Ультрамобильный ультразвук

Мне нравится, что УЗИ можно принести прямо к пациенту. Поэтому на RSNA 2014 меня особенно заинтересовал батарейный переносной сканер — судя по всему, полнофункциональный. Я решил разобраться в ультрапортативной технике и как любопытный специалист, и как потенциальный покупатель.

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 искал аппарат для широкого круга клинических задач — с возможностями моего стационарного сканера, но гораздо меньших размеров. Устройства тяжелее двух фунтов, то есть примерно 907 г, в обзор не включал. Ещё одно требование — разрешение FDA, позволяющее сразу использовать аппарат в клинике.

Вопрос морали

Рекламу я читаю всегда. Но для решения нужно некоторое время поработать на аппарате. Качественная картинка в идеальных условиях легко вводит в заблуждение. Главный вопрос для меня: достаточно ли хорошо аппарат показывает по сравнению с альтернативами, чтобы я мог обследовать на нём пациента?

Выбор аппарата — прежде всего вопрос профессиональной ответственности, а не бюджета. Расчёт рентабельности может помогать на уровне населения. Применить его к одному человеку гораздо сложнее.

При любой задаче мы должны работать настолько хорошо, насколько можем сами, а не настолько, насколько позволяет ограниченный аппарат. Выбор техники не должен заранее ставить потолок качеству УЗ-помощи.

Начинаю всегда с фантома: осваиваю управление и добиваюсь приемлемого исходного изображения. Нет готового фантома — можно сделать его из желатина с Metamucil по рецепту Бьюда и Адлера. В качестве мишеней мне нравятся маринованные огурцы, оливки и вишни. При комнатной температуре заметного искажения из-за скорости звука в таком фантоме я не наблюдаю. К пациентам не перехожу, пока не удовлетворён результатом на фантоме.

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.

Одна из новых идей принадлежит доктору Джону МакКиннону, рентгенологу из академической среды в Сантьяго и бывшему президенту Чилийского общества радиологии. Его ручной аппарат необычен отсутствием центрального процессора. Хочется назвать это «очаровательным ретро», но неверно: прежний аналоговый подход переосмыслен на самопрограммируемых цифровых схемах. Аппарат называется Taote — «врач» на языке коренных жителей острова Пасхи.

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 Вадера, почему они, насколько мне известно, единственные решили обойтись без центрального процессора. Ради меньшего шума и более точного отображения тканей без большого энергопотребления, ответил он. В цифровом компьютере операции идут по тактовым интервалам. По его объяснению, лучший способ уменьшить цифровой шум — избыточность, то есть максимально высокая тактовая частота и число операций в единицу времени. Но на это уходит много энергии.

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).

Получилась компактная система, которая включается почти мгновенно и долго работает от батареи. Возможная плата за это — меньшая универсальность: отличный результат в заданных условиях ещё не гарантирует столь же хорошую работу во всех задачах. У прототипа было лишь несколько основных регулировок. Думаю, на следующем этапе им уделят больше внимания.

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 против очков виртуальной реальности в такой работе, хотя Google Glass сам для этого не пробовал. Диагностическое обследование и так тревожит пациента. Незачем добавлять что-то, что делает врача безличным.

Возможность показать пациенту происходящее на экране всегда казалась мне важной — и для объяснения, и для получения нужных сведений. Если человеку предстоит лечение с неизвестным исходом и надеждой на лучшее, он должен ясно видеть, на чём основан диагноз.

Даже при небольшой проблеме наглядное объяснение помогает соблюдать лечение. Поэтому я не люблю маленькие экраны, особенно обычного телевизионного качества. Другая причина очевидна: на них не разобрать детали. Для электронной визуализации HD-изображение, по-моему, уже должно быть минимумом.

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.

Для своего времени такие аппараты работали неплохо: использовали один круглый элемент с достаточно большой апертурой, чтобы профиль луча сохранялся на приемлемой глубине. В немногочисленных новых механических ультрапортативных системах применяют современные материалы семейства кварца, требующие меньше энергии для импульса. Но на приём они, по-видимому, работают менее эффективно — отсюда избыточный шум.

Этот прибор не прошёл даже проверку фантомом. Я упоминаю его, чтобы объяснить, зачем современной универсальной УЗ-системе многоэлементный датчик. Дело вовсе не в износе движущихся частей. Важен строгий электронный контроль акустического импульса — и при передаче, и на приёме.

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.

Казалось, на RSNA 2014 оба устройства почти не интересовали ни посетителей, ни самих представителей компаний. Примерно за два месяца до этой статьи я беседовал с руководителем направления мобильного ультразвука первой компании. По его словам, они увидели такой потенциал рынка, что купили скандинавскую фирму, первоначально разработавшую аппарат.

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.

Думаю, вы понимаете моё возмущение таким пренебрежением научной и журналистской независимостью. Крупные производители, возможно, не осознают: ответственный пользователь опирается на честный обмен опытом. Вы можете не согласиться ни с одной моей статьёй. Но сомневаться в искренности моих слов — так же как моего отношения к пациентам — не должны. Коммерческой заинтересованности у меня нет.

Органы управления

Уже говорил: управление осваиваю на фантоме. Продавцы переносных аппаратов нередко преподносят отсутствие регулировок как достоинство — любой сможет сразу работать. Выбрал орган, включил пресет и ни о чём не думаешь. Места на ультрапортативном корпусе действительно мало, но ограничение превращают в рекламное преимущество, особенно для тех, у кого «кнопкофобия».

К сожалению, пациенты не стандартизованы. А начинающему специалисту, как ни парадоксально, нужно самое качественное изображение: иначе как понять увиденное и отличить настоящую находку от ложной?

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.

Производители большинства флагманских систем называют пресет лишь отправной точкой и дают возможность его изменить. В ультрапортативном аппарате выбор нередко ограничен заводской настройкой для органа. Чем больше доступных регулировок, тем лучше можно подстроиться под конкретного человека — а не только под худую модель на демонстрации.

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

Первая мишень — огурец. Точнее, раз аппарат французский, корнишон. Настройки подобраны ради пространственного разрешения: чтобы увидеть крошечные семена вдоль его оси.

Посмотрите на увеличенные изображения вишни ниже. При увеличении детали прекрасно сохраняются, а диапазон видимых оттенков серого впечатляет. Щель с жидкостью и полость в центре после удаления косточки имеют резкие, чёткие границы; за вишней видна акустическая тень. Эти настройки прежде всего улучшают контрастное разрешение — важнейшую характеристику для выявления и исключения патологии. Усиление в ближней зоне я мог подобрать лучше и позже исправил его.

Вишня без косточки.

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, чем за долгую карьеру он гордится больше всего. Ответил почти мгновенно: «Конвексной решёткой».

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.