Серая шкала: история и будущее

Полный перевод авторской статьи и содержательных дополнений автора, если они есть в источнике. Дата оригинала: 2018-09-27. Авторская позиция и исторический контекст сохранены; редакционные уточнения выделены отдельно.

Серая шкала: неровная история и блестящее будущее.

Из пятидесяти лет моей работы с ультразвуком больше сорока он повсеместно описывается как серошкальная визуализация. Это минное поле парадоксов. Ни одна другая его сторона не считается настолько основной — и при этом не используется настолько мало; настолько признанной — и неправильно понятой; настолько необходимой — и ненадёжной.

Обычные рентгенограммы и фотографии в моём сравнении возникают под натиском огромных армий крошечных фотонных пуль, летящих строем со скоростью света. Основных взаимодействий рентгеновских фотонов с тканью немного; они сравнительно определённы и предсказуемы. Тканевая информация ограниченна, но надёжна и воспроизводима.

С ультразвуком всё иначе. Представьте медленные, непослушные облачка фононов, блуждающие по тесным тканевым структурам. Множество сложных рассеяний создаёт помехи, но одновременно несёт информацию о макроструктуре области, которую освещает луч. Мы видим её как серошкальное изображение. На том же образном статистическом пляже огромному количеству фотонов фотографии я противопоставляю скромную песчинку акустического изображения.

Увидеть очаг или часть анатомии можно благодаря её собственному контрасту, которому мешает шум. Серая шкала передаёт контрастные особенности ультразвукового поля.

Уточнение к переводу: сравнение с «армиями» и «песчинкой» — авторская метафора, не количественная модель информативности. Звук является механической волной, а фонон — квантованным описанием коллективного колебания, не большой медленной частицей, ползающей в ткани.

Выездное исследование с шерстью

О серой шкале я задумался, найдя напоминание о визите примерно в 1980 году в зоопарк Стоунхэма к горилле Джиджи. Перспектива первого УЗИ настолько её «обрадовала», что потребовалась седация. Спокойнее стало и тому, кто сканировал.

Исследование нужно было выполнить на месте. Передвижное и переносное оборудование существовало ещё до 1975-го, но особой популярности не имело. Больницы предпочитают собирать УЗИ в одном месте, отправляя часть основной техники в удалённые реанимационные подразделения. Мобильные службы редко пользовались академическим признанием и нечасто пополняли литературу.

Так в голове соединились старое и новое оборудование у места оказания помощи, тогдашние и сегодняшние возможности серой шкалы и главные источники информации, которую мы ищем на снимках.

Длина бедренной кости плода

При обследовании Джиджи очень беспокоили проникновение и многократные реверберации. Жир мешает; много жира и много мышц — ещё хуже. Акушерство стало одним из первых основных применений УЗИ потому, что мишенями были крупные кости, которые легко увидеть: высококонтрастные объекты. Отсутствие ионизирующего воздействия тоже важно, но до него дело не дойдёт, если цель невозможно отличить от фона.

Как и следовало ожидать, у плода Джиджи объём черепа был меньше, а плечи и предплечья непропорционально длиннее, чем у человеческого плода на такой же стадии.

Самый точный способ измерять диафиз бедра — расположить кость параллельно поверхности линейной решётки: тогда измерение не опирается непосредственно на предположение о скорости звука вдоль оси глубины. При правильной технике я нахожу очень тесную связь длины диафиза со сроком и почти отсутствие вариабельности вплоть до довольно поздней части третьего триместра. Это простая задача, выполняемая по всему миру несчётное число раз ежедневно почти на любой технике. Я считаю: одного этого показателя должно хватать для датирования в пределах дня-двух, хотя обычно так не делают.

«Парадигма зебры»

Оглядываясь назад, считаю объединённый конгресс AIUM и WFUMB в Сан-Франциско в 1976 году лучшим большим УЗ-конгрессом, который посещал. Я жил и работал неподалёку в Стэнфорде и попал туда бесплатно, представив пять научных докладов. Один назывался «Парадигма зебры» и сравнивал телевизионное отображение белого на чёрном и чёрного на белом.

