Фотосонография: искусство и клиническое предположение

Полный перевод авторской статьи и содержательных дополнений автора, если они есть в источнике. Дата оригинала: 2017-07-31. Авторская позиция и исторический контекст сохранены; редакционные уточнения выделены отдельно.

В соцсети мне попалась реклама teespring.com. На футболке предлагалось напечатать: «Врач, сущ. — человек, который решает проблему, о существовании которой вы не знали, способом, которого вы не понимаете. См. также: волшебник, маг».

Мне нравится. Найти и устранить ещё неизвестную проблему — в этом и состоит ранняя диагностика. Для ультразвука это одновременно давняя и всё ещё открывающаяся область. А с «пониманием» в медицине всегда было непросто. Соединять научное знание с огромной неопределённостью и при этом действовать — такую задачу врач решает каждый день. Одна из великих вещей, на которые способен человек.

Как нам решать, что, когда, где и каким образом исследовать, если инструменты становятся надёжнее, собственные знания и опыт растут, а возможности обмена и взаимодействия с другими областями помощи расширяются? Это касается каждого из нас, на самом обычном рабочем месте.

Вообще-то с теми же вопросами сталкивались художники ещё с тех пор, как первый штатный живописец Франции решил нанести новые минеральные краски на каменные стены Ласко двадцать тысяч лет назад. В качестве научного журнала каменную стену распространять трудно, сообщение получается монументальным — зато как долго хранится!

Работа художника — творческий акт. На искусство влияют общество и культура, но само исполнение требует близкого знакомства с предметом, материалом и инструментами. Думаю, многие проблемы УЗИ возникают потому, что в операторе прежде видят пользователя «научного» прибора, а уже потом — создателя визуального образа. Обычный художник хочет что-то открыть в предмете: настроение, воспоминание; затем выбирает средства. У художника ультразвука задача одна: с предельной ясностью показать патологию.

Инструменты нашего ремесла

У всех визуальных искусств есть общее: некий материал, на который будут смотреть. Я имею в виду человека-зрителя, независимо от того, сколько людей и машин участвуют в получении и обработке изображения. Датчики — наши кисти. Они рисуют звуковой энергией срез или объём ткани, делая видимым взаимодействие вещества с этим «тёмным светом». Художник выбирает поверхность, краски и кисти, следуя замыслу. Мы управляем выбором аппарата и группой обследуемых пациентов, самим исследованием и тем, как используем знания и опыт.

К сожалению, выбор техники не всегда находится в руках врача, работающего с изображением. Поэтому значительная доля управления сводится к настройкам во время исследования. Мне никогда не нравилось слово knobology — «наука о ручках», хотя его причудливое ретрозвучание по-своему мило. Мы имеем дело с пациентами совершенно разного роста и сложения. Видимость патологии меняют сопутствующие болезни, геометрия исследования и внешние условия.

Кнопки, ручки и ползунки помогают по возможности компенсировать различия. Во время обучения нужно понять, что делает каждый регулятор сам по себе и в сочетании с остальными. Стремитесь играть на инструменте так, чтобы во время исследования получать гармоничное звучание, не заставляя каждый раз включаться медленное мышление. Об этом я писал в «Поведенческом ультразвуке». Короче: инструмент нужно прочувствовать.

Всё это очевидно — или должно быть очевидно — специалисту УЗД и должно входить в обычную учебную программу. Но тема стала особенно острой: всё больше врачей других специальностей переходят от покупки аппарата прямо к работе, словно в «Монополии» вытянули счастливую карточку и миновали обязательные остановки. С профессиональными стандартами УЗИ всегда справлялось не лучшим образом. Для развивающейся и технически изменчивой области это и преимущество, и недостаток.

Может быть, существует другой, уже знакомый нам источник знаний, способный помочь обучению, особенно на старте? Теперь почти все фотографируют. Посмотрим, сработает ли такая модель.

