В нашей стране УЗИ появилось с разрушением контроля системы защиты населения от техники уничтожающей здоровье, в 1993 году. Основные достижения УЗИ: простота в обслуживании и коммерческая прибыль - сломали все «старорежимные» преграды для внедрения этой «полезной» техники.
Старорежимные «отсталые» институты контроля, скрупулезно изучали технику воздействующую на человеческий организм, добиваясь получения «дальних» результатов, то есть: будущих последствий с организмом. В среднем длительность таких исследований растягивалась от одного года (мыши) до пяти лет. По законам СССР, все кто сталкивался в своей работе с применением УЗИ, имели привилегии в зарплате и т.д. (за вредность).
Но вот пришли рыночно-коммерческие времена, когда врачи стали на перебой кричать, что УЗИ - безвредная штука и очень необходима, в особенности для изучения беременности. Что в СССР не было науки, а так, дурака валяли, а вот на западе - прогресс.
Только вот уже и на Западе стали доходить прописные истины.
Новое научное исследование показало, что ультразвуковое обследование,проводимое у беременных женщин, может помешать развитию клеток головного мозга плода. Исследование подорвало блестящую репутацию этого обследования. Ученые из Йельского университета доказали, что ультразвуковые волны оказывают негативное воздействие на не рожденного ребенка — а именно, на его нервные клетки, сообщает немецкая газета Die Zeit.
Группа под руководством авторитетного нейробиолога Паско Ракича подвергала беременных мышей в течение последних трех дней их беременности ультразвуковому обследованию различной протяженности — при помощи прибора, который обычно используется для ультразвукового обследования людей. Затем в мозге новорожденных мышей ученые искали маркированные нейроны, которые в течение трех дней перед рождением обычно перемещаются в определенные части мозга.
В целом мозг новорожденных мышат не имел никаких видимых отклонений, его размеры были стандартными. Но у всех животных, которые перед рождением подверглись ультразвуковому обследованию в течение 30 минут и более, так называемые нейроны E16 после рождения не переместились в соответствующее место коры головного мозга. Они как будто «заблудились» в более глубоких слоях серого вещества. Число «заблудившихся» клеток росло вместе с ультразвуковой нагрузкой, некоторые нейроны позже обнаружились даже в нижерасположенном белом веществе. У этих клеток также отсутствовали определенные химические характеристики правильно позиционированных нейронов, а такие нервные клетки уже не могут выполнять функцию,предназначенную им природой.
По сути, идет полная мутация клеток с деформацией ДНК.
Ультразвуковое исследование использует звуковые волны высокой частоты, которые,проходя через жидкую среду, отражаются от плотного объекта, в данном случае — ребенка. Отраженные волны преобразуются датчиком, и изображение — скелет и внутренние органы ребенка — появляются на экране монитора.
УЗИ не требует специальной подготовки беременной. Только на ранних сроках, когда околоплодных вод еще мало, женщину просят приходить на обследование с наполненным мочевым пузырем, чтобы изображение было достаточно четким. Женщина ложится на кушетку, обнажает живот, его смазывают звукопроводящим гелем и водят по нему датчиком прибора. Вся процедура длится около десяти минут. По желанию мамы, она может смотреть на экран, но без объяснения хорошего специалиста понять, что изображено на экране, очень сложно.
Никто не говорит о факте, что дети,находящиеся в утробе матери, бурно реагируют на это обследование, отвечая на него интенсивным движением. Эта особенность даже многие «умники» используют как тест во время беременности, когда мама вдруг пугается, что ее ребенок долго не шевелится. УЗИ стимулирует движение плода и вызывает ускорение его сердцебиения.
Ребенок чувствует негативное воздействие и рефлекторно реагирует на излучение, пытаясь защититься. Любопытство — недостаточно веская причина для того, чтобы подвергнуть малыша потенциальной опасности в сомнительных целях, например, узнавания пола ребенка.
В США Национальный институт здоровья не одобрил обязательное УЗИ для всех беременных.
Исследования Гаряева П.П.
Удар по генотипу
Считавшийся безвредный ультразвук может … повреждать генетический аппарат. К такому выводу пришли московские исследователи под руководством старшего научного сотрудника Отдела теоретических проблем Российской академии наук Петр Петрович Гаряева.
- Должен признаться, — рассказывает Гаряев, — раньше мы очень боялись, что законы генетики могут использоваться во вред людям. А оказалось, что это давно уже делают…
медики. Не ведая, что творят, они воздействуют на генетический аппарат человека. И сейчас трудно даже представить себе отдаленные последствия этого широкомасштабного эксперимента над людьми.
Прозрение началось совсем недавно. Кандидат биологических наук Петр Петрович Гаряев и кандидат физико-математических наук Андрей Александрович Березин поставили перед собой цель: проникнуть в святая святых живой материи — волновой геном, который управляет развитием организма. Природа старательно защищает геном от любых вторжений, чтобы сохранить для будущих поколений наследственные программы. Но ученые решили внести в них свои поправки — вписать новую информацию в «тексты ДНК».
Известно,что выделенные из клеток молекулы ДНК «издают» самые разные сигналы.
Это настоящая симфония жизни, где, наверное, есть «мелодии» всех тканей,органов и систем, которые могут развиться по команде ДНК. Но ученые пока могут определять только спектр этих акустических колебаний. Их так много и они настолько слабые, что различить их способна лишь
сверхчувствительная аппаратура.
