Контрастно-усиленные ультразвуковые исследования (CEUS)

История развития контрастных веществ для ультразвуковой диагностики

До недавнего времени ультразвуковая диагностика оставалась едва ли не единственной радиологической модальностью в которой не применялись контрастные вещества для получения большего количества диагностической информации.

Следует, однако, сразу отметить, что предметом настоящего обзора литературы являются так называемые микропузырьковые контрастные вещества для ультразвуковой диагностики для внутривенного введения, так как контрастным веществом в ультразвуковой диагностике можно считать и обычную воду, например, при заполнении ею просвета кишечника.

Первым официально зарегистрированным в Европе коммерчески доступным контрастным веществом для ультразвуковых исследований в 1991 году стал Echovist (Schering, Berlin, Germany). Однако история развития контрастного усиления в ультразвуке начинается намного раньше. В 1968 году кардиолог Claude Joyner заметил необычное увеличение сигнала при проведении исследования аорты в М-режиме в ходе ангиографических процедур непосредственно в момент введения рентгеновского контрастного вещества.

Дальнейшие исследования показали, что данный эффект вызывается введением не только рентгеноконтрастных средств для проведения ангиографии, но и любой жидкостью, и более того, эффект усиливается, если перед введением в шприц подтягивалось небольшое количество крови.

Feinberg показал, что основой данного явления являются пузырьки газа во вводимой жидкости, а усиление эффекта обусловлено стабилизацией этих пузырьков альбуминами плазмы крови пациента.

Первое клиническое применение этих данных проявилось в использовании так называемого взболтанного физиологического раствора (shaken-saline). Физиологический раствор подавался из одного шприца в другой через трехходовой кран таким образом, что в него попадали небольшие пузырьки воздуха, зачастую затем стабилизируемые небольшим количеством крови пациента. Подобная смесь применялась для визуализации интракардиального право-левого сброса.

Однако невозможность контролировать размер получаемых в такой смеси пузырьков и возникающие в связи с этим тяжелые осложнения, а затем и появление цветового допплеровского картирования устранило необходимость использования взболтанного физиологического раствора для визуализации подобных шунтов. Дальнейшие разработки в конечном итоге привели к выпуску Albunex – препарата получаемого в результате интенсивной обработки ультразвуком раствора альбумина.

Параллельно велись разработки контрастных веществ с микропузырьками на основе дисахаридов. На подобные контрастные вещества возлагались значительные надежды, так как предполагалось, что  с их помощью станет возможно проводить измерение давления внутри камер сердца, основываясь на  измерении частоты резонанса микропузырьков вследствие изменения их диаметра под давлением крови.

В ходе разработок выяснилось, что микропузырьки пригодные для подобных целей должны были обладать слишком большим диаметром, и от применения этих контрастов с целью измерения давления пришлось отказаться. Все же полученные контрастные вещества по-прежнему обладали способностью усилить ультразвуковой сигнал. Именно таким контрастным веществом и был Echovist.

Однако длительность циркуляции Echovist в крови была невысока, так как контраст не был достаточно стабильным для кардио-пульмонального транзита и таким образом применялся только для визуализации интракардиальных шунтов. Несмотря на большую, по сравнению с взболтанным физиологическим раствором, безопасность Echovist также был вытеснен из эхокардиографии цветовым допплеровским картированием. Следует, однако, отметить, что Echovist и в настоящее время используется для ультразвуковой контрастной сальпингографии.

Следующим прорывом в контрастноусиленных ультразвуковых исследованиях стало внедрение сурфактантов, а именно пальмитиновой кислоты, в структуру микропузырьков. Таким образом, более стабильные микропузырьки смогли проходить кардиопульмональный транзит и контрастировать как левые отдела сердца (отсюда и название первого такого контрастного вещества – Levovist), так и периферические сосуды.

К сожалению, в ходе работ с этим контрастным средством выяснилось, что достигаемое усиление требует разрушения микросфер.

Ведь только свободные пузырьки газа высвобождаемые после разрушения сфер и обуславливают усиление ультразвукового сигнала. Таким образом, было возможно проведение только чрезвычайно коротких исследований – сам процесс визуализации разрушал контрастное средство.

