Истоки и эволюция диагностической медицинской сонографии

Истоки и эволюция диагностической медицинской сонографии

Задачи

Студенты, успешно завершившие эту главу, смогут выполнить следующее:

• Опишите эволюционную историю диагностического ультразвука.

• Назовите по крайней мере четырех ведущих пионеров диагностического медицинского ультразвука.

• Сравните методы визуализации, обсуждаемые в этой главе.

• Обсудите способы использования ультразвука в качестве терапии и для постановки диагноза.

• Опишите, как ручное ультразвуковое исследование влияет на клиническую медицину.

• Обсудите различия между 3D и 4D ультразвуком.

• Объясните особую важность ультразвукового исследования опорно-двигательного аппарата для сонографистов.

• Обсудите, почему ультразвуковая гармоническая визуализация превосходит традиционное ультразвуковое исследование.

• Объясните, чем высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук отличается от обычного ультразвука.

• Опишите особые преимущества эластографии.

Ключевые термины

абляция

силовой импульс акустического излучения (ARFI)

A-режим (амплитудная модуляция)

B-режим (модуляция яркости)

би-стабильный

кавитация

контрастные вещества

Эффект Доплера

эластография

расширенный (панорамный) обзор

целенаправленная оценка с помощью сонографии при травмах (FAST)

четырехмерная (4D) визуализация

визуализация слияния

визуализация в масштабе серого

портативные устройства (HCU)

гармоническая визуализация

высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук (HIFU)

интервенционное ультразвуковое исследование

M-режим (режим движения, или режим временного перемещения)

молекулярная визуализация

пьезоэлектрический эффект

визуализация в реальном времени

терапевтическое ультразвуковое исследование

трехмерная (3D) визуализация

ультразвук

расчет громкости (ВОКАЛ)

объемное изображение

Краткая история акустики

Таблица 1-1Цель этой главы — познакомить читателя с некоторыми важными вехами и пионерами в истории акустики и медицинского ультразвука (). Истоки диагностического ультразвука лежат в одной из древнейших наук — науке о звуке, или акустике, — которая восходит к древним грекам. Более ранние культуры, такие как египтяне, персы и китайцы, разработали музыкальные инструменты и заинтересовались тем, как создается звук. Однако систематическое изучение звука действительно началось с греческого математика Пифагора, который, как считается, родился около 550 г. до н.э.. Пифагор наблюдал взаимосвязь между высотой звука и частотой и, как считается, также изобрел сонометр, инструмент, используемый для изучения музыкальных звуков. Греческий ученый Архитас, пифагорейец и современник Платона, правильно показал, что высота звука связана с движением вибрирующего воздуха. Однако он неверно утверждал, что скорость, с которой вибрации передаются в ухо, является фактором, определяющим высоту звука. Только в 350 г. до н.э. Аристотель разработал теорию распространения звука, идею о том, что звук передается в уши за счет движения воздуха. Боэций сравнивал звук с водой (Вставка 1-1).

Вставка 1-1   Аналогия со звуковой волной

Римский философ Боэций сравнивал звуковые волны с волнами, возникающими при падении камешка в спокойный водоем.

Таблица 1-1

Исторические вехи в изучении звука: 500 До нашей эры до 1883 года ОБЪЯВЛЕНИЕ

Год

Индивидуальный

Открытие, теория, Изобретение, исследование

До 500 г. до н.э.

Египтяне, персы и китайцы

Развитые музыкальные инструменты и интерес к распространению звука

550 г. до н.э.

Пифагор

Наблюдал взаимосвязь между высотой звука и частотой; изобрел сонометр для изучения музыкальных звуков

428-347 до н.э.

Архиты Тарента

Определили природу звука: звук возникает при движении одного объекта, ударяющегося о другой

384-322 до н.э.

Аристотель

Разработал теорию о том, что звук передается в уши за счет движения воздуха

480-524 н.э.

Боэций

Сравнил звуковые волны с рябью, возникающей при падении камешка в спокойный водоем

1500 г. н.э.

Leonardo da Vinci

Считается, что возникла идея о том, что звук распространяется волнами; приписывают открытие, что угол отражения равен углу падения

1638 г. н.э.

Galileo

Продемонстрировано, что частота звука определяет высоту звука

1660 г. н.э.

Роберт Бойл

Популяризировал теорию упругости воздуха; предоставил доказательства того, что воздух необходим либо для производства, либо для передачи звука

1668 г. н.э.

Сэр Исаак Ньютон

Объявил теорию происхождения скорости: импульсы звукового давления передаются через жидкость; экспериментировал с демонстрацией скорости звука

1793 г. н.э.

Lazzaro Spallanzani

Наблюдали, что летучие мыши эффективно функционируют в темноте, даже будучи ослепленными, но не оглушенными, и предположили, что летучие мыши прислушиваются к чему-то, чего они не могут слышать

1818 г. н.э.

Augustin Fresnel

Создана теория дифракции волн

1842 г. н.э.

Кристиан Допплер

Исследовал влияние движения на высоту звука; сформулировал принцип, согласно которому происходит изменение частоты волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волны; Эффект Доплера назван в его честь

1880 г. н.э.

Жак и Пьер Кюри

Первые ученые, продемонстрировавшие прямой пьезоэлектрический эффект с использованием кристаллов кварца

1883 г. н.э.

Сэр Фрэнсис Гальтон

Изобрел ультразвуковой свисток после того, как заметил, что собаки и кошки могут слышать звуки, недоступные людям

Хотя ученые Ближнего Востока и Индии разрабатывали новые идеи о звуке, изучая музыку и разрабатывая системы теории музыки, изучение звука оставалось относительно бездействующим в средние века на Западе. Интерес к звуку возродился в Европе во время подъема научных исследований в эпоху Возрождения. В 1500 году Леонардо да Винчи (1452-1519) заинтересовался физическими свойствами звука. Считается, что он выдвинул идею о том, что звук распространяется волнами. Да Винчи также обнаружил, что угол отражения равен углу падения. Галилео Галилею (1564-1642) приписывают начало современных исследований акустики, подняв изучение вибраций до научных стандартов. В 1638 году он продемонстрировал, что частота звуковых волн определяет высоту звука. В начале восемнадцатого века сэр Исаак Ньютон (1643-1727) изучил скорость звука в воздухе и предоставил первое аналитическое определение скорости звука. Ньютон объявил о математическом выводе теории скорости, основанной на его выводах о том, что свет состоит из множества мельчайших частиц.

Не убежденный элементарной теорией света, выдвинутой Ньютоном, Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что свет состоит из волн. В 1687 году он начал исторический трактат по физике света, озаглавленный Traité de la Lumière, опубликовано в 1690 году. Принцип Гюйгенса утверждал, что каждая точка световой волны может быть объяснена миниатюрными “вейвлетами”, которые в совокупности образуют волновой фронт. Из своих теорий Гюйгенс смог вывести законы отражения и преломления. Позже работа Гюйгенса была доработана французским физиком Огюстеном Френелем (1788-1827), который предположил, что световые “волны” обладают той же частотой, что и их исходная волна (принцип Гюйгенса-Френеля). Эта теория стала важной для ученых, изучающих акустику, когда они начали сравнивать сходства и различия между световыми и звуковыми волнами.

В течение следующих двух с половиной столетий различные эксперименты проложили путь к нашему нынешнему пониманию основ акустики. Конец девятнадцатого века ознаменовал начало современного изучения акустики, когда были опубликованы Теория звука автор: британский ученый Лорд Рэлей (1842-1919). В своей замечательной книге Рэлей собрал, прояснил и расширил современные знания в области акустики. Первый том, посвященный механике вибрирующей среды, производящей звук, был опубликован в 1877 году, а второй том, посвященный распространению акустических волн, был опубликован в следующем году.

Природа ультразвука

Ультразвук описывает звуковые частоты за пределами (ультра-) диапазона нормального человеческого слуха (т.е. 20 Герц [Гц] и 20 килогерц [кГц]). Таким образом, ультразвук относится к звуковым частотам, превышающим 20 кГц. Один из первых экспериментов, связанных с ультразвуком, состоялся в 1793 году, когда Лаззаро Спалланцани (1729-1799), итальянский священник-ученый, изучал деятельность летучих мышей. Наблюдая, что летучие мыши могут эффективно функционировать в темноте, даже будучи ослепленными, но не оглохшими, Спалланцани предположил, что летучие мыши прислушивались к чему—то, чего он слышать не мог. Что именно это было, ускользало от него. Ответы на вопросы Спалланцани были даны 145 лет спустя, в 1938 году, когда Джордж Вашингтон Пирс изобрел “сверхзвуковой приемник”, прибор, который был способен улавливать высокочастотные писки, издаваемые летучими мышами, и преобразовывать их в звук, слышимый людям.

В течение богатого наукой девятнадцатого века появилось множество теорий, исследований и открытий о звуке. Важной среди них была теория влияния движения на высоту звука. В 1842 году австрийский ученый Кристиан Иоганн Доплер (1803-1853) сформулировал принцип, согласно которому при перемещении источника волнового движения изменяется видимая частота излучаемой волны. Сегодня это известно как Эффект доплера.