Выделить из хаоса отдельные звуки жизни помогают … носители света — фотоны. Гелий-неоновый луч лазера направляют на колеблющиеся молекулы ДНК — отражаясь от них, свет рассеивается, и его спектр записывает чуткий прибор. Такая измерительная система называется установкой спектроскопии корреляции фотонов.
Гаряев и Березин налили в кювету водный раствор молекул ДНК и обработали его генератором ультразвука. Они отказались назвать частоты акустических колебаний, лишь заметили, что некоторые обертона можно было услышать ухом, как тонкий свист. Но результаты эксперимента исследователи не скрывают — наоборот, считают своим долгом рассказать о них как можно
большему количеству людей.
До воздействия генератором молекулы ДНК издавали звуки в широком диапазоне: от единиц до сотен герц. А после — молекулы «звучали» с особой силой на одной частоте: 10 герц. Она сохраняется уже несколько недель. И амплитуда колебаний не уменьшается.
Образно говоря, в симфонии жизни стала преобладать одна пронзительная нота.
Работу ДНК, — объясняет Гаряев, — можно сравнить с быстродействующим компьютером, который мгновенно принимает огромное количество решений. Но представьте себе, что по компьютеру ударили кувалдой, и в результате на все-все вопросы он выдает один и тот же ответ. Нечто подобное произошло в волновом геноме, когда мы оглушили его ультразвуковом. Его волновые матрицы так исказились, что в них резко усилилась одна частота.
О чем кричит фантом
Но еще больше ученых удивил другой факт: искажение спектра акустических колебаний произошло не сразу. После воздействия они проверили, как
звучит препарат ДНК, но не нашли в его «мелодиях» никаких изменений. Огорченные неудачей, вылили старый раствор, налили новый и заморозили
его в холодильнике. А когда на следующий день разморозили и снова измерили, то прямо обомлели: неповрежденный препарат ДНК вел себя так,
будто он получил ультразвуковое оглушение.
— Может, все дело в заморозке? — спрашиваю Петра Петровича.
— Нет, — отвечает ученый, — мы проверяли контрольные препараты ДНК. Когда их размораживали, они по-прежнему издавали звуки широкого спектра.
Наконец,самый поразительным был следующий результат. Приготовили новый препарат ДНК в новой кювете, но поместили ее на место старой. Неожиданно препарат «пронзительно зазвучал», как будто его тоже обработали ультразвуком.
— А вдруг во время опытов вы навели поля на спектрометр, и они стали действовать на ДНК?
— Ультразвук не наводится, это известно любому физику.
После многочисленных проверок ученые пришли к поразительному выводу:ультразвук «обидел» молекулы ДНК, и они это «запомнили». Молекулы испытали сильное потрясение, после которого долго приходили в себя и,наконец, выработали волновой фантом боли и страха, который остался на месте столь ужасного для них эксперимента. Под действием этого фантома и другие молекулы ДНК пережили похожее потрясение и тоже «закричали от ужаса».
Дальнейшие исследования показали, что во время ультразвукового облучения двойные спирали ДНК расплетаются и даже разрываются — как бывает при сильном нагревании этих молекул. Во время таких механических повреждений образуются электромагнитные волны, которые создают фантом. Он сам способен разрушать ДНК подобно высокой температуре и ультразвуку.
Нечто подобное происходит, когда раненому человеку отрезают руку или ногу, а потом у него много лет болит «пустое место». По мнению Гаряева, фантомный эффект иногда возникает и на месте раковой опухоли: когда ее удаляют, остается волновая матрица, которая потом создает новую колонию злокачественных клеток.
Ученые считают, что во время их эксперимента в формировании фантома участвовала … вода, в которой плавали молекулы ДНК. Под действием ультразвукового генератора в этом растворе могли образоваться группы из нескольких молекул воды — они стали маленькими генераторами акустических колебаний, которые со всех сторон непрерывно озвучивали и повреждали ДНК. В результате на их разорванных цепочках появились сгустки электромагнитных волн — солитоны, которые могли существовать самостоятельно, подпитываясь энергией окружающей среды. Совокупность этих солитонов образовала волновую матрицу, или фантом.
Ученым удалось даже сфотографировать фантом ДНК. Около препарата появился яркий шарик, из которого выходили разветвленные линии. Это похоже на дерево, освещенное вспышкой молнии. Но вместо листвы оно было окутано светлым облаком из сверхлегких микрочастиц.
Фантом «плавал» около препарата ДНК, а когда тот убрали, продолжал парить над этим местом. Парящее «дерево» на фоне светлого облака ученые зафиксировали на многих фотоснимках.
ДНК исполняют похоронный марш
—Эти эксперименты показывают, — говорит Гаряев, — что ультразвук вызывает не только механические, но и полевые искажения ДНК. Это значит, что в наследственной программе может происходить сбой: искажение поля будет формировать поврежденные ткани — из них не сможет развиться здоровый организм.
— Но ведь это ужасно! — прервал я ученого. — Сейчас во всем мире очень модно ультразвуковое сканирование. Метод считается совершенно безвредным, поэтому его широко применяют для диагностики беременности и детей. «Просвечивают» ультразвуком беременных
женщин, чтобы узнать пол будущего ребенка. Другое дело, если это особые медицинские показания! Легкомыслие и самонадеянность «царей природы» просто поразительны.
