Введение
Визуальное применение звука в медицине произвело революцию в диагностике и лечении заболеваний щитовидной железы. Безопасность ультразвукового исследования, наряду с улучшением качества изображения и доступностью оборудования, лежит в основе важности ультразвукового исследования щитовидной железы для современных эндокринологов и эндокринных хирургов.
Щитовидная железа поддается ультразвуковому исследованию из-за ее поверхностного расположения, сосудистости, размера и эхогенности [1]. Кроме того, в щитовидной железе очень высока частота узловых заболеваний, в подавляющем большинстве доброкачественных. Большинство структурных аномалий щитовидной железы нуждаются в оценке и мониторинге, но могут не требовать вмешательства [2]. В период с 1965 по 1970 год было опубликовано семь статей, посвященных УЗИ щитовидной железы. За последние 5 лет опубликовано более 10 000 статей. Ультразвуковое исследование щитовидной железы претерпело кардинальные изменения: от загадочных отклонений на осциллографе, полученных при сканировании в режиме A, до едва узнаваемых изображений в режиме B, за которыми следует начальная серая шкала низкого разрешения, до современных изображений с высоким разрешением. Последние достижения в области технологий, включая гармоническую визуализацию, пространственную комплексную визуализацию, эластографию и трехмерную реконструкцию, продвинулись вперед в этой области.
Разработка ультразвукового исследования щитовидной железы с высоким разрешением потребовала десятилетий исследований как в области акустики звука, так и в области обработки данных. Некоторые животные, например, дельфины и летучие мыши, обладают способностью использовать ультразвук в своей повседневной деятельности во всем, от поимки добычи до поиска партнера. Еще в 1700-х годах итальянский биолог Лаццаро Спалланцани продемонстрировал, что летучие мыши используют высокочастотные звуковые волны для навигации в полной темноте [3]. Цель этой главы — дать обзор основных достижений в области ультразвукового исследования, которые позволили легко и безопасно видеть и интерпретировать структуры внутри шеи.
Начало истории ультразвукового исследования
Один из самых ранних экспериментов по передаче звука был проведен в 1826 году на Женевском озере Жаном-Даниэлем Колладоном. Используя подводный колокол, он определил скорость передачи звука в воде. В 1800-х годах были определены свойства звука, включая передачу, распространение, отражение и преломление волн. В 1877 году английский трактат лорда Рэлея “Теория звука” дополнил математику и стал основой для прикладного изучения звука. Описанные принципы приводят к научному использованию отраженного звука для идентификации и определения местоположения объектов. В 1880 году Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, определив, что электрический ток, подаваемый через кристалл, вызывает вибрацию, которая генерирует звуковые волны, а звуковые волны, ударяющиеся о кристалл, в свою очередь, создают электрическое напряжение. Пьезоэлектрические преобразователи были способны генерировать звуковые волны в слышимом диапазоне и ультразвуковые волны выше диапазона человеческого слуха [3].
Гидролокатор
Первый патент на гидролокатор был выдан Льюису Ричардсону, английскому метеорологу, всего через 1 месяц после того, как «Титаник» затонул в результате столкновения с айсбергом. Первая функциональная гидролокаторная система была изготовлена в Соединенных Штатах канадцем Реджинальдом Фессенденом в 1915 году. “Эхолот ” Фессендена мог обнаружить айсберг на расстоянии 2 миль. По мере совершенствования электроники Поль Ланжевен разработал устройство под названием гидрофон. Это стало одним из первых доступных методов обнаружения немецких подводных лодок во время Первой мировой войны. Гидрофон был основой импульсно-эхолота, который до сих пор используется в ультразвуковом оборудовании [3, 4].
Элементарный высокочастотный ультразвуковой анализ использовался на коммерческой основе в 1930-1940-х годах для обнаружения дефектов в стали, таких как корпус судна. Несмотря на грубость по сегодняшним стандартам, неоднородность указывала на аномалии, в то время как безупречный внешний вид предполагал однородность материала [4]. С окончанием Второй мировой войны разработка компьютера и изобретение транзистора продвинули развитие медицинского ультразвука [3].