Ультразвуковая фотография

Ультразвук и радар — однояйцевые близнецы, живущие в разных домах. Цифровая камера и УЗИ — близнецы разнояйцевые, близкая родня. В этой аналогии УЗ-система — цифровая камера с особым источником освещения, позволяющим увидеть звуковое поле. Знакомство со световой камерой может помочь понять, как получается ультразвуковое изображение.

Фотография — искусство: и селфи на смартфон, и снимки далёкого космоса с «Хаббла», уникальной камерой с несчётными пикселями и обработкой на массивно-параллельных компьютерах.

Припоминаю, что для ответа палочки сетчатки требуется одновременное попадание восьми или девяти фотонов. Порог светового ответа плёнки или сенсора, например CMOS, связан с чувствительностью, которую обозначают числом ISO. Чем ниже чувствительность, тем лучше может быть качество при достаточной экспозиции. Очень высокое ISO позволяет снимать почти в темноте, но изображение может стать шумным и малоконтрастным. Диапазон от начала ответа до перегрузки приёмника — его фотографическая широта.

Диафрагму обозначают ступенями f: изменение отверстия компенсируют выдержкой, сохраняя поступившее количество света. Например, для плёнки ISO 25 в ясный солнечный день сочетание f/11 и 1/100 секунды приблизительно соответствует f/5,6 и 1/400 секунды. Это две ступени, а не шесть, как ошибочно указано в оригинале.

Есть ли разница? Если хотите, чтобы на пляжном снимке чётко получились все рельефные торсы и крошечные бикини, выберете f/11 или ещё более закрытую диафрагму. А для валентинки с одной совершенной розой в саду при сильном ветре — малое число f и короткую выдержку: движение замрёт, фон размоется. Такие решения опытный фотограф принимает постоянно, обычно заранее представляя результат.

Световая камера использует фотоэлектрическое преобразование, обычный ультразвуковой датчик — пьезоэлектрическое. Энергия акустических колебаний существенно отличается от энергии световых фотонов; механическая волна распространяется благодаря взаимодействию частиц среды. По сравнению со светом звук движется ледяно-медленно и в сложных биологических тканях рассеивается во все стороны. Рассеяние и поглощение устроены по-разному, но основные звенья цепочки получения изображения можно сопоставить.

Усиление и выходная мощность

Основная регулировка УЗИ — усиление: общее или для отдельных глубин. Эквивалентная апертура датчика сравнительно невелика. Простые системы формирования луча собирают изображение из одной или нескольких фокальных зон. Новые динамические системы, включая плосковолновые и так называемые квазиголографические, могут получать широкую зону фокусировки цифровой обработкой.

Изменение усиления отчасти напоминает повышение ISO: растут амплитуда и яркость, а в местах без полезного сигнала становится больше видимого шума. Ранние аппараты похожи на камеру, перед которой двигают щель, одновременно включая вспышку сотни или тысячи раз в секунду. Более современные источники напоминают стробоскопы: короткие, интенсивные, широкополосные импульсы. Спектр звукового сигнала — аналог цветового состава света. Дальше в это не углубляюсь: здесь различаются линейки техники, хотя одинаковые модели одного производителя должны быть согласованны.

Я обычно работаю при максимально допустимой для аппарата выходной мощности. Производителю заданы регуляторные пределы, которые, насколько я могу судить, выглядят произвольными. В моём представлении максимальная мощность подобна яркому солнцу: изображение лучше, главным образом из-за меньшего шума, хотя всё всегда сложнее. Усиление принимаемого сигнала при этом минимально. Кроме того, лучшее изображение позволяет быстрее закончить исследование и сократить общее воздействие; такую тактику я считал соответствующей ALARA.

Справедливости ради, ультразвуковая дозиметрия — болотистая местность с редкими ориентирами. Импульсы имеют сложную форму, меняющуюся по пути. Непросто установить, какой показатель отражает фактическую передачу энергии конкретной ткани; надёжно измерить её при реальном сканировании маломощной диагностической системой тоже трудно.