В 1880 году Поль-Жак Кюри (1856-1941) и его брат Пьер Кюри (1859-1906) открыли пьезоэлектричество. Эти исследователи установили наличие пьезоэлектрический эффект наблюдая, что определенные кристаллы слегка расширяются и сжимаются при помещении в переменное электрическое поле. Обратное пьезоэлектричество позволило одному и тому же кристаллу создавать электрический потенциал, или напряжение, что делает кристаллы полезными в качестве приемников и источников звуковых волн в диапазоне от слышимых до ультразвуковых частот. Их достижения в конечном итоге привели к разработке современного ультразвукового преобразователя.

Только в двадцатом веке ученые научились генерировать ультразвуковые волны и применять их в работе. До тех пор ультразвуковые волны были не более чем научным курьезом. Во время Первой мировой войны французские физики Поль Ланжевен (1872-1946) и Константин Чиловски (1880-1958) изучали контролируемую частоту и интенсивность звука и открыли способ использования свойства отраженных звуковых волн для обнаружения подводных объектов. Их устройство, гидрофон, широко использовалось для наблюдения за немецкими подводными лодками. В 1916 году, во время Первой мировой войны, была потоплена первая подводная лодка, обнаруженная с помощью гидрофона. Еще более важным был тот факт, что их исследования заложили основу для развития гидролокатора во время Второй мировой войны. Ланжевен также обнаружил вредное воздействие ультразвука на морскую флору и фауну после наблюдения, что, когда маленькие рыбки проплывали под ультразвуковыми лучами, они мгновенно погибали. Он осознал потенциальную мощь энергии, с которой имел дело, когда один из его ассистентов, ненадолго задержав руку на пути звуковой волны, почувствовал мучительную боль — как будто нагревались сами его кости.

Наука и промышленность ответственны за огромные успехи, достигнутые в понимании и совершенствовании ультразвуковой энергии. Такие промышленники, как Флойд Файерстоун, с его ультразвуковым изобретением, названным рефлектоскоп Мы использовали ее удивительную мощь и нашли ей множество применений, включая обнаружение дефектов в металле и очистку металлов.

Медицинское применение ультразвука

В 1927 году Роберт Уильямс Вуд и Альфред Ли Лумис впервые обсудили разрушительную природу ультразвука для биологических организмов и живых тканей. Воздействие высоких доз ультразвуковой энергии на организм столь же вредно, как атомное излучение. Эффекты, вызываемые высокоэнергетическими ультразвуковыми волнами, обычно необратимы и возникают в результате кавитации, интенсивных механических воздействий или интенсивного локального нагрева. Минимальная доза повреждающего ультразвука нелегко определить, и невозможно соотнести определенный тип повреждения тканей с универсально стандартизированной дозировкой. Однако при более низких дозах эффект может быть терапевтическим. Сфокусированные ультразвуковые волны высокой энергии используются для терапевтическое ультразвуковое исследование для удаления нежелательных тканей.

Ультразвуковые волны низкой интенсивности, с другой стороны, могут использоваться для визуализации внутренних органов неинвазивным и безболезненным способом. С конца 1960-х годов ученые исследуют мягкие ткани человеческого тела, видя с помощью звука. Одним из первых врачей, использовавших ультразвук в медицинских диагностических целях, был австриец Карл Дуссик (1908-1968). В 1940-х годах он использовал два датчика, расположенных на противоположных сторонах головы, для измерения профилей прохождения ультразвука. Он также обнаружил, что с помощью этого метода можно выявлять опухоли и другие внутричерепные поражения. Он назвал эти изображения мозга гиперфонограммы. Дуссик использовал A-режим (амплитудная модуляция), которая позволяет получать одномерное изображение.

Рисунок 1-1Разработка металлических дефектоскопов и военно-морского гидролокатора также сделала возможной работу трех независимых американских исследователей: Джорджа Людвига, Джона Уайлда и Дугласа Хоури. В период с 1947 по 1949 год Людвиг, военно-морской медицинский хирург-исследователь, присоединился к коллегам из Массачусетского технологического института. Используя исключительно исследования в режиме A, Людвиг смог успешно обнаружить камни в желчном пузыре, внедренные в ткани животных (). Уайлд, английский хирург, иммигрировавший в Америку, был первым, кто рассмотрел возможность использования ультразвука для определения толщины ткани. В своей работе в Университете Миннесоты он понял, что при ультразвуковом исследовании раковые ткани сильно отличаются от нормальных тканей. Вместе с инженером Джоном Ридом он сконструировал ранний прототип сканера молочной железы, в котором использовался подвод воды извне. В их методах В-режима (модуляции яркости) использовались 2D-представления интерфейсов, генерирующих эхо (рисунок 1-2). В 1955 году Уайлд и Рид представили первую статью об ультразвуковом исследовании, используемом в медицинских целях.1 Уайлд также был пионером в разработке ранних внутренних сканеров и изобрел ректальный датчик для получения изображений толстой кишки.

изображениеРИСУНОК 1-1 Сканирование Джорджа Людвига в режиме А.A, Джордж Д. Людвиг проводил эксперименты в режиме A для военно-морских сил США по выявлению наличия камней в желчном пузыре и других инородных тел, внедренных в ткани животных. Одной из его основных задач было установление физических стандартов скорости прохождения ультразвука через камни в желчном пузыре по сравнению с тканями. B, Сканирующий аппарат, используемый Людвигом для исследования передачи звука и акустических свойств тканей.

изображениеРИСУНОК 1-2 Сканер В режиме B.Джон А. Уайлд (слева) прикладывание сканера В режиме B к груди пациентки, пока Джон М. Рид управляет системой управления (внизу справа).

Рисунок 1-3В Денвере рентгенолог Дуглас Хоури работал независимо от других групп. Хоури интересовался диагностическим ультразвуком с 1948 года. В 1951 году, используя электронные компоненты, оставшиеся от войны, он сконструировал сканер “водного пути”. Ванна для стирки белья, а позже и резервуар для скота были первыми прототипами для хранения воды, в которую погружали объект или часть тела, подлежащую изображению (). К сожалению, полученные в результате одномерные изображения оказались разочаровывающе неполными. Хоури присоединился к своему другу и наставнику Джозефу Холмсу, который работал в Университете Колорадо в Денвере. Результатом их сотрудничества стала разработка составного сканера. Хоури и Холмс обнаружили, что при одновременном перемещении датчика в двух разных направлениях можно сформировать более полную анатомическую картину. Резервуар для скота в конечном итоге был заменен перевернутой башней орудия B-29, в которую погружали пациента и придавали ему вес, чтобы избежать появления артефактов движения, когда механически вращающийся датчик прокладывал путь в воде (Рисунок 1-4). Непрактичность использования этого метода на больных пациентах побудила двух ученых упростить процедуру и разработать в 1957 году сканер с водяной баней или “поддоном”, который позволял пациенту сидеть рядом с небольшим поддоном с водой, через который перемещался датчик.

изображениеРИСУНОК 1-3 Система иммерсионного сканирования “Cattle-Tank”.A, Датчик в сборе установлен на деревянной направляющей, проходящей по внешнему краю резервуара. Сам датчик был погружен в резервуар, заполненный водой. B, Горизонтальное ультразвуковое сканирование ноги человека, производимое сканером для крупного рогатого скота.

изображениеРИСУНОК 1-4 Дуглас Хоури и Джозеф Холмс разработали турельный сканер B-29 с водяной баней (ок. 1953-1954).Датчик в сборе установлен на кольце, окружающем резервуар. Такое расположение обеспечивает полный 360-градусный путь сканирования вокруг погруженного пациента. Датчик можно поднимать и опускать до желаемого уровня внутри резервуара. Второй двигатель перемещал датчик на 4 дюйма вперед-назад. Слева, На высокой консоли слева находилась электронная система; центр, консоль отображения; правильно, орудийная башня и лафет датчика в сборе.

Рисунок 1-5Их опыт в конечном итоге привел Хоури и Холмса к разработке составного контактного сканера, который обеспечивал прямое сканирование тела с использованием легкой пленки масла или смазочного геля для замены громоздкого водного пути (). Первые бистабильные изображения регистрировались на экране осциллографа с фосфорным покрытием в виде световых точек. Все эхо-сигналы, превышающие заданную амплитуду, отображались в виде световых точек постоянной интенсивности.

изображениеРИСУНОК 1-5 Первый составной контактный сканер Университета Колорадо.Он был сконструирован инженерами-консультантами Уильямом Райтом и Эдом Мейером для Джозефа Холмса. Система требовала, чтобы один человек вручную направлял закрепленную на потолке каретку датчика по телу пациента, поскольку датчик механически отклонялся на 30 градусов в каждую сторону от перпендикуляра. Второй человек управлял органами управления и камерой (слева). Эта система использовалась в 1960-х годах для разработки многих протоколов сканирования, которые практикуются до сих пор.

Основным ограничением бистабильной визуализации было то, что запоминающий люминофор был либо “выключен”, либо “включен”, и результирующее изображение было либо черным, либо белым. Таким образом, на эхо-сигнале с пороговой интенсивностью или выше будет отображаться белая точка на экране. Если бы уровень отражения эхо-сигнала был ниже установленного порогового значения, на экране не было бы видно точки эхо-сигнала.

