При воздействии любых физических полей на организм человека существенным вопросом является выяснение степени безопасности пациента и оператора. Ультразвук, с этой точки зрения, не является исключением, так как абсолютных доказательств безопасности данного метода быть не может. Цель настоящего раздела состоит в рассмотрении ряда аргументов, которые можно привлечь для решения вопроса.
Величину экспозиции для тканей человека, подвергающихся облучению при использовании ультразвукового медицинского оборудования, оценить сложно. Параметры на выходе аппаратуры обычно измеряются в водяной ванне в условиях свободного поля. Для полного описания ультразвукового поля требуется много параметров [6]. Они могут включать частоту, размеры излучателя, коэффициент заполнения при импульсном режиме, среднюю по времени мощность, пространственную и временную пиковые интенсивности.
Характерные значения параметров облучения для различных типов медицинских ультразвуковых приборов показаны в таблице. Разумеется, это неполный список, но он дает значения для сравнения [6].
Во время ультразвукового облучения энергия передается в ткань через какую-либо контактную среду. Для большинства диагностических исследований контакт осуществляется с помощью геля, который намазывают на поверхность кожи. В случае неудобных геометрий либо облучаемый объект погружается в ванну с дегазированной водой, либо к коже прикладывается мягкий мешок с водой, сглаживающий неровности поверхности.
Контактное сканирование неизбежно приводит к облучению тканей областью ближнего поля преобразователя. В этой области имеются резкие максимумы интенсивности, особенно при непрерывном излучении, и если пучок не перемещается постоянно или прерывисто, то могут быть получены высокие дозы облучения. Чтобы избежать эффектов ближнего поля, к поверхности преобразователя иногда присоединяют удлинительную трубу, наполненную контактным веществом.
Биологические эффекты, возникающие при акустических мощностях, превышающих диагностические уровни, известны [11]. Эти эффекты широко используются в терапии. Разработчики ультразвуковой диагностической аппаратуры в силу конкуренции на рынке постоянно прилагают усилия для повышения показателей качества ультразвуковой аппаратуры, что иногда достигается за счет увеличения выходной акустической мощности прибора и сопровождается ростом максимальных (по пространству) значений интенсивности. Этот рост особенно заметен при введении усовершенствованных методов фокусировки. Таким образом, прежде чем разрабатывать стандарты на безопасные выходные уровни мощности ультразвуковой аппаратуры и на методики акустических измерений, необходимо получить представление о возникающих биологических эффектах и механизмах, ответственных за их возникновение. Кроме того, необходимо установить степень опасности ультразвукового воздействия и найти соответствующую взаимосвязь между дозой облучения ультразвуком и результирующим биоэффектом. Все эти вопросы в настоящее время являются предметом многочисленных дискуссий [11].
С точки зрения физики и биофизики взаимодействия ультразвука с биологическими средами можно выделить целый ряд возможных механизмов биологического действия ультразвука на ткани и организмы. Это усложняет анализ вопроса о взаимосвязи между дозой облучения и результирующим биоэффектом, поскольку можно предположить, что при разных условиях воздействия преобладающую роль будут играть разные механизмы.
Тепловые механизмы проявляются в тех случаях, когда поглощение акустической энергии приводит к локальному росту температуры среды, причем основной вклад в акустическое поглощение дают такие механизмы диссипативных потерь, как молекулярная релаксация, внутреннее трение и относительное движение частиц среды. Параметрами воздействия, взаимосвязанными с тепловыми механизмами, являются интенсивность и время облучения. Принято считать, что диагностические уровни интенсивности (SPTA) слишком малы, чтобы вызвать заметное увеличение температуры тканей, представляющее какую-либо опасность.
