображается в графической форме в виде графика, зависящего от времени. На этом дисплее вертикальная ось представляет сдвиг частоты, а горизонтальная ось представляет временное изменение этого сдвига частоты в зависимости от событий сердечного цикла (Рис. 2.4). Этот сдвиг частоты наиболее высок во время систолы, когда кровоток самый быстрый, и наименьший во время конечной диастолы, когда кровоток в периферическом кровообращении самый медленный (Рис. 2.4). Учитывая, что скорость кровотока в конкретном сосудистом русле обратно пропорциональна сопротивлению кровотока ниже по потоку, следовательно, сдвиг частоты позволяет получить информацию о сопротивлении кровотока ниже по потоку в исследуемом сосудистом русле. Сдвиг частоты также зависит от косинуса угла, который ультразвуковой луч создает с целевым кровеносным сосудом (см. Формулу на рис. 2.4). Учитывая, что угол интонации (угол падения) трудно измерить в клинической практике, для количественной оценки доплеровских сигналов были разработаны индексы, основанные на соотношениях частотных сдвигов.

В режиме спектральной допплерографии количественную оценку сосудистого кровотока можно получить в любой точке кровеносного сосуда, поместив объем образца или затвор внутрь сосуда (Рис. 2.4). Оператор управляет шкалой скоростей, пристеночным фильтром и углом падения. Поток к датчику отображается выше базовой линии, а поток от датчика — ниже базовой линии. В режиме спектральной допплерографии обычно необходим только один кристалл, который чередует отправку и прием ультразвуковых импульсов.

Цветная допплерография

Режим цветовой допплерографии или режим цветового потока — это режим, который накладывается на изображение В режиме B в реальном времени. Этот режим используется для определения наличия сосудистого русла в облучаемой ткани (Рис. 2.5). По соглашению, если поток направлен к датчику, он окрашен в красный цвет, а если поток направлен от датчика, то в синий. Низкоскоростные шкалы и фильтры предназначены для низкоимпедансного сосудистого русла, такого как плацентарный кровоток (Рис. 2.5), а высокоскоростные шкалы и фильтры предназначены для высокоимпедансного кровообращения, такого как внутрисердечный кровоток (рис. 2.6). Для оптимизации отображения цветной допплерографии угол интонации должен быть как можно более параллелен направлению кровотока. Если угол инсонирования приближается к 90 градусам, цветовой поток отображаться не будет, поскольку “эффект Доплера” зависит от косинуса угла инсонирования, а косинус 90 градусов равен нулю (Рис. 2.7). Характеристики и оптимизация цветовой допплерографии в первом триместре беременности подробно обсуждаются в главе 3.

Режим допплерографии высокой четкости

Режим допплерографии высокой четкости — это чувствительный режим допплерографии, который доступен на некоторых ультразвуковых аппаратах высокого класса и полезен при визуализации сердца в первом триместре (Рис. 2.8). В первую очередь обрабатывается сила (амплитуда) отраженного сигнала. Угол инсоляции в режиме доплера мощности меньше зависит от угла инсоляции, чем при традиционном цветовом или спектральном допплере.

БИОЭФФЕКТЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА

Ультразвук — это форма энергии, и его мощность варьируется в зависимости от применяемого режима. Когда ультразвуковая волна проходит через ткани, поглощение энергии приводит к рассеиванию тепла, называемому тепловым эффектом ультразвука. Прохождение ультразвукового сигнала через ткани также оказывает прямое механическое воздействие за счет последовательности положительных и отрицательных давлений. Тепловое и механическое воздействие ультразвука отражается в двух важных показателях для измерения биоэффектов ультразвука: тепловом индексе (TI) и механическом индексе (MI). ИМ дает оценку кавитационного эффекта ультразвука, который возникает в результате взаимодействия звуковых волн с микроскопическими стабилизированными пузырьками газа в тканях. TI является предиктором максимального повышения температуры в клинически значимых условиях и определяется как отношение используемой мощности к мощности, необходимой для повышения температуры на 1 ° C. TI представлен в трех формах— тепловой индекс мягких тканей предполагает, что звук распространяется в мягких тканях и в первую очередь полезен в первом триместре; тепловой индекс кости (TIB) предполагает, что звук находится в кости или вблизи нее, полезен в конце второго и третьего триместров; тепловой индекс черепа (TIC) предполагает, что кость черепа находится в ближнем поле звукового луча, используется для обследования взрослых пациентов. Другие энергетические эффекты ультразвука включают физическое (ударная волна) и химическое (высвобождение свободных радикалов) воздействие на ткани.

