Практический ультразвук: Часть 23 — Ультрамобильный ультразвук

Мне нравится осознавать, что диагностический ультразвук можно приносить с собой к пациентам, поэтому на встрече RSNA 2014 меня поразил портативный и, судя по всему, полнофункциональный ультразвуковой сканер с питанием от батареи. Из интереса, а также в качестве потенциального покупателя я решил оценить возможности ультрапортативного оборудования.

В данной статье рассматривается новое, обновленное и предлагаемое в качестве замены оборудование в целом, а также некоторые технические принципы, которые могут быть неизвестны новичкам отрасли.

Я бы хотел найти сканнер для широкого клинического применения с такими же характеристиками, как стационарное оборудование в моем кабинете, но при этом гораздо меньшего размера. Для написания этого обзора я не оценивал системы весом не более 2 фунтов (906 граммов). Также для клинического применения одной из систем требовалось дождаться одобрения FDA.

Вопрос морали

Я всегда изучаю промоматериалы, но для того, чтобы вынести какое-либо решение, мне нужно некоторое время использовать систему на практике. Иногда изображения имеют высокое качество в идеальных условиях, что может вводить в заблуждение. Самый главный вопрос, на который я должен ответить: оправдывает ли сравнительное качество изображения использование системы на пациентах?

Приобретение оборудования — это больше вопрос морали, чем бюджета. Анализ финансовой рентабельности может использоваться при принятии решений популяционного уровня, однако в частных случаях это несколько проблематично.

Независимо от диагностической задачи и области применения мы все должны работать настолько хорошо, насколько это возможно, а не просто настолько хорошо, насколько хорошо может работать оборудование. Выбор оборудования не должен быть этапом, который ограничивает качество услуг в области диагностического ультразвука.

Я всегда начинаю с фантома. Я учусь работать с органами управления и в течение некоторого времени пытаюсь достичь базового качества изображения. Если у вас нет готового фантома, его можно сделать из желатина и метамуцила по рецепту Бьюда и Адлера. В качестве мишеней в геле я предпочитаю использовать маринованные огурцы, оливки и вишни. Используя такой фантом при комнатной температуре, вы не заметите никаких искажений скорости прохождения звука. Я никогда не сканирую людей до того, как буду удовлетворен качеством визуализации фантомов.

Концепция «ретро»

Самые ранние ультразвуковые сканеры были полностью аналоговыми приборами. Клиническое развитие нашей области происходило синхронно с цифровой революцией в сфере компьютеров и электроники и под ее воздействием.

Одной из инновационных идей в этой развивающейся области является изобретение доктора Джона МакКиннона, академика-радиолога из Сантьяго, Чили, и бывшего президента Чилийского общества радиологии. Его ручной прибор отличается тем, что не имеет центрального процессора. Мне бы хотелось назвать это «очаровательным ретро», но это будет неправильно, поскольку аналоговое устройство-предшественник получило самопрограммируемую цифровую схему. Устройство называется Taote, что на родном языке острова Пасхи означает «врач».

Вадер Джонсон, главный инженер компании-разработчика Airson Labs, прислал мне прототип устройства Taote из Сантьяго для изучения. Поскольку устройство еще не было одобрено FDA, я сканировал только фантом. Я посчитал, что все равно должен включить это устройство в свой анализ из-за уникального замысла и информации, полученной от Вадера.

Один из важных для меня аспектов: кистозные (жидкостные) образования должны быть полностью анэхогенными с четкими границами. То есть, не должно быть артефактов боковых лепестков и дифракционных лепестков. Мне показалось, что прототип справляется с этой задачей очень хорошо даже с обычным конвексным датчиком 3,5 МГц китайского производителя.

Я спросил у Вадера, почему компания, единственная, насколько я знаю, решила не использовать центральный процессор. Он объяснил, что это было сделано с целью уменьшить шум и повысить качество отображения ткани, не повышая при этом энергопотребление. Он также объяснил, что в цифровых компьютерах операции происходят в фиксированных интервалах. Лучший способ снижения цифрового шума в компьютерной системе — это запас мощности, который означает максимально высокую тактовую частоту (и количество операций за единицу времени), а это увеличивает энергопотребление.

