Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представляемая вниманию читателя книга Д. В. Леонова, Н. С. Кульберга и А. И. Громова посвящена интересному и весьма полезному для практики методу ультразвукового обнаружения твердотельных включений в тканях организма, таких как почечные камни и кальцинаты. В ультразвуковой диагностике часто возникают особенности изображений, не имеющие отношения к реальным анатомическим структурам или процессам. Они называются артефактами. Среди них отдельного внимания заслуживает артефакт мерцания, возникающий при ультразвуковом исследовании (УЗИ) в доплеровском режиме.

Исследование артефакта мерцания началось более четверти века назад, однако механизмы его возникновения долгое время оставались непонятными. Выяснение первопричин загадочных эффектов всегда возбуждает живой интерес, и благодаря одному из авторов этой книги мне выпал шанс поближе познакомиться с данной загадкой. История была такая: примерно в 2005 году со мной по телефону связался А. И. Громов, на тот момент заведующий отделением ультразвуковой диагностики Центрального военного клинического госпиталя имени П. В. Мандрыка. Александр Игоревич рассказал о загадочном артефакте, который он обнаружил при трансректальном ультразвуковом исследовании предстательной железы: в доплеровском режиме твердотельные включения, если они там присутствовали, иногда почему-то сопровождались мерцающими пятнами, напоминающими разноцветную переливающуюся мозаику. Поскольку это был доплеровский режим, то появление цвета вроде бы свидетельствовало о движении, а мерцание — о том, что движение это было хаотическим. А. И. Громов в соавторстве с А. Ю. Васильевым описали этот необычный цветовой артефакт в 1997 году в статье Военно-медицинского журнала [1]. Чуть позже выяснилось, что за год до первой журнальной публикации А. И. Громова такой эффект уже был замечен и описан зарубежными авторами [2]. Но Александр Игоревич, не зная об этом, продолжал активно изучать обнаруженный им артефакт мерцания. Возникновение мерцания во многих случаях позволяло обнаружить камни, которые в обычном B-режиме были не видны. Полученные результаты оказались настолько впечатляющими, что, когда в 2002 году А. И. Громов и Б. И. Зыкин представили их для публикации в журнале «Эхография» [3], главный редактор даже предложил назвать артефакт мерцания «эффектом Громова-Зыкина».

Должен признаться, что описанный А. И. Громовым артефакт меня очень заинтриговал, и я пригласил Александра Игоревича на физфак МГУ. То, что он мне рассказал при нашей первой встрече, показалось довольно запутанным: не все камни мерцали, степень проявления артефакта по какой-то причине зависела от химического состава камня и от степени его шероховатости. К тому времени в литературе уже появились объяснения, которые были умозрительными, поскольку все используемые тогда коммерческие УЗИ-сканеры являлись закрытыми системами, и менять в них что-то было невозможно, кроме амплитуды импульсов и частоты.

Одно объяснение исследуемого артефакта было таким: мерцание — это шум электроники в виде дрожания сигнала (jitter), вызванный тем, что отраженные от камня сигналы были настолько сильны, что насыщали диоды в приемном тракте, из-за чего возникали флуктуации. Другие авторы утверждали, что причиной возникновения артефакта являются нестационарные спеклы, образующиеся из-за шероховатости рассеивателей. Почему нестационарные — понять было трудно, однако такое объяснение коррелировало с тем, что более шероховатые камни мерцали сильнее. Все эти объяснения казались неубедительными. Я решил, что все быстро объясню тем, что доплеровские импульсы оказывают радиационное давление на камни, и те начинают двигаться пульсирующим образом, возможно, слегка поворачиваясь. Такой механизм казался вполне реальным, поскольку в доплеровском режиме посылается пачка из 10–15 импульсов довольно высокой амплитуды. К тому времени у меня уже был опыт конечно-разностного моделирования распространения акустических импульсов в присутствии почечных камней. С использованием данного подхода было рассчитано рассеянное поле, а по нему вычислен тензор радиационных напряжений на поверхности, окружающей камень. Интегрируя тензор, я рассчитал радиационную силу, а из нее — скорость смещения камня. На это исследование ушло несколько лет, были сделаны доклады на конференциях, в том числе в соавторстве с А. И. Громовым [4]. Результат оказался, по большому счету, отрицательным: миллиметровые и меньшие по размеру камни могли в принципе смещаться так, чтобы наблюдаемый доплеровский сдвиг возникал, но более крупные камни точно не могли приводить к мерцанию из-за движения под действием радиационной силы. Загадка так и оставалась не до конца разгаданной.