Некоторые влиятельные первопроходцы переходили на серую шкалу с чёрными отражениями на белом фоне, игнорируя известные принципы психологии и физиологии восприятия. Полярность УЗ-изображения — как звёзды: ночью видны, днём нет. Для хорошей серой шкалы я отстаивал белое на чёрном с диапазоном от глубокого чёрного до яркого белого.

Рождение серошкального УЗИ

Мои доклады на том конгрессе касались новшеств предыдущего года, когда появилась первая настоящая работа после ординатуры. Я оказался в нужное время в нужном месте, с достаточной технической подготовкой и клиническим опытом, чтобы оценить достижения, сыпавшиеся из Кремниевой долины. К тому времени меня только что выпустили из MIT, куда я пришёл учиться извлекать тканеспецифичную информацию из ультразвуковых сигналов.

Searle Pho/Sonic был аппаратом ручного сканирования: датчик крепился к шарнирной руке с датчиком положения и двигался по задаваемой оператором траектории. Можно пройти поперёк живота, вдоль него или только через небольшой узел. Шарнирная рука была чудом: легко меняла положение и угол и, кажется, была достаточно велика, чтобы горилла повисла на ней, ничего не согнув.

У прежних систем мешали колебания датчика и неточное определение позиции. Здесь предусилитель находился внутри датчика, не теряя слабые сигналы. Большая круглая апертура, механическое демпфирование и согласующие слои давали достаточно широкополосный сигнал и длинную, узкую по ходу луча фокальную зону.

Но главное улучшение — дисплей. Амплитуды эха записывались в кадре, считывались телевизионной камерой и показывались оттенками серого. Были гистограмма уровней области интереса и несколько вариантов их назначения.

Изображения были великолепны. Такого визуального богатства тканевых признаков и паренхимы я прежде не видел. Поскольку отражения связаны с распределением и типом коллагена, гистологические сопоставления казались непосредственными; и наоборот — по учебникам патологии можно было узнавать поражения, которых раньше не встречал.

Недостаток — долгое сканирование. Сначала пробный проход, затем перенастройка и дальнейшее прицеливание со снимками, пока не решишь, что достаточно. До Pho/Sonic исследование тоже было долгим, а информации давало мало, поэтому многие учреждения поручали специалистам делать серию продольных и поперечных срезов для последующего просмотра. Такой порядок незаметно меняет природу исследования: вместо постановки диагноза — набор картинок.

Высокоскоростной ультразвук

Другим большим местным событием 1975 года стал коммерческий выпуск Varian Electronic Sector Scanner — фазированной решётки. Луч направляли электронно, меняя момент возбуждения каждого элемента при каждом импульсе. Скорость позволяла наблюдать без мерцания, поле имело форму сектора. Первоначально был датчик 3 МГц для межрёберного осмотра сердца. Всё находилось в одном корпусе, без руки для отслеживания позиции. Аппарат на колёсах весил около 400 фунтов, то есть 180 кг: передвижной, но никак не переносной.

Pho/Sonic я полюбил постепенно, а Varian — с первого взгляда. Датчик можно двигать куда хочется, а непрерывное изображение позволяет настраивать качество, глядя на экран. Для меня качество связано с поиском или исключением определённой патологии, поэтому требования меняются между исследованиями и даже внутри одного. Изменили положение — изменилась геометрия, нужны поправки. Маленьким датчиком можно мгновенно поймать печень, селезёнку, почки и надпочечники. Узкое поле компенсируется свободой движения.

Серая шкала Varian была нормальной, но не сказочной. Поэтому тогда и позже в Гарварде я перенёс привычный порядок рентгеноскопии: я и ординатор либо стажёр осматривали каждого пациента на Varian и делали прицельные снимки. Затем тот же человек или специалист получал подробные статические изображения нужных структур на Pho/Sonic. Каждое исследование оставалось диагностической консультацией; смотрели всё, что считали полезным пациенту. По подходу это зеркальная противоположность ограничению рентгенологических и изотопных процедур ради предотвращения ненужного облучения.

Оба аппарата были революционными, но особого массового успеха не получили. Учреждений с любой из систем было немного; сомневаюсь, что где-то ещё обе регулярно использовались для большинства пациентов. Следующим шагом стал Acuson 128, который я испытывал в 1982 году. Затем его улучшали и в итоге сменили на Sequoia с коррекцией фаз.