Раннее медицинское применение ультразвука
Первоначальное использование ультразвука в медицине в 1940-х годах было скорее терапевтическим, чем диагностическим. После наблюдения, что звуковые волны очень высокой интенсивности обладают способностью повреждать ткани, для терапевтического применения были опробованы более низкие интенсивности. Сфокусированные звуковые волны использовались для мягкого нагрева тканей при лечении ревматоидного артрита, и были предприняты ранние попытки разрушить базальные ганглии для лечения болезни Паркинсона [4]. Американский институт ультразвука в медицине (AIUM) был основан в 1952 году, основным направлением которого было терапевтическое ультразвуковое исследование в физической медицине. Хотя члены, выполняющие диагностическое ультразвуковое исследование, не были приняты до 1964 года, диагностическое ультразвуковое исследование в настоящее время является основным направлением деятельности этой организации [3].
В начале двадцатого века Поль Ланжевен описал способность высокоинтенсивного ультразвука вызывать боль в руке, помещенной в резервуар для воды. В 1940-х годах терапевтический ультразвук испробовали во множестве применений, начиная от язвы желудка и заканчивая артритом. Попытки разрушить базальные ганглии у пациентов с болезнью Паркинсона сейчас кажутся архаичными. В то время, когда терапевтическое ультразвуковое исследование направлялось в музей медицинского шарлатанства, началось рассмотрение ультразвука как диагностического инструмента в медицине. Хотя доктор Дж. Гер и Ведекиндт из Медицинского университета Кельна, Германия, предположили, что ультразвук может выявлять опухоли, экссудаты и абсцессы, результаты оказались неубедительными. Карл Теодор Дуссик считается первым врачом, применившим диагностическое ультразвуковое исследование. В его отчете 1952 года “Гиперфонография головного мозга” ультразвук использовался для локализации опухолей головного мозга и желудочков головного мозга путем передачи ультразвукового звука через череп. Хотя результаты этих исследований позже были дискредитированы как преимущественно артефактные, эта работа сыграла значительную роль в стимулировании исследований диагностических возможностей ультразвука [3].
УЗИ в режиме A
Одно из первых диагностических ультразвуковых исследований было проведено Джорджем Людвигом. Используя ультразвук в режиме A, он сосредоточился на использовании ультразвука для обнаружения камней в желчном пузыре, которые отображались в виде отраженных звуковых волн на экране осциллографа. Благодаря его исследованию различных тканей, включая использование живых объектов, была описана клиническая полезность диагностического ультразвука. Несмотря на ограниченную эффективность его рудиментарной ультразвуковой системы, самым важным достижением Людвига, возможно, является определение скорости передачи звука в мягких тканях животных. Людвиг также определил, что оптимальная частота ультразвукового преобразователя для глубоких тканей составляет от 1 до 2,5 МГц. Ультразвуковые характеристики тканей млекопитающих были дополнительно определены физиком Ричардом Болтом из Массачусетского технологического института и нейрохирургом Х. Томасом Баллантайном-младшим из Массачусетской больницы общего профиля [3].
В большинстве ранних ультразвуковых исследований использовался метод пропускания, но к середине 1950-х годов он был вытеснен методом отражения. Предоставляя информацию, ограниченную одним измерением, сканирование в режиме A показало отклонения на осциллографе, указывающем расстояние до отражающих поверхностей [4] (см. рис. 2.7). Ультразвуковое исследование в режиме А использовалось для выявления опухолей головного мозга, сдвигов в срединных структурах головного мозга, локализации инородных тел в глазу и обнаружения отслоения сетчатки [4]. В первом предположении о том, что ультразвук может помочь в выявлении рака, Джон Джулиан Уайлд сообщил о наблюдении, что злокачественные новообразования желудка были более эхогенными, чем нормальная ткань желудка. Позже вместе с доктором Джоном Ридом он исследовал 117 узловых образований в молочной железе с использованием источника звука 15 МГц и сообщил о способности определять их размер с точностью 90% [3].
УЗИ В режиме B
В конце 1950-х годов были разработаны первые двумерные сканеры В-режима. Сканеры В режиме B отображают подборку последовательных изображений в режиме A для создания двумерного изображения (см. рис. 2.8). Дуглас Хоури разработал ультразвуковую систему с погружным резервуаром в режиме B, которая была опубликована в разделе медицины журнала Life в сентябре 1954 года [3]. Затем последовало несколько дополнительных моделей иммерсионных сканеров с резервуарами. Во всех случаях использовался датчик с механическим приводом, который перемещался по дуге, при этом изображение реконструировалось для демонстрации полного перемещения. Дальнейшее развитие привело к появлению “панорамного сканера ”, более совершенного устройства с режимом B, но в нем по-прежнему использовалась громоздкая ванна с водой. Более поздние усовершенствования включали ручной датчик, который по-прежнему требовал механического подключения к аппарату для получения данных о местоположении, и устройства для подсоединения мешка с водой, чтобы исключить необходимость погружения [3].
