Рис. 1.1
Пример одной из оригинальных эхограмм Wild и Reid, изображенный выше, использовался для измерения толщины кожи по сравнению с толщиной ткани рака молочной железы для определения диагноза рака молочной железы [22]. Воспроизведено с разрешения Hill CR, Первые дни сканирования: пионеры и лунатики в рентгенографии. 2009 (15): стр. 15-22, любезно предоставлено Elsevier
После возрождения интереса к кардиохирургии после Второй мировой войны Инге Эдлер и Хельмут Херц начали исследовать неинвазивные методы выявления митрального стеноза, заболевания, дававшего в то время относительно плохие результаты. Используя ультразвуковой рефлектоскоп с записями на медленно движущуюся фотопленку, разработанный компанией Hertz (см. рис. 1.2), они смогли запечатлеть движущиеся структуры внутри сердца. Получившая название “Ультразвуковая кардиография”, она представляла собой первую эхокардиограмму, которая была способна дифференцировать митральный стеноз от митральной регургитации и выявлять предсердные тромбы, миксомы и перикардиальный выпот [23, 24].
Рис. 1.2
Первая эхокардиографическая запись отображается в “режиме движения”, или М-режиме, отслеживающем ультразвуковые исследования задней стенки левого желудочка [24]. Воспроизведено с разрешения Фрейзера А.Г., Инге Эдлер и истоки клинической эхокардиографии. Eur J Echocardiogr, 2001. 2 (1): стр. 3-5, любезно предоставлено издательством Оксфордского университета
При поддержке Администрации ветеранов и Службы общественного здравоохранения США Холмс и др. описали использование ультразвука для обнаружения структур мягких тканей с помощью ультразвукового “сонаскопа”. Он состоял из большой водяной ванны, в которой сидел пациент, звукового генератора, установленного на ванне, и осциллографа, который отображал изображения. Sonascope был способен идентифицировать цирроз печени, кисту почки и дифференцировать вены, артерии и нервы на шее. Однако результаты их предшественников соответствовали.
Использование ультразвука в акушерстве и гинекологии началось в 1954 году, когда Ян Дональд заинтересовался использованием A-режима, или амплитудно-режима , который использует один преобразователь для отображения эхо-сигналов на экране в зависимости от глубины; одним из первых его применений было различение солидных образований от кистозных. Используя заимствованный дефектоскоп, он первоначально обнаружил, что узоры двух масс были уникальными по звуку. Работая в исследовательском отделе атомной котельной компании, он возглавлял команду, разработавшую первый контактный сканер. Благодаря ручному управлению этим устройством не требовалась большая водяная баня, оно оставалось в контакте с кожей и смазывалось оливковым маслом. На пленке Polaroid® с открытым затвором можно было надежно и воспроизводимо дифференцировать образования в брюшной полости с помощью ультразвука. Три года спустя Дональд совместно со своей командой инженеров разработал средство измерения расстояний на выходе электронно–лучевой трубки, которое впоследствии использовалось для определения размера головки плода [13, 25-27].
История применения ультразвуковой допплерографии
В 1842 году Кристиан Иоганн Доплер предположил, что частота света, получаемого на расстоянии от неподвижного источника, отличается от частоты, излучаемой, если источник находится в движении [28]. Более 100 лет спустя этот принцип был применен к звуку Сатомурой в его исследовании движения клапанов сердца и пульсации периферических кровеносных сосудов [29]. В 1958 году педиатр из Сиэтла Рашмер и его команда инженеров продвинули технологию дальше, разработав чрескожные измерения непрерывного кровотока и спектральный анализ периферических и экстракраниальных сосудов головного мозга [30]. Визуализация в реальном времени, разработанная Хоумсом в 1962 году, родилась из принципа “компаундирования”, который позволял сонографисту перемещать датчик по мишени для непрерывного добавления информации к сканированию; дисплей phosphordecay оставлял на экране остаточные изображения от предыдущего положения датчика, позволяя визуализировать цель целиком [13]. Первый коммерчески доступный сканер в режиме реального времени был произведен компанией Siemens, и его первое опубликованное применение было для диагностики водянки плода [31, 32].
Бернстайн и Каллаган были первыми, кто сообщили об акушерской полезности допплерографии в своем отчете 1964 года об ультразвуковой детекции сердечных сокращений плода, заложив тем самым основу для непрерывного мониторинга состояния плода [33]. В том же году Buschmann опубликовал первый отчет “каротидная эхография ” для диагностики тромбоза сонной артерии [34], хотя последовали дебаты относительно того, способно ли ультразвуковое исследование идентифицировать бифуркацию сонной артерии или ее ответвления во внутреннюю и наружную сонные артерии [35–37].