Кавитация, под которой понимается процесс роста и колебаний газовых пузырьков в поле акустической волны, обычно возникает в тех случаях, когда используется ультразвук высокой мощности в режиме непрерывного излучения, хотя имеются подтверждения того, что кавитация в некоторой ограниченной форме (не представляющей, как правило, опасности для пациента) может наблюдаться и при использовании диагностического ультразвука с малым числом периодов колебаний в импульсе. При исследовании кавитации необходимо знать такие параметры, как максимальное отрицательное давление и длительность импульса, поскольку именно в фазе разрежения волны газ диффундирует из раствора в воздушный пузырь, что приводит к росту последнего. Следует заметить, что значения давления (SPTP) в импульсах, генерируемых диагностическими датчиками, были бы вполне достаточными для возникновения кавитации, если бы эти импульсы содержали сравнительно большое число периодов колебаний. В связи с этим возросшее применение импульсно-доплеровских систем, характеризующихся более длинными, чем обычно в системах визуализации, импульсами, требует тщательного контроля за возможным возникновением кавитации. Большей частью исследования кавитации проводились в жидкостях, насыщенных газом. Кавитация возможна и в тканях in vivo, хотя, как установлено, в тканевых структурах она менее вероятна, чем в жидкостях. При достаточно высоких уровнях интенсивности и в непрерывном режиме излучения опасность возникновения кавитации связана с механическим воздействием образующихся ударных волн и акустических течений на клеточные мембраны (возможен, например, разрыв мембраны), а также с химическими реакциями инициируемыми высвобождением водорода и гидроксильных ионов. При малых интенсивностях указанные эффекты отсутствуют, поэтому у авторов нет данных подтверждающих какое-либо вредное воздействие слабых эффектов кавитации, которые могут возникнуть (а могут и не возникнуть) in vivo при ультразвуковом зондировании.
К нетепловым механизмам действия ультразвука относятся стационарное радиационное давление, воздействующее на все тканевые структуры (в том числе и на подвижные), перемешивание поглощающих ультразвук жидкостей за счет возникновения акустических потоков, сдвиговые напряжения в структурах, находящихся в акустических потоках в жидкости, и непосредственное воздействие силы колебаний звукового поля на любые биоструктуры.
В настоящее время наблюдается большой дефицит долговременных эпидемиологических исследований, которые могли бы обнаружить слабый статистический эффект воздействия ультразвука на эмбрион. Действительно, надежда на возможность проведения детального анализа подобного рода становится все более призрачной. Связано это с тем, что на фоне почти всеобъемлющего применения ультразвука в акушерстве задача создания контрольной группы из беременных женщин, которые не проходили бы ультразвуковое обследование, становится очень трудной. Поиски в этом направлении продолжаются (главным образом в лабораторных условиях), и производится также накопление более достоверных данных о допустимых уровнях ультразвукового облучения.
Опубликован, например, ретроспективный обзор [6] обследований 1114 нормальных беременных женщин на различных стадиях беременности. Для группы женщин, обследованных с помощью ультразвука, было отмечено 2,7 % случаев врожденных ненормальностей эмбрионов, в то время как в контрольной группе их было 4,8 %.
Основываясь на систематическом анализе опубликованных и проверенных данных [11], Американский институт по применению ультразвука в медицине (AIUM) еще в 1977 г. получил следующие результаты: а) ультразвуковое облучение не оказывает заметного биологического действия на ткани млекопитающих при интенсивностях ультразвука (SPTA) ниже 100 мВт/см2; б) даже при более высоких уровнях интенсивности отчетливо выраженные биологические эффекты отсутствуют, если произведение интенсивности (SPTA) на время облучения не превышает 50 Дж/см2(под временем облучения в импульсном режиме понимают полное время работы, включающее в себя те интервалы, когда система действует в режиме как излучения, так и приема). Указанные оценки в настоящее время используют для определения верхнего безопасного предела выходной акустической мощности.
Экспериментальная проверка современной диагностической аппаратуры показывает, что выходная мощность различных приборов может изменяться в очень широких пределах, причем в ряде случаев измеренные значения превышают рекомендованные уровни. Ультразвуковые доплеровские приборы с непрерывным излучением имеют более высокие уровни интенсивности SPTA (20…800 мВт/см2) по сравнению с эхоимпульсными сканерами (0,07…680 мВт/см2), в то время как последним нередко присущи чрезвычайно высокие уровни интенсивности SPPA (0,4…1100 Вт/см2) и SPTP (0,7…2800 Вт/см2).
