УЛЬТРАЗВУКОВОЙ "РЕНТГЕН" МОЗГА
Кандидат химических наук О. БЕЛОКОНЕВА, специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь".
Известно, что звуковые волны частотой от 0,5 до 15 МГц способны проникать сквозь мягкие структуры и отражаться от поверхностей раздела тканей различной плотности. На этом свойстве основаны методы ультразвуковой диагностики. Ультразвуковое излучение (УЗИ) направляется с помощью специального зонда в исследуемый орган, отраженный сигнал обрабатывается, а результат обследования выдается в виде набора пиков - эхограммы. Высота каждого из пиков соответствует акустической плотности среды, а расстояние между ними - размеру зазора между границами раздела тканей разной плотности. Современные компьютерные методы позволяют обрабатывать параметры эхограммы и получать на экране дисплея контрастное изображение внутренней структуры органов и тканей.
Простота обработки результатов и дешевизна делают УЗИ-обследование незаменимым при диспансерных осмотрах и экспресс-диагностике. УЗИ применяют для обследования внутренних органов, а также для исследования структур головного мозга - этот метод носит название эхоэнцефалографии.
Однако по чувствительности и достоверности эхоэнцефалография значительно уступает другим методам исследования мозга. Проблема заключается в том, что ультразвуковые колебания в черепной кости заметно затухают (впервые это установил в конце 50-х годов прошлого века американский исследователь Стефан Прай). В результате получить контрастное изображение структур мозга через череп чрезвычайно трудно. Но выход все же был найден. На черепе есть участки, где или мозг совсем не защищен черепной костью, или черепная кость очень тонкая. В таких зонах она не оказывает существенного влияния на прохождение ультразвука. Эти участки - специалисты называют их акустическими окнами прозрачности - находятся в височной кости, затылочном отверстии и отверстии для глазного яблока. Для ультразвуко вых исследований используют в основном височные области. Почти полвека медики считали, что УЗИ-изображение внутренних структур мозга можно получить только через "акустические окна". Такое представление на длительное время затормозило развитие и эхоэнцефалографии, и УЗИ-диагностики в целом, поскольку детально "рассмотреть" все интересующие участки мозга через небольшое отверстие просто невозможно.
В 1982 году норвежский ученый Р. Ааслид предложил метод исследования сосудов головного мозга, названный транскраниальной допплерографией. Эффект, на котором он основан, открыл более 200 лет назад австрийский физик Христиан Допплер. В свете современных представлений эффект Допплера можно описать следующим образом: "При сближении источника излучения и приемника фиксируются волны более высокой частоты (меньшей длины), а при увеличении расстояния между источником и приемником частота регистрируемых колебаний уменьшается". Во время доплерографии сдавливают (подвергают компрессии) кровеносную артерию, а затем регистрируют изменение частотных характеристик ультразвука в процессе возвращения сосуда в исходное положение. Измерение эффекта Допплера сделало возможным не только получить изображение кровотока в сосудах, но и оценить состояние сосудистой стенки. Однако в приложении к УЗИ головного мозга доплерография, как и обычная эхоэнцефалография, имеет существенные ограничения. В частности, доплеровские транскраниальные приборы не позволяют получать изображения кровеносных сосудов головного мозга.
Итак, ультразвуковая диагностика мозга сопряжена со множеством недостатков: изображение получается расфокусированным; при допплеровском исследовании церебральных сосудов наблюдаются "мертвые зоны", недоступные для ультразвука; малый размер "акустических окон прозрачности" не позволяет получить полную информацию о состоянии сосудов. Дело осложняется еще и тем, что "акустические окна" с возрастом уменьшаются. Качество изображения зависит от того, в каком месте головы врач устанавливает ультразвуковые зонды. Получается, что результат ультразвукового обследования определяется не чувствительностью прибора, а навыками врача. Чтобы освоить методику и правильным образом произвести измерение, ему нужно учиться 5-7 лет.
