Применение ультразвука в медицине - история возникновения и развития. Новейшее УЗИ – можно ли так говорить

Корни развития УЗИ как диагностического метода исследования в акушерстве и гинекологии уходят еще в те времена, когда с помощью ультразвуковых (УЗ) волн измеряли расстояние под водой. Высокочастотный сигнал, не слышимый человеческим ухом, был сгенерирован английским ученым F. Galton в 1876 г.

Joseph Woo, доктор медицины; Королевский колледж акушеров и гинекологов (Royal College of Obstetricians and Gynаecologists, RCOG), Лондон, Великобритания; Колледж акушерства и гинекологии Медицинской академии Гонконга (Hong Kong Academy of Medicine, HKAM), Китай

Истоки
Прорывом в развитии УЗ технологий было открытие братьями P. и J. Curie пьезоэлектрического эффекта (Франция, 1880). Первая рабочая гидролокационная УЗ-система SОund Navigation Аnd Ranging (SONAR) была сконструирована в США в 1914 г.
Прародителем медицинского УЗИ была система RAdio Detection And Ranging (RADAR), изобретенная в 1935 г. британским физиком R. Watson-Watt. Такие радиолокационные системы были прямыми предшественниками последующих двухмерных гидролокационных и медицинских УЗ-систем, которые появились в конце 40-х годов XX столетия.
Еще одним направлением, предшествовавшим развитию УЗ в медицине, была начатая в 30-е годы разработка импульсных УЗ-дефектоскопов металла, которые использовались для проверки целостности металлических корпусов судов, танков и другой техники. Концепция детекции металлодефектов была разработана советским ученым С.Я. Соколовым в 1928 г., а конструирование первых УЗ-детекторов и их последующее совершенствование началось в 40-х годах в США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и в ряде других стран (рис. 1).

Ультразвук в медицине
Впервые в медицине УЗ начали применять в качестве метода лечения в конце 20-х – начале 30-х годов.
В 40-х годах УЗ использовали с целью облегчения боли при артритах, язвенной болезни желудка, в лечении экземы, астмы, тиреотоксикоза, геморроя, недержания мочи, элефантиаза и даже стенокардии (рис. 2).
Применение УЗ в качестве диагностического метода обнаружения опухолей, экссудатов и абсцессов в 1940 г. впервые предложили немецкие клиницисты H. Gohr и T. Wedekind. По их мнению, такая диагностика могла основываться на отражении УЗ-волны от патологических объемных образований головного мозга (принцип работы дефектоскопа металлов). Однако они так и не смогли опубликовать убедительных результатов своих экспериментов, в связи с чем их исследования не имели популярности.
В 1950 г. американские нейрохирурги W. Fry и R. Meyers использовали УЗ для разрушения базальных ганглиев у пациентов с болезнью Паркинсона. УЗ-энергию с успехом начали применять в терапии и в реабилитационной медицине. Так, J. Gersten (1953) использовал УЗ для лечения больных с ревматоидным артритом.
Ряд других клиницистов (P. Wells, D. Gordon, Великобритания; M. Arslan, Италия) применяли УЗ-энергию в лечении болезни Меньера.
Основателем диагностического УЗИ считается австрийский невролог, психиатр K.T. Dussik, впервые применивший УЗ с диагностической целью. Он определял местонахождение опухолей головного мозга путем измерения интенсивности прохождения УЗ-волны сквозь череп (рис. 3). В 1947 г. К.Т. Dussik представил результаты исследований и назвал свой метод гиперфонографией.
Однако позже немецкий клиницист W. Guttner и соавт. (1952) патологию на таких УЗ-снимках расценили как артефакты, поскольку К.Т. Dussik за патологические образования принимал ослабление отражений УЗ-волны от костей черепа.
G. Ludwig (США, 1946) проводил эксперименты на животных по выявлению инородных тел (в частности конкрементов в желчном пузыре) с помощью УЗ-волн (рис. 4). Через три года результаты его исследований были официально обнародованы. При этом автор отметил, что отражение УЗ-волн от мягких тканей мешает достоверной интерпретации полученных результатов такой УЗД. Однако, несмотря на это, исследования G. Ludwig внесли определенный вклад в развитие УЗД в медицине, в ходе которых ученый сделал ряд важных открытий. Он, в частности, определил, что диапазон скорости передачи ультразвука в мягких тканях животных составляет 1490-1610 м/сек (в среднем 1540 м/сек). Эта величина УЗ-волны и сегодня используется в медицине. Оптимальная частота УЗ, согласно данным исследователя, составляет 1-2,5 МГц.
Английский хирург J.J. Wild в 1950 г. начал исследование возможности применения УЗ для диагностики хирургической патологии – кишечной непроходимости. Работая в США совместно с инженером D. Neal, он обнаружил, что злокачественные опухоли желудка обладают большей эхогенной плотностью по сравнению со здоровой тканью.
Год спустя американский радиолог D. Howry с коллегами (директором лаборатории медицинских исследований J. Homles и инженерами W.R. Bliss, G.J. Posakony) разработали УЗ-сканер с полукруглой кюветой, имеющей окно. Пациента пристегивали ремнем к пластмассовому окну, и он должен был оставаться неподвижным в течение длительного времени исследования. Аппарат назывался сомаскоп, сканировал органы брюшной полости, а полученные результаты получили название сомаграммы.
Вскоре этими же исследователями (1957) был разработан кюветный сканер. Пациент сидел в видоизмененном стоматологическом кресле и был закреплен напротив пластмассового окна полукруглой кюветы, заполненной солевым раствором (рис. 5).
В 1952 г. в США был основан American Institute of Ultrasound in Medicine (AIUM).
Некоторое время спустя, в 1962 г., J. Homles вместе с инженерами сконструировали рычажный сканер, который уже мог перемещаться над пациентом при ручном управлении оператором (рис. 6).
В 1963 г. в США был разработан первый контактный сканер, управляемый рукой. Это было начало этапа становления наиболее популярных статических УЗ-аппаратов в медицине (рис. 7).
С 1966 г. AIUM начал проводить аккредитацию ультразвуковой практики. Чтобы получить лицензию на такую практику в акушерстве и гинекологии, врач должен был осуществлять интерпретацию как минимум 170 УЗ-снимков в год.
В 1966 г. в Вене состоялся первый Всемирный конгресс УЗ-диагностики в медицине, второй – в 1972 г. в Роттердаме. В 1977 г. было основано Британское медицинское общество ультразвука (British Medical Ultrasound Society, BMUS).
Таким образом, с конца 50-х годов прошлого века в разных странах – США, Германии, Великобритании, Австралии, Швеции, Японии – начали проводиться исследования по возможности применения УЗ с целью диагностики заболеваний. В основе их проведения использовались принципы гидролокации (A-режим УЗ-волн) и радиолокации (B-режим).

Ультразвуковая диагностика в СССР
Исследования по использованию УЗД в медицине проводились также и в СССР. В 1954 г. на базе Акустического института АН СССР было создано отделение ультразвука под руководством профессора Л. Розенберга. Первые упоминания об использовании УЗД в терапии датируются 1960-м годом.
Научно-исследовательский институт медицинских инструментов и оборудования СССР выпускал экспериментальные УЗ-аппараты Ekho-11, Ekho-12, Ekho-21, UZD-4 (1960); UZD-5 (1964); UTP-1, UDA-724, UDA-871 и Obzor-100 (начало 70-х годов). Эти модели предназначались для использования в офтальмологии, неврологии, кардиологии и в ряде других областей медицины, однако, согласно распоряжению правительства, так и не были внедрены в практическую медицину. И только с конца 80-х годов УЗД начала постепенно внедряться в советскую медицину.

Ультразвук в акушерстве и гинекологии
Использование УЗД в акушерстве и гинекологии начинается с 1966 г., когда происходит активное становление и развитие центров по применению УЗ в различных сферах медицины в США, в странах Европы и в Японии.
Первопроходцем в области гинекологической УЗД стал австрийский врач A. Kratochwil. В 1972 г. он успешно продемонстрировал возможность визуализации овариальных фолликулов с помощью УЗ (рис. 8) и вскоре стал наиболее известным УЗ-диагностом того времени.

Трансвагинальное сканирование
В 1955 г. J.J. Wild (Великобритания) и J.M. Reid (США) применили А-режим для трансвагинального и трансректального УЗ-сканирования. В начале 60-х годов A. Kratochwil представил свое исследование сердцебиения плода на 6-й неделе гестации с помощью трансвагинального датчика (рис. 9). Одновременно этот метод УЗИ был представлен L. von Micsky в Нью Йорке.
В Японии в 1963 г. S. Mizuno, H. Takeuchi, K. Nakano и соавт. предложили новую версию A-режимного трансвагинального сканера. Первое сканирование беременности с его помощью было проведено на сроке 6 нед гестации.
В 1967 г. в Германии компанией Siemens был разработан первый УЗ-сканер, использующий В-режим для диагностики патологии органов брюшной полости и малого таза, который с успехом начал применяться в гинекологии.
Уже в начале 70-х годов УЗИ в гинекологии применяли для диагностики твердых, полостных и смешанных образований другой различной патологии органов таза. Так, немецкие исследователи B.-J. Hackelоer и М. Hansmann успешно диагностировали с помощью В-режима количественные и качественные изменения фолликулов на протяжении овариального цикла. Условием для проведения успешной УЗД органов малого таза был полный мочевой пузырь.
Открывшаяся возможность проведения сонографии плода ознаменовала собой новый этап в развитии акушерства и пренатальной диагностики.
Австралийские клиницисты G. Kossoff и W. Garrett в 1959 г. представили контактный водный эхоскоп CAL (рис. 10), с помощью которого можно было проводить исследование грудной клетки плода. Этот УЗ-аппарат использовался с целью выявления пороков развития плода.
В 1968 г. Garrett, Robinson и Kossoff одними из первых опубликовали работу «Анатомия плода, отображаемая с помощью УЗИ», а два года спустя представили первую работу, посвященную УЗ-диагностике пороков развития плода, где описали поликистоз почек, выявленный у плода на 31-й неделе гестации (рис. 11).
В 1969 г. был выпущен эхоскоп CAL с серой шкалой.
В 1975 г. был сконструирован водный сканер с высокочувствительным датчиком – UI Octoson (рис. 12).
В начале 60-х годов при проведении акушерского УЗИ (Европа, США, Япония, Китай, Австралия) использовался А-режим, с помощью которого определяли признаки беременности (измеряли сердцебиение плода), локализацию плаценты, выполняли цефалометрию. В 1961 г. I. Donald (Великобритания) предложил измерять бипариетальный диаметр (biparietal diameter, BРD) головки плода (рис. 13). В этом же году он описал случай гидроцефалии у плода.

