Когда появилось узи для беременных. Ультразвуковое исследование: некоторые факты. В трех измерениях

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.

В трех измерениях

Первый трехмерный аппарат УЗИ появился в 1989 г. в Австрии. К сожалению, качество изображений было очень низким, а на получение одного статического трехмерного изображения уходило до 30 минут. Естественно, метод не нашел широкого применения в медицине. Только в 1996 г., благодаря прорыву компьютерных технологий, появился сканер с возможностью трехмерной реконструкции в реальном времени. И с этого момента методика трехмерного ультразвука находит все более широкое применение в медицине, особенно в области акушерства.

Безопасность УЗИ

Чтобы не испытывать страха и предубеждения перед ультразвуковым исследованием (эхографией), нужно достаточно ясно представлять себе, на каком принципе основано УЗИ. Ультразвуковые волны, которые человеческое ухо уловить не может в силу их высокой частоты, тем не менее, с точки зрения физики, являются теми же звуками, что и, скажем, звук музыкального инструмента. Задача аппарата УЗИ сводится к тому, чтобы, основываясь на разнице показателей отражения такой волны от человеческих тканей, преобразовать эти импульсы в картинку.

Существует мнение, что плод не чувствует, а «слышит» УЗИ, однако на сегодняшний день доказательств этому мнению нет, Более того, благодаря современным методам исследования становится ясно, что какую-либо реакцию плода на процедуру ощущают приблизительно 50% женщин. У другой половины малыш во время исследования сладко спит. По всей видимости, это означает, что сеанс УЗИ просто совпадает с периодами активности или, напротив, сна ребенка и на эти естественные его состояния никак не влияет. Малыш продолжает спокойно заниматься своими делами, а если и проявляет активность, то в той мере, что соответствует обычному периоду бодрости. Что же касается безопасности эхографии, то за несколько десятков лет ее существования неоднократно возникали попытки проведения глобального исследования всех возможных негативных последствий УЗИ, но до сих пор нигде в мире не появилось никаких опубликованных трудов по этому поводу. В любом случае, доказано, что это самый безопасный из всех методов визуальной диагностики. И то, что благодаря УЗИ врачи сумели предотвратить и вовремя заметить тысячи патологий и отклонений в развитии плода, также никто оспаривать не собирается.

Когда и сколько?

В каждой стране существуют свои стандарты и рекомендации. В России обязательным минимумом считаются 3-4 посещения ультразвукового кабинета за весь срок беременности. Это минимум, который необходим при любой, даже идеально протекающей беременности. А теперь подробнее поговорим о том, когда и почему эти исследования проводят.

В первый раз УЗИ рекомендуют делать на сроке до 7 недель (лучше всего - в 5-6 недель) для того, чтобы установить факт нахождения плода в матке и тем самым исключить внематочную беременность - это осложнение, при котором оплодотворенная яйцеклетка прикрепляется вне полости матки - чаще: маточной трубе. При развитии такой беременности неизбежны различные осложнения. Поэтому при обнаружении внематочной беременности, проводя операцию, в ходе которой удаляют плодное яйцо тем самым предотвращая развитие осложнений. Ультразвуковое исследование на этом сроке беременности часто проводится с использованием вагинального (влагалищного) датчика: поскольку плодное яйцо имеет еще небольшие размеры, его трудно увидеть через переднюю брюшную стенку. Если влагалищный датчик по каким-либо причинам не используется, то за 30-40 минут до исследования женщину просят выпить 200-400 мл воды, чтобы при исследовании через переднюю брюшную стенку матку и ее содержимое хорошо можно было увидеть на фоне наполненного мочевого пузыря, К следующим ультразвуковым исследованиям никакой специальной подготовки не требуется.

Второй раз эхографию проводят на сроке 8-11 недель. Это необходимо для того, чтобы исключить возможные грубые аномалии при развитии плода и, если что-то не так, вовремя сделать выводы и принять решение о том, оставлять или не оставлять беременность. Кроме того, именно в этот период можно наиболее точно установить срок беременности, проконтролировать сформировавшуюся к этому моменту сердечную деятельность плода.