Последние исследования российских и зарубежных ученых показали, что поставить ультразвуковой датчик на черепную кость и получить контрастное изображение мозга через кости черепа мешает не только затухание ультразвуковых колебаний. Имеет значение и тот факт, что нижняя поверхность черепной кости очень неровная, она похожа на плохо обработанное оптическое стекло, через которое с трудом угадываются лишь контуры изображения. Еще одна помеха - многократные переотражения ультразвука от граней кости. Импульсный ультразвуковой сигнал проходит через верхнюю грань, частично отражается от нижней, возвращается к приемнику, отражается от верхней границы, снова проходит внутрь и т.д.
В такой ситуации рассчитывать на четкое изображение структур мозга не приходится. Впрочем, получить "картинку" можно и другими способами: методом компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Однако в компьютерной томографии и рентгене используется опасное для здоровья проникающее g-излучение, поэтому эти методы не подходят для регулярного мониторинга состояния пациента. Кроме того, они представляют опасность и для самих врачей. МРТ лишена этих недостатков, но пока из-за высокой цены не все даже крупные медицинские центры располагают необходимым оборудованием, да и само обследование большинству пациентов не по карману. Поэтому МРТ не годится для диспансерных осмотров. Кроме того, и МРТ, и рентгеновские методы исследования не дают возможности увидеть кровоток - на снимках видны только изображения стенок сосудов. Кровоток в сосудах головного мозга позволяет увидеть рентгеноконтрастная ангиография, но это, к сожалению, очень опасная для здоровья хирургическая процедура.
Несмотря на то что в течение длительного времени получить УЗИ-изображение через кость считалось невозможным, работы в этом направлении велись. Тридцать лет назад в ультразвуковой диагностике начали развиваться так называемые методы согласованной фильтрации, идея которой возникла во времена "звездных войн". Тогда стали разрабатывать методы уничтожения различных космических объектов лазерным лучом через турбулентные слои атмосферы, мешающие сфокусировать луч на цели. В УЗИ-исследованиях происходит нечто подобное.
Представьте себе ультразвуковой датчик, поставленный на кожу. В приближении можно считать, что между источником звука и изучаемым объектом есть свободное пространство, которое не вносит искажений в волновой фронт, поэтому луч можно сфокусировать на заданном месте. Если же между объектом и источником поставить фрагмент кости с неровными краями, то сфокусировать пучок излучения в одной точке станет совершенно невозможно. В каждом месте кость расфокусирует пучок различным образом. Метод согласованной фильтрации заключается в определении локальных задержек распространения излучения и возбуждения колебаний в источнике с такими фазами, чтобы за преградой возникала волна без искажений.
Применительно к УЗИ головного мозга необходимо каким-то способом измерить локальную толщину кости, а затем, зная плотность костной ткани, определить задержку (фазу) ультразвука в каждом месте кости и заложить величины этих задержек в память компьютера. С учетом полученных параметров задержки в антенной решетке возбуждаются ультразвуковые колебания с такими фазами, чтобы они, пройдя через кость, дали сферическую волну.
Исследования в этом направлении были начаты в России компанией "АММ-2000", костяк которой составляют специалисты из Института акустики РАН и НИИ точного приборостроения. Здесь впервые в мире появился прибор, способный исследовать сосуды и структуры головного мозга через толстые кости черепа. Принцип метода заключается в следующем: ультразвуковой датчик (сканер) устанавливается на любой участок черепа и измеряет профиль кости - ее толщину под каждым элементом датчика. То есть датчик работает как ультразвуковой толщиномер. Получив значения толщин и зная скорость распространения ультразвука в кости, можно посчитать времена задержек сигнала на каждом малом участке черепа. Зная же величины локальных задержек, можно скорректи ровать сигналы таким образом, чтобы излучалась или принималась неискаженная сферическая ультразвуковая волна.
Позже американские и французские исследователи предложили до ультразвукового обследования сделать рентгеновский снимок черепной кости, а затем, имея сведения о толщинах черепа, посчитать задержки, установить ультразвуковой сканер в исследуемую область и получить компенсированное изображение. Но при таком способе теряется одно из главных преимуществ ультразвукового исследования перед рентгенографией - безопасность для пациента и врача.