По данным [6] можно сделать следующие выводы, касающиеся использования ультразвука в медицине в лечебных и диагностических целях:
1. Лечение ультразвуком должно назначаться квалифицированными специалистами и с осторожностью. Следует избегать образования стоячих волн в области кровеносных сосудов, а также проявлять осторожность при облучении газовых включений или костей, чтобы не вызвать чрезмерного нагрева.
2. Нет никаких свидетельств, что применение ультразвука в современной клинической диагностике вызывает повреждения эмбрионов человека при внутриутробном развитии. Не обнаружено хромосомных аберраций ни в материнских, ни в зародышевых лимфоцитах вследствие облучения ультразвуком.
3. Риск не возрастает при осторожном использовании ультразвука для локального нагрева при терапии рака. Нет свидетельств, что ультразвук может увеличивать степень метастазирования. Однако в этом отношении должна быть проявлена осторожность при назначении локальной гипертермии одновременно с общей гипертермией.
Одним из последних документов, касающихся диагностики с помощью ультразвука, является [13]. Рекомендации, приводимые в данной работе, связаны с появлением новых эхографических методов (например, цветовая и энергетическая доплерография). Отмечается, что доплерография, особенно импульсная, требует использования более высоких интенсивностей, чем те, которые используются в B- и M-режимах. Рекомендации, содержащиеся в этой инструкции, предполагают, что используемое ультразвуковое оборудование разработано с учетом международных требований безопасности.
B- и M-режимы. Отсутствие до настоящего времени каких-либо научно доказанных отрицательных биологических эффектов диагностического ультразвука позволяет применять B- и M-режимы в любых клинических прикладных программах, включая стандартные ультразвуковые обследования женщин в течение беременности. Уровни мощности, используемые в непрерывно-волновой доплерографии при фетальном мониторировании, достаточно низки. Использование этой методики не противопоказано даже тогда, когда она применяется для продолжительных исследований.
Доплеровский режим (цветовое отображение кровотока, энергетическая и импульсная доплерография). В целом осмысленное использование доплерографии не противопоказано. Однако при максимальных выходных параметрах настройки прибора нельзя исключать возникновения заметных тепловых эффектов на поверхности костных структур. Пользователю рекомендуется использовать любую информацию, предоставляемую изготовителем (например, выведенные на экран индексы безопасности), для того чтобы контролировать экспозицию при обследовании таких "критических" структур, как кости и газосодержащие ткани. В тех случаях, когда индексы не отображаются на экране прибора, от врача требуется осторожность и максимальное сокращение сроков экспозиции.
Ультразвуковые исследования эмбриона в первом триместре. В период органогенеза эмбрион, как известно, особенно чувствителен к внешним воздействиям, следовательно, диагностические ультразвуковые исследования должны проводиться только по разумным показаниям и только при использовании минимальных уровней мощности и снижении времени экспозиции. Пока не накоплена достаточная научная информация, исследования эмбриона с помощью импульсной доплерографии при максимальных уровнях мощности следует рассматривать как нецелесообразные.
В начале развития ультразвуковой диагностики безопасность ультразвукового луча обычно связывалась с уровнем интенсивности. На мониторах некоторых сканеров даже указывали значение интенсивности используемого ультразвукового поля. Безусловно, этот начальный шаг был полезным, однако уже тогда считалось, что необходим поиск более значимых показателей.
Существуют два биофизических механизма, производимых ультразвуковым полем и способных нанести вред, – нагревание и кавитация. Поэтому были разработаны два типа индексов как средство мониторирования этих явлений. Первым является температурный индекс (TI), который служит для оценки возможного подъема температуры в исследуемых тканях в некоторых экстремальных (при сочетании неблагоприятных обстоятельств) ситуациях. Разработано три варианта температурного индекса: TIS используется при обследовании мягких тканей, TIB и TIC – при обследовании костных структур (например, при транскраниальных доплеровских обследованиях).