Компания Airson решила реализовать аналогово-цифровое преобразование в районе датчика и далее работать в цифровом режиме. Все программируемые компьютерные операции в ультразвуковом В-режиме были проанализированы и реализованы в качестве жесткосмонтированных схем с компонентами программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA).

Результатом стала компактная и мгновенно готовая к работе система визуализации с продолжительным временем работы от батареи. Вполне возможно, что ее недостатком является потеря универсальности. То есть, система может отлично работать при определенном наборе условий сканирования или конкретном применении, но это не обязательно означает возможность более широкого или универсального применения. В тестовую систему встроили несколько базовых органов управления. Я думаю, что на следующей стадии разработки к этому вопросу подойдут более внимательно.

Вывод изображения

На фото Вардер в очках виртуальной реальности, которые были пожертвованы проекту. Очки обеспечивают разумно яркое изображение традиционного ТВ-качества. По словам Вардера, Airson понравилась идея максимальной портативности, однако были и другие варианты вывода изображения.

Лично я откровенно против очков виртуальной реальности, хотя никогда не пробовал использовать очки Google Glass для этих целей. Пациенты на диагностическом исследовании всегда испытывают тревогу, поэтому следует избегать всего, что обезличивает врача.

Мне всегда казалось, что важную роль в просвещении пациентов (и получении от них нужной информации) играет возможность демонстрации исследования на экране. Если пациентам приходится пускаться в терапевтическое путешествие, не зная, куда оно их приведет, но с надеждой на лучшее, они должны четко видеть доказательства диагноза. 

Даже в случае небольших патологий визуальное представление способствует соблюдению режима приема препарата и лечения. Это главная причина, по которой я также не люблю маленькие экраны, особенно традиционные видеоэкраны. Еще одна причина — они не позволяют рассмотреть подробности. Мы находимся на том этапе, когда ТВ-изображение высокой четкости должно быть минимальным требованием для электронных устройств визуализации.

Многоэлементные датчики

Первым коммерческим ультрапортативным датчиком, который я тестировал, был датчик с веерообразным движением («раскачиванием») излучателя (wobbler), используемый в механических секторных датчиках конца 1970-х годов.

Эти устройства довольно хорошо работали для своего времени, в основном за счет использования одного круглого элемента и достаточно большой апертуры, что позволяло сохранять профиль луча на протяжении разумно необходимого расстояния в ткани. В некоторых новых механических датчиках для ультрапортативных сканеров используются новые кварцевые материалы, которым для формирования импульсов требуется меньше энергии. При этом они более эффективны в качестве приемников, и это приводит к избыточному шумуна изображении.

Данное устройство не прошло фантомную часть тестирования, но я упомянул его потому, что нам важно понимать, почему в «современных» многофункциональных ультразвуковых системах нужно использовать многоэлементные датчики (и это на самом деле никак не связано с изнашиванием подвижных частей.) Все дело в строгом контроле параметров акустических импульсов при передаче и приеме, что достигается электронными средствами.

В ранних датчиках с фазированной решеткой управление лучом и отслеживание отраженных сигналов по той же траектории луча осуществлялось за счет контроля времени возбуждения. Также для минимизации внеосевого облучения ультразвуком использовались акустические линзы. Одной из проблем ранних многоэлементных систем были перекрестные помехи или утечка сигналов между элементами, что существенно повышало шум. Эта проблема решилась за счет новых материалов датчиков и способа организации решеток.

Регистрация диаграмм направленности передаваемых и получаемых лучей позволяет использовать различные формы электронного кодирования импульсов для получения конкретных результатов. Это немного похоже на шифрование сообщений, когда их может получить только тот, кому они предназначаются.

Могу предположить, что на сегодняшний день большинство из вас знает о линейно частотно-модулированных сигналах. Это длинные по времени импульсы, частота которых постоянно меняется от низкой до высокой. Отраженные сигналы можно декодировать электронными средствами, симулируя очень короткий по времени высокоинтенсивный импульс.