В-режим
В 1963 г. I. Donald и MacVicar (Великобритания) впервые описали изображение плодных оболочек, полученное с помощью В-режима УЗИ. По измерениям диаметров плодных оболочек L.M. Hellman и M. Kobayashi (Япония) в 1969 г. определяли признаки доношенности плода, а P. Joupilla (Финляндия), S. Levi (Бельгия) и E. Reinold (Австрия) в 1971 г. – связь с ранними осложнениями беременности. В 1969 г. Kobayashi описал УЗ-признаки внематочной беременности с помощью В-режима УЗД.
Несмотря на то что ряд акушеров-гинекологов определяли сердечную деятельность плода с помощью А-режима (Kratochwil в 1967 г. с помощью вагинального A-сканирования на сроке 7 нед; Bang и Holm в 1968 г. с помощью А- и M-режимов на сроке 10 нед), практическое применение УЗИ в акушерстве для определения сердечной деятельности плода началось с 1972 г., когда H. Robinson (Великобритания) представил результаты проведенной им эхографии плода на сроке гестации 7 нед.
В-режимная плацентография была успешно описана в 1966 г. Денверской группой исследователей (США) (рис. 14).
В 1965 г. американский ученый H. Thompson описал способ измерения торакальной окружности (thoracic circumference, ТС) как метод определения роста плода (рис. 15). При этом погрешность его измерений составила около 3 см у 90% от общего числа проведенных исследований. H. Thompson также разработал метод определения массы тела плода по BРD и ТС, погрешность которого составляла около 300 г у 52% детей.
Одним из наиболее известных исследователей УЗД в акушерстве является английский профессор S. Campbell. В 1968 г. он опубликовал труд «Усовершенствование УЗ-методов цефалометрии плода», где описал использование А- и В-режимов для измерения BРD головки плода. Эта работа стала стандартом для практического УЗИ в акушерстве в последующие 10 лет.
В 1972 г. с помощью В-режимного УЗИ ученый диагностировал на сроке 17 нед анэнцефалию плода, в 1975 г. – spina bifida. Это были первые правильно определенные с помощью УЗИ патологии, которые явились показанием к прерыванию беременности. В 1975 г. S. Campbell et al. предложили измерение абдоминальной окружности (abdominal circumference, АС) с целью определения массы тела и степени развития плода (рис. 16).
Клиницисты M. Mantoni и J. Pederson (Дания) первыми описали возможность визуализации желточного мешка с помощью В-режима; E. Sauerbrei и P. Cooperberg (Канада) с помощью УЗИ визуализировали желточный мешок; немецкие исследователи M. Hansmann и J. Hobbins одними из первых изучали пороки развития плода с помощью УЗИ.
Инновацией, которая кардинально изменила развитие практической УЗД, явилось изобретение сканеров, работающих в режиме реального времени. Первый такой аппарат под названием Vidoson разработали немецкие исследователи W. Krause и R. Soldner (совместно с J. Paetzold и O. Kresse). Он был выпущен в 1965 г. в Германии компанией Siemens Medical Systems и делал в секунду 15 снимков, которые позволяли фиксировать движения плода (рис. 17). В 1968 г. с помощью этого сканера немецкие клиницисты D. Holander и H. Holander диагностировали 9 случаев отека плода.
В 1977 г. C. Kretz (Австрия) разработал УЗ-аппарат Combison 100 (рис. 18), который начала производить компания KretzTechnik. Это был циркулярный ротационный сканер, работающий в режиме реального времени и рассчитанный на проведение УЗИ органов брюшной полости и других частей тела.
Американский клиницист J. Hobbins в 1979 г. с помощью сканера, работающего в режиме реального времени, измерил длину бедра плода. На основании этого G. O’Brien и J. Queenan (США) в том же году смогли определить наличие такой патологии развития плода, как скелетная дисплазия. Доктор медицины P. Jeanty (США) в 1984 г. составил таблицу всех размеров костей плода при развитии.
В начале 80-х годов был сконструирован статический сканер, позволяющий быстро делать снимки высококачественного разрешения.
В то время в мире насчитывалось около 45 больших и малых предприятий-производителей УЗД-техники.
Следует отметить, что в конце 70-х – в начале 80-х годов были созданы небольшие портативные УЗД-сканеры (минивизоры и др.), представляющие собой переносные аппараты, которые могли использоваться для диагностики непосредственно у постели больного, в т.ч. на дому (рис. 19).
Допплер-ультразвуковое исследование
Как известно, сущность эффекта Допплера заключается в изменении частоты волн при отражении от движущегося объекта. Это явление впервые описал более 100 лет тому назад австрийский математик и физик C. Doppler (1842). УЗ-допплер как метод диагностического исследования в медицине был представлен в 1955 г. японскими учеными S. Satomura и Y. Nimura, которые исследовали с его помощью работу клапанов сердца и пульсацию периферических сосудов. Спустя семь лет их соотечественники Z. Кaneko и K. Kato установили, что с помощью метода УЗ-допплера можно определять направление тока крови.
Изучение допплер-эффекта в 60-е годы проводилось также в США, Великобритании и в других странах.
В практическом акушерстве и гинекологии эффект Допплера начал использоваться несколько позже. В 1964 г. в США D.A. Callagan впервые применил этот метод диагностики для определения пульсации артерий плода. Через год американский гинеколог W. Johnson с помощью эффекта Допплера со 100-процентной точностью определила возраст эмбрионального развития у 25 плодов (срок 12 нед). Еще год спустя E. Bishop с помощью допплер-УЗИ на третьем триместре беременности установил место прикрепления плаценты у 65% обследованных им женщин. В том же году D.A. Callagan и соавт. описали сердцебиение плода по кардиальным допплер-сигналам.
В 1968 г. японцы H. Takemura и Y. Ashitaka описали характер и скорость кровотока в умбиликальной артерии и вене, а также плацентарный кровоток (рис. 20).
P. Jouppila и P. Kirkinen (Финляндия) в 1981 г. выявили зависимость между уменьшением скорости кровотока в пупочной вене и замедлением роста плода. В 1983 г. S. Campbell выявил диагностическую ценность параметров маточного и плацентарного кровотока в диагностике преэклампсии.
Последующее развитие допплер-УЗИ было связано с цветным сканированием. M. Brandestini и соавт. (США) в 1975 г. разработали 128-точечную мультиимпульсную допплер-систему, где скорость и направление кровотока демонстрировались в цвете (рис. 21).
Французский клиницист L. Pourcelot в 1977 г. также в числе первых описал цветное допплер-УЗИ. Однако активное развитие допплер-УЗИ как диагностического метода в медицине началось в 80-е годы с появлением новых, более совершенных технологий.
Внедрение допплер-УЗИ в гинекологическую практику началось с середины 80-х годов, когда K. Taylor (США) описал кровоток в овариальных и маточных артериях, а A. Kurjak (Югославия) применил трансвагинальный цветной допплер в диагностике тазового кровотока.
Развитие двухмерного и цветного допплер-УЗИ было почти одновременным и происходило в конце 80-х годов. В начале 1990 г. A. Fleischer (США) одним из первых с помощью цветного трансвагинального допплера описал васкуляризацию рака яичника.
Совершенствование качества УЗИ продолжалось в течение 80-90 годов благодаря развитию микропроцессорной технологии (рис. 22). В это время УЗД стали активно применять в различных областях медицины, в т.ч. в акушерстве и гинекологии. Согласно статистике FDA (Food and Drug Administration), в США с 1976 по 1982 г. частота использования УЗД в медицинских учреждениях возросла с 35 до 97%.
Таким образом, в 1975 г., до разработки сканеров реального времени, в США было пять показаний к проведению УЗД в акушерстве: измерение BРD, определение объема амниотической жидкости, диагностика ранних осложнений беременности, сроков гестации и положения плаценты. С 80-х годов перечень таких показаний очень расширился. Так, были разработаны стандарты для определения внутриутробного возраста и развития плода по результатам УЗИ путем определения следующих параметров: длины крестец-темя (CRL), окружности головы (НС), длины бедра (FL), BPD, АС. Определение ряда других параметров проводилось в случаях нарушения развития плода.
В последующие годы были разработаны нормограммы для оценки роста и развития плода по следующим параметрам: бинокулярному диаметру (K. Mayden, P. Jeanty et al., 1982), окружности бедра (Deter et al., 1983), длине ключицы (Yarkoni et al., 1985) и стопы (В. Mercer et al., 1987), по фракционным размерам позвоночника (D. Li et al., 1986) и ушной раковины (J.C. Birnholz et al., 1988).
С изобретением УЗ-сканеров реального времени были диагностированы многие пороки развития плода. Однако разрешающая возможность УЗ-аппаратов того времени позволяла визуализировать эту патологию только на поздних сроках беременности. В 1981 г. Stephenson опубликовал обзор, описывающий около 90 разных пороков развития плода, которые можно определить при УЗИ. К аномалиям развития, непосредственно диагностируемым с помощью УЗИ, в те времена относили анэнцефалию, гидроцефалию, грыжу пупочного канатика, дуоденальную атрезию, поликистоз почек, отек плода, дисплазию конечностей. Трудности для УЗ-сканирования представляли лицевая область плода, конечности и сердце. С появлением сканеров более высокой разрешающей способности и трансвагинальных датчиков диагностика патологии развития плода упростилась, и пороки уже можно было определять не в третьем триместре беременности, а во втором и в первом.
Также стало возможным определение телодвижений плода и его дыхательных движений (fetal breathing movements, FBM). Проводить сканирование FBM впервые предложили исследователи G. Dawes и K. Boddy (Великобритания) в начале 70-х годов. При этом наличие или отсутствие дыхательных движений, их амплитуда и интервалы свидетельствовали о состоянии плода. Однако УЗИ FBM не приобрело популярности в дальнейшем.
В начале 80-х годов гинекологами разных стран был проведен и представлен ряд исследований, посвященных развитию фолликулов и процессу овуляции. Трансвагинальное сканирование, интенсивное внедрение которого в гинекологическую практику началось в середине 80-х годов, позволило увидеть противоположную поверхность матки, недоступную при обычном УЗИ, а также дало возможность более точно изучить циклы овуляции. Однако разрешающая способность УЗИ как метода визуализации эндометрия и фолликулов в те годы еще не позволяла полноценно определить момент овуляции с целью предупреждения беременности.
Трансвагинальное УЗИ явилось неотъемлемой частью диагностики непальпируемых образований, асцита, маточных и цервикальных изменений, ранней беременности, наличия и правильности введения внутриматочных конрацептивов. С конца 80-х УЗИ (особенно с появлением цветного трансвагинального сканирования) стало ценным методом диагностики эктопической беременности, рака яичников и эндометрия; вагинальное УЗИ – незаменимым методом диагностики в области репродуктологии; спектральное допплер-УЗИ (измерение скорости кровотока с помощью допплера) – стандартным исследованием.
В 1983 г. S. Campbell описал частотный индексный профиль допплер-сканирования плода. Год спустя P. Reuwer (Нидерланды) впервые выявил такой неблагоприятный признак развития плода, как отсутствие конечного диастолического тока крови в умбиликальной артерии. Дальнейшими исследованиями последователями S. Campbell установлена прогностическая важность такого признака, как отсутствие конечного диастолического тока крови в нисходящей части аорты плода. Позже с помощью допплер-УЗД в акушерстве были сделаны другие важные открытия. В итоге стандартом для выявления кислородного голодания плода (аноксии) стало УЗ-допплер-исследование пупочной артерии; средней мозговой артерии – для определения признаков декомпенсации; венозного протока – для диагностики ацидоза, сердечной недостаточности и угрозы внутриутробной гибели плода. Также с его помощью на ранних сроках определяли риск маточно-плацентарной недостаточности и преэклампсии у беременной.
В 1985 г. клиницист D. Maulik и профессор кардиологии N. Nanda (США) с помощью допплер-УЗИ описали интракардиальный ток крови. В 1987 г. американский исследователь G. Devore создал цветную допплер-карту тока крови для оценки пороков плода на практике. Применение цветного допплера позволило сделать УЗД пороков сердца плода более информативной. В конце 90-х точность таких диагнозов превышала 95%.
В 1989 г. группа последователей S. Campbell опубликовала масштабный труд о проведенном 5-летнем УЗ-скрининге как одном из способов предупреждения овариального рака. Его результаты показали значительную роль УЗИ как метода своевременной диагностики рака и возможность его использования в качестве профилактического скрининга данной патологии.
Как уже отмечалось выше, появление новых, более современных технологий в 90-х годах дало мощный толчок к развитию УЗД в медицине.
M. Cullen (США) первым в 1990 г. представил работу по изучению большой серии врожденных аномалий развития плода в первом триместре, определенных с помощью трансвагинального УЗИ. В те же годы благодаря активному внедрению в акушерскую практику трансвагинального сканирования, начала активно развиваться соноэмбриология.
УЗИ как популярный и востребованный метод диагностики способствовал проведению ряда популяционных скрининговых программ в 1970-1990 гг. Первой из них стала программа скрининга материнского сывороточного a-фетопротеина (Maternal serum alpha-fetoprotein, MSAFP) с целью выявления дефектов закладки нервной трубки. Она стартовала в Великобритании в конце 70-х. Вторым было рутинное исследование плода на сроке 20 нед в рамках программы антенатальной заботы. Также был проведен ряд других различных УЗ-скрининговых исследований в США, Великобритании, ФРГ, Швеции, Норвегии, Финляндии и в других странах Европы.
Уже в конце 90-х годов в странах Европы и США УЗД стала стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, исключали двойню, выявляли пороки развития плода.
Следует отметить, что УЗИ стало также методом диагностики стигм развития и признаков хромосомных аномалий. Скрининг базировался на определении различных УЗ параметров таких аномалий. Так, начала активно развиваться УЗ-диагностика такой хромосомной аномалии, как синдром Дауна. Впервые прозрачность затылочной кости плода на сроке 15-20 нед как признак синдрома Дауна описала B. Benacerraf (США) в 1985 г. Позже она опубликовала перечень УЗ биометрических маркеров этой патологии.