В некоторых аппаратах есть persistence — усреднение нескольких кадров; в других оно встроено в обработку. Для многих задач мне больше всего нравятся примерно четыре кадра. Это немного похоже на увеличение выдержки при той же диафрагме без перегрузки сенсора. Если рука неподвижна, полезные эхосигналы совпадают, а случайный шум не оказывается каждый раз в том же месте. Для независимых случайных составляющих отношение сигнал/шум связано с квадратным корнем из числа отсчётов. В таком идеализированном случае усреднение четырёх кадров даёт двукратное улучшение по сравнению с одним и может не ощущаться как замедление.

Попробуйте когда-нибудь на поперечном срезе сонной артерии. При значительно большем усреднении в зависимости от обработки могут меняться яркость и контраст, а движущиеся объекты размываются. Следите, чтобы артерия занимала достаточную часть изображения. Маленький экран или крошечный объект в большой матрице могут скрывать спекл — но тонких деталей вы тоже не увидите.

Контраст

Самым важным, наименее используемым и недооценённым регулятором я считаю Dynamic Range — DR, динамический диапазон, связанный с логарифмической компрессией. Помните фотографическую широту? Диапазон амплитуд тканевого эха шире возможностей дисплея. Логарифмическая компрессия укладывает его в то, что можно показать и воспринять. По контрастности дисплеи стали намного лучше, чем даже десять лет назад, но настройка остаётся критичной. Она работает вместе с LUT, назначающей небольшим диапазонам амплитуды оттенок серого или цвет.

В середине 1970-х некоторые пионеры серошкального УЗИ допустили две грубые ошибки. Первая — чёрно-серое изображение на белом фоне. Подумайте: видны ли звёзды днём? Вторая — представление, что орган является однородным солидным объектом и потому должен выглядеть гладким и равномерным. Ради этого применяли большую компрессию и гордились показом 70–80 дБ вместо жалких 40–50.

По моему мнению, это было неверно. Динамический диапазон дисплея не особенно менялся, зато компрессия поднимала шум до яркости ткани, заполняя промежутки. Воспринимаемый контраст почти исчезал. В частности, падала способность выявлять или исключать первичные и вторичные злокачественные образования печени: они переставали отличаться от фона.

Однажды выбрать очень высокую компрессию и больше её не трогать — художественное решение, но для УЗИ плохое. В фотографии похожую проблему решают взвешенным объединением одинаковых кадров с разной экспозицией — HDR. Пока достаточно понять: для очага и региональных различий коллагеновой структуры решающее значение имеет контраст. Во время сканирования меняйте DR, добиваясь лучшей видимости того, что нужно показать. В начале исследования подберите хорошую картинку, прежде чем вглядываться в её содержание.

Предустановки

Ещё в 1990-х многие производители поняли: часть пользователей не любит настраивать аппарат под каждого пациента и каждую задачу. Я помню учреждения с заклеенными регуляторами. Объясняли просто: «Эти настройки работают», а повторно найти их не смогут. Некоторые компании предлагали исходный автоматический подбор по распределению амплитуд, оставляя всё управление доступным.

Гораздо популярнее стала кнопка с настройками, якобы лучшими для определённой задачи — например щитовидной железы или печени, иногда с поправкой на ожирение или триместр. Это всего лишь сочетания доступных регуляторов, что, на мой взгляд, довольно обидно для профессионала. И сама идея ограниченна: постоянная цель — патология, а орган служит изменчивым фоном. Это относится и к диффузным заболеваниям паренхимы, хотя метафора здесь несовершенна.

Цифровая визуализация всё изменила. Есть — или должны быть — основные параметры, которые подбирают во время осмотра. Есть второй уровень, например распределение оттенков по силе сигнала, требующий меньше изменений. А ещё огромное количество полностью скрытых параметров: программное формирование луча, синтез и обработка изображения. Они взаимосвязаны; некоторые сочетания неустойчивы, могут приводить к сбою или потере достоверности, а изменение отдельных возможностей может требовать нового регуляторного согласования.

