Дорогие специалисты ультразвуковой диагностики Ultrasound Club представляет девятую в серии статью по практическому ультразвуку доктора Джейсона Бернхольца, одного из пионеров данного метода визуализации.
На вопрос, зачем проводить ультразвуковые исследования, ответить легко. Чтобы помочь пациентам и направляющим врачам в поиске заболевания, мониторинге терапии или исключении проблем и установлении уровня здоровья. Ответ на вопрос, как это делать, был и остается серьезной проблемой ультразвука.
Мы обычно радуемся правильному выбору оборудования, а неудачи в исследованиях связываем с кажущимися ограничениями его рабочих характеристик. Возможно, пришло время применять междисциплинарный подход к проблемам, связанным с изображениями, которые мы получаем на любых «высокоэффективных» системах.
Независимо от того, каким областям вы уделяете больше всего внимания и какой сегмент пациентов смотрите, все зависит от качества изображения. «Картинки», которые вы видите при сканировании, представляют собой основу ультразвука, они критически важны независимо от того, получаете вы изображения как технический специалист, интерпретируете их как врач или совмещаете две эти функции.
Для большинства первичных исследований в большинстве областей выбор дополнительных режимов, таких как доплер, эластография и некоторые формы анализа изображений, зависит от увиденного в В-режиме по мере проведения исследования. Лучевые диагносты фанатично относятся к качеству изображения, или должны так относиться, потому что заархивированные изображения можно интерпретировать, и они позволяют убедить направляющего врача в своей диагностической правде. Одна из основных проблем ультразвука – фактическое отсутствие стандартов качества изображения, которым бы мы все следовали в процессе работы.
Я всегда рассматривал получение медицинских изображений как форму фотографии, где вместо солнца или искусственного источника света мы используем вспышку рентгеновских фотонов, резкое изменение электромагнетного поля, поток «фононов» (теоретические невидимые составляющие акустических волн). В свободное время я много фотографирую.* Существуют некоторые базовые понятия, такие как резкость и экспозиция, которые легко оценить, однако в сложных изображениях на восприятие зрителя влияют и другие факторы, которые не менее важны.
Давайте посмотрим на некоторые ультразвуковые примеры с точки зрения фотографии. Сначала мы рассмотрим несколько технических факторов, далее кое-что более субъективное, что мы видим на изображении в контексте конкретного пациента.
Шум всегда был большим врагом ультразвука, как рассеяние фотонов для радиографии. В рентгене существует несколько основных форм рассеяния, здесь оно происходит на атомном уровне. В ультразвуке ситуация более сложная, потому что физическое взаимодействие происходит между акустическими импульсами при определенной длине волны и макроструктурой тканей в диапазоне того же размера. В результате рассеяние изменяется с глубиной проникновения в любом диапазоне частоты и в зависимости от характеристик ткани, таких как неровность поверхности, анизотропия и движение.
Существует также случайный и полуслучайный электронный и вычислительный шум, связанный с передачей и обработкой сигналов, неструктурированный шум, известный как «зернистость» (speckle), который выглядит как зернистая пыль на изображении. Кроме того, есть формы структурированного шума, связанные с конструкцией и материалами датчика, методом «возбуждения» датчика и степенью аналогово-цифрового преобразования, а также электронный или вычислительный шум, который все время имеет место при передаче и обработке сигнала. Производители довольно преуспели в подавлении структурированного шума (кроме множественных ревербераций), однако уменьшение зернистости – задача более сложная.
Один из самых простых способов уменьшения шума – усреднение (суммирование) кадров. Я очень горжусь им, потому что придумал его для компании Varian, которая создала один из первых сканирующих приборов с фазированной решеткой в 1975 году, который включили в сканнер Acuson XP в 1982 году. Соотношение сигнал-шум улучшается как квадратный корень количества повторений, но за счет снижения контрастности. Идея в том, что на изображении реальные структуры накладываются, а случайный шум равномерно распределяется по полю. Четыре кадра для усреднения (суммирования) могут быть лучше всего. Во многих устройствах это регулировка «персистенции» (persistence).
Давайте немного отклонимся от темы и рассмотрим теорию информации. Здесь нет ничего удивительного, потому что эта тема стала центральной во всех науках после знаковой работы Клода Шеннона (Claude Shannon) по вопросам коммуникации в 1948 году.
Основной проблемой была точная передача сигнала из одной точки в другую. Информация имеет вероятностное определение и тесно связана с энтропией. Использование волны для передачи информации предполагает некоторую форму кодирования сигнала, который декодируется и преобразовывается при получении. Шум при передаче информации ухудшает ее качество. Считается, что всегда существует способ довести до максимума передачу информации через особый канал.