К 1964 году работа Джозефа Х. Холмса вместе с Уильямом Райтом и Ральфом (Эдвардом) Мейердирком привела к созданию прототипа сканера “составной контакт” с прямым контактом датчика с телом пациента. Как указано в статье журнала Lancet 1958 года, описывающей ультразвуковую оценку образований брюшной полости, “Любая новая методика становится более привлекательной, если ее клиническая полезность может быть продемонстрирована без вреда, унижения или дискомфорта для пациента” [5].
Применение ультразвуковой технологии к щитовидной железе
1960-е годы ознаменовались продолжением развития микроэлектроники, включая полупроводники, которые произвели революцию в способности обрабатывать сигналы и создавать визуальные дисплеи. Преобразователь с фазированной антенной решеткой, используемый в современном ультразвуковом исследовании, создан на основе строго засекреченной подводной технологии. В 1970-х годах дополнительные усовершенствования в конструкции преобразователей, включая линейную матрицу и механические колебательные преобразователи, привели к созданию двумерной визуализации, которая остается стандартом и сегодня. Благодаря этим улучшениям и добавлению дисплеев с серой шкалой ультразвуковое изображение щитовидной железы стало напоминать то, которое можно увидеть в операционном поле или в лаборатории общей анатомии [4].
В 1967 году компания Fujimoto представила данные о 184 пациентах, обследованных с помощью ультразвуковой “томограммы ” в режиме B с использованием водяной бани [6]. Авторы сообщили, что щитовидная железа не генерировала внутренних эхо-сигналов у пациентов с нормальной функцией щитовидной железы и непальпируемой щитовидной железой. Они описали несколько основных паттернов, генерируемых явно аномальной тканью щитовидной железы. Ткань щитовидной железы с сильными характеристиками внутреннего ослабления эха была признана “злокачественной». К сожалению, 25% доброкачественных аденом имели злокачественный характер, и было обнаружено, что 25% папиллярных карцином имели доброкачественный характер. Хотя в первой крупной публикации по ультразвуковому исследованию щитовидной железы была предпринята попытка установить способность определять злокачественный потенциал, результаты были неспецифичными в большом проценте случаев. Тем не менее, это была основополагающая статья в области УЗИ и считается первой по УЗИ щитовидной железы, в которой предпринята попытка установить злокачественный вид узлов [4, 6].
В 1971 году Манфред Блюм опубликовал серию ультразвуковых исследований узлов щитовидной железы в режиме A (см. рис. 2.7). Он продемонстрировал способность ультразвука отличать солидные узлы от кистозных, а также точность измерения размеров узлов щитовидной железы [7]. Дополнительные публикации в начале 1970-х годов дополнительно подтвердили способность ультразвука как в режиме A, так и В режиме B отличать солидные образования от кистозных, но последовательно демонстрировали, что ультразвук не способен отличить злокачественные образования от доброкачественных с приемлемой точностью [8].
Появление дисплея в серой гамме привело к получению изображений, которые было намного проще просматривать и интерпретировать [6]. В 1974 году Эрнест Крокер опубликовал Эхографический анализ злокачественных новообразований щитовидной железы по шкале Серого. Используя преобразователь 8 МГц с разрешением 0,5 мм, он описал “низкоамплитудные, разреженные и неупорядоченные эхо-сигналы”, характерные для рака щитовидной железы при просмотре на дисплее с серой шкалой [9]. Картина, которая считалась характерной для злокачественного новообразования, была такой, которую сейчас назвали бы “гипоэхогенной и гетерогенной”.
С каждым развитием технологий возрождался интерес к способности ультразвука отличать доброкачественные поражения от злокачественных. Первоначальные отчеты об ультразвуковых характеристиках обычно описывали результаты как диагностически специфические. Позже последовали отчеты, показывающие совпадение различных процессов заболевания. Например, после первоначального сообщения о том, что “знак ореола ”, ободок гипоэхогенного сигнала, окружающий солидный узел щитовидной железы, был замечен только при доброкачественных поражениях [10], Проппер сообщил, что у двух из десяти пациентов с этим диагнозом была обнаружена карцинома [11]. Как обсуждалось в главе 7, признак ореола по-прежнему считается одним из многочисленных признаков, которые могут быть использованы для определения вероятности злокачественного образования узла.
