Ultraskaņas sistēmas – neredzamā redzēšana ar skaņas viļņiem

Mūsdienu ultraskaņas tehnoloģijas ir pārveidojušas medicīnisko attēlveidošanu no statiskiem anatomiskiem attēliem uz dinamiskiem funkcionāliem novērtējumiem, un tas viss notiek bez jonizējošā starojuma. Šajā rakstā ir aplūkota fizika, klīniskie pielietojumi un jaunākās inovācijas diagnostiskajā ultraskaņā.

Fizikālie principi
Medicīniskā ultraskaņa darbojas 2–18 MHz frekvencēs. Pjezoelektriskais efekts pārveidotājā pārveido elektrisko enerģiju mehāniskās vibrācijās. Laika pastiprinājuma kompensācija (TGC) pielāgojas dziļuma atkarīgam vājinājumam (0,5–1 dB/cm/MHz). Aksiālā izšķirtspēja ir atkarīga no viļņa garuma (λ = c/f), savukārt laterālā izšķirtspēja ir saistīta ar stara platumu.

Evolūcijas laika skala

• 1942. gads: Karla Dusika pirmais medicīniskais pielietojums (smadzeņu attēlveidošana)
• 1958. gads: Ians Donalds izstrādā dzemdniecības ultraskaņu
• 1976. gads: Analogās skenēšanas pārveidotāji nodrošina pelēktoņu attēlveidošanu
• 1983. gads: Namekava un Kasai ieviesa krāsu Doplera spektroskopiju
• 2012. gads: Pārtikas un zāļu pārvalde (FDA) apstiprina pirmās kabatas izmēra ierīces

Klīniskās metodes

1. B režīms
   Fundamentāla pelēktoņu attēlveidošana ar telpisko izšķirtspēju līdz 0,1 mm
2. Doplera metodes

• Krāsu Doplera efekts: ātruma kartēšana (Nikvista robeža 0,5–2 m/s)
• Jaudas Doplera sensors: 3–5 reizes jutīgāks pret lēnu asins plūsmu
• Spektrālais Doplers: kvantificē stenozes smagumu (PSV koeficienti > 2 norāda uz >50% miega artērijas stenozi)

3. Uzlabotas metodes

• Elastogrāfija (aknu stīvums >7,1 kPa norāda uz F2 fibrozi)
• Ar kontrastu pastiprināta ultraskaņa (SonoVue mikroburbuļi)
• 3D/4D attēlveidošana (Voluson E10 sasniedz 0,3 mm vokseļa izšķirtspēju)

Jaunas lietojumprogrammas

• Fokusēta ultraskaņa (FUS)
  • Termiskā ablācija (85% 3 gadu izdzīvošana esenciāla tremora gadījumā)
  • Asins-smadzeņu barjeras atvēršana Alcheimera slimības ārstēšanai
• Aprūpes vietas ultraskaņa (POCUS)
  • FAST izmeklējums (98% jutība hemoperitoneum noteikšanai)
  • Plaušu ultraskaņas B līnijas (93% precizitāte plaušu tūskas noteikšanai)

Inovāciju robežas

1. CMUT tehnoloģija
   Kapacitatīvie mikromehāniskie ultraskaņas pārveidotāji nodrošina īpaši plašu joslas platumu (3–18 MHz) ar 40 % daļēju joslas platumu.
2. Mākslīgā intelekta integrācija

• Samsung S-Shearwave nodrošina mākslīgā intelekta vadītus elastogrāfijas mērījumus
• Automatizēts EF aprēķins uzrāda 0,92 korelāciju ar sirds MRI

3. Rokas revolūcija
   Butterfly iQ+ izmanto 9000 MEMS elementus vienas mikroshēmas konstrukcijā, kas sver tikai 205 g.
4. Terapeitiskie pielietojumi
   Histotripsija neinvazīvi ablē audzējus ar akustisku kavitāciju (aknu vēža klīniskie pētījumi).

Tehniskas problēmas

• Fāzes aberācijas korekcija pacientiem ar aptaukošanos
• Ierobežots iespiešanās dziļums (15 cm pie 3 MHz)
• Plankumu trokšņu samazināšanas algoritmi
• Regulējošie šķēršļi mākslīgā intelekta diagnostikas sistēmām

Globālo ultraskaņas tirgu (8,5 miljardi ASV dolāru 2023. gadā) pārveido portatīvās sistēmas, kas tagad veido 35% no pārdošanas apjoma. Līdz ar jaunām tehnoloģijām, piemēram, augstas izšķirtspējas attēlveidošanu (vizualizējot 50 μm asinsvadus) un neironu renderēšanas metodēm, ultraskaņa turpina no jauna definēt neinvazīvās diagnostikas robežas.