Вот здесь действительно уместны предустановки: оператор заранее выбирает режим обработки. Жаль, что для двух разных вещей используют одно слово. В системах динамического формирования луча режимы можно называть по назначению — гармоники, компаундинг, максимальное разрешение, максимальная глубина, — а не только по органу. Это главная область развития техники, объединяющая датчики, дисплеи и другие компоненты.

Снимок после съёмки

Я много фотографирую и очень привязан к своей камере и объективам. Внутри камеры множество вариантов обработки, но пользуюсь ими редко. Стараюсь построить кадр и получить нужную экспозицию. Всю информацию сохраняю в RAW, а затем обрабатываю каждый отобранный снимок. Сначала Lightroom, потом тонкие поправки в Photoshop. На моём сайте видно: люблю ясные, реалистичные фотографии без зерна. Почти никогда не создаю искусственно отрисованные варианты и не искажаю изображения. Системы динамического формирования УЗ-луча тоже управляются программно и по необходимости цифровые.

Когда аппарат сохраняет все исходные данные матрицы, появляются возможности цифровой обработки, доступные и в других областях. Мы же обычно выполняем исследование, делаем снимки и оставляем их как есть. Исключения — например показ на рабочей станции во время обхода: можно изменить яркость и контраст, повернуть изображение, добавить подпись.

На курсах и в публикациях я часто думаю, что небольшая последующая обработка очень помогла бы обучению, особенно людям, которым не нравится угадывать очаг в клубящемся тумане. Тогда это было неизбежно. Теперь — уже нет.

Клиническое предположение

Рис. 1. Косой срез овального узла левой доли щитовидной железы у 37-летней женщины. Метки через 5 мм. Sonoscanner U-Lite Ultraportable, линейный датчик 38 мм. Изображение Джейсона Бёрнхолца. В PDF сохранилась подпись, но сама иллюстрация на странице издателя не загрузилась.

Это малошумное изображение системы с динамическим формированием луча. Возникает чувство, будто видишь ткань непосредственно. Использован весь диапазон от глубокого чёрного до яркого белого. Мне кажется, и диагноз должен быть очевиден: отдельные участки и предполагаемые псаммомные тельца указывают на эпизоды воспаления и заживления. Я делаю вывод, что бессимптомное образование имеет ограниченный потенциал роста и может наблюдаться.

Подумайте вот о чём: основной рентгенологический признак рака молочной железы in situ — микрокальцинаты. Я рассматриваю их как один из ответов организма, направленный на ограничение рака. Возможно, такая модель объяснила бы, почему многие действительно существующие опухоли, выявляемые маммографией, не ведут себя клинически агрессивно.

Рис. 2. Та же пациентка и тот же аппарат: поперечные срезы правой доли щитовидной железы датчиками с апертурой 38 и 50 мм. Иллюстрация не загрузилась на странице издателя; в PDF сохранена только подпись.

Срезы и масштаб не полностью совпадают. Можно без труда увидеть экзофитный узел и оценить текстуру совершенно нормальной паренхимы — по моему описанию, без подавления железы. Этот узел меньше и «новее», чем на первом рисунке. Две панели получены разными датчиками, с разными частотными спектрами и предустановками. Есть ли разница? Имеет ли она значение? Существенна ли? Ответ зависит от смотрящего — собственно, об этом и была вся статья.

Ультразвуковая визуализация — не развлечение и не хобби. Нельзя отделить снимок от пациента под датчиком, от аппарата, получившего данные, и от человека, который смотрит — ради контроля качества или интерпретации. Вместе эти составляющие и определяют УЗИ как искусство.

Полный перевод авторского текста. Образные физические сравнения и расчёт экспозиции уточнены; клинически спорные утверждения сохранены как позиция автора и сопровождаются отдельными пояснениями.