Дорогие специалисты ультразвуковой диагностики! Ultrasound Club представляет третью в серии статью по практическому ультразвуку доктора Джейсона Бернхольца, одного из пионеров данного метода визуализации.
Лекция Юджина П. Пендерграсса «Новые горизонты» на последней конференции Радиологического общества Северной Америки снова поразила и впечатлила специалистов по клинической визуализации. Доктор Грегори Соренсен рассказал, как с помощью новейших форм обработки данных и представления изображений в компьютерной, магнитно-резонансной и позитронно-эмиссионной томографии можно не просто визуализировать патологию, но и выявить основные механизмы течения заболевания.
Та же самая тема была затронута Доктором Джеффри Петрелла в его ежегодной речи по диагностической радиологии, темой которой была болезнь Альцгеймера и научно-практическое использование визуализации в продолжающемся поиске лечения этой распространенной болезни.
Меня часто удивляло, почему имеющиеся внушительные ультразвуковые данные никогда не исследовались с таким же уровнем технической детализации. Все методы визуализации имеют доступ к одним и тем же инструментам обработки и анализа, и ультразвук – особенно популярная область для докторских диссертаций в сфере электронной инженерии.
К сожалению, порции маломощной широкополосной акустической энергии подвергаются очень сложному рассеиванию, которое непредсказуемым образом меняется при небольших изменениях в генерации импульсов и таких же незначительных изменениях в гистологии ткани, геометрии целевой области и расположении в организме. Это всегда делало техническую работу в области ультразвука более полуинтуитивным процессом, чем в других видах медицинской визуализации.
Я также подозреваю, что в последнее время сдерживающими факторами разработки существенно новых продуктов является то, что радиология никогда не относилась к ультразвуку достаточно серьезно и то, что многие клинические учреждения вполне удовлетворены текущей работой ультразвуковой диагностики в традиционных сферах его применения.
Желая выяснить, что ждет ультразвук на горизонте, я решил поговорить с двумя самыми толковыми инженерами по электротехнике, которых я знаю, работающими в сфере разработки ультразвуковых приборов: Глен МакЛафлин (Glen McLaughlin), доктор наук (основатель Zonare Medical Systems), и Жак Суке (Jacques Souquet), доктор наук (основатель SuperSonic Imagine). Действительно интересно то, что они назвали один и тот же сдерживающий фактор развития ультразвука и были среди первых, кто предложил клиническому сообществу новую форму оборудования для ультразвуковой визуализации.
Перед тем как поделиться с вами информацией, которую я получил в ходе нашего общения, я хочу представить абсолютно произвольный список «поколений» ультразвукового оборудования для иллюстрации того, каким образом современный ультразвук использует последовательные достижения прошлого.
1-е поколение – это оборудование ручного сканирования в В-режиме с одним относительно большим, как правило, круговым датчиком, прикреплённым к определяющей его положение опоре, которая ограничивала движение датчика линейной траекторией. Эти устройства прошли путь от черно-белых (бистабильных) изображений границ органов до изображений в шкале серого, включая паренхиму в середине 1970 годов. Преобразование сигналов эволюционировало от аналогового до частично цифрового, а сканирующая стрела была заменена поворачивающимися датчиками для быстрого почти беспрерывного просмотра ограниченной части поля сканирования.
2-е поколение включало первые системы с решеткой. Один большой датчик был заменен решеткой из многочисленных мелких элементов, что принесло множество новых проблем для разработчиков систем и пользователей. Форма луча отдельных мелких элементов на самом деле неэффективная, и отдельные элементы не выдерживают большой мощности и ударного возбуждения больших одноэлементных датчиков.
Системы с решеткой прошли путь от последовательно возбуждаемых групп элементов (для симуляции движения поверхности большого датчика) – так называемой «линейной решетки» – до фазированной решетки, которая использует все элементы вместе. Фазированная решетка управляла лучом путем незначительной задержки по времени возбуждения соседних элементов, что обычно называется «электронными секторными сканнерами». Во 2-м поколении наблюдалась волна прогресса в материалах датчиков, конструкции датчиков и понимании режимов возбуждения.