Третий оптимальный срок для визита в кабинет УЗИ - 19-21 неделя беременности. К этому моменту все основные органы и системы жизнедеятельности ребенка формируются до такой степени, что уже можно оценить правильность их развития, выявить отсутствие большинства возможных патологических состояний, а если какая-то аномалия все-таки будет обнаружена, сделать прогноз ее развития в течение последующих месяцев беременности.

И конечно, ультразвуковое исследование обязательно нужно провести незадолго до родов - после 30 недель беременности, чтобы установить наличие или отсутствие факторов, мешающих нормальному родоразрешению. Что это может быть? Различные инфекции, предлежание плода (в ходе УЗИ определяют, какая часть плода обращена к выходу из матки - предпочтительно, чтобы это была головка), плацентарная или сосудистая недостаточность (из-за этих осложнений малыш может недополучать кровь и кислород) и т.д. Редко, но бывает, что плод может сильно измениться с момента предыдущего УЗИ, значительно увеличиться в росте и весе. В этом случае данные малыша сопоставляются с мамиными (в частности, с шириной тазовых костей) и делается прогноз возможных осложнений во время родов.

Еще раз повторим, все эти исследования абсолютно необходимы даже при идеальной беременности. Кроме этого, не менее важно сделать УЗИ и на сроке 15-16 недель, чтобы выявить ряд важнейших патологий и пороков развития (в частности, нервной системы), а также в 26-29 недель, когда иммунитет ребенка формируется до такой степени, что уже способен создать воспалительный «ответ» на провокации внешней среды. Соответственно, если есть опасность развития какой-либо инфекции, например заражение ею от матери, то именно на этом сроке ее можно обнаружить и предупредить в самом начале. В этом случае при ультразвуковом исследовании может быть выявлено воспалительное поражение различных органов и тканей. Ультразвуковое исследование, про-веденное в 33-34 недели, позволяет исключить развитие гипотрофии плода - его отставание в росте.

Если же у врачей возникло хоть малейшее подозрение на патологию, УЗИ могут делать практически ежедневно - с тем, чтобы проследить динамику развития того или иного заболевания и в соответствии с этим сделать выводы или принять какие-то меры. Одним словом, количество исследований определяет лечащий врач, и зависит оно от очень многих факторов. Ну а для будущей мамы главное - понимать, что во многих случаях от своевременного посещения кабинета УЗИ во многом зависит будущее ее малыша, УЗИ - это дополнительная возможность получить важнейшую информацию о развитии ребенка, безопасный и надежный помощник для лечащего врача и родителей.

Двухмерное или трехмерное?

Аппараты для двухмерного и трехмерного УЗИ внешне выглядят одинаково и отличаются только наличием специального встроенного модуля (набора высокотехнологичных электронных плат) и особых датчиков. Понимать это очень важно, так как добавляются только новые функции, при этом частота сканирования (обычно 3,5 МГц), интенсивность и мощность ультразвуковой волны остаются прежними - такими же, как и при обычном ультразвуковом исследовании. То есть в физическом смысле трехмерное УЗИ ничем не отличается от двухмерного, а в диагностическом плане расширяет его возможности.

Несколько слов о датчике, которым доктор проводит трехмерное исследование. Внешне он отличается от датчика двухмерного УЗИ только тем, что в несколько раз больше. Это из-за того, что внутри его корпуса заключен обычный двухмерный датчик, который постоянно перемещается при помощи специального механизма. Множество сканов - двухмерных изображений, передаются с датчика в мощный компьютер, расположенный внутри сканера, где они суммируются с помощью вышеупомянутого встроенного модуля. Полученное трехмерное (объемное) изображение выводится на экран прибора.

Справедливости ради надо сказать, что современные двухмерные ультразвуковые аппараты дают возможность специалистам получить максимальное количество информации, необходимой для выяснения состояния мамы и ребенка. К сожалению, далеко не в каждом медицинском учреждении аппаратура соответствует современным требованиям к диагностике. Учитывая, что методика двухмерного ультразвука используется и совершенствуется в течение нескольких десятилетий (с 1950-х годов), можно констатировать, что специалистами четко разработаны методы стандартизации данных, получаемых при ультразвуковом исследовании. Так, каждому сроку соответствуют определенные размеры головки, конечностей, внутренних органов плода, в том числе определенных структур головного мозга, сердца и др.