После этого в исследованиях артефакта мерцания наступило затишье на несколько лет. Однако появилась открытая система УЗИ «Верасоникс», в которой можно иметь доступ ко всем «сырым», исходным эхосигналам и излучать различные сигналы. Компания с одноименным названием базирутся в Сиэтле, и поэтому мои коллеги из Вашингтонского университета (University of Washington) одними из первых приобрели такую систему. Поскольку радиационная сила не смогла объяснить загадочный эффект мерцания, следующими в моем «списке подозреваемых» были пузыри. Но многие из моих коллег, кому я рассказывал про необычный артефакт, выражали сомнения: «какие пузыри в почке, это же диагностические импульсы, механический индекс находится в пределах докавитационых уровней» и т. п. В это время в американской лаборатории, с которой я сотрудничал, появился новый аспирант (W. Lu), и ему была поставлена задача проверки возможных механизмов артефакта мерцания с использованием «Верасоникса». Сначала мы придумали, как можно проверить механизм дрожания (jitter) в электронном канале. Поскольку система «Верасоникс» — открытая, мы записали сигнал напряжения на выходе из диагностического датчика перед тем, как он попадал в электронный тракт системы УЗИ. После этого мы синтезировали точно такой же сигнал на генераторе сигналов и сформировали ансамбль в виде периодической последовательности, состоящей из нескольких идентичных импульсов.

Как работает система УЗИ в доплеровском режиме? Посылается ансамбль одинаковых импульсов с жестко установленным периодом следования, и регистрируется соответствующий ансамбль эхосигналов. Если эхосигналы в ансамбле одинаковы, и период их следования не отличается от исходного, то рассеиватель неподвижен. Если же сигналы отличаются, например, они сдвигаются во времени, то есть движение, скорость которого вычисляется по анализу сигналов. Если движения нет, но эхоимпульсы различны, то причиной могут быть флуктуации в электронном тракте. Мы подали на вход электронного тракта ансамбль из одинаковых сигналов точно такой же амплитуды, как при визуализации реальных почечных камней, и оказалось, что после прохождения электронного тракта они остались абсолютно одинаковыми. Тем самым этот эксперимент показал, что объяснение, приписывающее причину артефакта нестабильному поведению электронного тракта, было ошибочным.

А как тогда доказать, что пузыри могут быть причиной? Визуально ничего не видно, даже под микроскопом и с использованием скоростной камеры. Пузырьковый механизм может быть таким: в расщелинах микронного и субмикронного размера на поверхности камня расположены зародыши пузырей. Это похоже на то, что первым описал Е. Н. Харви [5] в связи с объяснением механизма стабилизации кавитационных зародышей на малых частичках. Однако идея переносить эту возможность на камни, облучаемые диагностическими импульсами «безопасного уровня», никого до этого не посещала. Первое, что мы сделали — посмотрели на неодинаковость эхоимпульсов в доплеровском ансамбле. Они действительно оказались разными. Отличие было слабое, но регистрируемое, и имело флуктуирующий характер, т.е. пузырьки все же могли это объяснить. Чтобы развеять наши сомнения, мы сконструировали камеру повышенного давления, куда помещался почечный камень. Одна из стенок камеры была сделана из толстого звукопрозрачного пластика, так что можно было получать УЗ-изображения, помещая УЗ-датчик снаружи. Благодаря этому нам удалось довольно четко показать, что камни мерцали при нормальном давлении и переставали мерцать при повышении давления выше уровня, соответствующего отрицательному давлению фазы разрежения в доплеровском импульсе. Поскольку ничто, кроме пузырей, не могло так «выключаться» при повышении статического давления, то пузырьковый механизм возникновения артефакта мерцания был доказан.