Многие знают, что некоторые животные используют ультразвук как оружие: дельфины глушат им рыбу, кашалоты —кальмаров и так далее.
Но медики предложили больным подвергнуться такому воздействию — и они охотно согласились, даже отдали своих детей на эксперимент с ультразвуком.
- " onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
УЗИ, как диагностический метод в медицине, относительно молодое исследование. В исторической перспективе любое УЗИ - новый метод. Но технологии так быстро переходят из лабораторий даже в консервативную медицинскую практику, что 50 лет кажутся огромным сроком, за который в медицину пришло не только УЗИ, но и много других технологий.
Первые опыты локации человека
Основу создания и применения современного УЗ-оборудования положило открытие (примерно 1880 г.) пьезоэлектриков учеными, братьями Пьером и Жаком Кюри. Однако медицинское назначение ультразвук получил только в 50-х годах прошлого века. Так, Инге Эдлер и Карл Хеллмут Герц стали пионерами в области неинвазивного исследования сердца - эхокардиографии (ультразвуковой кардиографии). В 1955 году Яном Дональдом и доктором Барром были проведены первые исследования опухолей, а инженер Том Браун при содействии того же Яна Дональда создал ультразвуковой прибор Mark 4, который умел отличать твёрдые и кистозные опухоли.
Ультразвук - это упругие колебания звуковых волн с частотами, выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в газах, жидкостях и твёрдых телах.
Одним из самых первых применений звукового сканирования человека стали опыты Холмса и Хоура (США), они погружали пациента в бак с дегазованной водой и пропускали ультразвук вокруг оси 360 градусов, что и стало первой томограммой.
Впрочем, в период 40-50 г.г. XX века целый ряд врачей из Европы и США вели поиски применения ультразвука для диагностики патологий. Среди них английский хирург J. Wild, американец G. Ludwig, и признанный пионер УЗИ - австрийский невролог, психиатр K.T. Dussik.
На пути к современной УЗИ-диагностике
Ранние УЗИ-приборы были громоздкими, требовали дополнительного оборудования и особого размещения пациента перед прибором. А первый компактный и ручной сканер появился лишь в 1963 г. в США.
Это и стало началом новой эры становления популярных в наше время статических УЗ-аппаратов.
Спустя всего три года официальный медицинский орган AIUM начал проводить аккредитацию ультразвуковой практики. Для получения лицензии на этот новый диагностический метод в акушерстве и гинекологии, врач-соискатель должен был осуществлять интерпретацию как минимум 170 УЗ-снимков в год.
В 1966 г. Вена принимала первый Всемирный конгресс УЗ-диагностики в медицине. Спустя десятилетие было основано Британское медицинское общество ультразвука (British Medical Ultrasound Society, BMUS). Так УЗИ вошло в повседневную жизнь и обычную медицинскую практику.
Следует пояснить, что диагностические приборы делились на два типа: на принципе гидролокации A-режим УЗ-волн, и принципе радиолокации, B-режим.
УЗИ в СССР
В СССР работы по применение ультразвука в медицине практически не отставали от мирового уровня. Так, в 1954 г. на базе Акустического института АН СССР было создано отделение ультразвука под руководством профессора Л. Розенберга.
Спустя пять-шесть лет НИИ медицинских инструментов и оборудования СССР выпустил экспериментальные аппараты Ekho-11, Ekho-12, Ekho-21, UZD-4. Более поздние модели: UTP-1, UDA-724 и Obzor-100 датируются началом 70-х годов.
Это диагностическое оборудование работало в офтальмологии, неврологии и кардиологии, однако, указаний к широкому внедрению не последовало, что отбросило эту отрасль на много лет назад. Лишь с конца 80-х годов УЗД начала постепенно внедряться в советскую медицину.
Основы УЗИ 21-го века
70-80 годы прошлого века стали бурным этапом развития УЗИ-диагностики. Росли не только списки проводимых исследований и выявляемых диагнозов, но и точность исследований.
В 1972 г. с помощью В-режимного УЗИ английский профессор Кэмпбэл на сроке 17 недель диагностировал анэнцефалию плода. Это положило начало раннему выявлению патологий, которые явились показанием к прерыванию беременности.
В 1977 австриец C. Kretz разработал УЗ-аппарат Combison 100. Это был циркулярный ротационный сканер, работающий в режиме реального времени для УЗИ органов брюшной полости и других частей тела.
Доктор медицины P. Jeanty в 1984 г. составил очень нужную таблицу всех размеров костей плода при развитии. А помогли ему в этом исследования J. Hobbins, который с помощью сканера реального времени измерил длину бедра плода, и работы G. O’Brien и J. Queenan, определивших наличие такой патологии развития плода, как скелетная дисплазия.
В этот же период был усовершенствован и получил широкое применение такой точный метод, как допплер-ультразвуковое исследование.
В 1975 г. была разработана 128-точечная мультиимпульсная допплер-система, в которой скорость и направление кровотока отображались на экране в цвете. Но уровень технологий того времени не позволил ее массовое применение, поэтому активное развитие допплер-УЗИ как медицинского диагностического метода отложилось до 80-х годов.
