Качество изображения

Дорогие специалисты ультразвуковой диагностики Ultrasound Club представляет девятую в серии статью по практическому ультразвуку доктора Джейсона Бернхольца, одного из пионеров данного метода визуализации.

Зачем проводить УЗИ — понятно: помочь пациенту и направившему врачу найти болезнь, проследить лечение, исключить опасную проблему или оценить здоровье. А вот как это делать — вопрос, который остаётся для нашего метода непростым.

Мы охотно хвалим собственный выбор аппарата, а неудачу списываем на ограничения техники. Может быть, пора взглянуть поверх отдельных платформ — на проблемы изображения, общие для любых систем «высокого класса»?

Общая картина

Каким бы ни был профиль вашей работы и каких бы пациентов вы ни обследовали, всё начинается с качества изображения. То, что видно на экране, — основа УЗИ. Неважно, получаете ли вы кадры как сонографист, интерпретируете как врач или совмещаете обе роли.

При большинстве первичных исследований именно В-режим подсказывает, нужны ли доплер, эластография или дополнительный анализ. К качеству изображения врач лучевой диагностики относится — или должен относиться — почти фанатично. Сохранённый кадр должен поддаваться интерпретации и убедительно показывать направившему врачу основание диагноза. Между тем одна из главных проблем УЗИ — отсутствие общих стандартов изображения, которыми мы все руководствовались бы в работе.

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

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). 

Ненадолго свернём к теории информации. Это не случайное отступление: после основополагающей работы Клода Шеннона о коммуникации 1948 года тема стала важна практически для всех наук.

Исходная задача — точно передать сигнал из одной точки в другую. Информация определяется вероятностно и тесно связана с энтропией. Чтобы передать её волной, сигнал определённым образом кодируют, а на приёме декодируют и преобразуют. Шум мешает передаче. Для каждого канала ищут способ передать максимум информации.

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, сначала нужен дисплей не хуже экрана цифрового телевизора высокой чёткости. Затем — область интереса, заполняющая его матрицу. Если показать слишком большое поле, на интересующую нас ткань придётся меньше деталей, чем при крупном плане. Поэтому локальное увеличение — необходимая функция аппарата.

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. 

Способы кодирования тщательно охраняют. FDA контролирует, чтобы они отвечали требованиям безопасности по воздействию на пациента и нагреву датчика. Меня же в предустановках постоянно беспокоит их привязка к органу или области. Настройки, которые разработчик счёл лучшими для нормальной почки или щитовидной железы, вряд ли оптимальны для поиска всех возможных заболеваний этих органов.

На RSNA 2012 два производителя представили новые способы подавления шума. Zonare Medical Systems обрабатывает исходные акустические данные ещё до формирования экранного изображения. Зонное сканирование вместо построчного даёт для вычислений дополнительное время. Siemens Healthcare предложила оптимизацию уже полученного изображения. Фотографы давно пользуются шумоподавляющими фильтрами, доступными для любых цифровых снимков. Насколько мне известно, в УЗИ после исследования это делают редко.**

Изображения говорят сами за себя 

При сканировании я просматриваю множество областей, разговаривая с пациентами о симптомах и анамнезе, увеличиваю то, что вызывает интерес, и заполняю матрицу дисплея целевой областью. 

 
Увеличенное изображение части правой почки. Дополнительная находка у 32-летней женщины с протоковой карциномой in situ и двурогой маткой. Все изображения любезно предоставлены доктором Джейсоном Бернхольцом.

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.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ - FFT) изображения выше.

Контрастность

Важность контрастности изображения демонстрируется с помощью эндовагинальных УЗ изображений 36-летней нерожавшей женщины с обильными и нерегулярными менструациями вследствие аденомиоза.

Вверху и внизу: эндовагинальные изображения, полученные у 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. 

Изменения пограничной зоны эндометрия связывают УЗ-картину с патологией и классическим признаком аденомиоза на гистеросальпингографии. Чтобы их увидеть, нужен контраст серошкального изображения. С годами я всё больше убеждаюсь: именно контраст важнее всего определяет качество УЗ-изображения, независимо от области исследования.

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.

На ранних серошкальных аппаратах многие допускали ошибку, которую повторяют и теперь — порой, думаю, сознательно: слишком сильно повышали динамический диапазон. Орган выглядит гладким, однородным, «заполненным» и приятным глазу. Но вместе с этим поднимается шум и исчезает контраст. Красивее здесь не значит лучше.

Самую ценную информацию нередко несут едва заметные различия отражательной способности паренхимы, как в примере с аденомиозом. Поэтому нужно избегать всего, что добавляет шум или уменьшает контраст. Новая эстетика — диагностически содержательное изображение — должна сменить гладкие, малоинформативные картинки 1980-х. Чрезмерная компрессия динамического диапазона способна даже исследование худого пациента сделать столь же ограниченным, как обследование человека с выраженным ожирением.

Обычно я начинаю с гармонического режима: он часто немного улучшает контраст. Найдя что-то значимое, получаю несколько изображений с разными настройками и затем выбираю те, где образование видно лучше. Фотограф поступает похоже, снимая с брекетингом экспозиции при имеющемся свете. Наша задача — не просто собрать кадры, а поставить диагноз по наилучшему изображению.

Еще одна общая картина

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). 

 
Ультразвуковое изображение и фото 19-летней бегуньи, испытывающей боль в правом нижнем квадранте. 

Единственная хитрость — начать осмотр стоя после ходьбы. О паховых грыжах скажу немного: они встречаются примерно у 2% детей, чаще у мальчиков — явно не наш случай, — чаще у родившихся раньше срока — не спросил, — и бывают семейными, как здесь. Мне захотелось сопоставить это большое поле обзора с увеличенным малым полем в первом случае. Когда показываешь изображения направившему врачу, который не специализируется на визуализации, картинка должна соответствовать патологии. Или это «наказание должно соответствовать преступлению»?

Все три случая встретились за один послеобеденный приём в моём небольшом пригородном кабинете. Я обычно сосредоточен на ранней диагностике и профилактике — таков характер направляемых ко мне пациентов. Не отрицаю: в таком рассказе есть доля саморекламы, как и в многочисленных статьях и лекциях. Надеюсь, она не заслоняет главного: многое можно найти, если искать и каждый раз добиваться лучшего возможного изображения — когда сканируешь и когда смотришь на экран.

*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.).