Рисунок 1-6После того, как Хаури уехал из Денвера, чтобы работать в Массачусетском технологическом институте, Холмс тесно сотрудничал с Уильямом Райтом, инженером-электронщиком из Лавленда, штат Колорадо. Плоды их труда были реализованы в 1962 году с появлением первой коммерчески доступной портативной ультразвуковой системы, составного контактного сканера, известного как Physionics Engineering Porta-Arm (). Эта система получила признание и применение во всем мире. Работа Денверской группы считается одним из наиболее значимых новаторских вкладов в визуализацию в режиме B и контактное сканирование. Сканер Porta-Arm был прямым предшественником систем визуализации, используемых сегодня.

изображениеРИСУНОК 1-6 Сканер Porta-Arm.Инженеры Уильям Райт и Эд Мейер разработали этот портативный составной контактный сканер после создания собственной компании Physionics Engineering. Освобожденный от потолочного крепления и установленный на штативе с колесиками, механизм датчика, трехсуставная сканирующая рукоятка и механическая и электронная “коробка” могли перемещаться по калиброванной металлической направляющей. Горизонтальное или продольное расположение “руки” позволяло выполнять сканирование в двух плоскостях. Теперь один оператор мог управлять сканером, элементами управления и камерой.

В середине 1950-х годов акушер Ян Дональд, осведомленный о работах Хоури и японских исследователей, начал свое изучение диагностической ультрасонографии в Шотландии. Его интерес проистекал из опыта службы в Королевских военно-воздушных силах во время Второй мировой войны, во время которой он был свидетелем ультразвукового тестирования самолетов для определения напряжений и усталости металла. Дональд пообещал продолжить свою идею о том, что ультразвук можно аналогичным образом использовать на пациентах. С помощью сравнительных исследований удаленной опухоли и бифштекса (из местной мясной лавки) Дональд доказал, что эхо-паттерны опухолей отличаются от таковых в нормальной ткани. Эта работа проводилась на атомной котельной за пределами Глазго с использованием заимствованного дефектоскопа. Позже, снова используя заимствованное оборудование и технику A-mode, он начал выявлять кисты яичников, асцит и многоводие у своих пациентов. Дональду приписывают усовершенствование первого измерения бипариетального диаметра плода в режиме A, позволяющего с помощью ультразвука оценить возраст, вес и скорость роста плода (Рисунок 1-7).

изображениеРИСУНОК 1-7 Измерение головки плода и бипариетального положения.Слева, Сканирование головки плода в поперечном сечении, представленное в режиме B. Правильно, Изображение эхо-сигнала средней линии в режиме A. Считается, что это сканирование (ок. 1964 г.) было сделано с помощью диасонографа.

В 1957 году Дональд совместно с инженером-технологом Томом Брауном разработал контактный составной сканер, который они установили на прикроватный столик и подвесили над пациентом. Манипулируя датчиком вручную под столом, Дональд, используя технику модуляции яркости (B-режим), произвел первые грубые снимки плода. К 1960 году Дональд и Браун разработали механический секторный сканер, а позже ручной сканер — Диасонограф, который был пригоден для коммерческого распространения.

Хотя Дональд занимался исследованиями и разработкой ультразвукового оборудования, его основным интересом было применение диагностической ультрасонографии в его специальности акушерства и гинекологии. Ему приписывают вклад в диагностику многоплодной беременности, гидрамниоза и водянкообразной родинки, в дополнение к внедрению метода наполненного жидкостью мочевого пузыря, используемого на ранних сроках беременности и в гинекологических исследованиях. Его главное достижение произошло в 1954 году, когда он первым продемонстрировал плодный гестационный мешок, за что получил звание “Отца акушерского ультразвука”.

Рисунок 1-8Несколькими месяцами ранее, 29 октября 1953 года, Инге Эдлер (1911-2001) и его друг-физик Хельмут Герц, оснащенные ультразвуковым рефлектоскопом Siemens, сделали первые движущиеся снимки сердца. Используя методы A- и B-режимов, они добавили непрерывно движущееся отображение возвращающихся сердечных эхо-сигналов (). Сначала они были поставлены в тупик из-за невозможности идентифицировать различные модели движений, но затем Эдлер понял, что видит характерный рисунок передней створки митрального клапана. Их описание M-mode (режима движения) эхокардиографии положило начало новому диагностическому неинвазивному методу. Позже Свен Эфферт, поместив датчик непосредственно на сердце, смог подтвердить все предыдущие определения Эдлера и паттерны движений. Благодаря этой проверке диагностический потенциал эхокардиографии стал очевиден. Чтобы продолжить усилия в области кардиологии, Джон М. Рид, получив степень доктора философии в области электротехники (1957-1965), работал над эхокардиографией с кардиологом Клодом Джойнером. Вместе они создали и использовали первую в Соединенных Штатах систему эхокардиографии.

изображениеРИСУНОК 1-8 Раннее сканирование митрального клапана в М-режиме.Карл Хельмут Герц и Инге Эдлер разработали ультразвуковую технику для графического отображения движения сердца. Отраженная эхо-информация появлялась в виде яркой точки, движущейся по экрану, когда изображаемая структура перемещалась или меняла положение. Специальная камера и непрерывно движущаяся пленка отображали волнообразное движение эхо-точки, отраженной от внутрисердечных структур. A, Нормальные паттерны митрального клапана. B, Аномальная картина стеноза митрального клапана с плоской вершиной.

Применение ультразвука распространилось и на другие области медицины. Арво Оксала (Финляндия) и Гилберт Баум (Соединенные Штаты) были пионерами в области раннего офтальмологического ультразвука в 1950-х годах. Компания Oksala первой адаптировала методику A-mode для использования в глазу и правильно интерпретировала полученные данные офтальмологического эхокардиографического исследования. Баум изначально работал с презентацией в режиме A, но, недовольный ее недостаточной точностью, обратил свои усилия на применение методов B-режима в офтальмологии. Он и его коллеги были первыми, кто использовал ультразвуковые частоты от 10 до 15 МГц, что обеспечивало значительно более высокое разрешение. Бауму также удалось создать 3D-изображение глаз с помощью того, что он назвал “ультразвуковое оборудование третьего поколения ”B-mode». Система использовала последовательное сканирование на каждый миллиметр глубины глаза. Интерес к диагностическому ультразвуку быстро рос в Америке, что привело к тесному сотрудничеству между врачами, учеными, инженерами и производителями.

В начале 1960-х годов сотрудничество врача Дж. Стауффера Лемана (США) с профессионалами Smith-Kline Instruments привело к разработке и производству томографа с водяным мешком и контактного сканера В режиме B, а также систем для эхокардиографии в режиме A и M. Позже к Леману присоединился Барри Голдберг, который опубликовал множество публикаций по широкому кругу вопросов клинического ультразвукового исследования и был первым исследователем за пределами Европы, подробно описавшим методы и преимущества цефалометрии плода (1965). В Нью-Йорке Лайош фон Микски сосредоточил внимание на абдоминальных и эндоскопических ультразвуковых инструментах и создал одни из самых ранних абдоминальных, трансвезикальных, ректальных и трансвагинальных систем.

Впечатляющее применение ультразвука в офтальмологии произошло в конце 1960-х годов, когда Натаниэль Бронсон, работавший в Нью-Йорке, объединил две новые медицинские разработки. Первыми были крошечные щипцы, которые могли легко и точно захватывать небольшие предметы. Другое открытие было сделано после предложения финского ученого Арво Оксала использовать луч сонара, чтобы “видеть” изнутри глаза. Используя электронные компоненты, оставшиеся от войны, Бронсон собрал гидролокатор, который мог исследовать глаз снаружи. Затем он разработал ручной комбинированный гидроакустический преобразователь-зонд, достаточно маленький, чтобы работать внутри крошечных разрезов, используемых в глазной хирургии. Подключив зонд к небольшому экрану осциллографа для отображения эхо-сигналов, Бронсон протестировал зонд на каждом частичке инородного тела, которое предположительно могло попасть в человеческий глаз. В сентябре 1964 года в больнице Уолтера Рида впервые было использовано устройство Бронсона для успешного извлечения латунной полоски размером в четверть дюйма из глаза 11-летнего мальчика.

Годы биостабильности

С середины 1960-х годов ученые по всему миру изучали, как бистабильная ультразвуковая визуализация может улучшить клиническую диагностику. В Денвере Джозеф Холмс и его коллеги-акушеры Кен Готтесфельд и Гораций Томпсон получили гранты на исследования в различных областях, таких как поликистоз почек у взрослых, трансплантация печени, визуализация плаценты, диагностика внутриутробной гибели плода, смещения средней линии головного мозга у работников, подвергшихся воздействию промышленных токсинов, и исследования сердца в режиме A. Холмс, заинтересованный в образовании и научных исследованиях, расширил политику открытых дверей для всех лиц, интересующихся ультразвуком, чтобы они вы могли бы узнать об этом, наблюдая за повседневной работой его исследовательских и клинических лабораторий. Журнал регистрации посетителей быстро заполнился именами многих пионеров ультразвуковой диагностики, врачей и отдельных лиц, которые были — или вскоре станут — светилами в этой области. В дополнение к постоянным сессиям “покажи и расскажи” Денверская группа принимала активное участие в публикации исследований, организации многочисленных семинаров и конференций по ультразвуку, а также в чтении лекций на национальном и международном уровнях.

