Офіс:   03037, м. Київ, вул. Преображенська, 10/17

История ультразвука

 

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.[15] 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.[38]

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[38]. 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. [15] [36] [38] 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. [40] 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. [38] 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. [25] [36] [38]

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. [38] Другие подобные изучения также подчеркивали разрушение ткани, и это быстро привело к отказу от ультразвука как нейрохирургического инструмента. [38]

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. [39] Уайлд, Нил, а впоследствии Дж. Р. Рейд заметили, что злокачественная ткань оказалась более эхогенной, чем доброкачественная ткань. [39] [40] 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."[39] 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. [41] 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."[19]

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. [10] 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. [10] 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. [42] 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. [5]

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. [5] 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. [15] [20] [25] 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. [1] [16] Приблизительно в то же самое время, первая регистрация одновременного режима "М" и внутрисердечного тока крови Доплера были обнаружены Эдлером и Линдстромом.[23]

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."[22]

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.[25] 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. [25] [31]

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. [22] "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. [25] 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. [4] [6] [18] [21] [26] [33] [35] Фрайдей популяризировал использование ультразвука для локализации внутрибрюшных абсцессов, а Голдберг в 1970г. предлагал его использование для раннего обнаружения асцита. [8] [9] Хотя корректировочная радиология стала очень сложной, ее начало восходит к 1969г., когда Краточвилл предложил использовать ультразвука режима "A" для чрескожных дренажных процедур.[17] В пользу использования ультразвука режима "В" выступили Голдберг и Поллак в 1972г.[17]

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. [27] За этим последовало перспективное исследование, выполненное Ашером который изучил использование ультразвука как методику контроля на подозрение разрыва селезёнки.[27] Тайлинг из Кельнского университета, исследовал использование ультраэхографии для оценки торакса, забрюшинного пространства, и других внутрибрюшных органов в середине 1980-ых годов.[17] Хотя большинство ранних исследований было выполнено в Европе и Азии, в последнее время использование ультразвука хирургами стало более популярным в Северной Америке. [2] [27] [28] [34]

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.[24] 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."[24] 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.[38] 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.[7]

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.[31] 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.[24] 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.[25] 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. [32]

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.[29] 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.[29] [30] 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) [Japanese]. 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

MD Consult L.L.C. www.mdconsult.com