Acuson ввёл динамическое управление формированием луча на передаче и приёме. Одна особенность — перенастройка решётки под небольшую область интереса: словно сначала окидываешь взглядом, а затем надеваешь специальную линзу для более детального, почти микроскопического просмотра. Отличие прекрасного Acuson и ещё лучшего Sequoia я видел в снижении шума. Видов помех много; здесь этим словом называю всё, что ухудшает передачу информации при визуализации.

Кисты против солидного

Задача серой шкалы — найти диапазон энергии с тканеспецифичной информацией и очистить его от помех разных типов. Исходный A-режим — запись амплитуды эха по глубине, своего рода «звуковая игольная биопсия». Клинически его использовали для срединной эхоэнцефалографии и измерения бипариетального размера доношенного плода в головном предлежании.

Ранние B-изображения опирались на определение положения датчика и электронно-лучевые дисплеи с длительным послесвечением, показывавшие лишь самые сильные пики A-режима. Это был бистабильный B-режим.

Промышленную губку на рисунке 2 я снял ручным Aloka. Обратная связь сигнала поднимала несколько более слабые отражения, но серой шкалы не было: дисплей её не поддерживал. Атеросклеротические аневризмы аорты тогда были частой и горячей диагностической темой. Aloka находил аневризму и показывал слои организованного тромба — другим системам эпохи это не удавалось. Оттенков серого нет, а информации будто больше, чем при отображении одних границ.

Ультразвуковое сообщество всегда было одержимо различением кистозного и солидного. Рисунок 2 прекрасно подошёл бы для демонстрации, если бы пациентами были промышленные губки. Но те же люди, которые выбирали чёрное и белое на первых серошкальных дисплеях, сделали нечто более коварное и непреднамеренно вредное, чем неудачно выбрать один из двух вариантов полярности.

Они довели идею до предела: орган солидный, значит, его надо заполнить эхосигналами. Продвигали сильную компрессию и кривую отображения, поднимающую слабые сигналы. Эстетически правдоподобно — но так промежутки заполняют чистым шумом. Сделайте это с печенью — и попрощайтесь с выявлением первичного рака, большинства метастазов, жировой инфильтрации или фиброза. Фотографию можно оценивать по эмоциям. Для медицинского изображения вообще и УЗИ в особенности это последнее, что нам нужно.

Рост шума подменяет оттенки плотностью точек: редкое или густое поле, однородное или неоднородное. Когда смотрели на губку, заметили разницу её правой и левой половин? На тех системах повышение частоты усиливало шум, рождая странные представления об «эхогенности». Настраивать нужно во время сканирования, а не только потом на замороженном кадре.

Контраст, контраст, контраст

Контраст — как местоположение у риелтора. Если объект не виден, неважно, каковы пространственное разрешение и скорость. Он становится различим, когда контраст к фону или соседнему объекту превышает порог обнаружения. Снова тесная связь свойств цели, работы приёмника и настроек.

Даже точное определение контраста ускользает: у каждого звена цепочки, включая глаз и мозг, свои вопросы, значения и факторы. В идеале хотим отображать ткань; в реальности разбираемся со смесью биологии и аппаратуры.

Справедливости ради, ограниченная серая шкала — путь наименьшего сопротивления для сообщества. Она уменьшает технические и учебные требования, облегчает интерпретацию, отбрасывая сведения, которые трудно получить и, кажется, невозможно стандартизовать. Но чем меньше мешающих сигналов, тем достовернее изображение.

Я рассматривал первоначальный замысел эластографии как способ повысить контраст участка ткани ценой пространственного разрешения. Это удобно, если изображение шумное и заранее считаешь, что многого не увидеть. Но для УЗИ, по моему мнению, возникает другой путь: снижение помех улучшает и контраст, и различимость деталей.

Я сравниваю это с удвоенным фокусным расстоянием цифровой зеркальной камеры относительно плёночной и с повышением центральной частоты без потери проникновения. Знакомый пример из жизни — появление влагалищных датчиков: сначала они были сравнительно низкочастотными. Устранение многократных ревербераций в коже, жире и фасциях уже делало изображение намного лучше трансабдоминального на том же аппарате при сходной частоте.