Начало 3-му поколению было положено в 1982 году представлением «компьютерной сонографии», но возможно лучше всего назвать это эрой «формирователя» луча. Количество элементов решетки немного напоминает число диафрагмы оптического объектива. Больше элементов означают более высокое число диафрагмы и большую глубину поля в фокусе. Датчики 3-го поколения имели больше элементов, чем их предшественники и осуществляли динамическую фокусировку за счет всей полученной энергии, симулируя точную фокусировку передачи при ее физическом отсутствии. Результатом было улучшенное пространственное разрешение и улучшенный контраст с меньшим количеством помех и других форм шума.
Существенные улучшения в 3-м поколении были достигнуты в начале 1990х годов, включая отклонение фазы сигнала, гармонику и линейно частотно-модулированные сигналы. ЛЧМ используют летучие мыши и дельфины. Идея была следующая: чем короче звуковой импульс по времени, тем больше частотных компонентов в сигнале; чем короче импульс, тем шире полоса сигнала и лучше осевое разрешение.
Идеальный (бесконечно короткий) импульс будет иметь бесконечно широкую ширину полосы. Проблемой является получение действительно широкой полосы сигнала с помощью реальных материалов датчика, которые отражают звук, проявляют инерцию и имеют ограничения по выдерживаемой мощности при продолжительном клиническом использовании. ЛЧМ-сигналы – превосходное решение, такой сигнал длинный по времени и имеют низкую пиковую мощность, поскольку частота возбуждения увеличивается в диапазоне, в котором будет проходить электромеханическое преобразование.
Этот оформленный и оконтуренный сигнал можно декодировать фильтром, который симулирует высокоинтенсивный короткий импульс с той же шириной полосы. Одна из областей, где это имеет самое большое значение, это высокочастотный ультразвук, применяемый, например, к молочным железам, где высокие частоты ослабляются ограничением по глубине. Другие формы кодирования и манипулирования сигналами, изначально разработанные для военного эхолокатора и коммерческого радара, также перешли в ультразвуковую область.
Возвращаясь к моему общению с МакЛафлином и Суке, оба считают, что все предыдущие поколения ультразвука формируют изображения построчно. Вы запускаете импульс и далее ждете, пока все эхо вернутся в датчик и т.п., строя изображения какой либо части тела. В результате сочетания частоты повторения импульсов и линейной плотности изображения вы можете получить большое детализированное поле обзора с низкой скоростью визуализации или маленькое и часто довольно шумное поле с высокой скоростью, но не оба сразу.
Обработка каждой линии данных в отдельности также вносит свой вклад в проблемы поперечного разрешения, которые ухудшают качество в дальних частях полей визуализации. Суть новых форм ультразвука в том, что целое поле обзора охватывается сразу плоской ультразвуковой волной, а далее все, что возвращается, захватывается и анализируется. Электроника развивается со скоростью света, наблюдается стабильное увеличение вычислительной скорости преобразований и операций фильтрации.
Поэтому из этого следует, что может иметь место очень большая обработка, особенно при распараллеливании, в то время, которое терялось при продолжительном пассивном ожидании во всех предыдущих поколениях ультразвука.
Во многом это имеет такое же важное значение, как то, когда (доктору) Роджеру Баннистеру удалось пробежать милю за менее чем 4 минуты. Это одна из причин, почему мне нравится считать 4-е поколение качественно новым поколением ультразвуковых приборов.
У меня создалось впечатление, что эти две новые компании, работающие с 4-м поколением ультразвука, идут частично совпадающими путями, которые во многом напоминают нечеткую границу между корпускулярными и волновыми свойствами элементарных частиц, между системным и локальным мировоззрением и между высококонтрастными полнофокусными фотографиями с длинной выдержкой и снимками, на которых запечатлено высокоскоростное движение. В конечном итоге 4-е поколение совместит оба режима, но в настоящее время МакЛафлин, кажется, отдает предпочтение протоколам отбора и анализа, направленным на повышение качества изображения с возможностью количественной характеризации тканей на основе кодированного полного «озвучивания» поля обзора датчика.
Типичным визуальным примером может быть обнаружение и оценка степени цирроза на основе ультразвуковой паренхимальной макротекстуры. Подумайте об ультразвуковом изображении как о заменителе биопсии с окраской эластина. МакЛафлин использовал термин «виртуальная гистология», который служит хорошим описанием. Подобно множеству вариантов окраски тканей, которые обычно используют в патоморфологии, существуют многочисленные факторы распространения волны и операций фильтрации, которые можно применить.