Работа по созданию прибора началась с моделирования акустического сигнала при прохождении через различные неоднородности. В экспериментах использовался ультразвук с частотами порядка 3 МГц. Для этого были сделаны два фантома, которые представляли собой ванночки специальной конструкции. Внутри них находились имитаторы сосудов и структур мозга: в одном - искусственная кость, а в другом - настоящая (средняя толщина - 20 мм). Сложность такой системы в том, что нужно измерить профиль кости, рассчитать для каждой толщины фронты излучающей и принимающей волн. Причем делать это необходимо для нескольких частот, поскольку в УЗИ используются широкополосные (работающие на наборе частот) излучатели. Набор углов, расстояний и частот - это огромный численный массив, требующий для обработки мощнейших процессоров. Ученые работают над тем, чтобы все эти параметры просчитывались наибыстрейшим образом. Но уже сейчас прибор позволяет "увидеть" изображение модели сосудов так, как будто оно сделано в свободном пространстве. Хорошо работает технология и применительно к "настоящим", не модельным объектам: видны стенки крупных сосудов в глубинных структурах мозга.
Технология "ultrabrain" разработана для транскраниальной диагностики и позволяет установить ультразвуковой датчик в любом месте черепа. Главное достоинство новой отечественной разработки - то, что прибор дает возможность врачам дешево, быстро и с высокой степенью достоверности проводить диспансеризацию населения или, как говорят сегодня, скрининговые обследования. Скрининг актуален в России как никогда: по мнению некоторых экспертов, в нашей стране к 2020 году останется лишь половина ее сегодняшнего населения. Одна из основных причин - высокая смертность от болезней, которые можно вылечить, если вовремя поставить правильный диагноз. Скрининг с помощью нового ультразвукового прибора позволит выявить скрытые заболевания не только в головном мозге, но и в других органах и тканях. "Ultrabrain" диагностирует любые разновидности опухолей, ишемическую болезнь, тромбоз, аневризму аорты - болезни, которые на ранней стадии беспокойства больным практически не доставляют, но таят в себе смертельную угрозу. В отличие от МРТ ультразвуковой сканер "потянет" любая поликлиника или диагностический центр. Причем, в отличие от обычной эхоэнцефалографии, результат обследования практически не зависит от квалификации врача, то есть освоить новый прибор сможет даже средний медицинский персонал. Новый безопасный диагностический метод, без сомнения, окажется незаменимым при мониторинге состояния здоровья пациента в до- и послеоперационный период, а быстрота обследования позволит проводить сканирование даже во время хирургической операции.
Остается только надеяться, что поиски инвестора для запуска "Ultrabrain" в серийное производство не затянутся на долгие годы и новый отечественный прибор по праву займет свою нишу на рынке медицинской техники, на сегодня полностью оккупированном крупными зарубежными производителями.
Коллектив ООО "AММ-2000" тем временем работает над получением трехмерного ультразвукового изображения внутренних органов, разрабатывает аппаратуру для хирургических операций; на повестке дня - создание методики ультразвукового измерения локальной температуры органов и тканей. Думается, что эти и другие новые оригинальные высокотехнологичные разработки не заставят себя долго ждать.
В заключение несколько слов об авторе разработки. К созданию уникального ультразвукового прибора для обследования головного мозга Андрей Михайлович Молотилов шел больше двух десятков лет и взялся за него далеко не случайно. Еще в 1979 году, работая в Московском НИИ нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко, он разработал (совместно с оборонным предприятием "Импульс") портативный прибор для ультразвуковой индикации кровотока. С помощью этого аппарата врач мог определить, течет или не течет кровь в исследуемой артерии. Позже ученый усовершенствовал прибор, "научив" его измерять скорость кровотока. Оба устройства нашли применение в НИИ нейрохирургии и в службе "Скорой помощи". Но в те годы удалось изготовить всего лишь несколько десятков приборов. Затем у изобретателя возникла идея медицинского "карандаша", похожего на фонендоскоп, с помощью которого врач в любой момент мог бы измерить скорость кровотока в крупных артериях.