В случае ультразвука давайте предположим, что хотим добиться точного отображения анатомии ткани на изображении. Поверхность дисплея – важная часть канала передачи информации. Его «емкость» (в битах) зависит от количества оттенков серого, ширины матрицы дисплея (в пикселах) и высоты матицы. Это значение – общее число элементов изображения, которые можно показать.
Итак, первое, что нам нужно, это ультразвуковая система, в которой используется что-то эквивалентное или лучшее, чем в цифровом телевизоре с высоким разрешением, второе – заполнение матрицы дисплея целевой областью. Другими словами, изображения с большой областью сканирования несут в себе меньше информации, чем когда область интереса заполняет изображение, поэтому масштабирование (локальное увеличение) является обязательной функцией системы.
Далее, нам нужна система, в которой емкость ультразвуковой части канала соответствует дисплею. С учетом некоторых сложных математических аспектов, связанных с энергией, главный вывод – мы хотим работать в максимально возможно высоком частотном диапазоне.
В 1990 году произошел большой прорыв – обработка сигналов с ЛЧМ (линейной частотной модуляцией, chirp signal processing) – обеспечило широкополосное формирование УЗ сигнала. Для простоты мы представим, что ультразвуковые импульсы имеют одну частоту, хотя в реальности мы всегда имеем дело с диапазоном и распределением частот. Ранние датчики возбуждались мощным электрическим импульсом очень короткой длительности, что приводило к испусканию ими ультразвука номинальной частоты. Высокочастотные датчики тонкие и хрупкие и намного менее восприимчивы к мощным импульсам.
Линейно-частотная модуляция, которую используют летучие мыши, включает отсылку длинного по времени сигнала с частотой, которая увеличивается от низкой до высокой во время импульса. Поскольку длинные импульсы имеют очень низкое пространственное разрешение, адекватное декодирование (или инверсная фильтрация) позволяет цифровым способом преобразовать полученный сигнал в такой, который точно соответствует возбуждению мощным импульсом на основной частоте датчика.
Сигналы с ЛЧМ (длинные по времени с широким диапазоном частот) изначально характеризовались линейным увеличением частоты со временем. Однако существует много способов кодирования сигнала, некоторые из них имеют функции устранения ошибок. Другие отличаются вычислительной скоростью декодирования. Это лежит в основе «предварительных настроек» многих новых систем.
Формы кодирования – тщательно охраняемые секреты, и Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) следит за тем, чтобы выбранные методы соответствовали критериям безопасности по облучению пациента и нагреванию датчика. Мои постоянные опасения насчет предварительных настроек кроются в их предназначении для какого-либо органа или области. Проблема, с которой все вы столкнетесь, в том, что то, что по мнению какого-то разработчика лучше всего подходит для просмотра здоровой почки или щитовидной железы, вряд ли оптимально для поиска различных патологий в этих органах.
На RSNA 2012 два производителя представали новые методы уменьшения шума. Zonare Medical Systems предварительно обрабатывает «сырые» акустические данные до того, как они входят в цепь отображения, и использует увеличенное временем обработки за счет зонного сканирования вместо традиционного построчного построения изображения. Siemens Healthcare теперь предлагает оптимизацию изображения после сканирования. Фотографы в порядке вещей применяют шумопонижающие фильтры, уже доступные для всех типов цифровых изображений, однако это не часто делается в ультразвуке после исследования, насколько я знаю**.
При сканировании я просматриваю множество областей, разговаривая с пациентами о симптомах и анамнезе, увеличиваю то, что вызывает интерес, и заполняю матрицу дисплея целевой областью.
Обнаружена очень ранняя форма губчатой почки. Сосудистые аркады на кортико-медуллярных границах (нормальные) и точечные структуры без акустической тени в пирамидах видны благодаря подавлению шума.
Данное изображение имеет высокое информационное содержание. Частотные компоненты преимущественно высокие, что можно увидеть с помощью двумерного быстрого преобразования Фурье (БПФ) того же самого изображения.
Важность контрастности изображения демонстрируется с помощью эндовагинальных УЗ изображений 36-летней нерожавшей женщины с обильными и нерегулярными менструациями вследствие аденомиоза.
Аденомиоз (т.е. «железистая ткань в мышечной») имеет место тогда, когда нарушается целостность границы эндометрия и «активные» клетки эндометрия, быстро разрастаясь, мигрируют из «города» в миометральные «пригороды». Железистая ткань интенсивно васкуляризирована, это объясняет типичные находки с помощью 2D доплера, клиническим проявлением которых служат обильные и часто болезненные менструации со сгустками крови. Могут присутствовать небольшие секретирующие кисты.