Пионеры медицинского применения

Биофизическое и терапевтическое применение ультразвука имеет более длительную историю, чем диагностическое применение. Среди основных вкладчиков в понимание применения ультразвука в областях биологии и медицины были Уильям Фрай, физик из Университета Иллинойса, и его брат Фрэнсис Фрай, основатель Исследовательской лаборатории биоакустики. При поддержке исследовательского гранта Военно-морского флота Уильям Фрай исследовал возможность того, что высокоинтенсивный ультразвук в конечном итоге может обеспечить неинвазивный хирургический метод с меньшим риском по сравнению со стандартной инвазивной хирургией. Он обнаружил, что она также дает уникальные преимущества в исследовании того, как функционирует мозг. Уильям разработал сложную систему, использующую систему нескольких преобразователей сфокусированных звуковых лучей высокой интенсивности, которые могут вызывать точечное поражение, не повреждая окружающие ткани. Позже Фрэнсис Фрай разработал компьютерный ультразвуковой прибор низкой интенсивности для визуализации мягких тканей. Вместе со своей коллегой Элизабет Келли он приступил к изучению использования ультразвука для выявления рака молочной железы. Сегодня почетный профессор Элизабет Келли Фрай признана одним из ведущих специалистов в области ультразвукового сканирования молочной железы.

Ранние исследования безопасности

2Безопасность ультразвука изучалась с момента его открытия. Еще в 1967 году Дональд провел обширные эксперименты, которые продемонстрировали отсутствие вредного воздействия ультразвука на клетки человека. Его работа согласуется с предыдущими японскими исследованиями на беременных крысах, которые не выявили побочных эффектов от воздействия ультразвука при низких уровнях мощности. Ранние исследования, проведенные в различных американских университетах Уэсли Найборгом, Полом Карсоном, Раймондом Грамьяком, Уильямом и Фрэнсисом Фраями, Уильямом О’Брайеном и Марвином Зискиным, были сосредоточены на эффектах ультразвукового воздействия in vitro, вызывающих нагрев, кавитацию (образование полостей, заполненных газом или паром) и образование пузырьков в тканях.3 В результате этих усилий был опубликован документ, озаглавленный Руководство по биологической безопасности.4 Примерно 20 лет спустя стало возможным изучить долгосрочные последствия для детей, которые подвергались внутриутробному воздействию ультразвука. Опять же, даже в этих лонгитюдных исследованиях не было продемонстрировано никаких побочных эффектов.5,6 Американский институт ультразвука в медицине (AIUM) опубликовал несколько заявлений, подтверждающих широко распространенное мнение о том, что клиническое использование диагностического ультразвука не вызывает каких-либо побочных эффектов у людей.

Революция серой шкалы

Рисунок 1-91950-е и 1960-е годы были золотым веком диагностической ультрасонографии, но проблема с бистабильными изображениями, доступными в то время, заключалась в том, что они не позволяли отобразить едва заметные амплитуды мягких тканей. Решение появилось в виде преобразователя аналогового сканирования, что стало результатом работы, начатой в Австралии Джорджем Коссоффом и Уильямом Гарреттом в 1969 году. С новыми системами преобразования аналогового сканирования, когда отраженные эхо-сигналы возвращались от тела, использовалась компьютерно-процессорная технология для обработки их в виде сигналов, что позволяло их “масштабировать”. Клинически значимые эхо-сигналы, отражающиеся от внутренней структуры мягких тканей, теперь можно отображать и записывать в различных оттенках серого на телевизионном мониторе. Этот прогресс был назван визуализацией в масштабе серого. В качестве дополнительного бонуса штангенциркуль теперь можно наносить непосредственно на экран, что значительно упрощает измерение интересующих структур (). Для записи изображений времени использовались видеокассета, эмульсионные пленки и устройства термопечати. С помощью Garrett Коссофф спроектировал и сконструировал составной сканер водных путей для акушерского применения. Их новаторские достижения в области визуализации в масштабе серого значительно повысили информативность изображений и произвели революцию в конструкции диагностического ультразвукового оборудования и его принятии.

изображениеРИСУНОК 1-9 Сравнительные снимки ранних бистабильных изображений и изображений в серой гамме.A, Би-стабильное, многоконтактное В-сканирование брюшной полости беременной, сделанное с помощью диасонографа, около 1960-х годов. B, Сканирование туловища плода и плаценты в масштабе серого, выполненное с помощью статического сканера Picker 80 L, примерно в начале 1980-х годов.

Рисунок 1-10В 1975 году Коссофф и его коллеги создали ультразвуковой сканер Octoson, быстродействующий многопреобразовательный сканер на водяной бане, который производил составные снимки с высоким разрешением с поразительной скоростью одного сканирования в секунду (). Непрерывные поиски улучшения разрешения и эхо-информации в конечном итоге привели к замене аналоговых сканирующих преобразователей цифровыми сканирующими преобразователями, способными сохранять эхо-сигналы в цифровом формате. Один из самых ранних цифровых сканирующих преобразователей был произведен в 1976 году и был способен воспроизводить 64 оттенка серого.

изображениеРИСУНОК 1-10 А, сонографист Пэм Фой демонстрирует работу Ausonics UI Octoson, первого коммерчески доступного томографа в масштабе серого. Программируемая система визуализации в водяной бане использовала восемь датчиков, установленных на устойчивой сканирующей матрице, для получения высококачественных, воспроизводимых серийных снимков в масштабе серого с высокой скоростью. Весь сканер был погружен в резервуар для воды, и пациент лежал на мягкой подставке из красного пластика, расположенной в верхней части резервуара над прозрачным листом плексигласа толщиной 2,5 мм. Стальная рама может скользить под одной стороной опоры для пациента. Б, Раннее сканирование кисты молочной железы методом серого сканирования Octoson.

Японские исследования в области диагностической ультразвуковой диагностики, начавшиеся в 1950 году, примерно соответствовали разработки, происходящие в Европе и Соединенных Штатах. Японцы уделяли допплерографии и эхокардиографии значительно больше внимания, чем ученые любой другой страны. В то же время, когда Коссофф и Гарретт совершенствовали свой сканер водных путей, Рокуру Утида и С. Ока создавали специальный аппарат для нового ультразвукового метода дробления камней в почках.

Доплеровская революция

В Соединенных Штатах серьезные ультразвуковые доплеровские исследования не проводились до конца 1950-х годов. Медицинский ультразвук использует эффект Доплера для распознавания эхо-сигналов от движущихся отражателей. В 1958 году Дональд Бейкер, разработавший несколько сложных имплантируемых расходомеров, присоединился к команде Роберта Рашмера и Дина Франклина. Этой группе из Вашингтонского университета приписывают разработку небольшого ручного портативного устройства непрерывной допплерографии для чрескожного применения. В 1964 году Юджин Странднесс, ординатор сосудистой хирургии, присоединился к группе для проведения клинических испытаний. Участие в проекте вдохновило его посвятить свою карьеру изучению и разработке неинвазивных методов измерения периферической сосудистой системы. Гигантский шаг вперед был сделан с его публикацией 1967 года, в которой определенные формы сигналов были присвоены конкретным состояниям заболевания.7

Рисунок 1-11Работа над применением импульсной доплерографии началась в 1966 году и завершилась в 1970 году разработкой первой импульсной доплерографической системы, созданной Бейкером и его коллегой Деннисом Уоткинсом под руководством Рейда (). Бейкер также работал над методом определения объема кровотока на основе измерений доплеровской велосиметрии. В 1974 году группа из Сиэтла разработала первый импульсно-доплеровский сканер, способный сочетаться с 2D-визуализацией в масштабе серого. Теперь стало возможным использовать визуализацию в масштабе серого для определения направления ультразвукового луча для получения доплеровского сигнала. Дополнительные ранние работы по импульсной допплерографии были проведены в Англии, Франции, Японии, Норвегии, Финляндии и Австралии.

изображениеРИСУНОК 1-11 Первая импульсно-доплеровская система.Эта система была разработана Дональдом Бейкером в Вашингтонском университете в 1966 году.

Следующий прорыв в области допплерографии позволил получить цветные сигналы скорости и изображения потока, наложенные на изображения в M-режиме и 2D серой гамме (1975). Ранние системы цветной допплерографии были ограничены вычислительной мощностью, отсутствием хороших дуплексных матриц и неадекватными алгоритмами и методами оценки частоты допплерографии. Японские исследователи Тихиро, Касаи, Короку, Дамекава и Омото продемонстрировали, что визуализация цветового потока в реальном времени возможна с использованием фазированного детектора. Их подход к картированию цветовых потоков используется и сегодня. Более того, он косвенно внес важный вклад в решение сложной головоломки медицинской диагностики, продемонстрировав, что сосудистость тканей увеличивается при наличии злокачественных состояний.

Раннее исследование сердца

Harvey Feigenbaum. (США), страстный сторонник области эхокардиографии, впервые опубликовал свою работу по ультразвуковому выявлению перикардиального выпота в 1965 году. Фейгенбаум был очарован этой техникой и стал неутомимым апостолом и наставником. Он организовал и провел несколько первых курсов эхокардиографии. Фейгенбаум опубликовал полный учебник под названием Эхокардиография в 1972 году вышло седьмое издание книги, которая до сих пор широко используется.

