Ультразвуковая визуализация в космическом полете

На протяжении пяти десятилетий полетов человека в космос системы космического медицинского обеспечения обеспечивали бортовое лечение незначительных медицинских осложнений и эвакуацию тяжелобольных и раненых на Землю. Однако при отсутствии адекватной объективной информации может быть трудно сопоставить риски управления на борту и риски аварийного возвращения. Серьезная травма или заболевание может стать серьезным вызовом даже для самой передовой программы пилотируемых космических полетов — Международной космической станции (МКС). Неудачное лечение на борту и эвакуация с неблагоприятным исходом являются худшими событиями, ненужное возвращение на Землю также является серьезной проблемой из-за огромных финансовых и программных затрат.

В период с 1970-х по середину 1990-х годов восемь различных ультразвуковых изображений были установлены на Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и российских космических кораблях и успешно эксплуатировались в исследовательских целях. Эти успехи оправдали установку первой постоянной ультразвуковой системы (HDI-5000, ATL/Philips, Андовер, Массачусетс) для Центра исследований человека МКС (2002 г.). Прослужив 10 лет, МКС «УЗИ-1» была заменена новой установкой с передовыми исследовательскими и клиническими возможностями ( рис. 50-1 ).

РИСУНОК 50-1. Ультразвуковая система Международной космической станции (МКС) (Vivid Q, General Electric, Уокеша, Висконсин) готова к использованию. Коробка под машиной представляет собой интерфейс данных и питания. Обратите внимание на каплю воды увеличенного размера на линейном преобразователе с частотой 12 МГц, который будет использоваться для акустической связи вместо геля. Также обратите внимание на многоцветную накладку клавиатуры, специально разработанную для дистанционного управления. (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.)

Потребовались значительные усилия, прежде чем космическая ультразвуковая визуализация могла быть признана для клинического использования, при этом на борту не было медицинской экспертизы и мало данных о визуализационных проявлениях заболеваний в условиях микрогравитации.  Успешное применение клинического ультразвука в космических полетах является ярким свидетельством универсальности и универсальности ультразвуковой визуализации. Мы надеемся, что эта глава побудит больше врачей искать и продвигать решения визуализации в своих областях практики.

Область применения ультразвуковой диагностики в космосе

Ультразвуковая визуализация повсеместно признана высокоточным и почти универсальным диагностическим инструментом в самых разных условиях; их разнообразные разновидности, такие как мочекаменная болезнь; травмы глаз, живота и мягких тканей; пневмоторакс; локализованные инфекции; и осложнения, вызванные вдыханием токсичных веществ, встречались в космосе или, как полагают, с большей вероятностью могут возникнуть в условиях космического полета.

Система здравоохранения космического корабля во многом зависит от связи и дистанционного предоставления специализированной помощи; простого наличия технологий на борту недостаточно. Медицинская процедура может проводиться членами экипажа без посторонней помощи (например, периодическая оценка состояния здоровья), с помощью бортовых компьютеров (например, лабораторный анализ) или с использованием механизмов телемедицины (большинство процедур требуют специальных знаний). Хотя ультразвуковая техника доступна постоянно, экипаж обучается только работе с оборудованием; конкретные рекомендации по визуализации предоставляются в режиме реального времени наземными экспертами с использованием «приватизированной» линии передачи видео и частной голосовой связи.

Космическая медицина зависит от ультразвуковой визуализации больше, чем большинство других клинических дисциплин, из-за отсутствия других методов диагностической визуализации, а также из-за оперативного характера условий с ограниченными ресурсами и очень ограниченными возможностями безопасно и быстро эвакуировать больного или раненого члена экипажа. В зависимости от клинических и оперативных обстоятельств целенаправленное диагностическое обследование в космосе с использованием одного бинарного клинического вопроса (модель неотложной медицинской помощи) может превратиться в более широкую многоцелевую оценку и мониторинг (модель интенсивной терапии) или в комплексное и специфическое приложение визуализации (радиология). модель). Действующие медицинские требования к Международной космической станции предусматривают возможность расширенного жизнеобеспечения тяжелобольного или травмированного члена экипажа на срок до 72 часов, что, независимо от первоначальных повреждающих факторов, по существу включает тщательный контроль параметров гемодинамики, физиологии легких. , обеспечение проходимости дыхательных путей, внутричерепное давление и т. д., без обученного персонала и ресурсов, которые считаются само собой разумеющимися в любой земной больнице. Поэтому эксперты космической медицины проявляют большой интерес как к существующим, так и к новым применениям ультразвука, и они следят за недавним ускорением внедрения подходов и методов прикроватного ультразвука в наземной неотложной медицине и интенсивной терапии.