Более важным свойством Levovist оказалась особенность взаимодействия ретикуло-эндотелиальной системы печени с микросферами контрастного вещества. Контраст захватывается Купферовскими клетками и персистирует несколько минут уже после выведения из циркуляции по сосудистому руслу.

Следующей проблемой на пути развития ультразвуковых контрастных препаратов стала капиллярная сетка легких, а точнее калибр капиллярных сосудов легких.

Для того чтобы безопасно преодолевать сосуды настолько мелкого калибра и не вызвать явлений легочной тромбоэмболии размер микропузырьков не должен превышать размер эритроцитов. Диаметр микросфер, используемых в современных контрастных веществах, составляет не более 7 мкм. В течение последних десятилетий ультразвуковые контрастные вещества развиваются особенно бурно.

Разрабатываются препараты различные по структуре микропузырьков или содержащихся в них газов. Спектр диагностических задач, решаемых с помощью применения подобных препаратов, с каждым годом все расширяется. 

Но перед рассмотрением роли контрастных веществ и контрастно-усиленных ультразвуковых исследований в диагностике различных заболеваний следует остановится на основных физико-технологических аспектах подобных исследований. Основные физико-технологические аспекты контрастно-усиленных ультразвуковых исследований.

Микропузырьковые контрастные вещества для ультразвуковой диагностики являют собой микропузырьки воздуха или других газов инкапсулированные в оболочку различного химического состава диаметром от 2 до 6 мкм. Разница акустического импенданса между газом, выполняющим микропузырек, и окружающими его in vivo тканями обеспечивает усиление отраженного от таких пузырьков акустического сигнала.

По данным спектрального допплеровского исследования сигнал от крови, содержащей подобное контрастное вещество, повышается на 27 dB. Помимо отражения ультразвуковых колебаний микропузырьки реагируют на чередующиеся в ультразвуковой волне сжатия и расширения изменением своего диаметра, так как газ, заполняющий микропузырьки более сжимаемый относительно тканей и жидкостей организма человека.

Такие осцилляции обычно ассиметричны, так как газ расширяется легче, чем сжимается, и подобное «нелинейное» поведение влияет на характеристики сигнала, возвращаемого микропузырьками. Характер осцилляций микропузырьков под действием ультразвуковых колебаний зависит от многих параметров, в том числе  резонансной частоты, частоты повторения импульсов, акустической мощности, химического состава заполняющего микропузырьки газа, состава и свойств оболочки микропузырьков.

Среди множества подобных факторов особое значение имеет акустическая мощность. При низкой акустической мощности разрушение микропузырьков под действием ультразвука минимально, они синхронно осциллируют и продуцируют «нелинейное» эхо. При повышении акустической мощности, характер взаимодействия ультразвуковой волны и микропузырьков изменяется – амплитуда отраженных сигналов возрастает многократно благодаря гармоническому резонансу и разрушению микропузырьков.

Возможность микропузырьков изменять характеристики отраженного сигнала лежит в основе ряда технологий обработки ультразвуковых сигналов позволяющих «вычленять» сигналы от контрастного вещества из всего потока отраженных ультразвуковых колебаний.

Благодаря этим технологиям существует возможность визуализировать и отслеживать в режиме реального времени распространение контрастного вещества в зоне интереса, что позволяет отдельно исследовать артериальную и венозную фазы контрастирования. Возможности современных технологий подобного рода настолько велики, что они с легкостью могут полностью отделить сигнал от микропузырьков от сигналов остальных тканей, однако подобная визуализация была бы лишена анатомических ориентиров, видимых в В-режиме.

Поэтому, на сегодняшний день развитие этих технологий направлено в сторону эффективного объединения изображения контрастных веществ с остальными тканями. Существует целый ряд методик позволяющих добиться подобного эффекта, и разнообразия названий подобных технологий разных производителей способно ввести в заблуждения, однако за множеством коммерческих названий скрываются несколько физико-технологических принципов.

Впрочем, следует отметить, что использование контрастного усиления в паре с обычными, не адаптированными технологически под использование контрастных средств, методиками ультразвуковой визуализации, такими как обычный В-режим, спектральное и цветовое допплеровское картирование также в некоторой степени повышает диагностическую ценность ультразвуковых исследований.