TI предназначен для предупреждения пользователя о потенциальном нагревании тканей во время исследования. Математически он определяется как отношение реально испускаемой мощности ультразвукового поля к теоретической мощности, требуемой для нагрева участка ткани на 10 °С. Использование TIB особенно уместно и необходимо во втором и третьем триместрах беременности при исследовании скелета плода и его головного мозга. Индекс TIC специально предложен для оценки нагревания близкорасположенных к датчику костей и имеет приоритет при проведении педиатрических и транскраниальных исследований. В некоторых ситуациях самое большое нагревание в тканях может быть непосредственно под преобразователем. Поэтому преобразованное значение TI показывает эту температуру, а не ту, которая может соответствовать более глубокой исследуемой области, и быть ниже. Это условие применимо ко всем исследованиям мягких тканей, а также для M-режима и импульсной доплерографии при использовании преобразователя малого диаметра. Нагревание при M-режиме и импульсной доплерографии всегда ожидается максимальным внутри костных структур, расположенных в зоне фокуса и в мягких тканях, подвергнутых экспозиции ультразвуковыми лучами из широких преобразователей. При транскраниальных исследованиях самое большое нагревание происходит в кости рядом с преобразователем.
Вторым важным показателем повреждающего действия ультразвука является механический индекс (MI), используемый для оценки нетермических процессов, в частности кавитации. MI указывает пользователю амплитуду давления ультразвуковых импульсов, воздействующих в настоящий момент на ткани. Применение этого индекса основано на существовании порогового акустического давления, которое требуется, чтобы вызвать кавитацию и, следовательно, нанести потенциальное повреждение.
Итак, значения индексов, отображаемых на экране монитора ультразвукового аппарата, могут давать очень ценную, до последнего времени скрытую от пользователя информацию. В настоящее время принятые стандарты обязывают изготовителей отображать для пользователей эти данные на экране, таким образом информируя их о безопасности во время сканирования. При этом один из индексов должен быть всегда отображен на экране прибора, а другие – вызываться по запросу или исходя из используемой методики исследования. Так, для B-режима достаточно отображения только MI. Для импульсной доплерографии, цветовой доплерографии и при использовании M-режима имеет приоритет TI. Для этих режимов выбор одного из трех альтернативных значений TI (TIS, TIB или TIC) также зависит от клинического приложения. Обычно TIC появляется на экране только при транскраниальных исследованиях. Для любой другой прикладной программы пользователь обычно использует TIS или TIB.
Однако, как с любым новым методом оценки риска, необходима некоторая осторожность в интерпретации этих индексных значений. В отличие от простых тканевых моделей, использовавшихся для расчетов данных индексов, в реальной жизни исследуемые ткани отличаются выраженным разнообразием, и врачи-пользователи должны принять во внимание определенную условность их интерпретации.
Безусловно, пользователи ожидают появления в будущем более достоверной информации о безопасности проводимого исследования, однако внедрение механического и температурных индексов представляет важный шаг в этом направлении.
Заключение
Применение ультразвуковых эхоимпульсных методов приобрело огромное значение в различных областях медицины, причем указанные методы продолжают активно развиваться. Расширение возможностей ультрасонографии стало возможным вследствие целого ряда качественных изменений ультразвуковой диагностической аппаратуры, которые произошли за последнее десятилетие. При этом необходимо отметить, что укрепление позиции акустических методов диагностики произошло на фоне казавшегося в то время очевидным нарастающего преимущества средств компьютерной томографии и томографии на основе ядерного магнитного резонанса. Применение новых высокочастотных датчиков при эндоскопических ультразвуковых исследованиях позволило поднять надежность ранней диагностики патологии на качественно новый уровень. С помощью этой методики удается диагностировать поверхностную карциному пищевода или желудка, когда раковые клетки инфильтрируют только слизистый и подслизистый слои, а также начальные проявления метастазирования в параэзофагеальные и парагастральные лимфатические узлы [14]. По данным [9] применение высокочастотных датчиков при гастроскопии обеспечивает определение глубины и протяженности опухолевой инфильтрации стенки желудка в 91,5 % случаев. Кроме того, использование высокочастотных датчиков позволяет превзойти все известные методы диагностики полипов и опухолей фатерова соска, при этом специфичность метода при предоперационной диагностике холедохолитиаза достигает 94 %. Наконец, имеются сведения, согласно которым использование высокочастотных датчиков позволяет визуализировать конкременты, невидимые даже при интраоперационной холангиографии [15].