В целом рост качества УЗИ продолжался в течение 80-90 годов благодаря бурному развитию микропроцессоров и портативных компьютеров. Согласно статистике FDA, в США менее, чем за 10 лет, с 1976 по 1982 г. частота использования УЗД в медицинских учреждениях возросла с 35 до 97%.
В результате этого в конце 90-х годов в странах Европы и США УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого:
- определяли срок беременности,
- исключали двойню,
- выявляли пороки развития плода.
Новейшее УЗИ - трехмерное УЗИ
Еще в далеком 1992 году была опубликована книга японского врача- исследователя об УЗИ в акушерстве и гинекологии, в которой целый раздел был посвящен трехмерному сканированию. Это не удивительно, ведь именно в Японии в тот период очень широко внедрялись компьютерные методы моделирования и обработки. Но на самом деле эти снимки были сделаны с помощью двумерного УЗ-аппарата. А вот исследователи из США предложили алгоритм действительно трехмерного сканирования. Был разработан и реализован сканер Combison 330, с помощью которого визуализировали лицо, мозжечок и шейный отдел позвоночника плода.
Зачем понадобилась трехмерная УЗ-диагностика? Дело в том, что ряд аномалий развития плода: расщепление губы, полидактилию, микрогнатию, пороки развития уха, позвоночника и других патологий развития, можно выявить по только по внешнему виду плода. Поэтому трансвагинальное трехмерное УЗИ позволило расширить возможности диагностического метода ранних этапов развития плода.
Работы испанского клинициста Bonilla-Musoles показали, что точность диагностики злокачественных новообразований яичника, определенных с помощью трехмерного УЗИ, составляет почти 100%. Цветное допплеровское трехмерное УЗИ позволило визуализировать кровоток опухолей и поэтому стало действенным методом диагностики рака шейки матки и яичников.
Как видно, за несколько десятилетий УЗИ в медицине претерпело кардинальные изменения: от простой констатации факта наличия жизни в полости матки до точных измерений размеров плода; от определения морфологии плода до оценки его кровотока и динамики развития. УЗИ и сейчас остается молодым, растущим методом диагностики, про который можно сказать «новейший».
Будьте здоровы и чаще улыбайтесь!
Один из соавторов блога, в числе прочего, трудится научным редактором нового портала о науке Indicator.Ru. Сегодня на сайте вышел материал об УЗИ с большой исторической частью, написанной Алексеем Паевским. Мы с удовольствием делимся этим материалом.
Немного истории
Прежде чем рассказать об истории появления ультразвукового исследования, нужно упомянуть два важнейших открытия, без которых этого метода не было бы.
Первым нужно вспомнить выдающегося итальянского естествоиспытателя и натуралиста Ладзаро Спалланцани, жившего в XVIII веке. Как и многие ученые того времени, он был весьма многосторонен: заложил основы современной метеорологии и вулканологии, провел процедуру ЭКО у лягушек и искусственного осеменения у собак. Кроме того, Спалланцани показал, что, если заткнуть летучей мыши уши, она не сможет ориентироваться в пространстве. Ученый предположил, что рукокрылые животные испускают некий не слышимый нами звук, улавливают его эхо и на основании этого ориентируются в пространстве. Так был открыт ультразвук.
Второе открытие было сделано человеком, прославившимся своей женой и исследованием радиоактивности, - нобелевским лауреатом Пьером Кюри. В 1880 году вместе со своим старшим братом Жаком он открыл эффект возникновения электричества в кристаллах, которые сжимаются, - пьезоэлектрический эффект. Именно он является основой детекторов ультразвука в аппаратах УЗИ.
Дальше пришлось ждать 1941 года, когда австрийский невролог Карл Фредерик Дюссик в сотрудничестве со своим братом Фредериком сделал первое ультразвуковое исследование мозга. Дюссик «обнаружил» опухоль и в 1947 году опубликовал свой метод под названием гиперфонографии. Правда, через пять лет оказалось, что Дюссик принял за опухоль отражение ультразвука от костей черепа.
Англичанин Джон Уайлд первым использовал УЗИ для определения толщины тканей кишечника в 1949 году. За эту работу его назвали «отцом медицинского УЗИ». Впрочем, «отцов УЗИ» было много. Как и вариантов ранних аппаратов: для некоторых исследований человека погружали в ванну с водой, для других - на несколько часов прижимали к пластиковой кювете. Было и много пионерских работ. Так, в 1958 году впервые при помощи УЗИ определили размер головки плода, чем положили начало акушерскому применению ультразвука.
Первый же современный аппарат, в котором сканер и приемник ультразвука находились в руке врача, появился в 1963 году в США. С тех пор началась эпоха современного УЗИ. Медицинскую аккредитацию на такие исследования стал выдавать с 1967 года Американский институт ультразвуковой медицины (AIUM): чтобы получить разрешение на практику, врачу-гинекологу (а первые клинические применения начались именно в акушерстве и гинекологии) приходилось выполнять не менее 170 исследований в год. Увы, СССР в этом сильно отставал: несмотря на первые диагностические опыты, выполненные еще в 1960 году, в практику советской медицины УЗИ стало внедряться лишь в конце 1980-х годов.