Последствия микрогравитации

Расположение пациента и оператора

В отсутствие силы тяжести пациента часто приходится физически удерживать с помощью эластичных шнуров или тканевых ремней для обеспечения устойчивости положения; В общем, взаимное расположение оператора, пациента и оборудования для визуализации должно быть глобально совместимо с настройкой медицинского оборудования для неотложной медицинской помощи и мероприятий по жизнеобеспечению. Таким образом, тяжелобольной пациент будет сканироваться с помощью специальной электрически изолированной удерживающей системы, предназначенной для сложных процедур жизнеобеспечения ( рис. 50-2 ). Оператор также должен удерживаться в удобном и устойчивом положении, чтобы постоянно оказывать контактное усилие на датчик, и иметь обе руки для процедуры визуализации.

РИС. 50-2 Астронавт Пегги Уитсон (экспедиция Международной космической станции [МКС]-5, 2002 г.) разрабатывает оптимальную установку для ультразвуковых исследований на МКС с использованием медицинской системы удержания экипажа (CMRS). Обратите внимание на использование ограничителей для ног. Такое положение было признано неприемлемым, поскольку приложение силы к датчику могло сделать положение оператора нестабильным. CMRS был перемещен ближе и использовался для удержания как субъекта (с помощью ремней), так и оператора (вставив одно колено в пространство под CMRS). (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.)

Самосканирование также возможно с минимальным ограничением ног, за исключением пациентов, находящихся в бедственном положении или при наличии более опытного оператора. Более того, некоторые экипажи используют творческие способы позиционирования в условиях микрогравитации для конкретных целей ( рис. 50-3 ).

РИС. 50-3 Командир Международной космической станции (МКС) Геннадий Падалка и бортинженер Э. Майкл Финке (Экспедиция МКС-9, 2004 г.) используют креативное решение позиционирования для разработки скелетно-мышечной процедуры (ахиллово сухожилие). (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.)

Нормальная и патологическая анатомия

В отсутствие гравитации положение объекта или форма и распределение скопления жидкости определяются совместным воздействием более слабых физических сил, таких как свойства жидкости; силы поверхностного взаимодействия; податливость тканей и органов; случайные колебания и градиенты давления, такие как перистальтика; и небольшие ускорения. Таким образом, отсутствие гравитации может потребовать значительных модификаций методов визуализации, а также интерпретации данных. Наземная процедура визуализации «золотого стандарта» может не работать в условиях микрогравитации, тогда как методом выбора может стать ранее неизведанная техника. Животные модели внутреннего кровотечения2–4 при моделировании микрогравитации убедительно свидетельствуют о высокой диагностической точности УЗИ, если оно выполняется и интерпретируется с использованием данных и соображений, основанных на микрогравитации . Внутригрудное кровоизлияние и пневмоторакс, верхнечелюстной синусит, абсцесс легкого, кишечная непроходимость с расширенными петлями кишечника и мочевые камни являются примерами многих ситуаций визуализации, на которые влияет вектор силы тяжести или его отсутствие.

Недостаток опыта работы с изображениями на борту

Даже при наличии полного набора стандартизированных протоколов сканирования изменчивость нормальных и пораженных структур, а также случайные факторы, такие как условия визуализации и акустические артефакты, требуют знаний и опыта. Эксперты по космической медицине сходятся во мнении, что нельзя ожидать наличия знаний, необходимых для самостоятельного проведения ультразвукового исследования в космосе, поскольку большинство членов экипажа не имеют медицинского образования и получают лишь базовую медицинскую подготовку. Для подготовки операторов УЗИ экипажа в настоящее время используются три меры: (1) ограниченная предполетная подготовка по использованию оборудования и общей технике сканирования, (2) повышение производительности перед процедурой на основе мультимедийных средств и (3) дистанционное руководство в режиме реального времени экспертом из земля.