Трехмерное УЗИ
С развитием компьютерных технологий начали совершенствоваться исследования, посвященные трехмерной УЗД. Первым о возможности проведения трехмерного УЗИ сообщил K. Baba (Япония) в 1984 г., а через два года он получил трехмерные снимки с помощью двухмерного УЗ-аппарата (рис. 23). Вскоре его исследования начали внедряться в практику. В 1992 г. K. Baba опубликовал первую книгу, посвященную УЗИ в акушерстве и гинекологии, в которую вошел раздел о трехмерном сканировании.
Группа исследователей под руководством D. King (США) в 1990 г., в отличие от японских ученых, описала несколько другой алгоритм трехмерного УЗИ. В 1992 г. тайванские клиницисты Kuo, Chang и Wu визуализировали путем трехмерного УЗИ лицо, мозжечок и шейный отдел позвоночника плода с помощью сканера Combison 330, который был создан в 1989 г. и являлся первым трехмерным УЗ-аппаратом. Вскоре в середине 90-х в Японии начали производить трехмерные УЗ-аппараты. В 1993 г. австрийский ученый W. Feichtinger выполнил исследование эмбриона на сроке 10 нед с помощью трехмерного трансвагинального УЗИ. В последующие годы трехмерное УЗИ стало одним из важных методов исследования в акушерстве и гинекологии. В 1996 г. группа последователей Nelson и ученые из College Hospital (Великобритания) опубликовали независимое исследование, посвященное четырехмерной (движущейся трехмерной) эхокардиографии плода.
Трехмерная УЗД по сравнению с двухмерной имела ряд диагностических преимуществ, поскольку она дала возможность определять ряд аномалий развития плода: расщепление губы, полидактилию, микрогнатию, пороки развития уха, позвоночника и другую патологию развития, которую можно выявить по внешнему виду плода. Развитие трансвагинального трехмерного УЗИ позволило расширить диагностические возможности ультрасонографии как диагностического метода ранних этапов развития плода.
Австрийский акушер-гинеколог A. Lee вместе с группой последователей Kratochwil в 1994 г. изучил точность оценки массы тела плода с помощью трехмерного УЗИ и исправил ошибки соответствующих измерений двухмерного УЗИ. О пользе трехмерного УЗИ как диагностического метода в гинекологической практике свидетельствовала работа D. Jurkovic (Великобритания). В 1995 г. с помощью этого метода он диагностировал различную маточную патологию – двурогую матку, перегородки в матке и т.п.
Группа ученых из Тайваня во главе с F.-M. Chang в 1997 г. представили способ определения массы тела плода при рождении с помощью трехмерного УЗ-измерения верхней конечности плода. Год спустя H.-G. Blaas (Норвегия) опубликовал работу, посвященную трехмерному исследованию процессов эмбриогенеза, чем подтвердил важность данного метода исследования в эмбриологии.
Методом трехмерной гистерографии в 90-х годах начали изучать эндометриальную ткань, проводить диагностику эндометриальных образований, спаек, гидросальпингитов, кист яичников, небольших внутриматочных опухолей и других аномалий женских половых органов. Согласно работам испанского клинициста Bonilla-Musoles, точность диагностики злокачественных новообразований яичника, определенных с помощью трехмерного УЗИ, составляет почти 100% по сравнению с двухмерным.
Цветное допплеровское трехмерное УЗИ позволило визуализировать кровоток опухолей и поэтому стало действенным методом диагностики рака шейки матки и яичников.
Как видим, УЗИ является достаточно новой, но уже неотъемлемой частью диагностики в акушерстве и гинекологии. Всего лишь в течение нескольких десятков лет применение УЗ в медицине претерпело выраженные изменения: от диагностики наличия жизни в полости матки до измерения размеров плода; от определения морфологии плода до оценки его кровотока и динамики развития. На сегодня УЗД продолжает активно развиваться и совершенствоваться.

* J. Woo. A Short History of the Development of Ultrasound in Obstetrics and Ginecology / http://www.ob-ultrasound.net/history1.html (полная версия)

Список литературы находится в редакции

Поль Г. Ньюман, доктор медицины,

Грэйс С. Розики, доктор медицины, член научного общества Американского хирургического колледжа

Paul Newman MD, Grace S.Rozycki MD,FACS)

Department of Surgery, Emory University School of Medicine, Grady Memorial Hospital, Atlanta, Georgia

Адрес для запросов

Поль Г. Ньюман, доктор медицины

Department of Surgery

Emory University School of Medicine

Thomas K. Glenn Memorial Building

69 Butler Street, SE

Atlanta, GA 30303

За последние 40 лет, ультразвук стал важной диагностической методикой. Его потенциал как лидера в отображении медицинской диагностики был признан в 1930-ых и 1940-ые, когда Теодор Дуссик и его брат Фридрих попытались использовать ультразвук для того, чтобы диагностировать опухоли мозга. Однако только в 1970-ых, работа этих и других пионеров исследований ультразвука реально принесла плоды.

Вместе с технологическими усовершенствованиями, ультразвук прогрессировал от большой, громоздкой машины, воспроизводящей неоптимальные изображения к переносному, удобному для использования, и сложному прибору. Такая эволюция потребовала тесного единения физики, физиологии, медицины, техники, и управления. Эта статья перечисляет основные достижения в эволюции ультразвука и освещает некоторые выдающиеся вклады, внесённые в эту область пионерами ультразвука.

АЛЬФРЕД ЛОРД ТЕННИСОН(ALFRED LORD TENNYSON)

ВЕХИ В ЗВУКЕ (MILESTONES IN SOUND)

Задолго до современных ученых рассматривалась полезность ультразвука в сфере медицины, ступенью к этому стало исследование звука. Запросы девятнадцатого века в сфере измерения скорости звука в воде проложили путь к развитию гидролокатора (звуковая навигация и измерение расстояния (SONAR - SOund Navigation And Ranging). Жан-Дэниел, швейцарский физик и Чарльз Штурм, математик, выполнили некоторые из самых ранних экспериментов в этой области. Принимая участие в борьбе за ежегодный приз от Королевской Академии Наук в Париже в 1826г. (Academie Royale des Sciences of Paris), Колладон определил скорость звука в воде для того, чтобы помочь подтвердить его данные относительно сжимаемости жидкостей. Эксперимент Колладона, рассматривается как рождение современной гидроакустики, он состоял из удара в подводный колокол в Женевском озере с одновременным поджигом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль, он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука в Женевском озере, она равнялась 1435 м/сек, разница с современными вычислениями равна только 3 м/сек.