О том, каким было первое оборудование для УЗИ, как оно развивалось, а также какие возможности исследования внутренних органов этот метод диагностики предлагает сейчас, рассказал Николай Кульберг, руководитель отдела разработки средств медицинской визуализации ГБУЗ «Научно-практический центр медицинской радиологии ДЗМ», кандидат физико-математических наук.
От 1D к 2D
Первые ультразвуковые диагностические приборы появились в середине ХХ века. По современной классификации их можно было назвать 1D-УЗИ. Это значит, что на выходе врач получал не «картинку» исследуемого органа, а график, похожий на тот, что получается при работе сейсмографа. Такой тип визуализации данных называется «А-режимом», или «А-scan ultrasonography».
Интенсивность ультразвука, измеренного на разных глубинах тканей
Николай Кульберг
Датчик прибора по форме напоминал карандаш, а на торце «карандаша» находился плоский пьезокерамический чувствительный элемент. Приложив этот элемент к телу пациента, можно было получить информацию о столбике тканей по направлению датчика. Результат исследования (А-линия, A-Line) отображался на экране осциллографа примерно так, как это показано выше. Впрочем, даже такие невыразительные, абстрактные графики могли дать врачу очень важные диагностические сведения: например, на данном рисунке видно, как измеряется интенсивность ультразвука, отраженного на разных глубинах тканей. Так, на глубинах от 0 до 3 см звук отражается хорошо, кроме того, отражающие слои есть и на глубинах 5 и 6 см. Соответственно, зная строение исследуемого органа, врач может предполагать, от чего именно отражается ультразвук.
В 70-е годы ХХ века в конструкцию «одномерного» датчика было внесено важное изменение: теперь чувствительный элемент можно было поворачивать с помощью шагового электродвигателя, так как он был закреплен на шарнире. Вращение происходило внутри небольшой буферной камеры, заполненной жидкостью. Эту камеру прикладывали к телу пациента. Вращающийся датчик получал последовательно информацию из веерообразно расходящихся «лучей». Если полученные яркости отобразить на экране монитора, можно было получить двухмерное изображение тканей пациента, находящихся в одной плоскости. Данный метод исследования стали называть 2D-УЗИ, но более традиционно такую визуализацию называют «B-режим» (B-scan ultrasonography). Пример изображения внутреннего органа (левой почки) в В-режиме показан ниже. Если провести вертикальную линию по оси симметрии этого рисунка и построить график, то в результате получится линия, показанная на предыдущем рисунке (А-режим).
УЗИ левой почки
Николай Кульберг
Через некоторое время конструкция датчиков для двухмерного УЗИ была значительно усовершенствована. Вместо вращающейся головки научились применять так называемые фазированные датчики: поверхность такого датчика состоит из нескольких десятков или сотен элементов, каждый из которых излучает и принимает ультразвук отдельно от других. Здесь для изменения направления луча двигать ничего не надо - все управление осуществляется с помощью подачи электрических импульсов на разные элементы датчика с разными задержками. Сигналы, принятые разными элементами, также обрабатываются отдельно друг от друга. Благодаря этому получаются очень качественные B-изображения.
На этом принципе работает большинство современных ультразвуковых приборов. Основные типы датчиков: линейный, конвексный, секторный - представляют собой различные варианты фазированных решеток.
Тайна третьего измерения
Но если можно, пользуясь фазированным датчиком, отклонять луч в пределах одной плоскости, почему бы не сделать то же самое для перпендикулярной плоскости? Это и будет означать переход к третьему измерению. Этот переход произошел на рубеже 1990-х и 2000-х годов. Но здесь разработчики приборов УЗИ столкнулись со значительными техническими трудностями.
Представим, что для сканирования в одной плоскости требуется разделить датчик на 100 элементов. Сколько элементов понадобится для сканирования по еще одному измерению? Оказывается, 1002, то есть десять тысяч. К каждому такому элементу нужно подвести отдельный провод. Получится кабель такой толщины, что врач просто не сможет удержать его в руке.
Оценив эту трудность, разработчики на первых порах отказались от внедрения в практику двухмерных фазированных датчиков и пошли по хорошо известному пути механического сканирования. Снова в составе «флагманских» моделей приборов появились шарниры и шаговые двигатели, на которых вращался уже сложный фазированный датчик. Сканирование в одной плоскости было электронным, в другой - механическим. Такие датчики до сих пор можно встретить, они продаются в том числе и с новыми приборами.
Когда первый трехмерный датчик стал реальностью, обнаружилась еще одна трудность, связанная со временем получения одного объемного изображения. Скорость звука в теле человека примерно 1,5х105 см/с. Чтобы получить данные с глубины 15 см, приходится ждать 0,0002 секунды. На первый взгляд, это совсем немного. Тем не менее, когда мы переходим к двухмерному сканированию, нужно сделать порядка сотни таких одномерных сканов. Таким образом, один кадр B-изображения можно получить за две сотых секунды, то есть частота кадров будет не более пятидесяти кадров в секунду. А чтобы получить сотню B-сканов, нужных для построения объема, придется ждать уже две секунды. Повышение скорости сканирования стало предметом напряженных изысканий разработчиков во всем мире. Так, пользуясь электронным сканированием только по одной координате удалось повысить скорость сканирования примерно в десять раз за счет так называемого многолучевого сканирования, получаемая при этом частота составляла 5 объемов в секунду. Это было уже полноценное 3D-УЗИ, ведь, пользуясь этим способом, можно получать реалистичные трехмерные изображения. На рисунке ниже показан пример трехмерной реконструкции плода.