В 1977 году Walfish рекомендовала сочетать тонкоигольчатую аспирационную биопсию с ультразвуком, чтобы повысить точность взятия образца [12]. Последующие исследования показали, что точность биопсии значительно повышается, когда для определения положения иглы используется ультразвук. У большинства пациентов с предшествующей “недиагностической” биопсией будет получен адекватный образец при проведении биопсии под ультразвуковым контролем [13]. Тонкоигольная аспирация под контролем ультразвука приводит к повышению чувствительности и специфичности, а также более чем на 50% сокращает количество недиагностированных и ложноотрицательных биопсий [14].
За последние несколько лет была установлена ценность ультразвукового исследования в скрининге подозрительных лимфатических узлов перед операцией у пациентов с подтвержденным биопсией раком. Современные рекомендации по ведению рака щитовидной железы указывают на ключевую роль ультразвукового исследования в мониторинге локорегиональных рецидивов [15].
В 1980-х годах была внедрена ультразвуковая допплерография , позволяющая определять кровоток в тканях. Как подробно обсуждалось в главе 3, роль допплерографии в оценке вероятности злокачественного новообразования недавно подверглась переоценке. Допплерография может демонстрировать повышенный кровоток, характерный для болезни Грейвса [16], и может быть полезна для проведения различия между болезнью Грейвса и тиреоидитом, особенно у беременных пациенток или когда радиоизотопное сканирование недоступно (см. Главу 3). Допплерография полезна при определении подтипа тиреотоксикоза, вызванного амиодароном [17].
Последние достижения в технологии
Последние технологические достижения включают внутривенное введение сонографических контрастных веществ, трехмерную ультразвуковую визуализацию и эластографию. Внутривенные сонографические контрастные вещества доступны в Европе, но остаются экспериментальными в Соединенных Штатах. Все ультразвуковые контрастные вещества состоят из микросфер, которые действуют как за счет отражения ультразвуковых волн, так и, при более высокой мощности сигнала, за счет отражения и генерации гармоник падающей волны. Ультразвуковые контрастные вещества использовались преимущественно для визуализации крупных кровеносных сосудов и показали себя многообещающими при визуализации периферической сосудистой сети, а также опухолей печени и метастазов [18]. Хотя не было опубликовано исследований, демонстрирующих какие-либо преимущества контрастных веществ при рутинной визуализации щитовидной железы, использование контрастных веществ или визуализации B-потока может быть полезным при немедленной оценке успешной лазерной или радиочастотной абляции узлов щитовидной железы [19].
Трехмерное отображение реконструированных изображений доступно для компьютерной томографии и МРТ уже много лет и продемонстрировало практическое применение. Хотя трехмерное ультразвуковое исследование приобрело популярность для визуализации плода, его роль в диагностическом ультразвуковом исследовании шеи остается неясной. Акушерское УЗИ имеет большое преимущество в том, что объект окружен естественной жидкостью, что значительно улучшает визуализацию поверхности, тогда как 3D УЗИ щитовидной железы ограничено отсутствием аналогичного интерфейса, отличающего щитовидную железу от прилегающих тканей шеи. Было предсказано, что при биопсии молочной железы в конечном итоге можно будет более точно проводить 3D-визуализацию в реальном времени [20], и вполне возможно, что со временем биопсия щитовидной железы принесет аналогичную пользу. Однако в настоящее время технология 3D-ультразвука не дает очевидных преимуществ при визуализации щитовидной железы.
Эластография — многообещающий метод, при котором сжимаемость узелка оценивается с помощью ультразвука при приложении внешнего давления. Поскольку исследования показали хорошую прогностическую ценность для выявления злокачественных новообразований в узлах молочной железы, недавние исследования их роли в визуализации щитовидной железы были многообещающими. Продолжаются дополнительные проспективные исследования для оценки роли эластографии в прогнозировании вероятности злокачественного новообразования щитовидной железы. Роль эластографии в выборе узловых образований для биопсии или хирургического вмешательства обсуждается в главе. 16.