Позже, в 1877, Джон Уильям Струтт (также известный как Лорд Рэйлиф) издал Теорию Звука, которая стала фундаментом для науки об ультразвуке. Его вклад считался настолько существенными, что Лорд Рэйлиф, был назначен в Палату Изобретений и Исследований Великобритании, орган, который контролировал достижения в области гидролокации в течение Первой Мировой войны.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО (PIEZOELECTRICITY)

В 1880, Пьер и Жак Кюри сделали важное открытие, которое в конечном счете привело к развитию современного ультразвукового преобразователя. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца или Rochelle соли, генерируется электрический заряд. Этот заряд был прямо пропорционален прикладываемой к кристаллу силе; это явление было названо "пьезоэлектричеством" от Греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу вызвав его вибрацию. Нынешние ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые расширяются и сжимаются, для преобразования электрическую и механическую энергию, что является сутью ультразвукового преобразователя. К сожалению, из-за слабого развития электроники в то время, эти эффекты полностью не использовались.

ГИДРОЛОКАТОР И ДРУГИЕ ПРЕДВЕСТНИКИ УЛЬТРАЗВУКА (SONAR AND OTHER ULTRASOUND PRECURSORS)

К счастью, имелся гидролокатор. Все то время, в которое мы находились в погруженном состоянии, гидроакустики тщательно вслушались в звук от винтов судна. При полном покое внутри подводной лодки, гидролокатор иногда мог зарегистрировать звук ударов тяжелых винтов от японских судов, на расстоянии нескольких миль...

Однако это была палка о двух концах, потому, что как подводные лодки, так и противолодочные корабли использовали гидролокатор. В то время как подводная лодка зависела почти во всем от прослушивания, противолодочные корабли посылали короткий всплеск энергии, называемый ультразвуковым импульсом, который, мог или не могли, отразится назад от подводной лодки с достаточной "громкостью" которую можно услышать... Эта методика была известна как эхолокация и сыграла ключевую роль в войне против подводных лодок.

Дж. Ф. КАЛВЕРТ, ТИХАЯ РАБОТА (J. F. CALVERT, SILENT RUNNING)

Предшественники гидролокатора датируются 1838 годом, когда Бонникастл из Вирджинского университета, попытался сделать карту дна океана эхолотированием. Произвести картографическую съёмку дна океана было необходимо для размещения телеграфных линий и безопасного передвижения больших судов. Эта задача была предварительно решена медленным, громоздким, и, часто, неточным методом - при помощи отвеса. Попытки Бонникастла в эхолотировании закончились неудачей, но его исследовательские усилия явились стимулом работать над этой задачей для других исследователей, как только технология созрела с приходом двадцатого столетия.

В начале двадцатого столетия произошли два события, которые послужили катализаторами для дальнейшего исследования гидролокатора. 15 апреля 1912 после столкновения с айсбергом Титаник погрузился в свою ледяную могилу в Северной Атлантике. Громкие крики общественности вызвали волну интереса в развитии устройства обнаружения подводных объектов. В ответ английский метеоролог, Л. Ф. Ричардсон провёл исследование и зарегистрировал патенты в области воздушных и ультразвуковых подводных систем обнаружения. По неизвестным причинам, он так никогда полностью и не разработал эти приборы. Поэтому только в апреле 1914, стало возможным обнаружение айсберга при помощи использования устройства электромагнитной звуковой катушки Фессендена. Хотя эта технология была полностью принятая, ее использование было сосредоточено на подводной передаче сигналов и навигации подводных лодок Первой Мировой войны.

Константин Чиловский , Русский эмигрант, живущий в Швейцарии, инженер - электрик, заинтересовался эхолокацией из-за гибели Титаника. Позже, атаки немецких подводных лодок на союзнический транспорт усилили его интерес к разработке гидролокатора. В 1915, Чиловский совместно с Паулем Лангевином, выдающимся французским физиком, разработали работающий гидрофон. Эта работа первопроходцев внесла большой вклад в знания о генерировании и получении сверхзвуковых волн, важнейшей части принципа эхоимпульса гидролокатора.

Финансирование исследования в этой области было истощено в конце Первой Мировой войны, и, поэтому, исследовательские усилия переместились в область измерения глубин и топографической съёмки дна океана. К 1928 используя вклад Лангевина, французский океанский лайнер Ile de France имел полностью функционирующее устройство для мониторинга дна океана и подводный передатчик для связи между судами. Дональда Спроул, канадец, проводил исследования с первым эхолотом с дисплеем диапазона для Королевского Флота. Хотя его эхолот отобразил глубину до подстилающей океанской породы, Спроул неожиданно обнаружил, что также этим устройством можно обнаружить стаи рыб.

Поиски военно-морского превосходства, жестокие действия подводных лодок и противолодочная активность во Второй Мировой Войне возобновили интерес к развитию гидролокатора. Сформированный в течение Первой Мировой войны, Союзный комитет по исследованию подводного обнаружения стал главной составляющей в развитии гидролокационного оборудования в течение Второй Мировой Войны. В течение этого периода, научно-исследовательская деятельность в областях гидроакустики и принимающего оборудования буйно расцветала, приводя к важным результатам в ультразвуковой технологии.

ОТКРЫТИЯ В ЭВОЛЮЦИИ УЛЬТРАЗВУКА (DISCOVERIES IN EVOLUTION OF ULTRASOUND)

До развития в ультразвуковой технологии, целостность металлических корпусов судов проверялась при помощи стандартных рентгеновских лучей, этот процесс отнимал много времени. Из-за увеличивающейся популярности гидролокатора, было предположено, что он смог бы сыграть роль в оценке целостности корпусов судов. Однако необходимо было разрешить ряд проблем. Первым препятствием, которое необходимо было преодолеть, это изменение длины волны акустической энергии от килогерц до диапазона мегагерц так, чтобы можно было обнаружить миллиметровые дефекты в металле. Другая проблема состояла в том, что время пробега волны эхоимпульса должно быть измерено в микросекундах, а не в миллисекундах. В 1941, работая независимо, Спроул и Фаярстоун первыми разработали технологию по преодолению этих препятствий. В университете Мичигана Фаярстоун разработал "сверхзвуковой рефлектоскоп", и который был изготовлен Сперри, для обнаружения дефектов в металле для промышленных целей. Хотя Спроул и Фаярстоун произвели эти приборы одновременно в 1941, только после окончания войны, в 1946, их результаты могли быть опубликованы.

В послевоенною эпоху, Генри Хугес и Сын объединились с Кельвином, Боттомли и Баярдом (промышленные конкуренты до войны) чтобы стать Кельвином Хугесом изготовителем металлических дефектоскопов. Интересно, Спроул был вынужден уйти из этой корпорации из-за его предполагаемой близости с Русскими шпионами. Его заменой был Том Броун, который с Яном Дональдом сыграл существенную роль в разработке первой переносной контактной ультразвуковой машины. Кроме того, Дональд и его коллеги провели исследования многих самых ранних клинических областей применения ультразвука.

ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКА (ULTRASOUND BASICS)

Оценка исторических вех ультразвука включает знание методов передачи и отражения импульсных волн также, как и режимов "A", "B" и "M" ультразвука.

Пример раннего и безискусного применения ультразвука был метод передачи. Этим типом ультразвука были измерены ультразвуковые волны прошедшие через образец на приемник, который был установлен с противоположной стороны образца. Было зарегистрировано количество звука, прошедшего через ткань и не поглощенного ею. При методе отраженных импульсных волн было зарегистрировано количество отраженного звука, причём и приемник и передатчик были помещены на той же стороне что и образец.

Амплитудный режим или режим "A" ультразвука был одномерным изображением, которое отображало амплитуду или силу волны по вертикальной оси, а время по горизонтальной оси; поэтому, чем больше был сигнал, возвращавшийся на датчик, тем выше "всплеск". Яркость или режим "B", широко используемый сегодня, является двумерной характеристикой ткани, таким образом каждая точка или пиксель на экране представляет индивидуальный амплитудный всплеск. Режим "B" ультразвука привязывает яркость изображения к амплитуде ультразвуковой волны. Ранние сканеры производили "бистабильные" изображения, то есть, высоко - амплитудные сигналы представлены белыми точками, а более слабые эхо-сигналы отображаются на экране черными точками, без каких бы то ни было оттенков между ними. В моделях со шкалой серого, используемых в настоящее время, амплитудам различной интенсивности соответствуют различные оттенки от черного до белого, таким образом значительно улучшая качество изображения. Режим " М " или режим действия ультразвука привязывает амплитуду ультразвуковой волны к отображению действующих структур, например, сердечной мышцы. Поскольку объекты действуют ближе или дальше от датчика, точка, соответствующая границе ткани, перемещается на изображении на экране. Эти передвигающиеся точки затем регистрируются, и их структура анализируется.

ПИОНЕРЫ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ (PIONEERS OF MEDICAL ULTRASOUND)

Карл Теодор Дуссик , психиатр и невропатолог, начал изучать ультрасонографию в конце 1930-ых годов вместе с его братом Фридрихом, физиком. В 1937 году, братья Дуссики использовали передатчик в 1,5 MHz, чтобы зарегистрировать изменения в амплитуде энергии, обнаруженной при сканировании человеческого мозга. Эти изображения, называемые "гиперфонограммами", соответствовали областям уменьшенной волновой передачи (затухание), считалось, что они являлись боковыми желудочками. Основываясь на разнице в волновой передаче между опухолевой и нормальной тканью, Дуссик предположил, что ультразвук мог бы обнаруживать опухоли мозга. К сожалению, как было позже определенно Гуттнером в 1952, эти изображения, сделанные Дуссиком были отображением различия в толщине кости. Вскоре после того, как это было обнаружено, Комитет по ядерной энергии Соединенных Штатов сообщил, что ультразвук не играет никакой роли в диагностике опухолей мозга; исходя из этого, финансирование исследований ультразвука в медицинских целях в Соединенных Штатах было значительно сокращено в последующем десятилетии.

Другой вопрос, который препятствовал исследованию диагностически ультразвуком в медицине, был акцент на его разрушительных аспектах. Во время своего изучения подводной передачи сверхзвуковых звуковых волн, Лангевин описал разрушение стаи рыб и болезненного ощущения, после того, как он поместил свою руку в резервуар с водой. В 1944 Линн и Путнам попытались использовать ультразвук для разрушения мозговой ткани подопытных животных. Ультразвук нанёс значительный ущерб ткани мозга и скальпу, что привело к широкому разнообразию неврологических осложнений от временной слепоты до смерти. Позже, Фрай и Мейеры выполнили трепанации черепа для того, чтобы ампутировать некоторые части базальных ядер у пациентов, с диагнозом Болезни Паркинсона. Другие подобные изучения также подчеркивали разрушение ткани, и это быстро привело к отказу от ультразвука как нейрохирургического инструмента.