Пример трехмерной реконструкции плода
ginekology-md.ru
Спасти ситуацию помогли двухмерные фазированные датчики. Чтобы уменьшить число проводов в кабеле датчика, внутрь самого датчика поместили целый высокопроизводительный компьютер, который «сжимает» полученные данные и пересылает их в закодированном виде по относительно тонкому кабелю. Благодаря этому удается получать частоту несколько десятков «объемов» в секунду. А этого уже достаточно, например, для полноценной визуализации сердца в реальном времени. Поскольку к трем пространственным измерениям добавляется полноценное четвертое, время, эти технологии получили название 4D-УЗИ. С их помощью можно строить полноценное изображение клапанов сердца в режиме реального времени. Его примери приведен ниже.
А что на практике?
Сегодня процедура ультразвукового исследования, в том числе в формате 3D и 4D, проводится достаточно быстро и эффективно: внутренние органы можно увидеть с разрешением менее миллиметра. «Разрешение УЗИ системы зависит от рабочей частоты датчика и глубины, на которой находится исследуемый орган, - рассказывает Николай Кульберг. - Для абдоминальных исследований на частоте 3,5 МГц разрешение на средней глубине десять сантиметров составляет примерно три миллиметра. Для щитовидной железы датчик частотой 7,5 МГц может дать разрешение порядка полумиллиметра на глубине три сантиметра. Кардиодатчик на частоте 3 МГц и на глубине десять сантиметров покажет разрешение пять миллиметров». Что касается скорости получения изображений, то современные УЗИ-аппараты позволяют делать это за считанные минуты.
«На современных УЗ-аппаратах Philips c технологией xMATRIX получить 3D/4D изображение можно за 2-4 секунды, на приборах с механическими датчиками - за 10-14 секунд. Поиск удобной области сканирования, обработка полученных результатов и экспорт изображений занимают дополнительное время, таким образом, исследование может длиться до 20-30 минут», - рассказала Евгения Добрякова, старший специалист подразделения Philips «Ультразвуковые системы».
Впрочем, несмотря на все успехи в развитии УЗИ-аппаратов, предел совершенства их работы еще не достигнут. «О путях улучшения двумя словами сказать не получится, потому что это предмет очень сложных научных изысканий в разных областях - от физики и электроники до цифровой обработки сигналов. Здесь постоянно трудятся тысячи исследователей, и каждый год им удается показать какие-то заметные улучшения», - рассказывает Николай Кульберг. Кроме того, разработчики продолжают совершенствовать и аппараты для двухмерного УЗИ, так как далеко не всем врачам нужна объемная картинка.
Помимо совершенствования УЗИ, перед учеными стоят и иные задачи. «Сейчас на повестке дня исследователей во всем мире стоит вопрос создания так называемой УЗ-томографии (УЗТ) по аналогии с хорошо известной компьютерной томографией (КТ) на основе рентгеновского сканирования образца по отдельным слоям, - рассказывает Владимир Кукулин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела физики атомного ядра и главный научный сотрудник лаборатории теории атомного ядра НИИЯФ МГУ. - Создание УЗТ было бы поистине революционным шагом в медицине, сейсмологии и в других сферах, так как позволило бы заменить во многих случаях нежелательное рентгеновское облучение тела, причем многократное, на простое и совершенно безвредное УЗ-сканирование. Однако развитие УЗТ требует очень большого объема вычислений, которые нужно произвести за относительно небольшое время медицинского обследования пациента. Сделать это можно, только применив принципиально новую технологию вычислений на основе сверхбыстрого графического процессора. Эти работы сейчас только разворачиваются.
Второе чрезвычайно интересное новое направление - технология уничтожения опухолей и разрезания внутренних тканей тела с помощью направленного ультразвука. Это направление сейчас формируется под названием хирургии XXI века».
Современным пациентам сложно представить, что ещё не так давно медики обходились без такого метода диагностики, как ультразвуковое исследование. Ультразвук произвёл настоящую революцию в медицине, наделив врачей высокоинформативным и безопасным способом обследования пациентов.
Всего за каких-то полвека, которые насчитывает история ультразвуковой медицины, УЗИ стало главным помощником в диагностике большинства заболеваний. Как же появился и развивался этот метод?
Первые исследования ультразвуковых волн
О наличии в природе звуковых волн, не воспринимаемых человеком, люди догадывались давно, но открыл «невидимые лучи» итальянец Л. Спалланцани в 1794 г., доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестаёт ориентироваться в пространстве.
Первые научные опыты с ультразвуком стали проводиться еще в XIX в. Швейцарскому учёному Д. Колладену в 1822 г. удалось вычислить скорость звука в воде, погружая в Женевское озеро подводный колокол, и это событие предопределило рождение гидроакустики.
В 1880 году братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, возникающий в кварцевом кристалле при механическом воздействии, а спустя 2 года был сгенерирован и обратный пьезоэффект. Это открытие легло в основу создания из пьезоэлементов преобразователя ультразвука – главного компонента любого УЗ-оборудования.