Этот способ применяется в высокочастотной визуализации для сканирования на повышенной глубине с пониженной пиковой энергией (coded scanning, кодированное излучение/сканирование). В «ортогональных кодах Голея» вы найдете один из распространенных методов кодирования импульсов для уменьшения шума.

Цензура

Я также безуспешно запросил демонстрационное оборудование у двух крупных транснациональных компаний. Первое — устройство с маленьким экраном и инновационным датчиком, второе — планшет Аsus с конвексным датчиком 3,5 Мгц, позиционируемый как сканер для акушерства.

Оба эти устройства были оставлены без внимания участниками RSNA 2014, как и представители компаний. Примерно два месяца назад я общался с человеком, который возглавляет подразделение мобильного ультразвука в первой компании. Он рассказал мне, что компания увидела такой большой потенциал на рынке ультрапортативных устройств, что приобрела скандинавскую компанию, изначально разрабатывающую их устройство.

Он удивился, что лучевой диагност может интересоваться этим оборудованием, полагая, что лучше всего оно может проявить себя в отделениях неотложной и первой помощи, особенно в Индии. Я объяснил, что хотел бы оценить устройство, и подумал, что даже при ограниченных характеристиках его можно использовать в интервенционной радиологии для наведения иглы и размещения катетера.

Компания не захотела предоставить устройство на тестирование и согласилась прислать его только при условии подписания договора, в котором указывалось, что перед тем как публиковать или говорить что-либо об устройстве, я должен получить их разрешение. Подобный опыт был и со второй компанией, которая согласилась прислать мне устройство только при условии предварительной проверки всего, что я могу о нем сказать.

Я полагаю, вы сразу же поняли, насколько я возмутился вопиющим пренебрежением принципами академической и журналистской беспристрастности. Крупные производители оборудования могут не понимать, что мы как ответственные пользователи оборудования полагаемся на честный обмен информацией в своей среде. Вы можете ни соглашаться ни с чем, что я пишу в своих статьях, но у вас не должно быть сомнений в том, что я так же честно выражаю свои мысли, как и взаимодействую с пациентами. У меня нет никакого коммерческого интереса.

Органы управления

Ранее я упоминал о том, что для ознакомления с органами управления использую фантом. Я слышал, как продавцы, говоря о различных типах портативных устройств, называли отсутствие органов управления преимуществом, которое позволяет любому пользователю сразу же применить устройство. Нужно лишь выбрать пресет для осматриваемой части тела — и можно не беспокоиться о настройках сканирования. Само собой разумеется, что в большинстве ультрапортативных сканеров практически нет места для органов управления, поэтому их отсутствие иногда описывают как преимущество, особенно для пользователей с «кнопкофобией».

К сожалению, пациенты не стандартизованы. Парадокс состоит в том, что начинающему специалисту нужны изображения самого высокого качества, чтобы осмыслить их содержание и иметь возможность отличать реальные находки от ложных.

Ультразвук — метод, зависимый как от оператора, так и от оборудования.

Я никогда не любил пресеты. Я разговаривал со многими инженерами, которые разрабатывают оборудование для УЗИ, и понял, что они ошибочно полагают, что существует несколько видов тканей и огромное количество заболеваний. Поэтому в той или иной степени они создают пресеты на основе анатомии вместо того, чтобы постараться охватить все типы заболеваний.

Что нам нужно, так это возможность идентификации и стадирования патологий и применения патофизиологии. Есть лишь несколько патологических процессов, таких как воспаление, отек, клеточная инфильтрация, неоплазия и фиброз, и каждый из них выглядит довольно стереотипно, где бы ни проявлялся.

Большинство производителей «элитных» систем называют пресеты отправной точкой и позволяют менять их при необходимости. Однако, это, кажется, неприменимо к ультрапортативными сканерами, поскольку потенциальные настройки ограничены анатомическими заводскими настройками по умолчанию. Чем больше оборудование поддается настройке, тем лучше вы можете поработать с каждым пациентом, а не только с худыми моделями, которых используют для демонстрации устройств.