Грамиак и Шах из Университета Рочестера представили концепцию контрастной эхокардиографии в 1969 году, тем самым значительно продвинув ультразвуковое исследование сердца.

1970-е и 1980-е годы были богатым периодом, поскольку публикации Голдберга, Поппа, Де Марии, Киссло и других продвинули применение эхокардиографии в исследовании всех форм сердечных заболеваний. Поиск более совершенных эхокардиографических окон в сердце привел к разработке чреспищеводных преобразователей в 1980-х годах. В течение следующего десятилетия также были представлены бипланетные и многопланетные преобразователи с цветовым потоком и возможностью доплерографии, которые быстро стали незаменимыми в практике кардиологии.

В 1980-е годы также было создано множество новых компаний и коммерческих подразделений крупных корпораций, занимающихся производством ультразвукового оборудования. Picker, Toshiba, Aloka, KretzTechnic, Johnson & Johnson, Siemens, Unirad, Acuson, Diasonics, Philips и ATL были одними из крупнейших и наиболее успешных компаний по продажам в мире.

Революция в реальном времени

Визуализация в реальном времени относится к изображениям, получаемым автоматическими сканерами с достаточной скоростью для визуализации и регистрации движущихся структур, в дополнение к изображениям, получаемым стационарными отражателями эха. Первые движущиеся ультразвуковые изображения были получены с помощью прибора под названием a быстрый B-сканер, разработан немецкими учеными Краузе и Зольднером. В конечном итоге Siemens Medical Systems в 1965 году представила этот аппарат как систему Vidoson. В Vidoson использовались вращающиеся датчики, размещенные перед параболическим зеркалом в системе водяного соединения, и он производил 15 изображений в секунду. Полученные 120-строчные изображения имели хорошее разрешение и отображались в базовом формате серой шкалы. Однако система была относительно большой, поскольку корпус преобразователя был установлен на передвижной платформе и жестко соединен с главной консолью. Видосон 10 лет пользовался популярностью в Европе благодаря своей способности отображать и изучать движения, особенно сердцебиение плода, дыхание плода и общие движения тела плода. Канадский радиолог Фред Уинсберг был одним из первых сторонников Vidoson в Северной Америке. Он опубликовал многие из самых ранних работ по визуализации в реальном времени.

В 1973 году Гриффит и Генри из Национального института здравоохранения США создали механический осциллирующий сканер реального времени. Поскольку этот сканер был способен получать четкое изображение с 30-градусным сектором в режиме реального времени, он значительно продвинул развитие эхокардиографии.

Рисунок 1-12Первый многоэлементный линейный электронный матричный преобразователь был произведен в 1964 году Вернером Бушманом (Восточная Германия). Однако именно Мартин Уилкокс, основатель корпорации Advanced Diagnostic Research (ADR) Corporation, разработал один из самых популярных коммерчески доступных сканеров с линейной матрицей в режиме реального времени в 1973 году (). Сканер ADR установил стандарт для многих последующих разработок, поскольку был меньше и компактнее современных статических томографов. В 1975 году в новейшем устройстве ADR использовались методы фокусировки, которые были настолько популярны, что по всему миру было заказано беспрецедентное количество в 5000 единиц. Преобразователь с регулируемой фокусировкой на частоте 3 МГц был добавлен в 1980 году. Он может похвастаться механической и фазированной фокусировкой, улучшенным коэффициентом усиления, сниженным уровнем шума, переключаемыми фокальными зонами и гораздо более тихим преобразователем.

изображениеРИСУНОК 1-12 Линейно-матричная ультразвуковая система Advanced Diagnostic Research Corporation в режиме реального времени.Разработанный Мартином Уилкоксом сканер дебютировал в 1973 году, установив отраслевой стандарт визуализации органов брюшной полости и акушерства.

Изначально планировалось использовать меньшие по размеру сканеры реального времени только в дополнение к статическим сканерам. Более низкое разрешение, меньшее поле зрения и менее точные измерительные системы молодых сканеров реального времени вызвали нежелание переходить от статических сканеров к системам исключительно реального времени. В конечном итоге, по мере устранения этих недостатков, большие, громоздкие статические сканеры были быстро сняты с производства или заменены, поскольку стали очевидны преимущества значительно улучшенных сканеров реального времени. Новые системы были более мобильными и гибкими, и единственным оставшимся недостатком было ограниченное поле зрения систем. Массовый переход со статических сканеров на сканеры реального времени был осуществлен к 1985 году.

Одним из первых применений ультразвука, которое в конечном итоге получило широкое признание, был амниоцентез. Первоначально пациентов сканировали в лаборатории ультразвука, где определяли оптимальное место для проведения амниоцентеза. Затем пациентки возвращались в кабинет своего акушера для проведения процедуры. В конце 1970-х Джейсон Бирнхольц из Гарварда впервые предложил концепцию использования фазированной решетки в режиме реального времени для определения наилучшего места скопления жидкости и идентификации кончика иглы. Это позволило сделать процедуру более безопасной и удобной, которую можно было выполнять в ультразвуковом кабинете. Производители быстро разработали адаптеры для игл-направляющих, которые можно использовать для амниоцентеза и аспирации кист в органах брюшной полости. Выполнение инвазивных процедур с использованием ультразвука в режиме реального времени получило широкое признание, но от использования адаптеров для игл в конечном итоге отказались, поскольку их конфигурация часто ограничивала зоны размещения игл. Кроме того, необходимость стерилизации адаптеров для игл между процедурами означала, что они не всегда были легко доступны.

Эра сенсорных технологий

1980-е годы положили начало эпохе повышения разрешения изображений с помощью инновационных и сложных конструкций преобразователей. Сканеры реального времени теперь предлагают криволинейные (выпуклые) преобразователи, которые фактически заменили более крупные линейные матрицы. Технология кристаллов преобразователей достигла расцвета, обеспечив возможности широкополосного доступа, увеличенные массивы данных, более быстрое время вычислений, увеличенное количество фокальных зон и автоматическую регулировку усиления по времени. Устаревший аналоговый функции были заменены высокоскоростной цифровой электроникой. Эти прорывы были достигнуты в первую очередь благодаря технологическому прогрессу в немедицинских областях телекоммуникаций, радаров и бытовой электроники.

Рисунок 1-13Появление визуализации в реальном времени оказало наибольшее влияние на область акушерства и гинекологии (). Возможность визуализировать такие структуры, как желточный мешок плода, измерять длину темени и крестца и визуализировать сердечную деятельность плода на ранних сроках первого триместра беременности раздвинула границы репродуктивных знаний дальше и быстрее, чем когда-либо. Наблюдение за активностью плода и дыханием плода стимулировало интерес к ранней диагностике внутриутробных ограничений роста плода. Фрэнк А. Мэннинг, Лоуренс Д. Платт и Луиза Сипос представили концепцию биофизического профиля плода в 1980 году. Биофизический профиль плода используется для оценки самочувствия плода и может рассматриваться как внутриутробный ультразвуковой эквивалент американской общей оценки состояния у детей (APGAR). Состояния беременности высокого риска, такие как синдром двойного переливания крови, резус-несовместимость и диабетический эффект, теперь контролировались с помощью ультразвука, и полученная информация внесла большой вклад в ведение и успешные исходы таких беременностей.

изображениеРИСУНОК 1-13 Сравнение трансабдоминальной и эндовагинальной визуализации.A, В этом трансабдоминальном продольном сканировании используется метод полного мочевого пузыря для демонстрации раннего развития миомы в матке. B, Эндовагинальное сагиттальное сканирование показывает нормальную взрослую матку. Изображение с высоким разрешением показывает нормальную фазу пролиферации, утолщенный эндометрий.

Повторное внедрение эндокорпоральных датчиков в середине 1980-х годов стало благом для акушерской, гинекологической и урологической диагностики. Усовершенствованные датчики с более высоким разрешением позволили проводить более раннюю диагностику беременности и осложнений, в дополнение к более ранней диагностике доброкачественных и злокачественных образований. Возможность визуализировать малозаметные пороки развития плода, особенно до третьего триместра, открыла новые возможности в пренатальной диагностике. В 1985 году врач-сонолог Грег Де Вор (США) продемонстрировал ценность сочетания цветового допплеровского картирования кровотока с исследованием пороков развития сердца плода.

Применение ультразвука в режиме реального времени распространилось на множество медицинских специальностей, и его популярность продолжала быстро расти. В то время, когда многие из первых пионеров уходили на пенсию в этой области, люди, которых они наставляли, делали шаг вперед, чтобы исследовать дальнейший потенциал ультразвука. Кроме того, они взяли на себя дополнительную ответственность за создание образовательных программ по всему миру. Невероятный объем работ был выполнен такими светилами в этой области, как Стюарт Кэмпбелл (Англия); Уильям Гарретт (Австралия); Лайонс, Зауэрбрей и Куперберг (Канада); и Голдберг, Фейгенбаум, Леопольд, Тейлор, Хоббинс и Граннум (Соединенные Штаты). Артур Флейшер, Роджер Сандерс, Питер Каллен и Кэрол Румак стали авторами учебников, посвященных диагностическому медицинскому ультразвуку.К 1987 году сосудистая сонография стала стандартным диагностическим инструментом. Непрерывноволновое (CW) ультразвуковое исследование обеспечивало быструю и неинвазивную визуализацию периферической сосудистой сети. К середине 1990-х годов доплеровская аппаратура была включена в большинство ультразвуковых систем (Рисунок 1-14), а ультразвуковое исследование сосудов быстро стало методом выбора для диагностики тромбоза глубоких вен нижних конечностей. Развитие технологий также привело к появлению ряда новых сосудистых клинических применений (Вставка 1-2).