XX век: гидроакустика и металлодетекция
Начало XX века ознаменовалось развитием гидролокации – обнаружения объектов под водой при помощи эха. Созданием первых эхолотов мы обязаны сразу нескольким учёным из разных стран: австрийцу Э. Бэму, англичанину Л. Ричардсону, американцу Р. Фессендену. Благодаря гидролокаторам, сканировавшим морские глубины, стало возможным находить подводные препятствия, затонувшие корабли, а в годы I мировой войны – вражеские субмарины.
Еще одним ультразвуковым направлением стало создание в начале 30-х годов дефектоскопов для поиска изъянов в металлических конструкциях. Своё место УЗ-металлодетекция нашла в промышленности. Одним из основателей данного метода стал российский учёный С.Я. Соколов.
Методы эхолокации и металлодетекции заложили фундамент для первых экспериментов с живыми организмами, которые и проводились приборами промышленного назначения.
Ультразвук: шаг в медицину
Попытки поставить ультразвук на службу медицине относятся к 30-м годам XX века. Его свойства начали применять в физиотерапии артритов, экземы и ряда других заболеваний.
Опыты, начавшиеся в 40-е годы, были направлены уже на использование УЗ-волн в качестве инструмента диагностики новообразований. Успехов в исследованиях достиг венский психоневролог К. Дюссик, который в 1947 году представил метод, названный гиперсонографией. Доктору Дюссику удалось обнаружить опухоль мозга, замеряя интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента. Именно этот учёный считается одним из родоначальников современной УЗ-диагностики.
Настоящий прорыв в развитии УЗД произошел в 1949 году, когда учёный из США Д. Хаури сконструировал первый аппарат для медицинского сканирования. Это и последующие творения Хаури мало напоминали современные приборы. Они представляли собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп.
Примерно в это же время американский хирург Дж. Уайлд создал портативный прибор с подвижным сканером, который выдавал в режиме реального времени визуальное изображение новообразований. Свой метод он назвал эхографией.
В последующие годы УЗИ-сканеры совершенствовались, и к середине 60-х годов они стали приобретать вид, близкий к современному оборудованию с мануальными датчиками. Тогда же западные врачи начали получать лицензии для использования в практике метода УЗД.
Эксперименты по применению ультразвука проводились и советскими учеными. В 1954 году в институте акустики Академии Наук СССР появилось специализированное отделение, возглавляемое профессором Л. Розенбергом.
Выпуск отечественных УЗИ-сканеров был налажен в 60-е годы в НИИ инструментов и оборудования. Учёные создали ряд моделей, предназначенных для применения в различных медицинских сферах: кардиологии, неврологии, офтальмологии. Но все они так и остались в статусе экспериментальных и не получили «места под солнцем» в практической медицине.
К тому моменту, когда советские врачи начали проявлять интерес к ультразвуковой диагностике, им уже приходилось пользоваться плодами достижений западной науки, поскольку к 90-м годам прошлого века отечественные разработки безнадёжно устарели и отстали от времени.
Современные технологии в УЗИ
Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. На смену обычной двухмерной визуализации приходят новые технологии, позволяющие получать объёмную картинку, «путешествовать» внутри полостей тела, воссоздавать внешний вид плода. Например:
- Трёхмерное УЗИ – создаёт 3D изображение в любом ракурсе.
- Эхоконтрастирование – УЗИ с применением внутривенного контраста, содержащего микроскопические газовые пузырьки. Отличается повышенной точностью диагностики.
- Тканевая, или 2-я гармоника (THI) – технология с улучшенным качеством и контрастностью изображения, показана пациентам с избыточным весом.
- Соноэластография – УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.
- Ультразвуковая томография – методика, аналогичная по информативности КТ и МРТ, но при этом совершенно безвредная. Собирает объёмную информацию с последующей компьютерной обработкой изображения в трёх плоскостях.
- 4 D – узи – технология с возможностью навигации внутри сосудов и протоков, так называемый «взгляд изнутри». По качеству изображения похоже на эндоскопическое исследование.
О существовании в природе ультразвуковых колебаний, которые находятся за пределами слышимости человеческого уха, известно было давно, эти колебания называются ультразвуковыми волнами. Открытие этих волн связано с именем итальянского ученого Lazzaro Spalanzani, который предположил, что способность летучих мышей летать в темноте и не наталкиваться на препятствия зависит не от зрения, а от звуковых вибраций, которые человек не способен слышать. Эту гениальную мысль через 250 лет своими исследованиями подтвердили Galambos (1942) и Grifin (1944).
Прогрессу использования природы ультразвука послужили открытия Galtona (1880), братьев Pierrl и Jagne, Curie, которые описали пьезоэлектрическое явление - возникновение свободного заряда на поверхности некоторых кристаллов при их механической деформации. Это открытие через год было теоретически обосновано Lipman, который обнаружил, что при воздействии электрическим зарядом на поверхности кристалла происходит его деформация. Этими открытиями была заложена основа для создания аппаратов, которые генерируют УЗ волны высокой частоты. Долгие годы этим открытиям уделялось мало внимания. Интерес возрос в связи с применением ультразвука в медицине.
В 1940 г. George Ludwig, Douglas Howry и John Wild, независимо друг от друга, показали, что УЗ сигналы, посланные в организм, возвращаются обратно к тому же датчику, отражаясь от поверхностей структур разной плотности.