После этого мы опубликовали несколько работ, направленных на дальнейшее развитие и использование этого механизма. В частности, в моей статье в соавторстве с Т. Д. Хохловой на основе пузырькового механизма артефакта мерцания был предложен сверхчувствительный метод регистрации пузырьков. В статье с еще одной аспиранткой Вашингтонского университета (J. C. Simon) нам удалось доказать наличие зародышей микропузырьков на поверхности камня путем подачи на камень импульсов разрежения от литотриптера. Скоростная видеокамера показала, как из неровностей поверхности вырастали пузырьки несмотря на то, что камень находился в хорошо дегазированной воде. Также стало ясным, почему химический состав камня может влиять на артефакт мерцания — причина была в том, что газообразование зависит от химии поверхности. Пузырьковый механизм объясняет и усиления артефакта при наличии шероховатостей, т.к. неровности поверхности являются местами, в которых стабилизируются зародыши кавитации.

Энтузиазм и уверенность опытного врача-клинициста А. И. Громова в практической важности использования артефакта мерцания вдохновили и Д. В. Леонова, и Н. С. Кульберга. В результате их многолетних исследований появилась настоящая книга, которая безусловно будет полезна практикующим врачам, использующим УЗИ, разработчикам ультразвуковой техники и студентам, изучающим применение ультразвука в медицине.

Доктор физико-математических наук,

профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова

О. А. Сапожников

ОБ АВТОРАХ И РЕЦЕНЗЕНТАХ

Авторы:

Д. В. Леонов — кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ», НИУ «МЭИ»

Н. С. Кульберг — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИЦ ИУ РАН

А. И. Громов — доктор медицинских наук, профессор ФГБОУ ВО МГМСУ им. А. И. Евдокимова Минздрава России

Рецензенты:

Н. Н. Ветшева — доктор медицинских наук, заместитель заведующего учебным центром ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ»

Г. К. Григорьев — кандидат медицинских наук, врач ультразвуковой диагностики Медико-оздоровительного центра МГТС

И. Ю. Демин — кандидат физико-математических наук, доцент ННГУ им. Н. И. Лобачевского

Л. В. Осипов– доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, генеральный директор ООО «ПКФ „ИзоМед“»

В. И. Сурков — кандидат технических наук, доцент НИУ «МЭИ»

ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Aliasing — наложение спектров, искажение информации о скорости и направлении кровотока в доплеровских режимах.

B-mode — основной режим двумерного сканирования (от англ. brightness).

B-gain — усиление сигналов формирования серошкального изображения.

Blooming artifact — окрашивание стенок сосудов и близлежащих тканей в режимах картирования, ложное расширение области кровотока.

B-mode — серошкальный режим.

Carrier frequency — несущая частота излучаемого сигнала.

C-gain — усиление доплеровских сигналов на карте кровотока.

Color-write priority — регулировка порогового значения маски прозрачности, испольлзуемой для наложения карты кровотока на серошкальное изображение.

Focus — глубина расположения фокуса передатчика.

Frame averaging — межкадровое усреднение.

PRF — частота повторения импульсов в пачке (pulse repetition frequency).

Sensitivity — чувствительность.

Smoothing — сглаживание.

Twinkling artifact — мерцающий артефакт.

Wall filter — фильтр колебаний стенок сосудов.

АРУ — автоматическая регулировка усиления.

МШУ — малошумящий усилитель.

ПУ — программируемый усилитель.

СКО — среднеквадратичное отклонение.

ТМВ — твердые минеральные включения.

УЗИ — ультразвуковое исследование.

ЦДК — цветовое доплеровское картирование (CFM).

ЭДК — энергетическое доплеровское картирование.

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая (УЗ) диагностика [6–9] является одним из основных видов диагностики заболеваний внутренних органов, мягких тканей и кровеносных сосудов. К ее достоинствам относятся высокая диагностическая эффективность, возможность получения УЗ-изображений в реальном масштабе времени, отсутствие вредной лучевой нагрузки на пациентов и врачей, возможность одновременно с получением УЗ-изображений оценивать скорость кровотока в кровеносных сосудах, возможность получения наглядных трехмерных изображений, относительно низкая стоимость ультразвуковых медицинских диагностических устройств и УЗ-обследований, минимальные требования к оборудованию помещений и др.