Вставка 1-2   Клиническое применение сосудистого ультразвука

Ультразвуковое исследование сосудов проводится для мониторинга притока крови к органам и тканям по всему телу, что помогает выполнять следующие действия:

1. Найдите и идентифицируйте закупорки (стенозы) и аномалии (например, бляшки или эмболы).

2. Планируйте эффективное лечение.

3. Обнаружение сгустков крови (тромбоз глубоких вен ([ТГВ])) в ногах или руках.

4. Определите, является ли пациент хорошим кандидатом для такой процедуры, как ангиопластика.

5. Оцените успешность процедур пересадки или обхода кровеносных сосудов.

6. Определите, существует ли расширенная артерия (аневризма).

7. Определите источник и тяжесть варикозного расширения вен.

8. Существует взаимосвязь между заболеваниями периферических артерий (PAD) и курением или невропатией.

Ультразвуковые допплерографические изображения могут помочь врачу увидеть и оценить следующее:

1. Закупорка кровотока (например, тромбы), сужение сосудов (которое может быть вызвано бляшками)

2. Опухоли

3. Врожденные пороки развития

изображение изображениеРИСУНОК 1-14 Ранние допплеровские исследования с использованием Diasonics 400.A, Изъязвленная бляшка сонной артерии, полученная с помощью механического секторного сканера с частотой 7,5 МГц. B, Нормальный доплеровский анализ сонной артерии. C, Сглаженный доплеровский спектр.

Внутрисосудистое ультразвуковое исследование (ВМУ) — идеальная технология для изучения прогрессирования, стабилизации и потенциального регресса коронарных атеросклероз. С изобретением и усовершенствованием IVUS теперь стало возможным вводить крошечный ультразвуковой преобразователь в коронарные артерии, чтобы получить изображение поперечного сечения изнутри наружу, показывая врачу, где заканчивается нормальная стенка артерии и начинается бляшка. Более того, исследователи смогли продемонстрировать характер тканиособенности коронарных бляшек. Мягкие бляшки состоят из липидных веществ, фиброза и различных количеств коллагена и эластина. Тромб состоит из достаточно организованного наслоения волокнистых тяжей, заполненных плотным скоплением красных кровяных телец. Способность отличать одно от другого имеет важное диагностическое значение.

Внутривенное введение занимает прочное место в лечении хронической венозной недостаточности и диагностике острых и хронических заболеваний вен. Внутривенное ВЛИВАНИЕ может быть полезным при дуплексном ультразвуковом сканировании; подкожной абляции с использованием лазерной, радиочастотной, паровой или пенной склеротерапии; установке стентов и внутривенных фильтров; и использовании венозного вливания, фармаком-механической тромбэктомии и компрессионных методов.

Гармоническая визуализация тканей

В конце 1990-х годов harmonic imaging возродила старые поиски характеристик тканей. Гармоническая визуализация это количественный метод различения различных типов тканей. В нем используется метод обработки сигналов, который улучшает качество изображения и контрастность тканей и преодолевает некоторые ограничения проникновения и разрешения, присущие традиционной сонографии. Это усовершенствование достигается за счет передачи на одной частоте (основной, или частоте первой гармоники), но приема эхо-информации на более высокой частоте (обычно второй гармонике). Гармоническая визуализация тканей важна в области диагностической сонографии, поскольку она предоставляет дополнительную информацию о структурах мягких тканей, подвергаемых облучению. Гармонические формы волн не создают артефактов, наблюдаемых на основных частотах. Расширена способность системы распределять разницу в контрасте (контрастное разрешение) между пикселями на мониторе и увеличивать пространственное разрешение (разделять объекты, расположенные близко друг к другу). Практический эффект заключается в уменьшении реверберации, аберрации луча и боковых лепестков луча, а также в повышении осевого, латерального и контрастного разрешения.

Рисунок 1-15Гармоническое доплеровское ультразвуковое исследование, используемое в сочетании с микропузырьковыми контрастными веществами, используется для улучшения определения кровотока в мелких сосудах за счет избирательного усиления доплеровского сигнала от крови и одновременного подавления эхо-сигналов от окружающих тканей. У некоторых пациентов метод контрастной гармонической визуализации может быть впечатляющим ().Он превосходит традиционную сонографию с точки зрения видимости образований и достоверности диагностики. Гармоническая визуализация особенно полезна при изображении кистозных поражений и тех, которые содержат ткани, такие как жир, кальций или воздух.

изображениеРИСУНОК 1-15 Гармоническая визуализация.Это изображение демонстрирует эффект акустической эмиссии после внутривенного введения контрастного вещества. Интенсивное эхо. (стрелки) возникают в результате разрыва микропузырьков контрастного вещества. Нормальная эхогенность печени в ближнем поле (N) восстановлено. Контрастное усиление (CE) ткани остаются эхогенными из-за присутствия неповрежденных пузырьков.

Сонография XXI века

Начало двадцать первого века стало свидетелем удивительного множества технических инноваций и новых и усовершенствованных клинических применений диагностической сонографии.

Трехмерная и четырехмерная ультразвуковая визуализация

Рисунок 1-16Внедрение трехмерной (3D) и четырехмерной (4D) ультразвуковой визуализации оказало непосредственное влияние на область акушерской сонографии. По сути, 3D-изображение похоже на 2D-изображение, за исключением того, что вместо того, чтобы звуковые волны посылались вертикально, они посылались под разными углами, и возвращающиеся эхо-сигналы можно использовать для построения и отображения объемного изображения в трех измерениях. Отображаемое объемное изображение обеспечивает программную визуализацию всех обнаруженных мягких тканей, которые могут быть получены в виде неподвижного изображения (). Добавив измерение времени, можно быстро снимать множество изображений подряд, создавая видеозапись движения объекта. Полученное 4D-изображение имеет преимущество перед 3D-визуализацией из-за получения в режиме реального времени и из-за того, как с изображением можно манипулировать по сравнению с постобработкой в 3D.

изображениеРИСУНОК 1-16 Трехмерные изображения, демонстрирующие поверхностные детали анатомии.Для создания трехмерных изображений ультразвуковая система определяет объем плода и реконструирует изображение в трех измерениях. A, Лицо плода с наложением рук в рот. B, Кулаки плода, закрывающие лицо. C, Стопы плода.

Благодаря 4D-визуализации повышается точность биопсии под ультразвуковым контролем, поскольку движения иглы видны в режиме реального времени во всех трех измерениях. Дополнительные преимущества 3D- и 4D-визуализации заключаются в том, что они сокращают время обследования, позволяют получать плоскости сканирования, которые невозможно сканировать в 2D, и предоставляют лучшую качественную и количественную информацию для повышения точности диагностики. Специализированные 3D-системы могут создавать расширенные или панорамные изображения всей интересующей области, а также предполагаемой патологии, тем самым расширяя диагностические возможности. Скорее всего, этот технологический прогресс имеет ценность, и его применение еще предстоит найти.

Специальное программное обеспечение под названием ВОКАЛ (расчет громкости) позволяет реформировать и визуализация изображаемой области интереса. Использование объемных данных для измерения ускоряет и улучшает оценку сложных анатомических и патологических структур.

Ультразвуковое исследование опорно-двигательного аппарата

Вставка 1-3Ультразвуковое исследование опорно-двигательного аппарата (MSUS) — полезный и универсальный метод исследования поверхностной патологии мягких тканей. Хотя сканирование MSUS практикуется с 1970-х годов, его расширение было ограничено ограничениями пространственного разрешения той эпохи. Визуализация опорно-двигательного аппарата в настоящее время заняла особую нишу благодаря внедрению нового поколения ультразвуковых аппаратов в режиме реального времени и поразительным достижениям в технологии преобразователей, которые позволяют визуализировать поверхность мягких тканей с исключительным разрешением. Эта способность постепенно революционизирует наше понимание патологии опорно-двигательного аппарата (). Несмотря на огромный потенциал, метод используется недостаточно, за исключением специализированных практик. MSUS имеет чрезвычайное значение для сонографистов, которые сами подвергаются высокому риску развития травм опорно-двигательного аппарата.