Людвиг и Струтерс , работая в военно-морском медицинском научно-исследовательском институте в Бетесда, в штате Мэриленд, были среди первых исследователей, которые сообщили относительно использования методики эхо-импульса в биологической ткани. К сожалению, поскольку он работал на военное ведомство, многие из результатов Людвига рассматривались как информация ограниченного пользования и не были изданы в медицинских журналах. Эти научные занятия исследовали скорость ультразвуковых волн в образцах говядины и человеческих конечностях, что привело к обнаружению того, что средняя скорость ультразвука в мягкой ткани -1540 м./сек. Это важное достижение имело далеко идущие последствия для создания сегодняшнего ультразвукового программного обеспечения. Кроме того, он продемонстрировал, что ультразвук мог показать желчные конкременты, которые были внедрены в мышцы и желчные пузыри собак. Эти важные результаты обеспечили базис для исследования, проводимого двумя важнейшими людьми в области ультразвука: Джоном Джулианом Уайлдом и Дугласом Хаури.

Уайлд был хирургом, получившим образование в Великобритании, и который иммигрировал в Соединенные Штаты после второй мировой войны. В течение Второй Мировой Войны, Уайлд заботился о многих пациентов, у которых развился фатальный паралитический илеус, являвшимся вторичным к травме от взрыва во время бомбежки немцами Лондона. Обнаружив, что трудно различать между непроходимостью и илеусом, Уайлд прибег к ультразвуку как к средству диагностики, чтобы их дифференцировать. Он смог продолжить свои исследования в этой области после иммиграции в Соединенные Штаты после занятия должности в лаборатории Оуэна Вангенстеина в университете штата Mиннесота. Используя отображения в режиме "A" и преобразователь в 15 MHz, Уайлд измерил толщину стенки кишечника и сделал видимым три различных уровня кишечника в большом водном резервуаре. В 1950, Уайлд опубликовал свои предварительные результаты по определению ультразвуком толщины стенки кишечника и свойствах экземпляра желудочного рака. Уайлд, Нил, а впоследствии Дж. Р. Рейд заметили, что злокачественная ткань оказалась более эхогенной, чем доброкачественная ткань. Задолго до своего времени, Уайлд экстраполировал, что "должно быть возможность обнаружения опухоли доступных частей желудочно-кишечного пути, как по изменению плотности так и, по всей вероятности, невозможностью для ткани опухоли, сокращаться и расслабляться." Хотя ранние эксперименты Уайлда проводились с сканированием в режиме "A", он внёс большой и важный вклад в области ультразвука, часть из которого вела к развитию двумерной ультрасонографии или ультрасонографии режима "B". С ультразвуком режима "B", Уайлд идентифицировал возвратную опухоль бедра и рак груди, он опубликовал свои результаты в 1952. К сожалению, потому что ультразвук был зависим от того, кто его делает и его результаты последовательно не были воспроизведены, эти данные получили меньшее признание чем они того заслуживали.

Интеллектуальная и финансовая поддержка исследований Уайлда была минимальна из-за его нетрадиционных методов исследования и индивидуальных различий с его научными современниками. Он скорее хотел найти возможность незамедлительного клинического применение ультразвуковой технологии, чем разрабатывать эксперименты, основанные на теориях. Несмотря на эти трудности, Уайлд сумел разработать устройство сканирования, которое использовалось для сканирования у пациентов рака груди и также, разработал трансректальный и трансвлагалищный датчики. С этим прибором, он отобразил опухоль мозга в образце патологии и локализовал опухоль мозга у пациента после трепанации черепа.

Дуглас Хаури , другой первопроходец 1940-ых годов, сыграл важную роль в развитии ультразвука и ультразвуковых устройств. Хаури, в отличие от Уайлда, сконцентрировался больше на развитии оборудования и прикладной теории ультразвука, чем ее клиническом применении. Хотя его начальная работа привела к созданию ультразвуковой машины, которая производила недостаточно оптимальные изображения, окончательная цель Хоури состояла в том, чтобы сделать более изощрённый прибор, который был бы "до некоторой степени, сопоставимым с фактически большим количеством делаемых срезов структур в лаборатории патологии."

Хоури заинтересовался изучением ультразвука во время его интернатуры по радиологии в больнице университета г. Денвера в 1948. Он прервал свою интернатуру и начал частную практику с тем, чтобы он мог посвятить больше времени развитию диагностического ультразвукового оборудования. Работа со У. Родериком Блиссом, инженером - электриком, Хоури начал конструировать первый сканер режима "B" в 1949 г. В отличие от Уайлда, Хоури был заинтересован как поведением ультразвуковых волн в ткани так и в конструировании функциональной ультразвуковой машины. Работа Хоури была смоделирована после классических исследований, потому что он применил теорию акустики, физиологии, и разработки в лаборатории до испытания его в сфере клиники. После того, как он успешно разработал ультразвуковую машину, которая дала последовательно точные и воспроизводимые результаты, он инициализировал исследование в человеческих объектах.

В 1951, Хоури познакомился с Джозефом Холмесом , нефролог в Административной больнице Ветеранов (АВ) в Денвере. Холмес сыграл ведущую роль в получении институционной поддержки, которая дала возможность Хоури продолжить его исследование на оборудовании АВ Денвера. Работа на излишнем радиолокационном оборудовании воздушных сил, Хоури и Блисс вместе с Джеральдом Посакони (ещё одним инженером) разработали первый линейный контактный сканер. Этот сканер использовал контейнер для водопоя рогатого скота как иммерсионная ванна с тем, чтобы помочь подсоединить датчик к исследуемому пациенту. Датчик был установлен на деревянной шине и перемещался мимо пациента для получения изображения.

Вторичные отображения, были устранены. Хотя сканер произвел изображения приемлемого качества, оно требовало, чтобы пациент оставался погружённым и неподвижным в течение длинных периодов, и поэтому был признан непрактичным для использования в клинических условиях.

В конце 1950-ых, Хоури с коллегами разработал ультразвуковой сканер с полукруглой кюветой, имеющей пластмассовое окно. Пациент был пристёгнут ремнем к пластмассовому окну и, хотя он не был погружён в воду, пациент все еще должен был остаться неподвижным в течение долгого времени (рис. 2) (Рисунка нет). В начале 1960-ых, В. Райт и E. Миерс присоединились к исследовательской группе Хоури, чтобы сконцентрироваться на этой присущей проблеме с системой соединения водяного термостата. Результатом этих усилий группы было производство прямоконтактного сканера. В 1961г. Миерс и Райт соединились, чтобы образовать Physionics Engineering, и в течение года произвели прототип первого переносного контактного сканера в Соединенных Штатах. У этого сканера был шарнирный манипулятор с позиционированием механизмов в каждом соединении, для объединения информации, полученной от датчика.

"Кюветный сканер" Хоури . Пациент сидел в видоизмененном стоматологическом кресле и был закреплён напротив пластмассового окна полукруглой кюветы, заполненной солью. (Из Голдберг Б., Грамик Р, Фрейманис A.K: Ранняя история ультразвука в диагностике: роль американских радиологов. Ам. Дж. Роентгенол 160:189-194, 1993; с разрешения).

В течение этого же самого времени, Ян Дональд руководил исследованием ультразвука в Англии. Дональд был выдающийся ветеран Королевских Воздушных сил во Второй Мировой Войне, который познакомился с гидролокационным и радарным оборудованием во время военной службы. В 1955, как член штата Акушерства и Гинекологии в университете г.Глазго, Дональд заимствовал металлический дефектоскоп у местного производителя и использовал его для того, чтобы исследовать патологические экземпляры. С этой машиной ультразвука в режиме "A", Дональд сумел дифференцировать различные типы ткани в недавно иссеченных фиброидах и овариальных кистах. С этого скромного начала, он и другой гинеколог, Джон Маквикар, наряду с Томом Броуном, инженером из Кельвин и Хугес Научной Инструментальной Компании, разработал первый контактный составной сканер.

В июне 1958, Дональд издал статью " Исследование брюшных масс импульсным ультразвуком", которая явилась вехой в ультразвуке. Эта работа описывает случай, в котором использование ультразвука кардинально изменило лечение 64-летней женщины, у которой были боли в животе, потеря веса, и у которой предпологался асцит. После проведения обычных тестов, она была диагностирована с прогрессирующим желудочным раком, но Дональд при помощи ультразвука диагностировал цистную массу, которая была позже успешно резецирована и обнаружил, что это доброкачественная слизистая овариальная киста.

Дональд и его партнеры в Глазго произвели огромное количество исследований в сфере ультразвука, особенно в сфере акушерства и гинекологии. Он случайно обнаружил, что полный мочевой пузырь обеспечивал естественное акустическое окно для передачи ультразвуковых волн через почечную лоханку, что позволило отображать тазовые структуры более чётко. Используя эту методику, Дональд сделал видимыми маленькие тазовые опухоли, эктопическую беременность, и расположение плаценты. Дональд был первым, кто измерил бипариетальный диаметр головки плода и использовал это как индекс роста плода. Его вклад был хорошо воспринят в сфере медицины, и он, по существу, утвердил концепцию того, что ультразвук будет играть главную роль в медицинском диагностическом отображении.

ДАЛЬНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ (FURTHER DEVELOPMENTS)

1950-ые были важным временем для ультразвука. Многие из достижений в ультразвуковой технологии, которые имели место в течение той декады, нашли новые приложения в 1960-ых и 1970-ых. В 1955г. Йаффе обнаружил пьезоэлектрические свойства поляризованных твердых растворов свинца, цирконата, титаната. Это важное открытие в конечном счете привело к уменьшенным и улучшенным ультразвуковым датчикам. Тёрнер из Лондона, Лекселл из Швеции, и Казнер из Германии использовали эти передовые приборы, для выполнения энцефалографии срединной линии для обнаружения эпидуральных гематом у пациентах с травмирующими мозговыми повреждениями. Энцефалография срединной линии осталась стандартной диагностической методикой для оценки пациентов с травмирующими мозговыми повреждениями до 1970-ых, когда была введена CT (компьютерная томография).

Инге Эдлер из Швеции и Карл Хеллмут Герц были основными зачинателями в сфере эхокардиографии. В начале 1950-ых, Эдлер, врач - кардиолог, предположил, что ультразвук может играть роль в оценке сердца. Герц заимствовал металлический дефектоскоп с верфи, прикладывал зонд к своей груди, и наблюдал, отображения, которые изменялись по амплитуде и диапазону в соответствие с его частотой сердцебиения. Последующие исследования Герца и Асберга привели в 1967г. к первой двумерной оперативной, машине отображающей сердце. Приблизительно в то же самое время, первая регистрация одновременного режима "М" и внутрисердечного тока крови Доплера были обнаружены Эдлером и Линдстромом.

