Ультразвук 4-ого поколения

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 всегда удивляло, почему богатейшие данные УЗИ не исследуют столь же тщательно с технической точки зрения. Инструменты обработки и анализа доступны всем методам визуализации; к тому же ультразвук — излюбленная тема докторских диссертаций по электронной инженерии.

Но есть трудность: маломощные широкополосные акустические импульсы испытывают очень сложное рассеяние. Оно непредсказуемо меняется даже при небольших изменениях самого импульса, гистологической структуры ткани, геометрии исследуемой области и её положения в организме. Поэтому техническая работа в УЗИ всегда больше опиралась на интуицию, чем в других методах медицинской визуализации.

Подозреваю и другую причину, по которой в последнее время трудно создавать принципиально новые продукты. Лучевая диагностика никогда не воспринимала УЗИ достаточно серьёзно, а многие клиники вполне устраивает то, как оно работает в привычных областях применения.

Новый горизонт?

Чтобы понять, что нас ждёт, я поговорил с двумя выдающимися инженерами, которых знаю по разработке УЗ-техники: Гленом Маклафлином (Glen McLaughlin), основателем Zonare Medical Systems, и Жаком Суке (Jacques Souquet), основателем SuperSonic Imagine. Оба — доктора наук. Любопытно, что они назвали одно и то же главное ограничение развития метода. Оба также оказались среди первых, кто предложил клиницистам принципиально новую УЗ-аппаратуру.

Но прежде чем пересказать беседу, предложу условное, совершенно неофициальное деление УЗ-аппаратов на «поколения». Оно поможет увидеть, как каждая новая технология опирается на прежние достижения.

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. 

Последние улучшения в 3-м поколении

В начале 1990-х третье поколение заметно продвинулось: появились коррекция фазовых аберраций, гармоническая визуализация и ЛЧМ-сигналы. Такими частотно-модулированными сигналами пользуются летучие мыши и дельфины. Идея проста: чем короче акустический импульс, тем больше в нём частотных составляющих. Шире полоса — лучше осевое разрешение.

У идеального, бесконечно короткого импульса была бы бесконечно широкая полоса частот. Реальный датчик такой полосы не обеспечивает: его материалы отражают звук, обладают инерцией и допускают лишь определённую мощность при длительной клинической работе. Одно из решений — линейно-частотно-модулированный сигнал. Он длителен и имеет невысокую пиковую мощность; частота возбуждения постепенно меняется в диапазоне, доступном электромеханическому преобразованию.

Такой сформированный сигнал можно декодировать фильтром и получить эффект короткого интенсивного импульса с той же полосой частот. Особенно полезно это в высокочастотном УЗИ, например при исследовании молочных желёз, где сильное затухание ограничивает глубину. В УЗИ пришли и другие способы кодирования и обработки сигналов, первоначально разработанные для военных сонаров и гражданских радаров.

Преодоление звукового барьера

Вернёмся к беседе с Маклафлином и Суке. Оба подчёркивают: предыдущие поколения строят изображение строка за строкой. Аппарат посылает импульс, ждёт возвращения эха, затем повторяет цикл. Частота повторения импульсов и плотность строк заставляют выбирать: большое подробное поле при невысокой частоте кадров или небольшое, часто довольно шумное поле при высокой. Получить и то и другое одновременно не удаётся.

Отдельная обработка каждой строки усугубляет и проблемы поперечного разрешения, особенно в дальней зоне. Новые методы устроены иначе: плоская волна сразу охватывает всё поле, после чего аппарат регистрирует и анализирует все вернувшиеся сигналы. Электроника развивается стремительно; вычисления и фильтрация становятся всё быстрее.

Поэтому время, которое в прежних системах уходило на пассивное ожидание эха, теперь можно использовать для большого объёма вычислений — особенно при параллельной обработке.

По значению это похоже на то, как доктор Роджер Баннистер впервые пробежал милю быстрее четырёх минут. Именно поэтому я считаю четвёртое поколение качественно новым этапом УЗ-техники.

Шаги 4-го поколения

Мне кажется, эти две новые компании идут близкими, но не вполне совпадающими путями. Различие напоминает нечёткую границу между терапевтическим и хирургическим подходами, между системным и локальным взглядом — или между контрастным снимком с большой глубиной резкости и фотографией стремительного движения. В конце концов четвёртое поколение должно совместить оба подхода. Пока же Маклафлин, по-видимому, делает акцент на получении и анализе данных ради лучшего изображения и количественной характеристики тканей, используя кодированное ультразвуковое облучение всего поля обзора.

Наглядный пример — выявление цирроза и оценка его выраженности по макротекстуре паренхимы. Представьте УЗ-изображение как возможный аналог биопсии с окраской эластина. Маклафлин назвал это «виртуальной гистологией» — удачный образ. Как патоморфолог выбирает разные окраски, так здесь можно по-разному использовать свойства распространения волны и способы фильтрации.

Суке исследует возможности съёмки с частотой в несколько тысяч кадров в секунду. Один результат — сверхбыстрый доплер, позволяющий видеть мельчайшие локальные изменения кровотока в сосудах и камерах сердца. Другой — сдвиговолновая эластография.

В сдвиговолновой эластографии сфокусированный УЗ-импульс от расположенного на коже датчика возбуждает сдвиговые волны. Они распространяются поперёк направления толчкового импульса и значительно медленнее продольных УЗ-волн. Область интереса сканируют с частотой в несколько тысяч кадров в секунду, чтобы проследить волну по мельчайшим смещениям ткани. Её скорость связана с жёсткостью. Измерение охватывает поле изображения без внешнего механического сдавления или вибратора. Например, при исследовании печени поверх В-изображения можно вывести цветовую эластограмму, отражающую изменения жёсткости, связанные с фиброзом.

Новые датчики

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. 

Цифровая обработка и доступные теперь быстрые, мощные вычислительные компоненты дают четвёртому поколению ещё одно преимущество: аппараты могут стать меньше и мобильнее, чем самые новые аналогово-цифровые гибриды третьего поколения.

Маклафлина прежде всего интересует УЗИ непосредственно в месте оказания помощи — в неотложной медицине и особенно в педиатрии, где важно свести ионизирующее облучение к минимуму. Суке увлечён последовательным контролем лечения, например аблации опухоли или химиотерапии, которые обычно проводят вдали от УЗ-аппарата. Он называет это «терагностической» визуализацией.

Ожидания и благодарности 

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 метод только появляется, его потенциал почти никогда не удаётся оценить целиком. Признание приходит, когда он позволяет сделать то, что недоступно даже лучшим прежним технологиям. Кто помнит появление ядерного магнитного резонанса, поймёт, о чём я.

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. 

Нам, работающим с медицинским ультразвуком, пора поаплодировать инженерам, физикам, программистам, специалистам по обработке сигналов и материаловедам. Именно благодаря их командам мы получили этот удивительный инструмент. Их непрерывная работа последних 50 лет помогает нам оказывать медицинскую помощь и делать её лучше.