Вставка 1-3   Ультразвуковое исследование опорно-двигательного аппарата

Сканирование опорно-двигательного аппарата хорошо подходит для диагностики следующих состояний:

• Разрывы сухожилий (например, вращательной манжеты, ахиллова сухожилия)

• Мышечные аномалии (разрывы, образования мягких тканей)

• Сбор жидкости (кровотечение или другие скопления жидкости в мышцах и суставах); особенно помогает при обнаружении жидкости в болезненных тазобедренных суставах у детей

• Пункционная биопсия и / или аспирация

• Выявление опухолей (доброкачественных и злокачественных небольших опухолей)

• Выявление ранних изменений при ревматоидном артрите (РА)

• Вывих бедра у младенца

Рисунок 1-17MSUS пользуется популярностью у врачей спортивной медицины, поскольку может помочь в диагностике разрывов сухожилий и мышц. Визуализация MSUS полезна также для оценки массы мягких тканей; кровотечения или скопления другой жидкости в мышцах, сумках или суставах; и для выявления ранних изменений ревматоидного артрита (). MSUS является исключительным средством для демонстрации вывихов бедра у младенцев и детей в дополнение к наличию жидкости в тазобедренных суставах. Сонография опорно-двигательного аппарата может оказаться отличной альтернативой МРТ, поскольку она позволяет продемонстрировать структуру сухожилий и поскольку на нее не влияют кардиостимуляторы, ферромагнитные имплантаты или фрагменты внутри организма. Кроме того, это привлекательная альтернатива для пациентов, страдающих клаустрофобией.

изображение изображение изображениеРИСУНОК 1-17 А, Внутримышечная гематома. На изображении показан организованный сгусток крови неоднородного вида. Б, При сравнении нормального и поврежденного сухожилия выявляется очаг воспаления (стрелка). ПриС, тендовагините сухожилий разгибателей кисти наблюдается характерная безэховая жидкость (звездочка), окружающая сухожилие (Т). D, Жидкость внутри сухожильной оболочки создает эффект ореола (стрелки) вокруг сухожилия на поперечном изображении. Утолщение и набухание сухожилий сгибателей / разгибателей обычно вызывается повторяющимся прямым давлением, например, слишком сильным захватом датчика. Иногда называемую пальцем на спусковом крючке, эту изнуряющую травму часто получают сонографисты. E, изображение ахиллова сухожилия с расширенным полем зрения (EFOV). Гипоэхогенная область (стрелка) представляет собой жировую подушечку. Среди многочисленных причин повреждения ахиллова сухожилия — нарушения выработки коллагена (например, ревматоидный артрит), подагра, инъекции стероидов в сухожилие и внешние или хирургические травмы.

Компактные ультразвуковые системы

Портативные устройства (HCU) компактные ультразвуковые системы весом менее 10 фунтов. Эти системы карманного размера помогают переопределить физикальный осмотр и улучшить уход за пациентами, предлагая немедленный обзор помимо обычных показателей жизнедеятельности в месте оказания медицинской помощи. Миниатюризация стала возможной благодаря интеграции миллионов транзисторов на одном кристалле. Эти легкие мобильные системы способны проводить высокопроизводительные исследования. Встроенные решения для подключения обеспечивают простую интеграцию в сети архивирования и рабочие станции на базе PAC.

Рисунок 1-18Изначально разработанные для использования на полях сражений, эти компактные устройства впервые позволяют проводить ультразвуковую диагностику во многих самых отдаленных и суровых районах развивающегося мира. Эти устройства также регулярно используются в космической программе. Среди новейших разработок в этой области — карманные устройства размером не больше смартфона (). Этот технологический прорыв потенциально может сделать миниатюрные устройства такими же незаменимыми, как стетоскоп.

изображениеРИСУНОК 1-18 Миниатюрные портативные ультразвуковые аппараты, переносимые вручную.A, SonoSite M-Turbo предназначен для визуализации органов брюшной полости, нервов, сосудов и поверхностных образований. B, Функции Vscan от General Electric включают черно-белую и цветовую визуализацию кровотока, голосовые комментарии и ссылки на ПК для экспорта данных.

Целенаправленная оценка с помощью сонографии при травме

Многие пациенты, поступающие в отделение неотложной помощи, имеют такие травмы, как перитонеальное, плевральное или перикардиальное кровотечение, которые не выявляются при первичном физикальном осмотре. Хотя ультразвук используется в условиях неотложной помощи более трех десятилетий, только за последние 15 лет его ценность и популярность возросли. Выполняется в отделении неотложной помощи должным образом обученным и аттестованным персоналом, целенаправленная оценка от sonography in trauma (FAST) облегчает своевременную диагностику потенциально опасных для жизни кровотечений. Наличие небольших ультразвуковых аппаратов способствовало развитию этого специализированного применения; многие врачи-травматологи начали рассматривать ультразвук как идеальный метод первичной визуализации травмы. Это убеждение подтверждается тем фактом, что быстрое целенаправленное ультразвуковое исследование может быть выполнено немедленно и одновременно с другими реанимационными процедурами. Врачи-травматологи продемонстрировали, что они способны использовать FAST для ранней оценки состояния тяжелобольных и травмированных пациентов с достаточной специфичностью после прохождения официального и аккредитованного обучения. Большинство подготовленных врачей рассматривают ультразвук как инструмент, позволяющий ускорить принятие решения о хирургическом вмешательстве.

БЫСТРЫЕ методы наиболее полезны для пациентов, которые (1) нуждаются в неотложных процедурах у постели больного; (2) гемодинамически нестабильны, причина гипотензии неизвестна; (3) перенесли тупую и / или проникающую травму (особенно в верхней части живота и нижней части грудной клетки); и (4) требуют перевода в травматологический центр. Ультразвуковое исследование выгодно тем, что оно неинвазивно и выполняется быстро, а исследования легко повторяются и предназначены для дополнения других клинических исследований.

Транскраниальная допплерография

Транскраниальная допплерография (ТКД) — это ультразвуковая процедура, используемая для оценки кровотока в головном мозге. Она используется для диагностики эмболов, стенозов, спазма сосудов вследствие субарахноидального кровоизлияния (кровотечения из разорванной аневризмы) и других проблем. Она нашла применение при травмах, связанных со спортом, особенно при травмах головы. Ее использование для выявления известных или предполагаемых цереброваскулярных заболеваний и для скрининга детей, подверженных риску инсульта, также растет.

Интервенционное ультразвуковое исследование

Сонография стала предпочтительным методом визуализации для проведения чрескожных интервенционных процедур в диагностических или терапевтических целях. Наиболее важные достижения в интервенционное ультразвуковое исследование в 1990-х годах были достигнуты успехи в терапевтическом применении и разработке так называемых минимально инвазивных методов. Приложения для лечения скоплений жидкости, воспалительных заболеваний, а также доброкачественных и злокачественных опухолей стали стандартными, и их применение в кардиологических исследованиях значительно продвинулось вперед.

Интервенционная эхокардиография может использоваться для оценки таких процедур, как перикардиоцентез, эндомиокардиальная биопсия и вальвулопластика (восстановление клапана). Трансторакальный, эпикардиальный и чреспищеводный методы визуализации могут использоваться в операционной в качестве вспомогательного средства при многих видах кардиохирургических вмешательств.

В области интервенционного обезболивания ультразвук стал первым инструментом для демонстрации продвижения иглы в режиме реального времени и наблюдения за распространением местного анестетика вокруг нервных структур. В области лечения рака диагностический ультразвук чрезвычайно полезен при биопсии опухоли и при проведении брахитерапии (семян для лечения рака).

Ультразвуковое исследование с усилением контраста

В дополнение к компьютерным и электронным разработкам, которые расширили возможности ультразвукового исследования, значительный прогресс произошел в диагностическом использовании методов ультразвукового исследования с контрастированием. Молекулярная визуализация (визуализация активности опухоли на молекулярном уровне) была достигнута за счет увеличения отражения ультразвуковых эхо-сигналов и улучшения отношения сигнал/ шум. Новые контрастные вещества состоят из газовых растворов микропузырьков или твердых частиц, взвешенных в растворах или эмульсиях внутри тонкой оболочки. Когда контрастное вещество подвергается воздействию ультразвукового луча, изменения давления вызывают вибрацию микропузырьков. Эти вибрации и последующее разрушение пузырька создают сильное отраженное эхо, которое улучшает результирующие ультразвуковые изображения.

Вставка 1-4Клинические применения ультразвукового контраста продолжают расширяться по мере того, как микропузырьковые агенты становятся более безопасными и стабильными, а доступность ультразвуковых аппаратов становится все более распространенной (). Использование ультразвука с контрастированием теперь позволяет планировать и оценивать инвазивные процедуры. Контраст можно вводить перед процедурами абляции под ультразвуковым контролем. Сканирование с контрастированием после лечения может выявить любые области, пропущенные во время абляции, или участки повторного роста опухоли. Ультразвуковые методы с контрастированием, вероятно, будут играть важную роль в будущем клинической медицины (Рисунок 1-19).

Вставка 1-4   Значение ультразвука с контрастированием в медицине

Было показано, что ультразвуковое исследование с контрастированием повышает эффективность в следующих областях:

• Локализация и чрескожное дренирование скоплений жидкости (например, абсцессов, кровоизлияний, асцита, плеврального выпота и перикардиального выпота)

• Характеристика сложных кистозных образований или солидных поражений

• Оценка перфузии крови путем измерения скорости кровотока в сердце и других органах

• Руководство и мониторинг операций по удалению опухоли для выявления областей поражения сосудов перед операцией и улучшения последующего лечения

• Исследование аномальных сосудистых заболеваний

• Как преимущество целевого ультразвука: полезен при пренатальном скрининге и диагностике, а также для доставки антител, которые ищут мишени в эндотелии

• Улучшение выявления оптических нарушений: аномальных микрососудистых и макрососудистых нарушений; также для проведения точечной терапии

изображениеРИСУНОК 1-19 Улучшенная характеристика гепатоцеллюлярной карциномы (ГЦК) с использованием RES-специфичного UCA.A, Обычное ультразвуковое исследование выявило массу (стрелки) в правой задней доле печени, имеющей смешанную эхогенность. B, После введения контраста с использованием GSHI печеночная артерия и воротные вены заполняются контрастом (наконечник стрелы), и образование стало ярко эхогенным по сравнению с окружающей тканью печени в артериальной и портальной венозных фазах. C, При отсроченной визуализации поражение было гипоэхогенным по сравнению с окружающей тканью печени. Такая картина сонографии с контрастированием характерна для ГЦК.