Дистанционное руководство в режиме реального времени необходимо для адекватного сбора данных и их уверенной интерпретации. НАСА провело многочисленные наземные симуляции, в которых участвовали неопытные операторы различного уровня подготовки, в том числе астронавты, и в результате в результате были получены наборы изображений приемлемого качества. Завершив предполетную подготовку и практику по ультразвуковому исследованию, астронавт когнитивно подготовлен к выполнению визуализационного исследования в непрерывном общении в режиме реального времени с наземным экспертом. «Направляющие», в свою очередь, смогли обеспечить уверенное и конструктивное руководство для эффективной процедуры визуализации. Экипаж с комфортом полагается на предоставленный опыт, не разочаровываясь и не сомневаясь в эффективности этого уникального и высокопрофессионального взаимодействия.

Очень важным компонентом дистанционного руководства является соглашение между всеми участниками относительно точного языка, используемого в обучении, мультимедийных материалах и беседах в реальном времени, включая термины позиционирования датчиков и манипуляций, анатомические ориентиры и элементы управления инструментами. По состоянию на конец 2012 года медицинский персонал НАСА и исследовательское сообщество провели сотни успешных сеансов дистанционного обучения во всех областях ультразвуковой визуализации взрослых ( рис. 50-4 ).

РИСУНОК 50-4. Группа дистанционного управления проводит сеанс визуализации на борту Международной космической станции (МКС). В этом экспериментальном сеансе оценивались изменения преднагрузки сердца в ответ на наложение манжет на бедро (2007). (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.)

Отдельные медицинские проблемы и решения ультразвуковой визуализации

Ожидается, что ультразвуковая визуализация поможет в лечении более 50% заболеваний, которые считаются возможными в условиях космического полета. Приведенные ниже примеры выбраны для иллюстрации уникальных особенностей методов визуализации, интерпретации и влияния на ведение пациентов в условиях космического полета.

Мочекаменная болезнь, обструкция и задержка мочи являются очень распространенными чрезвычайными ситуациями на Земле и входят в число признанных рисков для полетов человека в космос. У некоторых членов экипажа во время космического полета и вскоре после приземления наблюдалась почечная колика. Визуализация мочевых путей была проведена как минимум у восьми здоровых членов экипажа в космосе с целью разработки процедур с использованием наземных методов, которые сохраняют свою эффективность в условиях микрогравитации  ^,  ; Несмотря на обычно благоприятный прогноз при небольших камнях, легко предвидеть сценарий, ведущий к эвакуации пациента, особенно при наличии инфекции мочевыводящих путей. В таких случаях основное внимание при визуализации будет уделяться прогностическому определению, поскольку размер и расположение конкрементов помогают прогнозировать течение обструкции.

Задержка мочи наблюдалась в космосе, главным образом, на начальном этапе адаптации к микрогравитации; некоторые лекарства могут способствовать его развитию. Ультразвуковая визуализация позволяет легко оценить объем мочевого пузыря и состояние антирефлюксных механизмов, что позволяет определить необходимость катетеризации. Ультразвуковая визуализация также будет использоваться для определения надлобкового или почечного дренажа, если возникнет такая необходимость.

Перитонеальная жидкость и газ являются основными объектами визуализации при травмах живота и ряде системных и локализованных патологий. Свободная кровь в условиях микрогравитации не так легко локализуется при целенаправленной сонографии в местах травм ( FAST) , как на Земле.  Небольшие количества крови остаются в месте происхождения, медленно распространяясь по прилегающим мезотелиальным поверхностям посредством поверхностного взаимодействия и капиллярного действия. По мере продолжения кровотечения формируются локализованные скопления, которые медленно распространяются в соответствии с анатомией брюшины. Хотя базовые места FAST остаются действительными, к экзамену FAST необходимо добавить дополнительные места, не относящиеся к FAST. ^, , 

Острый аппендицит будет трудно исключить или подтвердить клинически у члена космического экипажа, и потребуется прямая визуализация червеобразного отростка. Неубедительный отчет о боли в правом нижнем квадранте (RLQ), включая неспособность идентифицировать аппендикс или иным образом решить диагностическую проблему, должен служить основанием для повторных сеансов визуализации. Условия визуализации в RLQ меняются со временем в зависимости от динамики кишечника, наполнения мочевого пузыря, охраны, сотрудничества пациента и наличия времени. По этим причинам в положительных случаях необходимо назначать повторное ультразвуковое исследование для мониторинга течения заболевания, а в случае неубедительных или отрицательных результатов — для продолжения диагностического обследования.