Физические процессы лежащие в основе взаимодействия микропузырьков и ультразвуковых колебаний чрезвычайно сложны и именно благодаря ним существует возможность регистрировать контрастное вещество в крови с помощью ультразвуковых волн. Однако отдельного внимания заслуживают особенности взаимодействия элементов контрастного вещества с тканями организма человека.

После внутривенного введения, контрастное вещество обычно, при отсутствии активного кровотечения, распространяется интравазально. Таким образом, ультразвуковые контрастные вещества следует отнести к агентам пула крови, эффекты контрастирования которых скорее схожи с эффектом меченых эритроцитов используемых в ядерной медицине, нежели с ионными контрастными веществами, применяемыми в компьютерной томографии и парамагнетиками для магнитнорезонансной томографии.

Микропузырьки не проникают через эндотелий и соответственно, при использовании контрастных веществ на их основе невозможна визуализация интерстициальной или паренхиматозной фазы контрастирования. Микропузырьки не влияют на ток крови и ведут себя сходно с эритроцитами, за исключением тех случаев, когда они фагоцитируются клетками ретикулоэндотелиальной системы, которая воспринимает некоторые микропузырьки как инородные тела.

Именно благодаря этой особенности ретикулоэндотелиальной системы в ультразвуковом контрастировании можно выделять особую «синусоидальную» или «позднюю» фазу, в ходе которой контрастное вещество задерживается в нормальных синусоидах печени и селезенки на несколько минут, что, безусловно, играет важную роль в выявлении очаговых поражений данных органов.

Однако не стоит путать эту фазу с паренхиматозной фазой контрастного усиления при компьютерной томографии, которая достигается благодаря проходу ионных контрастных веществ через эндотелий. Взаимодействие микропузырьковых контрастных веществ с организмом человека обуславливает целый ряд методологических особенностей проведения подобных исследований.

Контрастные вещества вводятся внутривенно, существует два возможных варианта введения – быстрое, одномоментное или же болюсное введение контрастного препарата и замедленное, дозированное введение. Оба метода имеют как свои преимущества, так и недостатки. При болюсном введении препарата, которое обычно производится со скоростью 2-4 мл/с, контрастирование обычно наступает быстро, и интенсивно, но также быстро и спадает.

Такой метод наиболее легок в применении, не требует дополнительного оборудования, и подходит для решения большинства диагностических задач, кроме расчетов перфузии различных тканей и образований. С другой стороны, использование болюсного введения сопровождается появлением артефактов на пике контрастирования, особенно при использовании цветового и энергетического допплеровского картирования.

Замедленное введение требует использование дополнительного оборудования – инфузоматов, контрастирование при таком методе введения наступает позже, однако существует фаза плато, в течение которой насыщение микропузырьками равняется темпу их вымывания. Такая методика введения позволяет проводить расчеты перфузии тканей, однако достаточно сложна и требует применения дополнительного оборудования.

Проведение самого сканирования в ходе исследования также имеет ряд особенностей. Сканирование может проводиться с использованием высоких значений акустической мощности и соответственно высокого MI (MI – Mechanical Index – механический индекс, отражает, однако не в прямой зависимости, значение акустической мощности, изначально разработан в целях безопасности, для оценки биологических эффектов ультразвука) либо же при низких значениях акустической мощности и MI.

Сканирование с высокими значениями акустической мощности исторически более ранний тип визуализации в контрастноусиленных ультразвуковых исследованиях. Применяется при использовании микропузырьков с воздухом – это такие препараты как Levovist (Schering, Berlin,Germany) или Sonavist (Schering AG, Berlin, Germany), так как они обладают невыраженным эффектом гармонического, «нелинейного» поведения.

Сканирование с высоким MI ведет к разрушению микропузырьков, что непосредственно отражается на методике проведения такого исследования.

Вопервых, деструктивные особенности такой визуализации означают, что получение контрастного изображения в режиме реального времени возможно лишь единожды, так как после первого прохода большинство микропузырьков будут уничтожены.