В 1960-ых годах, ограничением ультразвуковой технологии был медленный и утомительный сбор изображений и крайней разрешающей способности изображения, вызванной движением пациента. Несмотря на эти стеснения, ультразвук заработал уважение медицинского сообщества и быстро становился рутинным методом отображения. За следующие два десятилетия, усовершенствования в технологии ультразвука ускорялись, и ее использование во многих медицинских специальностях стало стандартным. Как сказал в 1976г. Ян Дональд: "Медицинский гидролокатор весьма внезапно вырос и достиг совершеннолетия; фактически, его всплеск роста в пределах последних нескольких лет был почти взрывом."

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В ОПЕРАТИВНОМ ОТОБРАЖЕНИИ И ОТОБРАЖЕНИИ ПО ШКАЛЕ СЕРОГО (ADVANCES IN REAL-TIME AND GRAY-SCALE IMAGING)

Ранние системы отображения состояли из обычных осциллографов с катодным лучом, которые были экспонированы с открытыми фотографическими затворами, чтобы зафиксировать изображение на экране. Из-за запаздывания, свойственного этим системам, фиксировались многие более слабые отображения, но они не были так интенсивны как отображения от раздела поверхностей. Эти отображения от регулятора освещенности, производил раннее "полутоновое" изображение, которое определяло плотность ткани и производило изображение с лучшей разрешающей способностью.

В более поздних моделях использовался "бистабильный" осциллограф с памятью, который упростил процесс сканирования и устранил необходимость затворной фотографии. С устранением изображений от фотокамеры с затвором, "серый" или менее интенсивные изображения были потеряны, приводя к созданию худших изображений. Затребованный для разработки телевизионной сканирующей конверторной трубки и при поддержке Джорджа Коссоффа из Австралии, полутоновый режим был вновь востребован. Дальнейшие усовершенствования в сфере электроники, такие, например, как аналоговые и цифровые сканирующие конверторы, привели даже к получению лучших ультразвуковых изображений. Цифровые сканеры, выпущенные на рынок в 1976, давали устойчивые, воспроизводимые, и очень чёткие изображения.

Существенной поворотной точкой в развитии ультразвука было автоматически возобновляемое сонографическое изображение, или оперативное отображение. Эта методика сканирования позволяет производить отбор и отображение изображений настолько быстро, что их формирование и отображение кажется одновременным. Оперативное отображение было инициировано в середине 1950-ых Дж. Дж. Уайлдом, но этот прорыв игнорировался больше десяти лет из-за улучшенных изображений, производимых ультразвуковой машиной Хоури. Первой коммерчески доступной оперативной ультразвуковой машиной была машина "Vidoson" (Siemens Mecical Systems, Iselin, NJ). Эта машина имела вращающийся датчик в водном резервуаре и сначала использовалась Хоффманом в 1966г. и Холландером в 1968г., для того, чтобы очертить структуры в женской почечной лоханке. "Vidoson" производила 15 изображений в секунду, создавая относительно немерцающее кинематографическое представление отображаемого органа. С оперативным отображением, обследующий специалист получал немедленную обратную связь, что явилось важнейшим средством создания ультразвукового, отображения, которое не столь зависимо от оператора.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ (RECENT APPLICATION)

Развитие "Vidosonа" потребовало других технологически прогрессивных решений, таких, например, как линейные датчики и датчики фазирования массивов. В течение 1970-ых и 1980-ых годов, многочисленные усовершенствования и модификации этих датчиков и ультразвуковых машин, послужили для улучшения ультразвуковых изображений и расширили использование этой технологии. В общей хирургии, ультразвук несомненно сыграл свою роль в диагностике груди, желчного пути, панкреатита, и болезней щитовидной железы. Первыми инициаторами в этих областях были Леопольд и Доуст, Кобайаши, Уагай, Колу-Беглет, Стубер и Мишкин. Фрайдей популяризировал использование ультразвука для локализации внутрибрюшных абсцессов, а Голдберг в 1970г. предлагал его использование для раннего обнаружения асцита. Хотя корректировочная радиология стала очень сложной, ее начало восходит к 1969г., когда Краточвилл предложил использовать ультразвука режима "A" для чрескожных дренажных процедур. В пользу использования ультразвука режима "В" выступили Голдберг и Поллак в 1972г.

Другие разделы общей хирургии, особенно травматизм, положились на портативность ультразвука и скорость, доступа к пациентам в ситуациях от которых зависит жизнь или смерть. В 1971г., Кристенсен из Германии впервые сообщил об использовании ультразвука для оценки пациента с травмами тупым предметом. За этим последовало перспективное исследование, выполненное Ашером который изучил использование ультразвука как методику контроля на подозрение разрыва селезёнки. Тайлинг из Кельнского университета, исследовал использование ультраэхографии для оценки торакса, забрюшинного пространства, и других внутрибрюшных органов в середине 1980-ых годов. Хотя большинство ранних исследований было выполнено в Европе и Азии, в последнее время использование ультразвука хирургами стало более популярным в Северной Америке.

За прошедшую декаду, прогресс в ультразвуковом оборудовании сделали его оплотом по оценке пациентов с сосудистой патологией. ультразвук служит как инструмент контроля при оценке цереброваскулярной болезни и брюшных аневризм аорты, а также для оценки пациентов на глубокий венозный тромбоз и периферийную сосудистую болезнь. Эти исследования в значительной степени опираются на теорию, предложенную более ста лет назад Христианом Андреасом Доплером.

ХРИСТИАН ДОППЛЕР И ЭФФЕКТ ДОППЛЕРА (CHRISTIAN DOPPLER AND THE DOPPLER EFFECT)

Особенно необходимо упомянуть Христиана Андреаса Доплера, австрийского математика и физика, который в 1841г. произнёс свою речь: "О колореметрической характеристике излучения двойных звезд и некоторых других звезд неба" для аудитории только в пять человек и стенографиста. В своём трактате Доплер предположил, что наблюдаемый цвет звезды вызван спектральным сдвигом белого света и это происходит из-за движения звезды относительно земли. Чтобы обосновать свою теорию Доплер воспользовался аналогией, основываясь на передаче света и звука. Хотя его теория по отношению к свету была ошибочной, теории Доплера об изменении частоты звуковых волн были правильными. Эффект Доплера, как теория стал известным и определяется как "наблюдаемые изменения частоты передаваемых волн, когда существует относительное перемещение между источником волны и наблюдателем." Эта теория применялась ко многим научным аспектам, включая астрономию и медицину.

Первое применение Доплер-эффекта в медицине включало в себя измерение различий во времени пробега между двумя датчиками ультразвуковых волн, перемещающих "вверх по току" и "вниз по току" через текущую кровь. Исследования по клиническому использованию принципа Доплера проводились одновременно по всему глобальному научному семейству. Первоначальное применение этого принципа относится к работе Калмуса, который выполнил свой электронный расходомер в 1954г. Шигео Сатомура, физик из университета г.Осаки, также явился пионером использования принципа Доплера в ультразвуке. В 1956г., Сатомура издал свои данные по сигналам Доплера, сообщает, которые генерировались движением сердечного клапана. Дополнительные работы производились по исследованию нормального и ненормального движения клапана, это был атравматичный метод диагностики болезни клапана. К сожалению, важная работа Сатомуры была непризнанна в Соединенных Штатах, в значительной степени из-за трудностей, с которыми встречались западные ученые при чтении японской литературы. Часто, ультразвуковые исследования, проводимые в Японии опережали Западным исследования на несколько лет и независимо дублировалось в Соединенных Штатах и в других местах. Сатомура применял принцип Доплера к ультразвуковой энергии в течение нескольких лет прежде, чем он издал свои открытия относительно ультразвукового реографа, использовавшегося для измерения тока крови. Однако только в следующем году, трактат Доплера: "О колореметрической характеристике излучения двойных звезд и некоторых других звезд неба" 1842. (Из Маулик Д: ультразвук Доплера в акушерстве и гинекологии. Нью-Йорк, Спрингер, 1997; с разрешения.)

Франклин, Шлегел, и Рушмер из университета Вашингтона издали свою работу по расходомеру, который использовался для регистрации тока крови через неповрежденный сосуд у собак.

Хотя и раннее отображение при помощи Доплеровского ультразвука было полезно, он использовал непрерывно - волновую эмиссию, что препятствовало возможности отличить перемещающиеся структуры в пределах хода его луча. Импульсная Доплеровская РЛС предназначена для стробо-амплитудных метода, давал возможность прибору различать несколько передвигающихся целей. Группа из Сиэтла в составе Бейкера, Ваткинса, и Рейда начала работать над Доплеровской пульсирующей волной в 1966г.; они были среди тех первых, кто сделали такой прибор к 1970г. В течении той декады, Сиэтлская группа продолжила делать усовершенствования, и в конечном счете они присоединили оперативный механический кулисный сканер к пульсирующей машине Доплера. Механический датчик играл двойственную роль: и в оперативном отображении и в Допплеровских функциях. Эти приборы стали очень популярными в 1980-ых годах как приборы отображения для оценки болезни сонной артерии. Дополнительный прогресс в микропроцессорах этих машин, послужил предвестником следующих изменений, которым стало отображение цветного потока Доплера. Эта новая технология улучшила способность оборудования обнаруживать бляшку и тромб и определять количественно гемодинамическое значение каротидных повреждений.

Среди других первопроходцев в сфере Доплеровского ультразвука были Каллаган , который выполнил ранние эксперименты с ультразвуковой оценкой движений сердца плода и Странднесс , который издала свои результаты по использованию эффекта Доплера, для оценки пациентов с периферийной сосудистой болезнью.

Текущие направления в Доплеровском/дуплексном отображении включают "мощность эффекта Доплера" предложенный Фуксином. "Мощность эффекта Доплера" расширил чувствительность к току крови что позволяет получить улучшенное отображение медленно текущих структур. Ультразвуковые контрастные вещества расширяют акустику тока крови, делая его более видимым Доплеру. Эти ультразвуковые "усилителей" могут облегчать возможность обнаружения опухолей, делать видимыми ишемические области, и выполнять ультразвуковую вазографию.

Трехмерное ултразвуковое изображение 26-недельного зародыша. (из любезности фирмы ALOKA, Wallingford, CT.)