Все более распространяющийся метод визуализации, пока еще не имеющий русского названия и обозначаемый "SieScape", обеспечивает получение ультразвуковых изображений с расширенным полем зрения обычными датчиками при помощи вычислительного алгоритма и позволяет выявить области совпадения структур последовательно смещаемых изображений, полученных в реальном времени, и синтезировать единую сонограмму [16]. В реальном времени метод позволяет получать изображение длиной до 60 см, умещая на одной ультрасонограмме изображения нескольких внутрибрюшинных органов. Особо подчеркиваются возможности метода "SieScape" в выявлении анатомо-топографических особенностей зоны диагностического интереса, в чем ультрасонография традиционно уступала компьютерной томографии и томографии на основе ядерного магнитного резонанса. Существенное значение при этом придают возможностям протяженной визуализации разветвленных тубулярных структур и массивных патологических образований [9]. Единственными ограничениями метода являются перемещения лоцируемых структур и зависимость результатов визуализации от навыков оператора. Качественные ультразвуковые томограммы, полученные методом "SieScape", вполне способны исключить или, во всяком случае, сократить при эхографически выявляемых опухолях исследования, которые необходимо проводить методами компьютерной томографии и томографии на основе ядерного магнитного резонанса.
Появление мощных вычислительных систем, давших возможность проводить направленную обработку двухмерных срезов, позволило с начала
90-х гг. приступить к использованию трехмерных изображений. В настоящее время трехмерное представление элементов зоны диагностического интереса является каждодневной реальностью во многих ведущих клиниках мира. И, хотя методы трехмерной диагностики еще только проходят стадию становления и стандартизации, можно предположить направления их дальнейшего развития в отношении взаимной конкуренции и взаимодополнения. Так, по данным [9], можно отметить, что в настоящее время в связи с технологическим усовершенствованием ультразвуковых преобразователей сонография должна стать первым диагностическим исследованием у детей с острой болью в животе и у женщин с острыми болями в правом нижнем квадранте живота или в малом тазу. Компьютерная томография в этих случаях должна применяться лишь тогда, когда ультрасонография оказалась диагностически неэффективной. Место магнитно-резонансной томографии оценивается авторами [17] как неопределенное.
Роль ультразвукового исследования в комплексной диагностике непрерывно возрастает и становится уникальной. При этом в современном (трехмерном) представлении диагностических данных, в частности в хирургической гастроэнтерологии, массив ультразвуковых двухмерных сечений во многих случаях оказывается достаточным для получения исчерпывающей диагностической информации [9].
Очень важным направлением в развитии ультрасонографии является совершенствование прикладных методов представления трехмерных диагностических данных, что позволит реализовать многочисленные возможности эффективной визуализации исследуемых объектов, а также использовать их графические образы для компьютерных тренажеров и реальной интраоперационной навигации.
Решение многих из перечисленных задач позволит наиболее эффективным способом добиться качественного улучшения предоперационной диагностики и повышения точности хирургических манипуляций. Достигнутый аппаратно-программный уровень в дистанционном позиционировании ультразвукового датчика, накопленный отрицательный и положительный опыт автоматизированной сегментации ультрасонограмм, бурное развитие программ трехмерной анимации, доступных для использования на персональном компьютере средней графической и вычислительной мощности, позволяют обоснованно надеяться на решение большинства задач, стоящих перед исследователями.