Во-вторых, скорость перемещения датчика должна быть максимально равномерной, иначе в некоторых участках исследуемого органа разрушение микропузырьков будет более интенсивно, нежели в других, что может привести к возникновению артефактов или даже формированию ложного представления о наличии очаговой патологии.

Все же, сканирование с высоким MI имеет и принципиальные преимущества – амплитуда сигналов получаемых от микропузырьков значительно выше, чем при использовании низких значений акустической мощности, а также возможность визуализировать даже глубокие участки паренхимы без затухания сигналов от поверхностно расположенных участков органов и тканей.

Разработка и внедрение в практику микропузырьковых контрастных препаратов на основе шестифтористой серы (гексафторид серы или элегаз), которые обладают характеристиками, обеспечивающими выраженное «нелинейное», гармоническое поведение микросфер, позволили проводить исследования с использованием низких значений акустической мощности.

На сегодняшний день именно этот метод визуализации является предпочтительным и наиболее распространенным. Перед введением контрастного вещества сигнал от тканей в зоне интереса вручную снижается, а фокус располагается несколько глубже зоны интереса. С целью снижения скорости разрушения микропузырьков задается наименьшее значение частоты кадров.

Преимуществами такой методики визуализации является возможность длительное время в режиме реального времени наблюдать эффекты контрастирования, а также значительное подавление сигнала от фоновых тканей, что значительно повышает контрастность.

Единственным значительным недостатком исследования с низкой акустической мощностью является снижение качества визуализации при исследовании глубоко расположенных участков паренхимы в отличие от применения высокой акустической мощности. Однако подобные ограничения практически решены в ультразвуковых диагностических системах последних поколений благодаря внедрению технологий мульти-импульсной визуализации гармоник.

 

Клиническое применение контрастно-усиленных ультразвуковых исследований.

С момента широкого внедрения в клинику, контрастно-усиленные ультразвуковые исследования оказали огромное влияние на визуализацию объемных процессов печени. Контрастно-усиленное ультразвуковое исследование во многом схоже с компьютерной и магнитно-резонансной томографией в изучении очаговых поражений паренхимы печени. Более того, ультразвуковые исследования относительно легче в трактовке, дешевле и проще в проведении.

Микропузырьковые контрастные вещества не нефротоксичны и могут применяться независимо от степени снижения функции почек пациента. Кроме того, учитывая всевозрастающую обеспокоенность радиационной нагрузкой при проведении компьютернотомографических исследований, ультразвуковое исследование выглядит все привлекательней, как метод позволяющий предоставлять информацию, как о морфологии образования, так и об особенностях ангиоархитектоники и кровотока без лучевой нагрузки.

Следует отметить, что контрастноусиленное ультразвуковое исследование обладает также рядом уникальных качеств, которые выделяют его среди прочих модальностей визуализации опухолевых поражений печени. Получение информации в масштабе реального времени в ходе ультразвуковых исследований позволяет визуализировать особенности контрастного усиления независимо от момента и длительности такого усиления.

Так, например, некоторым метастазам свойственно раннее, быстрое усиление в артериальную фазу, которое часто пропускается при компьютерной или магнитно-резонансной томографии из-за ошибок во временных расчетах, но прекрасно визуализируется при контрастно-усиленном ультразвуковом исследовании. Вторая уникальная особенность контрастно-усиленных ультразвуковых исследований в визуализации очагового поражения печени касается самих микропузырьков контрастного вещества.

Как известно, микропузырьки распространяются исключительно интраваскулярно и не проникают через эпителий. Поэтому усиление всегда отражает пул крови.

Таким образом, при компьютерной и магнитнорезонансной томографии, где контрастные вещества проникают через эндотелий, некоторые злокачественные опухоли, происходящие не из гепатоцитов, например холангиокарцинома, проявляются постоянным контрастным усилением вместо ожидаемого, типичного для злокачественных опухолей «вымывания», в то время как при контрастно-усиленном ультразвуковом исследовании ожидаемый для злокачественных новообразований эффект «вымывания» наблюдается благодаря исчезновению микропузырьков из микроциркуляции в  портальную фазу.