РЕЗЮМЕ (SUMMARY)

Ультразвук в медицинской диагностике может иметь краткую историю, но ее корни уходят к началу девятнадцатого столетия. От своего скромного начала в военных учреждениях, где ультразвук использовался, для исследования патологических экземпляров, к рутинной оценке зародыша, пациентов с ранами и цереброваскулярной болезнью, ультразвук обеспечил себе положение как ключевой диагностической методики, как в настоящее время. так и в будущем. Его способность диагностировать болезнь сердечного клапана и врожденный порок сердца уменьшила потребность в инвазивной кардиальной ангиографии с сопутствующими ей рисками. Кроме того, ультразвук расширил медицинский диагностический инструментарий и дал возможность "смотреть внутри" своих пациентов в энодолюминальной, чрезвлагалищной, трансректальной, и транспищеводной областях.

Несмотря на все эти успехи, научное исследование ультразвука всё ещё поощряется, и сегодняшние идеи завтра будут технологией.

Ссылки (References)

1. Asberg A: Ultrasonic cinematography of the living heart. Ultrasonics 5:113-117, 1967
2. Boulanger BR, Brenneman FD, McLellan BA, et al: A prospective study of emergent abdominal sonography after blunt trauma. J Trauma 39:325-330, 1995
3. Calvert JF: At the gates of Tokyo. In Silent Running. New York, John Wiley & Sons, 1995, pp 57-73
4. Cole-Beuglet C, Beique RA: Continuous ULTRASOUND B-scanning of palpable breast masses. Radiology 117:123-128, 1975
5. Donald I: Sonar: The story of an experiment. ULTRASOUND Med Biol 1:109-117, 1974
6. Doust BD, Malslad NF: Ultrasonic B-mode examination of the gallbladder, technique and criteria for diagnosis of gallstones. Radiology 110:643-647, 1974
7. Franklin DL, Schlegel W, Rushmer RF: Blood flow measured by Doppler frequency shift of back-scattered ULTRASOUND. Science 134:564-565, 1961
8. Friday RO, Barriga P, Crummy AB: Detection and localization of intra-abdominal abscesses by diagnostic ULTRASOUND. Arch Surg 110:335-337, 1975
9. Goldberg BB, Goodman GA, Clearfield HR: Evaluation of ascites by ULTRASOUND. Radiology 96:15-22, 1970
10. Goldberg BB, Gramiak R, Freimanis AK: Early history of diagnostic ULTRASOUND: The role of American radiologists. AJR 160:189-194, 1993
11. Hackmann W: Introduction. In Seek and Strike. London, Crown, 1984, pp xxiv-xxxv
12. Hackmann W: Organizing science for the war at sea. In Seek and Strike. London, Crown, 1984, pp 11-43
13. Hackmann W: Underwater acoustics before the first world war. In Seek and Strike. London, Crown, 1984, pp 1-10
14. Hackmann W: Underwater acoustics before the first world war. In Seek and Strike. London, Crown, 1984, pp 73-95
15. Hendee WR: Cross sectional medical imaging: A history. Radiographics 9:1155-1180, 1989
16. Hertz CH: Ultrasonic engineering in heart diagnosis. Am J Cardiol 19:6-17, 1967
17. Holm HH, Skjoldbye B: Interventional ULTRASOUND. ULTRASOUND Med Biol 22:773-789, 1996
18. Kobayashi T: Echographic diagnosis of breast tumor--current status of sensitivity graded method of ultrasonotomography and its clinical evaluation (author"s transl) . J Jpn Soc Can Therapy 9:310-323, 1974
19. Koch EB: In the image of science? Negotiating the development of diagnostic ULTRASOUND in the cultures of surgery and radiology. Technology and Culture 34:858-893, 1993
20. Leksell L: Echo-encephalography: Detection of intracranial complications following head injury. Acta Chir Scand 110:301-315, 1956
21. Leopold GR, Goluoff J: Ultrasonic scanning in the diagnosis of biliary disease. Surg Clin North Am 53:1043, 1973
22. Levi S: The history of ULTRASOUND in gynecology 1950-1980. ULTRASOUND Med Biol 23:481-552, 1997
23. Lindstrom K: Tribute: Carl Hellmuth Hertz. ULTRASOUND Med Biol 17:421-424, 1991
24. Maulik D: Doppler ULTRASOUND in Obstetrics and Gynecology. New York, Springer, 1997
25. Meire HB: An historical review. In Basic ULTRASOUND. West Sussex, John Wiley & Sons, 1995, pp 1-7
26. Rosen IB, Walfish PG, Miskin M: The use of B mode ultrasonography in changing indications for thyroid operations. Surg Gynecol Obstet 139:193-197, 1974
27. Rozycki GS: Abdominal ultrasonography in trauma. Surg Clin North Am 75:175-191, 1995
28. Rozycki GS, Kraut EJ: Isolated blunt rupture of the infrarenal inferior vena cava: The role of ULTRASOUND and computed tomography in an occult injury. J Trauma 38:402-405, 1995
29. Rubin JM, Bude RO, Carson PL: Power Doppler ULTRASOUND: A potentially useful alternative. Radiology 190:853-856, 1994
30. Sahn DJ, Henry WL, Allen HD, et al: The comparative utilities of real-time cross-sectional echocardiographic imaging systems for the diagnosis of complex congenital heart disease. Am J Med 63:50-60, 1977
31. Seibert JA: One hundred years of medical diagnostic imaging technology. Health Phys 69:695-720, 1995
32. Strandness DE, Schultz RD, Sumner DS: Ultrasonic flow detection. A useful technique in the evaluation of peripheral vascular disease. Am J Surg 113:311, 1967
33. Stuber J, Templeton AW, Bishop K: Sonographic diagnosis of pancreatic lesions. Am J Roentgenol 116:406-412, 1972
34. Tso P, Rodriguez A, Cooper C, et al: Sonography in blunt abdominal trauma: A preliminary progress report. J Trauma 33:39-44, 1992
35. Wagai T, Tsutsumi M: ULTRASOUND examination of the breast. In Logan WW (ed): Breast Carcinoma. New York, Wiley, 1977, pp 325-342
36. Wells PNT: Developments in medical ultrasonics. World Med Electron 4:2721, 1966
37. Weyman AE, Feigenbaum H, Dillon JC, et al: Cross-sectional echocardiography in assessing the severity of valvular aortic stenosis. Circulation 52:828, 1975
38. White DN: Neurosonology pioneers. ULTRASOUND Med Biol 14:541-561, 1988
39. Wild JJ: The use of ultrasonic pulses for the measurement of biologic tissues and the detection of tissue density changes. Surgery 27:183-187, 1950
40. Wild JJ, Reid JM: Diagnostic use of ULTRASOUND. Br J Phys Med 248-257, 1956
41. Wild JJ, Reid JM: Further pilot echographic studies of the histologic structure of tumors of the living intact human breast. Am J Pathol 28:839, 1952
42. Willocks J: Medical ULTRASOUND: A Glasgow development that swept the world. Univ Glasgow 19:1-3, 1996

В 1794-ом году Спалланцани заметил, что если у летучей мыши заткнуть уши, она теряет ориентировку, он и предположил, что ориентация в пространстве осуществляется посредством излучаемых и воспринимаемых невидимых лучей.

В лабораторных условиях ультразвук впервые получен в 1830-ом году братьями Кюрие. После второй мировой войны Холмэс на основании принципа сонара-прибора, применявшегося в подводном флоте, сконструировал диагностичеcкие установки, получившие распространение в акушерстве, нейрологии и офтальмологии. В последующем совершенствование УЗ- аппаратов привело к тому, что данный метод в настоящее время стал самым распространенным при визуализации паренхиматозных органов. Диагностическая процедура непродолжительна, безболезненна и может многократно повторяться, что позволяет осуществлять контроль за процессом лечения.

Что определяет УЗИ?

Ультразвуковой метод предназначен для дистантного определения положения, формы, величины, структуры и движения органов и тканей организма, а также для выявления патологических очагов с помощью УЗ-излучения.

Ультразвуковые волны – это механические, продольные колебания среды , с частотой колебаний свыше 20 кГц.

В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения У- звука необходима среда – воздух, жидкость, ткань (он не распространяется в вакууме).

Как и все волны, У-звук характеризуется следующими параметрами:

• Частота — число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 сек. Единицами измерения являются герц, килогерц, мегагерц (Гц, кГц, МГц). Один герц-это колебание в 1 сек.
• длина волны — это длина, которую занимает в пространстве одно колебание. Измеряется в метрах, см, мм, и тд.
• Период — это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (сек, милисек., микросек.).
• Амплитуда (интенсивность – высота волны) – определяет энергетическое состояние.
• Скорость распространения — это скорость, с которой У-волна перемещается в среде.

Частота, период, амплитуда и интенсивность определяется источником звука, а скорость распространения – средой.

Скорость распространения ультразвука определяется плотностью среды. Например, в воздухе скорость составляет 343 м. в сек., в легких – более 400, в воде – 1480, в мягких тканях и паренхиматозных органах от 1540 до 1620 и в костной ткани ультразвук продвигается более 2500 м. в секунду.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях человека составляет 1540 м/с — на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов.

Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями человека, которое слагается из двух составляющих:

Первая — излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани;

Вторая — формирование изображения на основе отраженных тканями сигналов.

Пьезоэлектрический эффект

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи — датчики или трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте . Суть эффекта состоит в том, что подаче электрического напряжения на пьезоэлектрический элемент происходит изменение его формы. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить переменный ток, то элемент начнет с высокой частотой колебаться, генерируя ультразвуковые волны.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться ослабление ультразвукового сигнала, которое называется импедансом (за счет поглощения энергии средой). Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения ультразвука в ней. Достигнув границы двух сред с различным импедансом происходят следующие изменения: часть УЗ-волн отражается и следует обратно в сторону датчика, а часть продолжает распространяться дальше, чем выше импеданс, тем больше отражается УЗ-волн. Коэффициент отражения также зависит от угла падения волн – прямой угол, дает наибольшее отражение.

(на границе воздух — мягкие ткани происходит практически полное отражение ультразвука, в связи с чем, для улучшения проведения ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды — гель).

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и преобразуются в электрические сигналы – прямой пьезоэлектрический эффект .

В ультразвуковых датчиках применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. Они представляют собой сложные устройства и в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования, как правило одноэлементные и быстрого сканирования в режиме реального времени — механические (многоэлементные) и электронные. В зависимости от формы получаемого изображения различают секторные, линейные и конвексные (выпуклые) датчики. Кроме этого существуют внутриполостные (транспищеводный, трансвагинальный, трансректальный, лапароскопические и внутрипросветные) датчики.

Преимущества приборов быстрого сканирования: возможность оценивать движения органов и структур в реальном времени, значительное сокращение времени на проведение исследования.