"Карандаш" был создан, и мысли исследователя обратились к ультразвуковому прибору для проведения доплерографии сосудов головного мозга. Но ученого опередили: в 1986 году немецкая компания "EME electronic" выпустила аналогичный транскраниальный прибор TC2-64. В том же году Алексей Михайлович впервые осуществил клиническую апробацию этого аппарата в России. Таким образом, Молотилов первым в нашей стране разработал и начал использовать методику ультразвуковой транскраниальной доплерографии в медицинской практике. В 1990 году ученый защитил кандидатскую диссертацию по транскраниальной ультразвуковой диагностике сосудов головного мозга. Увы, по банальным экономическим причинам медицину пришлось на время оставить.
В 1992 году Андрей Михайлович открыл собственную строительную фирму. Строительные отделочные материалы предприниматель закупал в Испании. Там же он наладил связи с испанскими медиками и учреждениями здравоохранения. В 1996 году в Испании была открыта новая клиника, созданная по его проекту. Но мечту "пройти ультразвуком через кость" в любой удобной для врача проекции ученый не оставил. В 1997 году в России на собственные средства создает компанию "АММ-2000". Создает, чтобы начать разработку уникального ультразвукового транскраниального прибора. После этапа компьютерного моделирования в 1998 году появилась модель нового аппарата, названного "Ultrabrain". Создание новой ультразвуковой технологии (патент РФ № 2232547 от 20 июля 2004 года) было инициировано и полностью профинансировано частной строительной корпорацией А. М. Молотилова. Случай почти исключительный.
Сегодня в России найдется немного ученых, имеющих возможность сделать карьеру на Западе, а вместо этого взявшихся за финансирование уникальных высокотехнологичных разработок у себя на родине фактически "из собственного кармана", как это сделал кандидат медицинских наук А. М. Молотилов.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Современные методы получения ультразвуковых изображений сосудов и структур головного мозга основаны на использовании так называемых "окон акустической прозрачности" в теменной (А) и затылочной (Б) частях черепа и в отверстии глазного яблока (В). В результате возникает множество трудностей: малый размер "окон" не позволяет врачам получить качественное изображение сосудов; при доплеровском обследовании возникают "мертвые зоны", куда ультразвуковой сигнал не поступает совсем; качество изображения зависит от того, куда помещен датчик, то есть результат обследования зависит от квалификации врача.
Илл. 2. Если между ультразвуковым датчиком и изучаемым объектом нет препятствий, которые вносят искажения в волновой фронт, то луч можно сфокусировать на определенном участке объекта (А). Если же между объектом и источником находится кость с неровными краями (Б), то сфокусиро вать пучок в одной точке невозможно. Можно измерить локальную толщину кости с помощью ультразвукового сканера, а затем, зная плотность костной ткани, определить задержку (фазу) ультразвука в каждом месте кости и ввести величины этих задержек в память компьютера. С учетом параметров задержки в антенной решетке возбуждаются ультразвуковые колебания с такими фазами, чтобы они, пройдя через кость, дали сферическую волну (В). Этот принцип положен в основу технологии "ultrabrain".
Илл. 3. Изображение макетов сосудов - нейлоновых струн, полученное через модель кости черепа. Без компенсации эффекта кости черепа (А) все объекты выглядят размытыми. На снимке видны "тени" сосудов - результаты многократных переотражений ультразвука. Сверху видны изрезанные полосы, обусловленные "гулянием" сигнала между двух границ черепной кости. После введения эффекта компенсации (Б) изображение выглядит четко и контрастно, как будто сделано в свободном пространстве.
Илл. 4. Изображения поперечного разреза верхнего саггитального синуса: на ультразвуковом сканере с согласованной фильтрацией (А), в анатомическом атласе (Б), на рентгеноконтрастном снимке (ангиография) (В). В отличие от ангиографии, на ультразвуковом изображении видны стенки сосудов. Этот снимок - предмет гордости сотрудников "АММ-2000". Он получен впервые, поскольку без использования технологии "ultrabrain" сделать нечто подобное было принципиально невозможно.
Илл. 5. Снимки сосуда головного мозга с аневризмой: рентгеновское (А), ультразвуковое изображение с восстановлением по скорости (Б) и ультразвуковое изображение с восстановлением по скорости и плотности кровотока (в). На рентгене хорошо заметна аневризма и виден кровоток внутри сосудов. После полной компенсации эффекта черепной кости по технологии "ultrabrain" хорошо просматриваются стенки и сложная геометрия сосуда.
Читайте в любое время