Учитывая указанные особенности, каково же место контрастно-усиленного ультразвукового исследования в визуализации опухолевых поражений печени? В доконтрастную ультразвуковую эру чувствительность ультразвукового исследования в диагностике опухолевого поражения печени по сравнению с другими модальностями визуализации оставляла желать лучшего, поэтому многие авторы не рекомендовали неусиленное ультразвуковое исследование в качестве диагностической модальности у пациентов с опухолевым поражением печени.

Долгое время компьютерная томография с внутривенным усилением занимала центральное место при решении диагностических задач подобного рода. Велико значение магнитно-резонансной томографии, активно применяемой для диагностики гепатоцеллюлярной карциномы в цирротически измененной печени, а также дифференциальной диагностики нодулярной гиперплазии и аденом.

Контрастно-усиленное ультразвуковое исследование зарекомендовало себя при диагностике вторичных поражений печени, данный метод исследования является прекрасным выбором для мониторинга рецидивов и продолженного роста образований. Также следует отметить успешное применение контрастных ультразвуковых исследований при оценке эффективности проведенного химиотерапевтического лечения.

Рядом авторов показано значения контрастных ультразвуковых исследований в проведении интервенционных процедур, таких как тонкоигольная аспирационная биопсия и радиочастотная абляция опухолевых образований, а также контроле их эффективности.

Помимо исследования печени, контрастно-усиленные ультразвуковые исследования применяются и при решении диагностических задач связанных с патологией других органов и систем. Так, одним из показаний к проведению подобных исследований является определение активности патологического процесса у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника, в частности болезнь Крона.

Постоянное использование компьютерной томографии с целью мониторинга состояния пациентов с болезнью Крона, особенно учитывая возрастные особенности данной группы пациентов неоправданно с точки зрении лучевой нагрузки. Serra et al. описывают критерии оценки активности воспалительных изменений в стенке кишечника с помощью контрастноусиленного ультразвукового исследования, подчеркивая важность данной модальности за счет возможности частого повторения подобных исследований без лучевой нагрузки.

Заслуживает внимания и роль контрастного ультразвука в диагностике патологии почек. Велико значение данного метода в диагностике опухолевого поражения почек, а визуализация кистозной почечно-клеточной карциномы посредством контрастно-усиленного ультразвукового исследования имеет даже ряд преимуществ над компьютерной и магнитнорезонансной томографией. Интерес также представляет изучение и расчет почечного кровотока посредством контрастного ультразвука.

Применение контрастных ультразвуковых веществ улучшает выявление стеноза почечных артерий и отлично подходит для выявления зон дефицита перфузии почечной паренхимы, включая сегментальные инфаркты, кортикальный некроз, инфекционное поражение и травматические повреждения почек. Ряд авторов указывают на растущее значение контрастно-усиленного ультразвукового исследования в диагностике патологии поджелудочной железы, а именно в изменении васкуляризации поджелудочной железы при различных ее заболеваниях.

Так, D’Onofrio et al. продемонстрировали связь гиперваскуляризации опухолей поджелудочной железы с их нейроэндокринной природой. В дальнейших исследованиях, та же группа авторов представила статистически значимую корреляцию между особенностями усиления при контрастном ультразвуковом исследовании с гистологическими результатами, более сильную, согласно их наблюдениям, по сравнению с таковой при использовании компьютерной томографии.

Несмотря на широкое применение конвенционного ультразвукового исследования в обследовании пациентов с травматической болезнью, золотым стандартом в диагностике травматических повреждений остается компьютерная томография. Контрастно-усиленное ультразвуковое исследование  является высокочувствительным методом диагностики повреждений паренхиматозных органов при закрытой травме живота.

Поврежденная, нежизнеспособная паренхима контрастно визуализируется на фоне перфузированной ткани, что значительно повышает чувствительность ультразвукового исследования по сравнению с обычным неконтрастным ультразвуком. Использование контрастно-усиленного ультразвукового исследования также позволяет непосредственно визуализировать локализацию активного кровотечения.

Применение контрастно-усиленных ультразвуковых методик в исследовании патологии предстательной железы также весьма многообещающе. Растет интерес к контрастному ультразвуку, как к методу, позволяющему более точно определять вероятность развития злокачественных неопластических процессов в предстательной железе и соответственно более точно выделять пациентов для проведения биопсии.