Правильное устройство

Я также обратил внимание на ультрапортативный сканер, который демонстрировался в зоне выставочных залов RSNA с низкой арендной платой. Не знаю, сколько компаниям обходится участие в RSNA, но там есть зоны с относительно небольшой посещаемостью, где можно найти технически инновационные стартапы.

Мое внимание привлекла французская компания Sonoscanner и ее тонкий и легкий планшет с высокочетким экраном и возможностями сканирования в В-режиме, М-режиме, режимах импульсного и цветного доплера. Система называется U-Lite и использует гармоники. Компания представила конвексный датчик 2–6 МГц, линейный датчик 8–16 МГц и выпущенный в прошлом году высокочастотный эндовагинальный датчик. Мне прислали конвексный и линейный датчики, а когда вы будете читать эту статью, у меня также будет эндовагинальный датчик.

Меня поразило то, что система полностью настраивается с помощью миниклавиатуры, подключаемой к одному из USB-разъемов. Все регулировки отображаются на экране, и вы можете видеть результаты в реальном времени. Предпочитаемые настройки сохраняются по глубине сканирования в одной из папок.

Я сохранил настройки один раз, впоследствии мне больше не пришлось их сильно менять, хотя это можно было делать. При повороте устройства ориентация экрана меняется с вертикальной на горизонтальную как на смартфоне, изображение можно двигать и увеличивать пальцами. Далее представлены некоторые из изображений метамуцилового желатинового фантома, полученные в первый день сканирования с помощью линейного датчика с частотой 10 и 12 МГц. Это оригинальные, но обрезанные изображения.
 

Изображение консервированного огурца по длинной оси

Первое — фантомное изображение огурца (хотя следует говорить «корнишона», поскольку устройство французское). Настройки оптимизированы для получения пространственного разрешения, которое позволяет увидеть крошечные семена вдоль оси.

Посмотрите на увеличенные изображения вишни ниже. Они прекрасно согласуются между собой, также впечатляет видимый диапазон интенсивности серой шкалы. Наполненная жидкостью трещина и косточка в центре имеют очень четкие границы, а в глубине вишни виден эффект акустической тени. Данные настройки главным образом обеспечивают контрастное разрешение, которое является самым важным фактором обнаружения и исключения патологий. Для ближнего поля можно было получить изображение более высокого качества, что я позже сделал.
 

Вишня с косточкой

Увеличенная косая проекция вишни

Увеличенная поперечная проекция вишни

Изображения были загружены по Wi-Fi в зашифрованную базу данных, в которой имеются инструменты аннотирования, измерения, маркировки изображений и генерации отчета, отправляемого по электронной почте пациенту и направляющему врачу.

Устройство очень хорошо продумано с точки зрения медицинского использования, и это не удивительно, ведь его создатель, лучевой диагност доктор Бруно Ричард, ежедневно сканирует пациентов. Он также имеет докторскую степень в области биомедицинской инженерии, полученную в Парижском университете, и является мировым экспертом по ультразвуковым датчикам.

На RSNA 2014 я спросил его, чем он больше всего гордится за свою долгую карьеру, и он практически без задержки ответил: «Конвексной решеткой».

Я использую U-Lite в клинической практике и расскажу о реальных случаях применения всех трех датчиков в следующей статье. Вывод, к которому я пришел: полнофункциональное ультразвуковое устройство, которое можно взять с собой прямо к пациентам или использовать в учреждениях здравоохранения, обеспечивает раннее выявление различных состояний, в случае которых минимальное вмешательство способно существенно повлиять на продолжительность и качество жизни.

Вполне возможно, что ультрапортативные ультразвуковые устройства будут играть важную роль в массовых скрининговых обследованиях, особенно сейчас, когда у нас есть инструменты для передачи, архивирования и исследования массивных объемов данных в рамках локальных и региональных систем здравоохранения.