В 1966 году Като и Идзуми разработали направленный допплер, который был способен определять направление кровотока [32, 38]. В следующем году Маклеод сообщил об аналогичных результатах с использованием phase shift в Соединенных Штатах [30, 39, 40]. К 1967 году использование допплерографии распространилось на Европу, где непрерывноволновое ультразвуковое исследование (которое не позволяет точно локализовать в пространстве) использовалось для точной диагностики окклюзионных заболеваний артерий шеи и конечностей, венозного тромбоза и клапанной недостаточности [41]. Импульсная допплерография вскоре предоставила возможность выборки специфических допплеровских сигналов в тканях-мишенях, функция, которая быстро стала клинически применимой для определения движения клапанов и дифференциальной скорости кровотока в сердце [42].
Добавление цветного картирования кровотока к допплеровскому ультразвуковому исследованию позволило отображать картины кровотока в реальном времени [43]. Вскоре были оценены ограничения цветового потока, включая зависимость от угла и сложность оценки потока при состояниях с замедленным течением. Они были преодолены с появлением альтернативной формы допплера, названной “Силовой допплер”. Было обнаружено, что эта альтернатива обычному цветному потоку полезна для подтверждения или исключения сложных случаев перекрута яичника или перекрута яичника и тромбоза сосудов [44,,,].
Затем исследователи обратили свое внимание на методы улучшения четкости и уменьшения артефактов на изображениях под ультразвуковым контролем. В 1980 году была разработана комплексная сонография в реальном времени с использованием зонда для получения нескольких изображений под разными углами обзора. Затем используется технология компьютерного управления лучом для объединения многоплоскостных изображений в одно составное изображение в режиме реального времени. Суммирование этих изображений уменьшает артефакты и улучшает очерчивание поверхностей. Этот метод был расширен с линейной матрицы на датчики с изогнутой матрицей, что сделало его более доступным для визуализации органов брюшной полости и малого таза. В настоящее время комплексная сонография используется для визуализации опорно-двигательного аппарата, сосудов, гепатобилиарной системы и органов малого таза [45].
В 1989 году Баба и его коллеги сообщили о первом получении трехмерного ультразвукового изображения. Используя прямой или изогнутый преобразователь в реальном времени, они смогли получить информацию о местоположении с помощью ультразвукового устройства, подключенного к микрокомпьютеру, который преобразовал данные в трехмерный вывод. Авторы выдвинули гипотезу, что эта система была бы идеальной для скрининга аномалий развития плода и внутриутробного развития [44]. После разработки трехмерного ультразвукового устройства фон Рамма Шейх и др. опубликована первая публикация о трехмерном получении и представлении данных в реальном времени в Соединенных Штатах в 1991 году. Это оказалось полезным в кардиологии для оценки перфузии и функции желудочков [46].
В 1996 году несколько авторов, включая Бернса и соавт. начал изучать область тканевой гармонической сонографии (см. рис. 1.3) как средство преодоления ухудшения качества изображения [45, 47]. В ходе первоначального исследования авторы исследовали микропузырьковые ультразвуковые контрастные вещества для улучшения изображений, специфичных для контрастного вещества, в результате чего гармонический сигнал от микропузырьков был сильнее, чем сигнал от ткани. Теперь гармонический режим разработан как режим ультразвука с серой шкалой, который использует эхо-сигналы с частотой, вдвое превышающей передаваемую. Этот метод позволил улучшить четкость изображения и уменьшить артефакты, а также оказался бесценным в диагностике патологии гепатобилиарного дерева и мочеполового тракта, что наиболее важно при определении отличительных характеристик кистозных и солидных поражений.
Рис. 1.3
Здесь изображение почки в основном режиме показывает очаговый контур аномалии, видимый в нижнем полюсе, в то время как изображение в гармоническом режиме, справа, показывает, что поражение является сплошным по своей природе [47]. Воспроизведено с разрешения Дессера Т.С. и др., Методы гармонической визуализации тканей: физические принципы и клиническое применение. Семинары по ультразву, КТ и МРТ. 2001. 22 (1): 1-10, любезно предоставлено Elsevier
Электронное управление ультразвуковым пучком — это процесс использования параллельных лучей, ориентированных в нескольких направлениях от матричного преобразователя в разных направлениях. Это также называется многолучевой визуализацией. Массивы, полученные с каждого направления, объединяются в единое изображение, что увеличивает боковое разрешение и снижает уровень шума [48].