Данные трехмерного исследования дают дополнительную информацию, особенно для диагностики некоторых пороков развития: конечностей, лица, позвоночного столба. Таким образом, медицинским показанием для проведения трехмерного исследования можно считать подозрение на наличие таких пороков.

Трехмерный ультразвук - это естественное техническое развитие двухмерного ультразвука, не только добавляющее точности исследованию, но и позволяющее будущей маме познакомиться с ребенком еще до его рождения. Оптимальным вариантом проведения ультразвукового исследования является сочетание обоих методов. В этом случае доктор в первую очередь получает всю необходимую информацию при помощи традиционного исследования, дополняет ее с помощью объемного видения и утверждается во мнении о благополучии или неблагополучии течения данной беременности.

Родители же имеют возможность увидеть малыша не в виде непонятных черно-белых «плавающих» линий и точек, а в виде объемного изображения в реальном времени, напоминающего «старую» видеосъемку. При прохождении трехмерного УЗИ необходимо учитывать время обследования может быть несколько больше, чем при стандартном двухмерном. Качество получаемого изображения при использовании трехмерного ультразвука зависит от положения тела плода положения его конечностей, пуповины и плаценты. Сложности в получении объемных изображений могут быть обусловлены малым количеством около плодных вод даже в тех случаях, когда их относительно малое количество еще не является патологическим (маловодием).

Значительные проблемы в качестве картины обычно возникают при избыточном весе беременной или при наличии у нее рубцов на передней брюшной стенке после полостных операций. Успешность трехмерного исследования (получение качественных изображений плода) часто зависит от двигательной активности: чем более активен плод, тем больше шансов увидеть более интересные картины внутриутробной жизни.

Если плод малоподвижен и расположен неудобно для исследователя, то врач может предложить прервать обследование на некоторое время для ожидания подходящей позы ребенка. За это время целесообразно выпить какой либо сладкий напиток (например, чай), кот обычно повышает двигательную активность через 10-15 минут.

Полученная информация и тип трехмерной картины зависит от срока беременности, при котором проводится обследование. При беременности до 8 недель трехмерные изображения малоинформативны. С 10-й по 16-ю недели можно увидеть целиком, его позу, руки, ноги, пуповину (без отчетливых мелких деталей). Оптимальные сроки беременности для трехмерного ультразвука - от 30 недель. При таких сроках возможно получать изображения мимики у плода. После 23-25 недель плод становится настолько большим, что получение его изображения целиком уже невозможно, поэтому на экране можно увидеть по очереди голову и плечи, ручки, ножки, туловище.

Трехмерное УЗИ в акушерской практике уже заняло свое прочное место рядом с двухмерным исследованием. Являясь современным высокотехнологичным методом, оно улучшает диагностику различных аномалий плода. Позволяет более наглядно и точно отличать ненормальное развитие от нормального. Наконец, дает возможность не только врачу, но и будущей маме и всей семье увидеть ребенка до рождения.

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».

Ультразвуковое исследование в последнее время очень широко используется врачами для уточнения или установки того или иного диагноза. А что мы об этом знаем? Из курса физики известно, что ультразвуком называют звуковые колебания, лежащие выше порога восприятия органа слуха человека, частоты которых превышают 20 кГц. Ультразвук содержится в шуме ветра и моря, издается и воспринимается рядом животных - например, летучими мышами, некоторыми рыбами и насекомыми.

Теоретические основы ультразвуковых исследований в первой половине XIX века заложил Кристиан Андреас Доплер. А особый пьезоэффект, благодаря которому получают ультразвуковые колебания, был открыт в 1881 году братьями П. Кюри и Ж.П. Кюри.

Но практическое применение ультразвука началось позже - во время Первой мировой войны, когда ученые К.В. Шиловский и П. Ланжевен разработали прибор, с помощью которого можно было определять расстояние до цели, а также обнаруживать подводные лодки противника.