Хотя ультразвук в медицине используется не так давно, к настоящему времени он с успехом применяется в ряде ее областей с лечебной и диагностической целью. Вначале УЗ преимущественно применялся в терапии благодаря механическим воздействиям, вызывающим перемещения УЗ давления в тканях, и тепловому эффекту, который возникает внутри тканей, приводя к физико-химическим действиям. УЗ терапия оказалась особенно эффективной при некоторых патологических состояниях (болезнь Бехтерева, невралгии, невриты, воспаления суставов и другие воспалительные процессы).
Оказалось, что наряду с положительным эффектом его применение абсолютно противопоказано при лечении паренхиматозных органов (печени , селезенки, почек , легких, сердца , головного мозга, щитовидной железы и др.).
Дозированное применение ультразвука в терапии объясняется двумя причинами:
Ультразвуковое поле пронизывает ткань при лечении неоднородно,
Неоднородность ультразвукового поля еще увеличивается вследствие неоднородности необлученных тканей.
Разность тканей, разделенных фасциями, перегородками, является причиной многочисленных неоднородных отражений, влияющих на эффективность ультразвукового поля. Эти особенности УЗ поля и тканей должны учитываться при выборе интенсивности и времени облучения ультразвуком для получения максимального лечебного эффекта. Верхняя граница интенсивности терапевтической дозы 3 Вт/см2.
Большая заслуга применения ультразвука в терапии принадлежит Pohlmann (1939, 1951). Им также изучено биологическое влияние ультразвука средней и высокой интенсивности. Первичность применения УЗ с лечебной целью связана с использованием в производстве терапевтической ультразвуковой аппаратуры сравнительно простых УЗ генераторов.
Первые попытки использовать ультразвук с диагностической целью связаны с именем венского невропатолога Karl Dussik (1937, 1941, 1948), которому при помощи двух датчиков, расположенных один против другого в области головы, удалось лоцировать опухоль мозга. Несмотря на определенные успехи, из-за сложности интерпретации результатов метод был подвергнут критике и на некоторое время забыт. В 1946 г. Denier попытался получить изображения сердца, печени и селезенки с помощью УЗ. Keidl (1950), используя ультразвуковой датчик с частотой 60 КГц, определил объем сердечной мышцы, измеряя поглощение УЗ в сердечной мышце и легочной ткани, однако результаты оказались неубедительными.
Этап серьезного внедрения ультразвука в диагностику начинается с разработки импульсного эхометода и получения одномерного изображения (А-метод). И хотя первые сообщения о возможности получения одномерного УЗ изображения появились в 1940 г. (Gohr и Vederkind), практически метод стал применяться только через 10 лет, когда Ludwig и Strutners удалось выявить камни в желчном пузыре и инородное тело, вшитое в мышечную ткань собаки. Они предположили, что этим методом можно обнаружить и опухоли. Wild и Reid (1952), обследуя молочные железы, установили, что опухолевая ткань отражает больше, чем здоровая ткань, тем самым доказав эффективность применения метода в диагностических целях.
Эти обнадеживающие данные об эффективности метода способствовали его широкому внедрению в различных областях клинической медицины. Шведские ученые Edler и C. Hertz (1954) являются основоположниками эхокардиографии, хотя долгое время из-за несовершенства аппаратуры и ошибочной трактовки регистрируемых структур сердца метод не находил клинического применения. Публикации немецких ученых S.Tffert и соавт.(1959) об успешной диагностике опухолей предсердия, затем американских ученых G. Joyner (1963), R.Gramiak (1969) и многих других показали, что информация о здоровом и больном сердце, полученная бескровным путем, не приносит вреда и беспокойства больным.
Фото: likesuccess.com
Leksell (1955) разработал основы эхоэнцефалографии и был первый, кому удалось при помощи смещения срединного эхо лоцировать гематому мозга. Эта методика получила дальнейшее развитие в работах S. Lepsson (1961), C. Grossman (1966), W. Schifer и соавт. (1968) и др. Одномерный УЗ метод в офтальмологии впервые в 1956 г. применили Mundt и Hughes, а годом позже Oksala и Lehting. Начало внедрения этого метода в акушерскую и гинекологическую практику связано с именами шотландских исследователей I. Donald, J. Mac Vicar и E. Brown (1961). Первые измерения головки плода УЗ методом осуществил I. Donald. Они же положили начало применению двухмерного метода (В-метод) в акушерстве и гинекологии. Разработка двухмерного способа получения изображений стала крупным достижением в развитии и усовершенствовании УЗ аппаратуры.
Эхокардиограмма сердца, на изображении видны предсердия и желудочки. Фото: википедия.орг.рф
Впервые в клинических условиях независимо один от другого метод применили Howry и Bills, Wild и Reid (1955-1956). Возможности использования УЗ в диагностических целях в гастроэнтерологии приведены G. Baum и I. Greenwood(1958) при описании ими двухмерного метода (В-метода).
Дальнейшее усовершенствование УЗ диагностических приборов связано с работами Kossoff и Garrett (1972, Австралия), получившими градацию серой шкалы изображения. Затем они усовершенствовали приборы, работающие в реальном масштабе времени. В 1942 г.
Христиан Доплер описал распространение волн из движущегося источника колебаний и влияние других относительных движений на их частоту. Этот эффект Доплера был применен в акустике, и на его базе позднее стали изготовлять приборы, способные регистрировать движение сердца.