Медицинские УЗ диагностические приборы (сканеры) начали появляться и быстро развиваться с конца Второй мировой войны одновременно с началом интенсивного развития радиолокации и гидролокации. От эхоимпульсных одноканальных УЗ-приборов с аналоговой обработкой эхосигналов постепенно переходили к многоканальным с цифровой обработкой. Медицинские области использования этих приборов постоянно расширялись, и в настоящее время они охватывают все внутренние органы.

Современные УЗ-приборы — сложные аппаратно-программные комплексы. Данное направление бурно развивается: разрабатываются новые алгоритмы обработки эхосигналов, улучшается качество УЗ-изображений, создаются новые медицинские методики, появляется все больше фирм, выпускающих УЗ-сканеры с возможностью 4D-визуализации (4D-визуализация — это 3D-визуализация в реальном масштабе времени), снижается стоимость [10–18]. По мере развития микроэлектроники используется новая элементная база, увеличивается количество каналов обработки эхосигналов, совершенствуются существующие алгоритмы их обработки. Ежегодно регистрируются сотни патентов, публикуется большое количество научных статей, издаются новые монографии.

Каждый врач ежедневно сталкивается с необходимостью определить, насколько точно сонограмма передает характеристики исследуемых органов. Особенно усложняют понимание так называемые артефакты визуализации [19]. Их появление вызвано различными причинами: например, переотражением или преломлением ультразвуковой волны, значительной неоднородностью среды по затуханию, неверным выбором параметров сигнала и пр.

Понимание характерных признаков и физической сути артефактов ультразвуковой медицинской визуализации очень важно для правильной интерпретации результатов исследования и исключения диагностических ошибок. Разработчики относятся к артефактам, как правило, как к явлениям нежелательным и стараются он них избавиться. В частности, доплеровские артефакты могут существенно осложнить восприятие отображения сосудистого русла в режиме цветового и энергетического картирования кровотока (ЦДК и ЭДК) и привести к неверной оценке потоковых характеристик [19].

Но в некоторых случаях артефакты могут быть использованы в качестве дополнительного диагностического признака [20], в частности, именно это следует сказать про доплеровский мерцающий артефакт (англ. twinkling artifact) [21–29]. В режимах, связанных с цветовым картированием кровотока, он выглядит как скопление быстроменяющихся окрашенных пикселей (рис. 1 а), появляющееся в тех местах, где движение крови заведомо отсутствует. В спектральных режимах мерцающий артефакт приводит к возникновению широкого «белого» спектра (рис. 1 б); громкоговорители прибора при этом воспроизводят шум большой интенсивности.

Чаще всего данное явление наблюдается на почечных камнях, инородных телах (металлические скрепки, стенты и т.п.) и некоторых иных структурах [22, 30–37]. Все эти объекты значительно отличаются между собой по химическому составу, плотности, эхогенности и другим признакам. Общим для всех них является механическая жесткость, значительно большая, чем у окружающих их мягких тканей. Поэтому в данной работе они будут называться твердыми включениями.

Возможное использование мерцающего артефакта в целях диагностики требует от врача наличия определенных навыков: необходимо знать основные признаки и отличительные особенности артефакта, а также уметь настроить прибор для его наилучшей визуализации, причем для достижения оптимального результата следует не только статически анализировать доплеровскую картину, но и прогнозировать возможную реакцию артефакта на изменение настроек прибора. В заключительной части монографии приводятся практические рекомендации, с помощью которых можно достигнуть наилучшей визуализации мерцающего артефакта вне зависимости от модели ультразвукового аппарата.

Для правильной интерпретации диагностических изображений особенно важно понимать физические причины наблюдаемых явлений. Чтобы объяснить мерцающий артефакт, за четверть века, прошедшую с момента первого наблюдения, было предложено несколько разных, совсем не схожих между собою, гипотез. Разные гипотезы предполагают различные способы настройки прибора, позволяющие добиться как наилучшего проявления артефакта, так и его подавления. Встречающиеся в литературе противоречивые сведения могут вызвать затруднения у врача, породить недоверие к этому диагностическому признаку и тем самым снизить качество диагностики.