Серошкальная семиотика опухолевых поражений предстательной железы недостаточно точна, что приводит к необходимости многоточечной биопсии предстательной железы в поисках опухолевых изменений. Роль контрастноусиленного ультразвукового исследования заключается в выявлении особенностей перфузии тканей предстательной железы, на основе которых можно делать заключения о наличии неопластических процессов.

Halpern et al. показали, что прицельная биопсия участков наибольшей перфузии, по данным контрастноусиленных ультразвуковых исследований, более эффективна по сравнению с обычной, системной биопсией в выявлении злокачественных новообразований. Стоит, однако, отметить, что дифференциация добро- и злокачественных образований предстательной железы на основе одних лишь данных контрастно-усиленных ультразвуковых исследований остается попрежнему сомнительной.

Известно, что ранние стадии рака яичников весьма плохо диагностируются при помощи конвенционного ультразвукового исследования. Внедрение контрастного усиления в ультразвуковое исследование может повысить специфичность и чувствительность ультразвукового метода визуализации в выявлении ранних стадий рака яичников. Опубликованы данные об эффективности контрастно-усиленного ультразвука в выявлении ранних микроваскулярных изменений, ассоциированных с ранними стадиями рака яичников.

Перспективы развития контрастноусиленной ультразвуковой визуализации. Последнее десятилетие ознаменовалось значительным прогрессом в области молекулярных технологий. Развитие молекулярных технологий затронуло также и медицинскую визуализацию и послужило основой для развития так называемых таргетных методов визуализации (target imaging).

Суть подобных методов визуализации основывается на применении особых контрастных средств, которые благодаря внедренным в их структуру молекулам способны избирательно связываться с теми или иными соединениями, являющимися маркерами определенных биохимических физиологических  или патологических процессов. Иными словами маркировать и контрастировать определенные биохимические соединения и клетки, экспрессирующие их на своих мембранах.

В настоящий момент подобные контрастные вещества доступны и для ультразвуковых исследований. Их особенностью, учитывая свойство всех микропузырьковых контрастных веществ персистировать в кровеносном русле и не проникать через эндотелий, является возможность связываться с целевыми веществами на поверхностях тромбов, эндотелиальных клетках, лейкоцитах.

Так, например внедрение в структуру микропузырьков лигандов, комплементарных к αvβ3 интегрину, межклеточной молекуле адгезии-1 (ICAM-1) или рецептору фибриногена GPIIb/IIIa позволит специфически контрастировать процессы ангиогенеза, воспаления или тромбообразования соответственно. Большинство работ посвященных таргетным контрастно-усиленным ультразвуковым исследованиям находится на экспериментальном этапе, однако такая модальность визуализации представляется очень многообещающей.

Ряд авторов представляют оптимистичные результаты по применению таргетных контрастно-усиленных ультразвуковых методов в исследовании опухолевого ангиогенеза с помощью различных коммерчески-доступных интегринсвязывающих лиганд, таких как пептидомиметические агенты, моноклональные антитела и эхистатин. Подобные исследования ангиогенеза проводятся не только в опухолевых животных моделях, но и в моделях ишемической и сосудистой недостаточности.

Таргетное контрастное усиление в ультразвуковой визуализации также применяется в исследованиях посвященных воспалительным процессам миокарда. Рядом авторов представлены данные об использовании контрастных веществ с лигандами к молекулам адгезии эндотелиальных клеток (ICAM-1, VCAM-1 MAdCAM-1). Молекулярная визуализация, в том числе и с помощью контрастно-усиленных ультразвуковых исследований – быстроразвивающаяся область и проведенные на сегодняшний день исследования на животных моделях позволяют возлагать в будущем большие надежды на данный метод визуализации.

Заключение

Данные, накопленные различными исследователями с момента открытия возможности контрастирования ультразвуковых исследований до последних молекулярных разработок, позволяют говорить о контрастно-усиленном ультразвуковом исследовании как о быстроразвивающемся методе визуализации, который обеспечивает высокую специфичность и  диагностическую точность, и уже нашел широкое применение в решении целого ряда сложных диагностических задач.

Новиков Н. Е., Национальная медицинская академия последипломного образования
имени П.Л. Шупика, г. Киев, Украина