Нарушения в граничной зоне эндометрия связывают ультразвуковые находки с патологией и классическим признаком этого заболевания, выявляемым с помощью гистеросальпингографии. Это вопрос контрастности серошкального изображения. С годами я пришел к выводу, что контрастность является самой важной детерминантой качества изображения во всех сферах применения ультразвука.
Контрастность (контрастная разрешающая способность) определяет видимость конкретной структуры на общем фоне. Стеклянная палочка в стакане с водой имеет нулевую контрастность, она невидимая. Ультразвуку присущ контраст цели и фона (т.е. очень высокий для кист на фоне «солидной» ткани или очень низкий для высокодифференцированной гепатомы в поле нормальной печеночной паренхимы). Контраст всегда максимальный, если отображается динамический диапазон от абсолютно черного до яркого белого, и зависит от ширины полосы частот УЗ сигнала (т.е. частотный спектр, длина пути) и дополнительных настроек, таких как регулировка карты серой шкалы.
Многие пользователи раннего серошкального ультразвука допускали большую ошибку, которую многие продолжают повторять и, я полагаю, сознательно предпочитают. Они склонны устанавливать высокие значения динамического диапазона. Это делает изображения органов сглаженными, однородными, «заполненными» и визуально привлекательными, что неправильно. Проблема в том, что это одновременно увеличивает шум и уменьшает контрастность.
Большую часть действительно ценной информации, которую можно получить с помощью ультразвука, несут в себе незначительные изменения отражательной способности в полях паренхимы, как в примере с аденомиозом. Всего, что увеличивает шум или уменьшает контрастность, необходимо избегать. Новая эстетика, связанная с содержанием изображения и его диагностической значимостью, быстро заменит сглаженные изображения 1980х годов с низким информационным содержанием. Слишком высокий динамический диапазон можно также рассмотреть с той точки зрения, что он обычно превращает потенциально эффективное исследование худого пациента в ограниченное, как в случае если мы имеем дело с патологическим ожирением.
По умолчанию я обычно использую гармоническую визуализацию, потому что она, как правило, обеспечивает небольшое улучшение контрастности. Когда при сканировании вы находите что-то, что кажется значимым, лучше всего получить много изображений с различными настройками и потом использовать те, которые лучше всего показывают образование. Это во многом напоминает использование экспобрекетинга фотографами для получения наилучшего изображения с имеющимся светом. Наша задача не только получить серию изображений, но и поставить диагноз, используя наилучшие возможные изображения.
Последний рассматриваемый случай – 19-летняя бегунья, во время тренировок испытывающая боль в правом нижнем квадранте живота. Здесь для постановки диагноза ультразвук не требуется, но я рад, что врач направил эту пациентку к нам (для исключения хронического аппендицита, подумать только).
Единственная хитрость здесь в том, чтобы начать исследование пациентки в положении стоя после ходьбы. Я не буду говорить много о паховых грыжах, скажу лишь, что они встречаются примерно у 2% детей, чаще у мальчиков (конечно, не наш случай), чаще у детей, рожденных раньше срока (не спрашивал), и являются наследственными (в данном случае). Я подумал, что хорошо бы сравнить изображение большой области сканирования с увеличенным изображением области сканирования в первом случае. Когда вы делаете изображения для направляющих врачей, которые не являются специалистами по визуализации, должно ли изображение соответствовать патологии или это будет преступлением, следующим за наказанием?
Три описанных выше случая пришлись на один день в моем маленьком офисе в пригороде. Я обычно концентрируюсь на ранней диагностике и вопросах профилактической медицины, это больше всего соответствует моему представлению о медицине. Я не отрицаю, что это некая форма саморекламы, как множественные публикации и лекции. Но надеюсь, что она не отвлекает от мысли, которую я хочу донести, что можно найти многое, если искать и настраиваться на максимально возможное качество изображения каждый раз, когда вы смотрите на экран или сканируете.
*Мой фотосайт VisualJason.com. Он имеет развлекательный характер, там нет ничего, связанного с медициной. Если вы его посетите, надеюсь, просмотр хотя бы одной фотографии из тематических галерей доставит вам удовольствие.
** Программная постобработка с целью шумоподавления и оптимизации изображения существует у всех ведущих производителей (XRes – у Philips, SRI – у GE, HIRez+ - у Hitach Alokai, Precision Imaging – у Toshiba, DMR™ - Samsung Medison и т.п.).
Комментариев еще нет
0
1581
Если вы впервые на сайте, заполните, пожалуйста, регистрационную форму.
Главная
Новости
Аппараты УЗИ
Обучение
Блоги
Форум
О проекте
Кузнецов Александр Анатольевич