Преимущества секторного сканирования:

• большая зона обзора на глубине, позволяющая охватывать весь орган, например, почку или зародыш ребенка;
• возможность сканирования через небольшие «окна прозрачности» для ультразвука, например, в межреберье при сканировании сердца, при обследовании женских половых органов.

Недостатки секторного сканирования:

• наличие «мертвой зоны» 3-4 см от поверхности тела.

Преимущества линейного сканирования:

• незначительная «мертвая зона», что дает возможность дает обследовать приповерхностные органы;
• наличие нескольких фокусов по всей длине луча (так называемая динамическая фокусировка), что обеспечивает высокую четкость и разрешающую способность по всей глубине сканирования.

Недостатки линейного сканирования:

• более узкое поле обзора на глубине по сравнению с секторным сканированием, что не позволяет «видеть» сразу весь орган;
• невозможность сканирования сердца и затрудненное сканирование женских половых органов.

По принципу действия УЗ-датчики делятся на две группы:

• Эхоимпульсные – для определения анатомических структур, их визуализации и измерения.
• Допплеровские – позволяют получать кинематическую характеристику (оценка скорости кровотока в сосудах и сердце).

В основе этой способности лежит эффект Допплера — изменение частоты принимаемого звука при движении крови относительно стенки сосуда. При этом звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая уменьшение частоты звука. Сопоставление исходной частоты ультразвука с измененной, позволяет определить доплеровский сдвиг и рассчитать скорость движения крови в просвете сосуда.

Таким образом, импульс УЗ-волн, генерируемый датчиком, распространяется по ткани, и достигнув границы тканей с различной плотностью отражается в сторону трансдьюссера. Полученные электрические сигналы поступают на высокочастотный усилитель, обрабатываются в электронном блоке и отображаются в виде:

• одномерного (в форме кривой) – в виде пиков на прямой, который позволяет оценить расстояние между слоями тканей, например в офтальмологии (А-метод «амплитуда»), либо исследовать движущие объекты, например, сердце (М-метод).
• двухмерного (В-метод, в виде картинки) изображения, что позволяет визуализировать различные паренхиматозные органы и сердечно-сосудистую систему.

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется ультразвук, который излучается трансдьюсером в виде коротких ультразвуковых импульсов (импульсный).

Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры:

• Частота повторения импульсов (число импульсов, излучаемых в единицу времени — секунду), измеряется в Гц и кГц.
• Продолжительность импульса (временная протяженность одного импульса), измеряется в сек. и микросекундах.
• Интенсивность ультразвука — это отношение мощности волны к площади по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр и, как правило, не превышает 0,01 Вт/кв.см.

В современных ультразвуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 до 15 МГц.

В ультразвуковой диагностике обычно применяют датчики с частотами 2,5; 3,0; 3,5; 5,0; 7,5 мегагерц. Чем ниже частота ультразвук, тем больше глубина его проникновения в ткани, ультразвук с частотой 2,5 МГц проникает до 24 см, 3-3,5 МГц – до 16-18 см; 5,0 МГц – до 9-12 см; 7,5 МГц до 4-5 см. Для исследования сердца применяют частоту – 2,2-5 МГц, в офтальмологии – 10-15 МГц.

Биологическое действие ультразвука

и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Ультразвук может вызвать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Ряд авторов отмечают т.н. кавитацию — это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна.

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука следующее заявление:

«Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентах или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением ультразвуком, интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует».

Для исследования каких органов и систем используется УЗ- метод?

• Паренхиматозные органы брюшной полости и забрюшинного пространства, включая и органы малого таза (зародыш и плод).
• Сердечно-сосудистая система.
• Щитовидная и молочные железы.
• Мягкие ткани.
• Мозг новорожденного.

Какие критерии используются при УЗ-исследованиях:

1. КОНТУРЫ – четкие, ровные, неровные.
2. ЭХОСТРУКТУРА:

• Жидкостная;
• Полужидкостная;
• Тканевая – большей или меньшей плотности.

Причем использование звуковых волн считается самым информативным и безопасным методом исследования. Человечество давно подозревало, что на планете существуют звуковые волны такой частоты, которая не воспринимается органами слуха человека, именно на них и построены современные методы УЗИ.

В 1974 году итальянскому ученому Ладзаро Спалланцани опытным путем удалось обнаружить невидимое излучение, помогающее ориентироваться в пространстве многим представителям животного мира планеты, и оно легло в основу современных методов УЗИ диагностики. Опыт проводился над летучей мышью, которой попросту заткнули уши, что привело в дезориентации животного.

В XIX веке ученые начали проводить научные исследования свойств найденных лучей. Так в 1822 году ученый-физик из Швейцарии Даниэль Колладен провел точные расчеты скорости звука в воде, используя в качестве источника звука подводный колокол, а в качестве водного резервуара Женевское озеро. Так произошло зарождение гидроакустики.

Спустя чуть более полвека в 1880 году французские физики Пьер и Жак Кюри открыли существование пьезоэлектрического эффекта, который возникает в результате механического воздействия в кристалле кварца. А через пару лет удалось сгенерировать и обратный пьезоэффект, который в дальнейшем использовался для разработки преобразователя ультразвуковых волн. Эта конструкция из пьезоэлектрических кристаллов кварца для преобразования ультразвука является основным элементом современного оборудования для УЗИ.

В начале ХХ века на основании имеющихся сведений об ультразвуковых волнах получает развитие новая отрасль науки – гидроэхолокация, представляющая собой поиск объектов в водной среде по отраженному от них звуку (эхо) при помощи специального прибора, называемого эхолотом. Разработкой таких приборов занимались ученые разных стран: Англии, Австрии, Америки. При помощи гидролокаторов обнаруживали вражеские суда еще во времена Первой мировой войны. В настоящее время их используют в мореплавании и исследовании морских глубин, в том числе для поиска затопленных кораблей.

В 30-х годах ХХ века появилась идея поиска при помощи ультразвука дефектов в металлических конструкциях, тогда же были созданы первые дефектоскопы. Само направление УЗ-диагностики металлоконструкций получило название металлодетекции. Ее повсеместно используют в промышленности.

Успехи в использовании ультразвука в гидролокации и металлодетекции подтолкнули ученых рассмотреть возможности его применения на живых организмах, в частности медицине.

В тех же 30-х годах ультразвуковые волны начали использовать для физиопроцедур при лечении некоторых заболеваний. А уже следующее десятилетие ознаменовалось началом исследований в плане постановки ультразвука на службу медицинской диагностики.

Основоположником УЗ-диагностики можно считать австрийского психоневролога Карла Теодора Дюссика, который во второй половине 40-х годов разработал метод гиперсонографии, при помощи которого можно обнаружить опухоль в головном мозге на основании замеров интенсивности входящей и выходящей из черепа ультразвуковой волны.

Дальнейшее развитие и усовершенствование УЗ-диагностики привело к появлению таких методов исследования, о которых медицина могла лишь мать. Трехмерная ультразвуковая диагностика позволяет получить объемную картинку с любого ракурса. Эхоконтрастирование (когда в вену вводится специальные вещества с пузырьками газа) – один из самых точных методов диагностики. Соноэластография представляет собой сочетание ультразвука и давления для определения характера сокращения тканей, по которому и выявляются различные патологии.

УЗ-томография позволяет получить компьютерное изображение органов человека в трех плоскостях, не нанося никакого вреда человеческому организму. Четырехмерное УЗИ – это возможность путешествовать внутри сосудов человека, выявляя малейшие изменения.

По сегодняшний день ультразвук верой и правдой служит человеку, позволяя вовремя распознать злокачественные новообразования, спасая жизни многим пациентам, а также даруя уникальную возможность не только следить за развитием ребенка в утробе матери, но даже определить пол и внешние черты младенца.

В онкологии ультразвук применяется не только как безопасный метод диагностики, но и как метод лечения раковых опухолей на ранних стадиях их развития. Не секрет, что наука не стоит на месте, и появляются новые, модернизированные методы исследований.

Сегодня невозможно представить современную медицину без ультразвуковой диагностики – высоко информативного и безопасного метода обследования пациента при большинстве заболеваний. История применения УЗИ в медицине насчитывает всего 50 лет, но за это время аппараты УЗИ прошли огромный путь от первых допотопных аппаратов к высокотехнологичным и многофункциональным ультразвуковым системам. С чего все начиналось и кто изобрел первый УЗИ аппарат?

Открытие и применение ультразвука

Звуковые волны, которые не воспринимаются человеческим слухом, были открыты в 1794 году итальянцем Л.Спалланцани. Он проводил опыты с летучей мышью и доказал, что она ориентируется в пространстве с помощью ультразвука.

В 1880 году братья Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, который возникает в кристалле кварца при механическом воздействии. В 1882 году был сгенерирован обратный пьезоэффект. Это стало основой создания главного компонента любого ультразвукового аппарата - преобразователя.

Сначала ультразвук стали применять в гидролокации для обнаружения подводных объектов и промышленности, где с помощью дефектоскопов находили брак в металлических конструкциях.

Появление ультразвука в медицине

Эхолокация и металлодетекция послужили отправной точкой для начала экспериментов над живыми организмами. В медицине первые опыты использования ультразвуковых волн начались в 30-х годах 20 века. С их помощью лечили экзему, атриты и другие заболевания.

Использование ультразвуковых волн для диагностики был успешно применен в 1947 году психоневрологом из Вены К.Дюссиком. Он сумел диагностировать опухоль мозга с помощью замеров интенсивности прохождения ультразвука через голову пациента.

Первый УЗИ-аппарат был сконструирован в 1949 году в США ученым Д.Хаури. Это была емкость с жидкостью, в которую помещали исследуемого. Вокруг него передвигали сомаскоп - сканер брюшной полости. Все время исследования пациент должен был сидеть неподвижно.

Современные ультразвуковые технологии

УЗИ-аппараты постоянно совершенствовались и приобрели более привычный вид с использованием мануальных датчиков в середине 60-х годов. Диагностика с использованием ультразвука продолжает активное развитие и предоставляет врачам все более широкие и точные методы.

Современные ультразвуковые технологии:

• 3D - создание трехмерных изображений с любым ракурсом;
• эхоконтрастирование – повышение точности диагностики с использованием внутривенного контраста;
• THI – тканевая гармоника для улучшения качества и контрастности изображения для пациентов с избыточным весом;
• соноэластография – определение патологии по характеру сокращения тканей под давлением;
• УЗ-томография – безвредная и информативная методика, аналогичная КТ и МРТ;
• 4D – «перемещение» внутри протоков и сосудов, похожее на эндоскопическое исследование.