Применение ультразвукового исследования шеи эндокринологами и эндокринными хирургами
С растущим признанием того, что ультразвуковое исследование в режиме реального времени, выполняемое врачом-клиницистом, предоставляет гораздо больше полезной информации, чем та, полученная из отчета рентгенолога, УЗИ на месте оказания медицинской помощи получило признание. Первый образовательный курс, посвященный ультразвуковому исследованию щитовидной железы, был предложен в 1998 году Американской ассоциацией клинических эндокринологов (AACE). Под руководством доктора Х. Джека Баскина 53 эндокринолога прошли обучение проведению диагностического ультразвукового исследования и тонкоигольной аспирационной биопсии под ультразвуковым контролем. На рубеже веков подготовку прошли 300 эндокринологов. Эндокринный университет, основанный в 2002 году AACE, начал обучать всех выпускников-эндокринологов ультразвуковому исследованию щитовидной железы и биопсии. К 2016 году более 6000 эндокринологов прошли курс ультразвукового исследования AACE. В 2007 году совместными усилиями Американского института ультразвука в медицине (AIUM) и AACE была учреждена программа сертификации для эндокринологов, прошедших подготовку по ультразвуковому исследованию шеи. К 2016 году программа ECNU (Endocrine Certification in Neck Ultrasound) сертифицировала более 470 эндокринологов как имеющих подготовку, опыт и специальные знания, необходимые для проведения ультразвукового исследования щитовидной железы и паращитовидных желез и тонкоигольной аспирационной биопсии. В 2011 году Американский институт ультразвука в медицине начал аккредитацию квалифицированных эндокринных практик в качестве центров передового опыта в области визуализации щитовидной железы и паращитовидных желез. На сегодняшний день аккредитацию сайта AIUM по ультразвуковому исследованию щитовидной железы и паращитовидных желез получили 89 практик.
Заключение
Когда Американская ассоциация клинических эндокринологов начала свои усилия по обучению эндокринологов ультразвуковому исследованию щитовидной железы в 1998 году, ультразвуковая установка казалась чуждой концепцией в офисе. В настоящее время все чаще встречаются эндокринологи, которые не проводят УЗИ щитовидной железы и биопсию FNA под ультразвуковым контролем в своей практике.
Параллельно с ростом использования УЗИ щитовидной железы в эндокринологии в рекомендациях Американской ассоциации щитовидной железы (ATA) по лечению узлов щитовидной железы и рака щитовидной железы все большее внимание уделяется сонографическим характеристикам узлов щитовидной железы. В рекомендациях 2006 года пять раз упоминаются ультразвуковые характеристики узлов щитовидной железы [21]. В рекомендациях ATA 2009 года содержится 14 ссылок на ультразвуковые характеристики [22], а в последних рекомендациях ATA 2015 года ультразвуковые характеристики узлов щитовидной железы и рака щитовидной железы упоминаются 100 раз [15].
За 50 лет, прошедших с тех пор, как ультразвук впервые был использован для визуализации щитовидной железы, технология и качество изображений значительно улучшились. Переход от режима A к режиму B для изображений в серой гамме сопровождался значительным улучшением четкости и интерпретируемости изображений. Современные изображения с высоким разрешением позволяют идентифицировать практически все поражения, имеющие клиническое значение. Характеристики УЗИ позволяют предсказать, какие узлы, вероятно, доброкачественные, и выявить особенности, включая неровные края, микрокальцинаты и центральную сосудистость, которые могут счесть узелок подозрительным [4]. Ультразвук играет очевидную фундаментальную роль в оценке узлов щитовидной железы и лимфатических узлов, а также при выборе тех, которые следует подвергнуть биопсии [15]. Ультразвуковое исследование доказало свою полезность в выявлении рецидива рака щитовидной железы у пациентов с отрицательным результатом йодного сканирования всего организма или неопределяемым тиреоглобулином [15, 23]. Последние достижения, включая использование контрастных веществ, гармоническую визуализацию тканей, эластографию и мультипланарную реконструкцию изображений, еще больше повысили диагностическую ценность ультразвуковых изображений. Ультразвуковое сопровождение Было продемонстрировано, чтотонкоигольная аспирационная биопсия повышает как диагностическую эффективность, так и точность и стала стандартом медицинской помощи. Эндокринологи и эндокринные хирурги часто рассматривают ультразвуковое исследование в качестве дополнения к физикальному обследованию. Высококачественные ультразвуковые системы теперь доступны по ценам, которые делают эту технологию доступной практически для всех поставщиков эндокринной помощи [4].