Назад в будущее

Солидные органы не вполне «солидны» с точки зрения распределения упругих свойств. С каждым уменьшением помех более достоверная картина порой выглядит грубее и зернистее прежней. Прекрасно то, что серошкальные особенности могут становиться более устойчивыми признаками внутренней структуры и состояния ткани.

Лучшие возможности даёт динамическое цифровое управление каждым шагом с многоэлементными широкополосными пьезоэлектрическими датчиками. Представьте поездку на автомобиле: пока любуетесь пейзажем — или смогом, — компьютер постоянно регулирует подачу топлива, воздуха и зажигание. Производитель оптимизирует экономию или мощность. У УЗИ «подкапотная» оптимизация должна повышать диагностическую информативность и надёжность.

История оборудования — постепенное обретение цифровой природы. Сердце новых высокопроизводительных систем — динамическое цифровое формирование луча: система в реальном времени меняется по получаемому сигналу. Почти биологический процесс, требующий очень быстрых вычислений.

Слышали выражение «задача трёх тел»? Это дьявольски трудное описание взаимодействия трёх движущихся тел при большом объёме сведений и невозможное при их недостатке. Цифровое УЗИ управляет всей цепочкой. Для разработчика это метафорическая «задача 256 и более тел» — для нормальных тканей и множества патологических вариантов. Решение должно оставаться устойчивым вопреки износу, температуре, питанию и другим внешним факторам. Такие сложные устройства заслуживают названия high-end.

Доступные врачу регулировки действительно умной системы могут сводиться главным образом к усилению, то есть яркости, и контрасту. Их меняют во время сканирования, учитывая пол, возраст, гидратацию, количество жира и мышц.

Адаптивные алгоритмы отображения тоже могут покадрово оптимизировать распределение серого под человеческое восприятие при реконструкции. Эхоинформация распределяется по диапазону так, как удобно чувствительности глаза и мозга. Такая самонормализация помогает постоянству качества и могла бы смягчить влияние стареющего зрения и желтеющего хрусталика, с которыми я, увы, уже хорошо знаком.

Идея перцептивной оптимизации восходит к Werner Frei: «Image enhancement by histogram hyperbolization», Computer Graphics and Image Processing, 1977;6:286–294. Это было ещё в начале нашего плавания вверх по реке ультразвуковой серой шкалы.

Высокопроизводительные цифровые аппараты бывают разного размера. Мой — сверхпортативный планшет. Рисунок 3 получен мной на предыдущем RSNA: искусственное образование в коммерческом эластографическом фантоме молочной железы, которое, как предполагалось, не должно быть видно обычным УЗИ. Фантомы я не особенно люблю: пациентов они никогда не заменят. Зато их дёшево перевозить и не нужно кормить.

Меня больше узла впечатляет окружающий материал. Неоднородность реальна: повторяется при новых кадрах и других углах среза. У настоящего образования молочной железы внутренняя архитектура помогает понять природу, а изменения по краям — отёк или десмопластическая реакция — могут дать сведения об инвазивности и ответе организма. Разумеется, сами по себе они не устанавливают окончательный диагноз.

Начал я с переносной техники потому, что цифровизация позволяет уменьшить и простые устройства до удивительных размеров. По нынешним меркам большинство таких аппаратов малопроизводительны. Отсюда предубеждение: маленький прибор умеет только минимальные базовые задачи. Но уже есть немного высококлассных сверхпортативных систем, и будут другие.

Размер влияет на то, где исследуют; производительность — на то, что делают и насколько хорошо. Парадоксально, самые трудные задачи нередко связаны с ранним выявлением, минимальными изменениями и профилактикой — полной противоположностью далеко зашедшей болезни, из-за которой человек попал в больницу.

Медицина консервативна: безопасность даёт опора на проверенное и работающее. Ультразвук на всём своём пути приносил информацию для действий. Проблема в том, что многие правила закрепились при более слабой технике, меньших знаниях и других общественных потребностях.

Значительная часть мира всё ещё играет в дворовый акустический бейсбол. Пора переходить на цифровые стадионы, где умный ультразвук подстраивает игровое поле под задачу, которую мы решаем.

Полный перевод авторского текста и подписей. Исторический контекст сохранён. Спорные физические аналогии и утверждение о точности датирования сопровождаются отдельными пояснениями.