Декомпрессионная болезнь (ДКБ) вызвана быстрым переходом к более низкому давлению окружающей среды. Скорость появления пузырьков газа в венозном возврате нижних конечностей легко оценить, но она не так важна, как «пересечение пузырьков» (например, проникновение пузырьков в левый кровоток).  Хотя программа МКС инвестировала в первую очередь в предотвращение DCS во время работы в открытом космосе с низким давлением в скафандре, эта возможность по-прежнему важна для аварий, приводящих к падению давления окружающей среды внутри корабля.

Травма глаз может быть вызвана предметами, находящимися в воздухе, загроможденной окружающей средой, эластичными шнурами и сжатыми газами; его можно оценить в полевых условиях путем сканирования через закрытые веки. Комплексный глазной протокол был протестирован на нескольких членах космического экипажа.  Кроме того, был предложен и опробован на МКС новый метод ультразвуковой пупиллометрии с последующей наземной проверкой. 

Внутричерепная гипертензия может развиться у небольшой группы членов экипажа, если общая адаптационная способность к перераспределению жидкости в головном отделе, связанному с микрогравитацией, насыщена. В ответ на эту обеспокоенность с начала 2010 года астронавты МКС проходят ультразвуковое исследование глаз и орбиты до, во время и после полета в рамках программы профессионального мониторинга. Таким образом, ультрасонография глаз и орбит стала единственным наиболее практикуемым методом клинической визуализации при полете человека в космос ( рис. 50-5 ). К количественным и качественным показателям относятся диаметр оболочки зрительного нерва (ДОЗН), уплощение глазного яблока, выпячивание диска зрительного нерва и другие. Ультрасонография глаза и орбиты подробно рассматривается в Главе 6 .

РИСУНОК 50-5 Бортинженер Международной космической станции (МКС) доктор Дональд Петтит (экспедиция МКС-31, 2012 г.) собирается начать процедуру ультразвукового исследования глаз и орбиты, необходимую для всех членов экипажа в рамках программы профессионального надзора. Обратите внимание на небольшое количество воды, размещенное над областью орбиты для целей акустической связи. Использование воды позволяет экономить гель (доступный, но дорогой товар в космосе) и получить дополнительные преимущества в виде удобной установки без давления, экономии времени и простоты очистки. (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.)

Пневмоторакс (ПТ) бывает идиопатическим или связан с травмой грудной клетки, повреждением легких положительным давлением или другими идентифицируемыми причинами. Исследователи НАСА изучили потенциал ультразвукового исследования при ПТ сначала на модели животных в условиях микрогравитации  , а затем в проспективном исследовании на людях; УЗИ было 98% чувствительным и 100% специфичным.  В сентябре 2002 года впервые в истории космических полетов ученый НАСА Пегги А. Уитсон при содействии Центра управления полетами (автор А.С.) продемонстрировал нормальный плевральный интерфейс в условиях микрогравитации.  Та же процедура регулярно повторялась в нескольких последующих экспедициях.

Свободная плевральная жидкость представляет собой трудную задачу для диагностики в космосе даже опытному врачу, прежде всего из-за ее необычного распределения. Исследования на животных в параболическом воздушном полете (периоды микрогравитации от 20 до 25 секунд) показали разделение плевры жидкостью по всей плевральной полости, а не только в отдельных местах. Ультразвук в условиях микрогравитации надежно обнаружил всего лишь 50 мл плевральной крови у 50-килограммовой модели свиньи с использованием современного на тот момент многоцелевого оборудования.  Ожидается еще более высокая чувствительность плевры человека в условиях постоянной микрогравитации при использовании современного оборудования и правильной техники визуализации.

Легочную патологию при отсутствии рентгенографических и значимых аускультативных возможностей можно легко не заметить. Фактические данные подтверждают актуальность ультразвуковой визуализации при химических пневмонитах или инфекционных процессах, застойных явлениях в легких, легочной эмболии или ателектазах в ранее здоровых легких. В 2011 году были опубликованы основанные на фактических данных консенсусные заявления, определяющие руководство по внедрению, разработке и стандартизации ультразвукового исследования легких во всех соответствующих клинических условиях. 