Если говорить о медицине, то впервые ультразвук стали применять в ветеринарии - для определения подкожного жира у свиней. А первая попытка выполнить ультразвуковое исследование человеческого тела относится к 1942 году. Однако лишь в начале пятидесятых годов удалось получить ультразвуковое изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента ультразвуковая диагностика стала широко применяться в диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов.

Принцип работы

УЗИ - метод, основанный на принципе эхолокации. Ультразвуковой передатчик излучает звуковые волны высокой частоты. Волны попадают на объект, отражаются от него и поступают в принимающее устройство (ресивер), интерпретирующее их в виде картинки на экране монитора. Глаз простого человека не увидит на таком мониторе ничего, кроме темных и светлых пятен, однако специалист может судить по ним о расположении, форме и состоянии исследуемого органа.

Бытует мнение, что повторные УЗИ во время беременности могут причинить вред будущему ребенку. Так ли это? УЗИ-диагностика - изобретение недавнее, поэтому информации о возможных последствиях, особенно отдаленных, еще мало. Хотя многие врачи и техники по ультразвуку считают, что процедура безвредна, но это мнение не единственное. И сейчас ведутся широкомасштабные исследования влияния ультразвука на генетическую структуру, внутриутробное развитие ребенка, состояние сосудов, состав крови и многое другое.

Что же известно? Оказывается, волны ультразвука затрагивают живую ткань двумя способами:

• Во-первых, луч нагревает исследуемую область приблизительно на один градус Цельсия (2 градуса Фаренгейта).
• Во-вторых, бомбардировка тканей организма звуковыми волнами высокой частоты приводит к колебанию и разогреву молекул, в результате чего в клетке ткани появляются крошечные пузырьки газа.

Поэтому не следует делать УЗИ полости матки лишь для того, чтобы определить наличие беременности - на ранних сроках беременности такое исследование нежелательно. Первое УЗИ рекомендуется проводить на сроке 12-14 недель. На этом этапе подтверждается факт наличия беременности, определяется место прикрепления эмбриона. На этом сроке впервые можно обнаружить грубые пороки развития плода.

Второе УЗИ желательно пройти в 18-22 недели беременности, так как в этот период все органы полностью сформированы и можно оценить их строение. И третье УЗИ делают в 32-34 недели, когда определяют положение малыша в матке и проводят оценку кровотока в системе «мать - плацента - плод».

Надо сказать, что в последнее время ультразвуковая диагностика применяется для исследования самых разных органов и систем человеческого организма. Но большинству из нас, к сожалению, знакомы лишь УЗИ почек, щитовидной железы, органов брюшной полости - такие исследования врачи достаточно часто рекомендуют своим пациентам. А вот УЗИ сосудов или УЗИ орбит глаз назначают реже - лишь по особым показаниям. Этот метод диагностики в офтальмологии позволяет выявить различные заболевания на ранних стадиях. Так можно определить состояние зрительного нерва и близлежащих тканей, экстраокулярных мышц глаза, слезной железы, а также выявить отслойки сетчатки.

Результат УЗИ в ряде случаев может стать решающим моментом при постановке диагноза и выборе лечебной тактики и ее последующего контроля.

Специальной подготовки для проведения УЗИ глаза не требуется. Единственным условием является отсутствие макияжа глаз. Исследование проводится при закрытых веках, абсолютно безболезненно и не причиняет дискомфорта.

Кстати. Если вам назначено УЗИ органов брюшной полости (печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки), то лучше проходить его утром и обязательно натощак (или через 6-8 часов после приема пищи).

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:

1. Трёхмерное УЗИ – создаёт 3D изображение в любом ракурсе.
2. Эхоконтрастирование – УЗИ с применением внутривенного контраста, содержащего микроскопические газовые пузырьки. Отличается повышенной точностью диагностики.
3. Тканевая, или 2-я гармоника (THI) – технология с улучшенным качеством и контрастностью изображения, показана пациентам с избыточным весом.
4. Соноэластография – УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.
5. 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.
6. 4 D – узи – технология с возможностью навигации внутри сосудов и протоков, так называемый «взгляд изнутри». По качеству изображения похоже на эндоскопическое исследование.