При акушерском сканировании тепловой эффект (TI) ультразвука вызывает большее беспокойство, чем механический эффект (MI). Было показано, что гипертермия оказывает тератогенное действие на развивающийся эмбрион у различных видов.⁴,⁵ Поскольку тепловое воздействие приводит к повышению температуры в инсонифицированных тканях, следует соблюдать осторожность, ограничивая воздействие на эмбрион и плод минимальным временем, необходимым для диагностических целей, и польза для пациента всегда должна перевешивать риск. Общий порог на 1,5 ° C выше нормального физиологического уровня предлагается в качестве безопасного порога для диагностической визуализации.⁶

В 1992 году стандарт выходного дисплея (ODS) был введен для всех диагностических ультразвуковых устройств. В этом ODS производители обязаны отображать в режиме реального времени TI и MI на экране ультразвукового исследования с целью информирования пользователя о биоэффектах ультразвукового исследования (Рис. 2.9). Пользователь должен знать о выходной мощности и следить за поддержанием разумного уровня. Несмотря на отсутствие эпидемиологических исследований подтвержденных вредных биоэффектов от воздействия диагностического ультразвука, следует оценить потенциальную пользу и риск ультразвукового исследования и всегда соблюдать принцип ALARA (как можно более низкий, насколько это разумно достижимо), особенно при регулировке управления ультразвуковым оборудованием с целью минимизации риска. Это означает, что мощность ультразвука должна быть как можно ниже, а время воздействия ультразвука — как можно короче в рамках клинического ультразвукового исследования. Всегда следите за значениями TI и MI на экране ультразвукового исследования и следите за тем, чтобы TI был ниже 1, а MI — ниже 1 при акушерском ультразвуковом исследовании.

Биоэффекты и безопасность ультразвука — важная тема, особенно в том, что касается развивающегося эмбриона и плода на ранних сроках беременности. Руководящие принципы по этой теме предполагают, что при проведении ультразвукового исследования на ранних сроках беременности всегда следует сопоставлять пользу ультразвукового исследования с его риском. Акустические характеристики B-режима и M-режима, как правило, недостаточно высоки, чтобы вызвать вредные эффекты. Поэтому их использование представляется безопасным на всех стадиях беременности.⁷ Однако импульсная допплерография фокусирует энергию ультразвукового луча на небольшой анатомической мишени, и поэтому ее не следует регулярно использовать в первом триместре беременности.⁸ Его использование в первом триместре беременности должно быть ограничено клиническими ситуациями с явным преимуществом при беременности. При проведении ультразвукового допплерографического исследования отображаемый TI должен быть ≤1,0, а время воздействия должно быть как можно короче (обычно не более 5-10 минут) и не должно превышать 60 минут.⁸ Использование 3D и 4D ультразвука, как правило, связано с низким TI, сравнимым с использованием B-режима, и считается таким же безопасным, как и B-режим для акушерского сканирования.⁹

При попытке измерить частоту сердечных сокращений плода с помощью диагностической ультразвуковой системы Американский институт ультразвука в медицине (AIUM) рекомендует сначала использовать М-режим, поскольку усредненная по времени интенсивность звука, передаваемого плоду, при М-режиме ниже, чем при спектральной допплерографии.¹⁰ Если это не удается, можно использовать спектральное допплерографическое исследование со следующими рекомендациями: используйте спектральное допплерографическое исследование только кратковременно (например, 4-5 ударов сердца) и держите значение TI (TIS для мягких тканей в первом триместре беременности) как можно ниже, предпочтительно ниже 1 в соответствии с принципом ALARA. Однако важно отметить, что документирование сердечной деятельности на ранних сроках беременности также может быть достигнуто путем сохранения видеофрагмента в B-режиме.

Не сообщалось о каких-либо независимо подтвержденных побочных эффектах, вызванных воздействием современных диагностических ультразвуковых приборов, у пациентов-людей в отсутствие контрастных веществ.¹¹ Сообщалось о биологических эффектах (таких как локализованное легочное кровотечение) в организме млекопитающих при диагностически значимых воздействиях,¹² но клиническое значение таких эффектов пока неизвестно.

Национальные и международные общества УЗИ разработали официальные заявления, касающиеся использования медицинского ультразвука в акушерстве.⁷,⁸,¹⁰, ¹¹, ¹², ¹³, ¹⁴, ¹⁵, ¹⁶ Важно отметить, что официальные заявления общества, как правило, время от времени обновляются, и читателю следует ознакомиться с последними версиями на веб-сайте общества. Ультразвуковые исследования должны проводиться квалифицированными медицинскими работниками для оказания медицинской помощи пациенту. Воздействие ультразвука во время обследований всегда должно быть как можно более низким (ALARA).¹⁶ Знание биоэффектов ультразвука, принципа ALARA и стандарта отображения выходных данных является обязательным для медицинских работников, занимающихся ультразвуковой визуализацией.