История ультразвука в урологии
Простата
В 1963 году японские урологи Такахаши и Оучи стали первыми, кто предпринял попытку ультразвукового исследования предстательной железы. Однако качество полученного изображения не поддавалось интерпретации и, следовательно, имело мало медицинской ценности [49]. Уайлд и Рид также пытались провести трансректальное ультразвуковое исследование, но получили тот же результат. Прогресса не было достигнуто до тех пор, пока Ватанабе и др. не продемонстрировали лучевое сканирование, которое могло адекватно идентифицировать патологию предстательной железы и мочевого пузыря. Используя специально созданное устройство, созданное по образцу музейной скульптуры под названием “Кресло фокусника”, Ватанабэ усаживал своих пациентов на стул с отверстием, вырезанным в центре таким образом, чтобы трубка датчика могла проходить через отверстие в прямую кишку сидящего пациента [50]. Изображения с зонда Ватанабэ в положении сидя показаны на рис. 1.4a; на рис. 1.4b (демонстрирующем область ограниченной симметричной эхогенности, представляющую аденому простаты) и рис. 1.4c (демонстрирующем асимметричную область гиперэхогенности, представляющую рак предстательной железы) видно, что разрешение было низким, а изображения демонстрировали крайнюю контрастность. Последующее развитие бипланетных высокочастотных зондов позволило повысить разрешение и трансректальному ультразвуковому исследованию стать стандартом диагностики заболеваний предстательной железы.
Рис. 1.4
(a) Показаны изображения с зонда Ватанабэ [50], показывающие (b) область ограниченной симметричной эхогенности, представляющую ДГПЖ, (c) асимметричную область гиперэхогенности, представляющую рак предстательной железы. На этих изображениях, обратите внимание, разрешение было низким, и изображения демонстрировали крайнюю контрастность. Воспроизведено с разрешения Watanabe, H., et al., Разработка и применение нового оборудования для трансректального ультразвукового исследования. J Clin Ultrasound, 1974. 2(2): стр. 91-8, любезно предоставлено Джоном Уайли и сыновьями
В 1974 году Холм и Нортевед представили трансуретральное ультразвуковое устройство, которое можно было бы заменить обычной оптикой во время цистоскопии с целью визуализации предстательной железы и мочевого пузыря. Среди других целей этого устройства была возможность определять глубину проникновения опухоли мочевого пузыря, объем предстательной железы, оценку прогрессирования опухоли предстательной железы и оказывать помощь при трансуретральной резекции предстательной железы [51].
Совсем недавно появилось несколько других методов диагностики рака предстательной железы.
Концепция многопараметрической МРТ , при которой изображения МРТ в электронном виде накладываются в режиме реального времени на трансректальное ультразвуковое исследование (см. Рис. 1.5), произвела дальнейшую революцию в способности выявлять рак предстательной железы высокого риска [52].
Рис. 1.5
В этом примере была получена многопараметрическая МРТ с взвешиванием по Т2, на которой очерчен подозрительный очаг поражения. (a) Отмечается гипоинтенсивное поражение в правой периферической зоне предстательной железы с экстракапсулярным расширением. При ДВИ-визуализации поражение гиперинтенсивное. (b) Биопсия под контролем TRUS, выполненная с использованием карты ADC, показанной здесь (c), выявила у этой пациентки болезнь Глисона 9 степени (4 + 5) [53]. Воспроизведено с разрешения Oliveira Neto JA, Parente DB. Многопараметрическая магнитно-резонансная томография предстательной железы. Клиники магнитно-резонансной томографии Северной Америки. 2013 (21): стр. 409-26, любезно предоставлено Elsevier
Гистосканирование также использовалось для более точного определения поражений предстательной железы. Это включает в себя три этапа: моторизованное трансректальное ультразвуковое исследование, программный анализ для определения проблемной области и анализ ткани с цветовой кодировкой, детализирующий все подозрительные области [54].
Наконец, было показано, что соноэластография , метод оценки эластичности тканей для отличия раковой ткани от паренхимы предстательной железы, улучшает показатели выявления, когда одной биопсии под ультразвуковым контролем недостаточно для определения цели [55]. Чувствительность 0,81, специфичность 0,69 и точность 0,74 для выявления рака предстательной железы были обнаружены Boehm et al. [56], что аналогично таковому при МРТ.