С целью прояснить ситуацию авторы в ходе подготовки рукописи провели самостоятельное лабораторное исследование по выявлению причин мерцающего артефакта [23, 30]. Исследовались первичные («сырые») радиочастотные сигналы из приемного доплеровского тракта ультразвукового аппарата. В результате удалось подтвердить два разных физических явления, приводящих к возникновению мерцающего артефакта. Оба этих явления дают сходную картину в режимах ЦДК и ЭДК, однако проявляются при различных условиях эксперимента. Для исследования мерцающего артефакта авторы использовали фантомы — искусственные объекты, моделирующие биологические ткани и органы. В отличие от реальных органов фантомы позволяли контролировать параметры среды распространения и характеристики исследуемых объектов.

Монография подготовлена в рамках научно-исследовательской работы «Совершенствование медико-технологических и клинических методов ультразвуковой диагностики» (№ ЕГИСУ: АААА-А20-120071090054-9) в соответствии с Программой Департамента здравоохранения города Москвы «Научное обеспечение столичного здравоохранения» на 2020—2022 годы.

Раздел I. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

1.1. Основные узлы сканера

Для понимания сути мерцающего артефакта важно получить представление о принципе работы как всего ультразвукового медицинского диагностического устройства на системном уровне, так и о назначении, особенностях функционирования основных узлов сканера, а также об этапах обработки сигнала внутри прибора.

Как видно из схемы на рис. 2, на входе прибора стоит коммутатор, к которому подключаются датчики через специальные разъемы. Коммутатор обеспечивает переключение датчиков по командам с панели управления. Кроме того, он перемещает УЗ-луч в датчиках линейного и конвексного типов. Команды о необходимости такого перемещения поступают из устройства управления, которое также координирует работу формирователя луча, передатчика, приемника, сконконвертера, устройства памяти и монитора.

Применик и передатчик являются многоканальными устройствами, основная функция которых заключается в усилении сигналов по каждому из каналов. Они соединяются с формирователем луча, поканально расставляющем задержки для корректной фокусировки. В приемнике также выполняется квадратурная обработка, благодаря ей в дальнейшем можно рассчитать амплитуду и фазу принятого сигнала.

С приемника сигналы идут на сканконвертер, в котором осуществляется преобразование координат для наиболее наглядного представления данных на экране прибора. При использовании линейного датчика данные на экране представляются в декартовой системе кооридант, а данные с конвексного или секторного датчика преобразуются в полярные координаты. Кроме того, сканконвертер осуществляет интерполяцию данных на изображении так, чтобы оно воспринималось слитно, без пустот. Такие ситуации наиболее заметны при конвексном и фазированном сканировании на средних и больших глубинах, когда лучи расходятся достаточно далеко друг от друга. Пустым элементам приписываются амплитуды, вычисленные на основе известных амплитуд в соседних элементах с помощью алгоритмов интерполяции.

С выхода сканконвертера информация, подготовленная для отображения, поступает в цифровое устройство памяти, где записывается в том темпе, с которым происходит сканирование. С выхода устройства памяти информация считывается в темпе, необходимом для получения изображения на мониторе. Пользователь управляет работой прибора с помощью ручек, кнопок и сенсорного экрана, расположенных на панели управления.

Современные ультразвуковые сканеры (пример на рис. 3) содержат устройства ввода, монитор, динамики для спектрального доплеровского режима, разъем для датчиков. Могут присутствовать термопринтер, вход электрокардиографа, кассетные или дисковые приводы и пр. Многие современные сканеры рассчитаны на транспортировку в пределах больницы или поликлиники, хотя существуют также портативные сканеры, которые внешне похожи на ноутбук, и ультрапортативные устройства, пригодные для ношения в кармане [15]. На рис. 4 представлена схема с указанием основных узлов ультразвукового медицинского диагностического устройства, более детальная, чем та, что изображена на рис. 2. Далее рассмотрим каждый из основных узлов подробнее.

1.1.1. Датчики

Существуют различные типы датчиков (рис. 3), их выбор зависит от интересующего органа. Так, линейные датчики чаще всего используются для исследования поверхностных структур, конвексные — брюшной области, а секторные — сердца через межреберное пространство.