Суке изучает последствия визуализации на скорости несколько тысяч кадров за секунду. Одним из результатов является сверхскоростной доплер для изучения минутных и локальных изменений кровотока в сосудах и камерах сердца, другим – эластография сдвиговой волны.
В эластографии сдвиговой волны сформированный ультразвуковой импульс от датчика на поверхности кожи возбуждает сдвиговые волны, которые распространяются через ткани перпендикулярно траектории импульса со скоростью примерно в три раза меньше чем у продольных ультразвуковых волн. Целевая область сканируется со скоростью несколько тысяч кадров в секунду, что позволяет обнаружить поперечные волны, которые распространяются вследствие минутных изменений в положении ткани. Скорость сдвиговой волны прямо связана с жесткостью ткани. Это измерение работает во всей сфере визуализации и не использует никакой поверхностной силы или вибрации. В том же самом примере эластограмма сдвиговой волны печени обеспечивает наложение на изображение в В-режиме кодированное цветом изображения имеющегося фиброза.
Как МакЛафлин, так и Суке прокомментировали недавно разработанные материалы для датчиков на кремниевой основе, которые генерируют сверхширокополосные сигналы, используя лишь долю энергии, которая требуется современным датчикам. Это важно, поскольку нагревание датчика – большая проблема безопасности и регулирования. Они оба верят, что эти новые материалы, особенно такие, как 2D и поверхностные решетки, не сыграют большой роли для устройств 3-го поколения, однако обеспечат значительные улучшения в эволюционирующем 4-м поколении благодаря уникальной архитектуре системы.
Еще одним аспектом цифровой обработки и высокоскоростных высокопроизводительных вычислительных компонентов 4-го поколения, которые доступны сейчас, является то, что инструменты могут стать физически меньшими и более мобильными, чем новейшие аналогово-цифровые гибриды 3-го поколения.
МакЛафлин работает преимущественно в сфере ультразвука, используемого в местах оказания медицинской помощи, таких как пункт первой помощи и особенно педиатрические учреждения с минимально допустимым облучением ионизирующим облучением. Суке имеет персональный интерес в серийном мониторинге терапии, таком как абляция опухоли и химиотерапия, которые обычно проводятся удаленно от ультразвукового аппарата. Он называет это «терагностической» визуализацией.
Я представляю, что другие производители активно работают над своими собственными версиями плоско-волнового оборудования 4-го поколения. Каждое поколение ультразвукового оборудования расширяло роль ультразвука и его клиническое применение. Для производителя улучшения каждого поколения означают повышение теоретической сложности и необходимость разработки совершенно новых методов реализации и производства.
Когда новый метод появляется впервые, его потенциал почти никогда не оценивают в общем. Признание расширяется, когда новый метод выходит за рамки того, чего можно достичь с помощью самого лучшего из имеющегося до этого. Ядерно-магнитный резонанс – хороший пример для тех, кто помнит его появление.
Мне повезло участвовать в самом начале разработки 2-го и 3-го поколений, и теперь, имея более девяти месяцев клинического опыта с 4-м поколением, я убежден, что это будет самый значительный успех в ультразвуке. «Реальная задача технологии 4-го поколения – получить такое качество диагностического изображения, которое является когерентным во времени и инвариантным относительно сдвига», – отметил МакЛафлин.
Речь идет о высокочетком ультразвуковом изображении, которое является истинным воспроизведением характеристик тканей, видимых на высокой скорости. Это, пожалуй, то, чего мы всегда хотели и к чему стремились.
Пришло время тем из нас, кто работает с медицинским ультразвуком, поаплодировать людям и командам инженеров, физиков, программистов, обработчиков сигналов и материаловедов, благодаря которым мы можем работать с этой невероятной формой диагностической визуализации, и чья непрекращающаяся работа последние 50 лет помогает нам обеспечивать и улучшать медицинское обслуживание.
0
1581
Если вы впервые на сайте, заполните, пожалуйста, регистрационную форму.
Главная
Новости
Аппараты УЗИ
Обучение
Блоги
Форум
О проекте
Комментариев еще нет