Почки
В 1971 году Голдберг и Поллак, разочарованные неспособностью IVP отличать доброкачественные поражения от злокачественных, обратились к ультразвуку в режиме А. В своем отчете “нефросонография” они продемонстрировали на серии из 150 пациентов способность ультразвука различать твердые, кистозные и сложные образования с точностью 96 %. Схематическое представление трех обнаруженных ими ультразвуковых паттернов показано на рис. 1.6 [57]. При кистозных поражениях первый спайк представляет собой удар по передней стенке кисты, а второй спайк представляет собой удар по задней стенке. Следовательно, при более сложных поражениях возвращается больше спайков.
Рис. 1.6
Это схематическое представление трех типов ультразвуковых изображений, полученных по массам. Таким образом, ультразвук позволил выявить различия между твердыми, кистозными и некротическими массами (смесь твердых и кистозных масс) [57]. Воспроизведено с разрешения Голдберга, Б.Б. и Х.М. Поллака, Дифференцировка почечных образований с помощью ультразвука в режиме А. J Urol, 1971. 105(6): стр. 765-71, любезно предоставлено Elsevier
Мошонка
Перри и др. были первыми, кто использовал допплерографию в качестве звукового “стетоскопа” при обследовании пациентов с острыми заболеваниями мошонки. Хотя они смогли идентифицировать пациентов с эпидидимитом и перекрутом придатка яичка как имеющих повышенный кровоток, а пациентов с перекрутом семенного канатика как не имеющих кровотока, они также сообщили, что ложноотрицательные результаты в случаях перекрута могут быть результатом повышенного кровотока, вторичного по отношению к реактивной гиперемии [58, 59].
Дальнейшие достижения
Ватанабэ и коллеги продемонстрировали, что допплерографию можно использовать для идентификации почечных артерий неинвазивным способом в 1976 году [60], а 5 лет спустя Грин и коллеги задокументировали, что допплерография может адекватно отличать стенозированные почечные артерии от нормальных [61]. В 1982 году Арима и соавт. использовал допплерографию для дифференциации острого отторжения от хронического у пациентов с трансплантацией почки, отметив, что острое отторжение характеризуется исчезновением диастолической фазы, а повторное появление указывает на выздоровление после отторжения. Авторы пришли к выводу, что допплерография может служить руководством при лечении отторжения в качестве показателя для стероидной терапии [62].
В начале 1990-х годов ряд авторов исследовали терапевтическое применение высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука, или HIFU. После предыдущих сообщений о гистологических изменениях после HIFU [63] Марбергер и его коллеги были первыми, кто сообщил о безопасности и эффективности HIFU у пациентов с симптомами ДГПЖ [64]. Вскоре также были изучены его возможности в лечении рака яичек [65], раннего рака предстательной железы [66], рецидивирующего рака предстательной железы [67] и почечно-клеточного рака (чрескожно [68] и лапароскопически [69]).
Область урологии продолжает требовать и находить новые применения ультразвуковым технологиям. Чен и др. использовал трансректальное ультразвуковое исследование для введения ботулинического токсина в наружные сфинктеры уретры серии пациентов с диссинергией наружного сфинктера детрузора [70]. Озава и его коллеги использовали видеоуродинамику ультразвукового исследования промежности для точной диагностики обструкции выходного отверстия мочевого пузыря новым неинвазивным методом [71]. Возможности применения ультразвука в диагностике или лечении урологических пациентов остаются безграничными.
Заключение
Ультразвук — это экономичный, точный и практически повсеместный, простой в использовании диагностический инструмент, который мгновенно дает значимые результаты. В качестве стандарта в арсенале кабинета уролога оно может применяться для обследования патологии гениталий, тазового дна, мочевого пузыря, простаты и почек. Особенности применения в каждой системе органов будут подробно описаны на протяжении всей этой книги.
История ультразвука довольно обширна и включает в себя ряд новаторских открытий и новых применений основных физических принципов (см. Рис. 1.7). В будущем многопараметрическая визуализация и многомерное ультразвуковое исследование в режиме реального времени позволят повысить диагностическую и терапевтическую полезность ультразвука в различных клинических условиях. Это дань уважения новаторам прошлого служит как признанию предыдущих достижений, так и признанию того, что будущая работа по разработке новых приложений для ультразвука всегда будет необходима.
Рис. 1.7
Хронология, подробно описывающая важный вклад в область ультрасонографии