Переломы костей. Клиническая польза ультразвукового исследования при переломах широко признана и представляет интерес для космической медицины. Помимо выявления перелома, УЗИ выявляет взаимную подвижность фрагментов, близость и состояние сосудистых стволов, сухожилий и нервов, а также может помочь в репозиции и контроле заживления. Исследователи НАСА сообщили о высокой точности ультразвукового исследования при переломах длинных костей в условиях отделения неотложной помощи. 

Из-за различий в фоновой физиологии серьезные состояния, возникающие в условиях микрогравитации, также будут отличаться по своей патофизиологии от своих аналогов в отделениях интенсивной терапии (ОИТ). Однако большинство медицинских проблем, возникающих в космосе, все же можно интерпретировать с точки зрения медицины интенсивной терапии (например, возникновение ПТ на фоне баротравмы в космосе напоминает обычные побочные эффекты искусственной вентиляции легких с положительным давлением). Поэтому эксперты по космической медицине используют концепции и решения в области интенсивной терапии при планировании медицинского обеспечения миссий, разработке бортовых медицинских комплектов и программ обучения. Элементы передовой диагностики и терапии в отделениях интенсивной терапии будут продолжать влиять на конструкцию будущих систем космической медицины, особенно для будущих космических полетов исследовательского класса.

Будущие задачи и выводы

Поскольку требуемая степень клинической автономии увеличивается с увеличением продолжительности миссии, размера экипажа и расстояния от Земли, будут возрастать и требования к медицинской поддержке. Проблемы, связанные со здоровьем, вероятно, будут доминировать в повестке дня межпланетных миссий, а не инженерные проблемы. Поэтому необходимо большое внимание медицинскому обеспечению будущих миссий, в том числе использованию МКС в качестве испытательного стенда для разработки технологий.

Ультразвуковая визуализация, скорее всего, станет частью межпланетных миссий, без роскоши управления с Земли по требованию. Специалисты по визуализации должны будут находиться на борту, возможно, включая автоматическое распознавание изображений для руководства процедурами и интерпретации изображений. Также обратите внимание, что экстренное возвращение из полетов на отдаленные планеты, такие как Марс, наверняка займет больше времени, чем естественное течение любого острого заболевания. Инженерному сообществу и экспертам в области космической медицины придется ответить на вызовы, связанные с проектированием новых миссий. Ультразвуковые системы межпланетных миссий можно рассматривать как небольшие, радиационно-устойчивые и совместимые с общими вычислительными и коммуникационными ресурсами корабля.

Таким образом, в своих постоянных усилиях по совершенствованию возможностей профилактической и клинической помощи в космических полетах международное сообщество космической медицины регулярно использует ультразвуковое исследование в качестве единственного метода визуализации для мониторинга адаптации человека к космическим полетам и для принятия клинических решений в условиях ограниченных ресурсов. космических путешествий.

Жемчуг и блики

•  Ультразвуковая визуализация является постоянной исследовательской возможностью на борту Международной космической станции, а также единственной возможностью диагностической визуализации для медицинского обеспечения экипажа.

•  Эксперты космической программы вносят вклад в разработку и продвижение новых диагностических решений, включая УЗИ плевры и легких, визуализацию травм и другие.

•  Визуализация нормальных состояний и особенно болезней в условиях микрогравитации может отличаться от земной и может потребовать модификации как техники визуализации, так и интерпретации.

•  Позиционирование пациента в условиях микрогравитации используется только для удобной настройки сканирования и обеспечения стабильности при давлении датчика.

•  Текущая парадигма ультразвукового исследования в космосе включает в себя передачу ультразвукового видео в режиме реального времени с устным дистанционным руководством оператора-члена экипажа. Телемедицинские решения, разработанные в рамках космической программы, имеют важные наземные применения.

•  Будущие миссии за пределами низкой околоземной орбиты лишат возможности управления в реальном времени и быстрой эвакуации на Землю, что потребует большей медицинской автономии. На борту автомобиля должны будут находиться ультразвуковые технологии, а также автоматизированное распознавание изображений и другие решения.

•  Медицинские результаты космической программы могут улучшить благосостояние людей на Земле, включая расширение применения ультразвука и развитие передовых методов телемедицины.