Удаление опухоли

Универсальность диагностического ультразвука в качестве ориентира ценна при многих инвазивных процедурах. Его использование при радиочастотном абляция оказывает глубокое влияние на медицину и лечение опухолей, особенно для пациентов, которые не являются кандидатами на хирургическое вмешательство или химиотерапию. Ультразвук используется для направления введения радиочастотного или криотерапевтического зонда в опухоль и для контроля размера и положения очага поражения во время его разрушения. Ультразвуковая допплерография используется для наблюдения за кровотоком в опухоли до и после процедуры.

Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук

Относительно новой областью ультразвука является использование высокоинтенсивных сфокусированных лучей для удаления опухолей. Ранее для разрушения патологических тканей в хирургии использовались только химиотерапия и радиочастотные волны или криотерапия. Этот новый метод термоабляции обеспечивает непрерывноволновый ультразвук. Абляционный метод прямо противоположен импульсному ультразвуку, используемому для визуализации.

Методы термической абляции имеют явное преимущество перед хирургической и стандартной лучевой терапией и радиохирургией, поскольку они позволяют избежать токсичных и часто серьезных побочных эффектов, связанных с этими традиционными методами лечения. Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук (HIFU) позволяет с предельной точностью концентрировать до 1000 пересекающихся пучков ультразвуковой энергии на мишени диаметром всего 1 мм глубоко в теле. Это очень похоже на использование увеличительного стекла для фокусирования нескольких лучей света в одной точке. Когда каждый отдельный луч сфокусированного ультразвука проходит через ткань, он не оказывает никакого эффекта. Но там, где лучи сходятся на цели, эффект очевиден, подобно тому, как сходящиеся лучи света прожигают отверстие в листе.

Ультразвуковая эластография

Рисунок 1-20Привычным клиническим методом обнаружения твердых образований является прикосновение, или пальпация. Если пальпируется твердая масса, давление заставляет ее двигаться в соответствии с ее составом. Исследования показали, что раковые опухоли намного жестче нормальных тканей и, следовательно, обладают очень низкой эластичностью. Благодаря передовым ультразвуковым системам специальные преобразователи и программное обеспечение могут определять границы и текстуру ткани и предоставлять данные для измерения жесткости ткани. Метод, известный как импульсное акустическое излучение (ARFI), заменил старый метод сжатия человеческой руки во время сканирования. Одним нажатием кнопки выполняется эластограмма и В-сканирование. Эластография позволяет выявлять опухоли и плотную волокнистую ткань, которая растет вокруг злокачественных опухолей (). Тип ткани характеризуется сравнением изображений в оттенках серого и эластограммы. Часто неправильную форму опухоли также легче измерить с помощью эластографии. Эластография также была бы полезна для визуализации того, сколько злокачественной ткани остается после удаления опухоли.

изображениеРИСУНОК 1-20 Эластография позволяет отличать доброкачественные и злокачественные опухоли от окружающих нормальных тканей. Тип ткани характеризуется сравнением исходной сонограммы и соответствующей эластограммы. Доброкачественные опухоли более мягкие и поддаются сжатию, тогда как злокачественные опухоли твердые и несжимаемые.

Ранние работы с эластографией были сосредоточены на выявлении опухолей молочной железы, но эластограммы также используются для визуализации женского таза, предстательной железы, печени, щитовидной железы и опорно-двигательного аппарата. Проводятся клинические исследования с целью определите, полезно ли сочетание эластографии с эндоскопическим ультразвуковым исследованием для дифференциации доброкачественных и злокачественных лимфатических узлов, очаговых образований поджелудочной железы и других образований, расположенных вблизи желудочно-кишечного тракта. Каким бы многообещающим ни было использование эластографии для оценки опухолей, не все злокачественные опухоли являются полностью солидными. Текущие исследования сосредоточены на отторжении трансплантатов почки и определении возраста тромба при тромбозе глубоких вен, чтобы ответить на клинический вопрос о том, является ли тромб острым или хроническим.

8Продолжающиеся исследования показали, что использование эластографии с цветовой допплерографией и магнитно-резонансной томографии (МРТ) для мониторинга изменений тканей является значительным улучшением. Этот комбинированный подход называется фузионной визуализацией. Иногда называемая гибридной визуализацией, эта технология объединяет несколько систем визуализации (например, КТ / УЗИ или МРТ / УЗИ).9 Однако наличие двухмодальных аппаратов предъявляет новые требования к персоналу, требуя предварительной подготовки или наличия двух групп персонала, владеющих каждым методом визуализации.

Будущее ультразвука

Теперь, когда доказана важность эргономики в ультразвуковом кабинете, в будущем должно снизиться количество травм, связанных с работой сонографистов. Производители оборудования уже отреагировали улучшением конструкции оборудования. При поддержке Управления по охране труда (OSHA) руководители больниц, поликлиник и офисных практик осознают необходимость создания эргономично безопасных рабочих мест.

Новый акцент на уход, ориентированный на пациента, означает, что сонографистам необходимы отличные навыки устного и письменного общения и понимание социологических и психологических концепций. Эти предметы необходимо будет добавить в учебную программу по сонографии, а это означает, что это затронет преподавателей и студентов.

Удивительные технологические прорывы стали скорее нормой, чем исключением в современной медицинской сонографии. Одной из новейших концепций является объединение ультразвуковых зондов со смартфонами, чтобы предоставить военным медикам в полевых условиях возможность быстро диагностировать раненых солдат с помощью небольшого портативного зонда / телефона и сообщать (по телефону) о необходимости транспортировки солдата обратно на базу их операций.

Что принесет завтрашний день? Судя по истории и прошлым достижениям, необычайно захватывающие перспективы обещают быть не просто эволюционными, но революционными. Сейчас, как никогда, эти скачки в технологиях и применении заставляют нас задуматься о том, чем мы обязаны пионерам, раздвинувшим границы нашего мира медицинской визуализации. Мы можем выполнить этот долг, научившись разумно использовать этот чудесный инструмент и избегать злоупотребления им.

Краткие сведения

От древних греков и римлян до современных ученых, практиков и инженеров диагностический ультразвук поражал воображение. Работа десятков пионеров в этой области обеспечила сонографии место в сфере диагностической визуализации по всему миру. Ультразвуковая диагностика продолжает неуклонно развиваться благодаря ранним и продолжающимся уникальным партнерским отношениям между этими дальновидными инженерами, физиками, врачами, сонографистами и коммерческими предпринимателями. Могли ли они мечтать, что устройства статической визуализации, которые были так популярны в 1950-х и 1960-х годах, приведут к революции в области визуализации в реальном времени? Могли ли они представить себе ультразвуковые системы такими маленькими и портативными, что они принесут помощь и надежду пациентам в неблагополучных странах, в лагерях беженцев и на полях сражений?

Несмотря на относительную новизну по медицинским стандартам, диагностическое ультразвуковое исследование стало одним из наиболее полезных и популярных диагностических инструментов из-за его неинвазивности, междисциплинарного применения, доступности, мобильности и ценовой доступности. Она, безусловно, останется предпочтительным и жизнеспособным методом диагностики в далеком будущем. Доступность расширенный (панорамный) обзор оборудование и слияние старых и новых технологий в случае 3D и 4D визуализации; растущая популярность контрастных веществ; расширение применения допплерографии во всех специализированных областях сонографии; доступность ручных ультразвуковых аппаратов; обновленный интерес к гармонике тканей и эластографии, а также перспективность молекулярной визуализации способствовали росту интереса, признания и уважения к нашей профессии. Потенциал диагностического ультразвука кажется безграничным, и будущее медицинской сонографии остается безопасным, поскольку она продолжает играть жизненно важную роль в диагностике и лечении многих заболеваний.

Медицина XXI века определяется медицинской визуализацией. Все последние достижения, похоже, созданы специально для удовлетворения насущных потребностей 70% населения мира, которые не имеют доступа к медицинской визуализации. Но передача технологий в районы развивающихся стран сопряжена с огромными проблемами. Международный фонд образования и исследований в области сонографии (IFSER) сосредоточился на удовлетворении растущего числа запросов на обучение врачей в развивающихся странах. Они также разработали чрезвычайно простые обучающие методы и инструменты “с практическими рекомендациями” для использования многими людьми без медицинского образования (некоторые имеют только пятый или шестой класс образования), которым необходимо будет выполнять диагностическое сканирование.

Задача критического мышления

Организуйте дискуссионную группу и попросите участников просмотреть эту главу и решить, какое отдельное изобретение или открытие ответственно за широкое признание и использование диагностического ультразвука сегодня. Каждый выступающий должен иметь возможность сравнивать свой выбор с выбором других участников.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Клиника Молова М.Р