Ультразвуковые диагностические приборы. Пути повышения диагностических возможностей

Прохоров Н.Л., Стулин И.Д., Знайко Г.Г.

Ультразвуковые приборы в медицине

Ультразвуковая диагностика успешно используется в мировой клинической практике уже в течение многих десятилетий. В настоящее время по оценке ведущих западных специалистов компьютеризованные приборы ультразвуковой медицинской диагностики получают все более широкое применение и охватывают около 25% мирового рынка медицинского диагностического оборудования, а в ближайшее десятилетие ожидается рост этого показателя до 50%.

Важнейшими факторами, влияющими на повышение диагностических способностей современных компьютеризованных приборов ультразвуковой медицинской диагностики, являются:

• применение современных ультразвуковых датчиков,
• применение современных методов цифровой сигнальной обработки,
• получение двухмерных и трехмерных изображений исследуемого объекта в реальном масштабе времени,
• реализация методов параллельной многопроцессорной обработки,
• применение современной технологии проектирования диагностических комплексов,
• кооперация и сотрудничество медицинских и технологических институтов.

Среди областей медицинского применения ультразвуковых диагностических методов особую актуальность и социальную значимость имеют неврология, нейрохирургия, ангиология, психиатрия, травматология и реаниматология. Развитие компьютерных и информационных технологий и их применение в медицинских ультразвуковых приборах позволяют существенно повысить качество и объективность диагностических исследований головного мозга, артерий и вен головы и конечностей. В последние годы актуальность этих исследований постоянно возрастает. Многие авторитетные специалисты высказывают мнение о развитии эпидемии сердечно-сосудистых заболеваний, отмечая тот факт, что в России за 2002 год от подобных заболеваний погибло более полутора миллионов человек.

С середины 90-х годов Институт электронных управляющих машин совместно с Научно-методическим центром Министерства здравоохранения России "Ультразвуковые и тепловизионные методы в неврологии" и кафедрой нервных болезней и нейрохирургии МГМСУ им. Семашко ведет разработки серии ультразвуковых диагностических приборов, доступных предприятиям и учреждениям российского здравоохранения и позволяющих выявлять признаки и симптомы сердечно-сосудистых заболеваний на ранней стадии.

Физико-технические основы ультразвуковой диагностики

В основу конструкции современных ультразвуковых диагностических систем положен принцип эхо-локации ультразвуковых сигналов, позволяющий получать информацию об органах и структурах путем излучения направленных акустических сигналов и приема эхо-сигналов, отраженных от биологических неоднородностей акустической среды. При этом используется возможность относительно просто ориентировать излучаемые ультразвуковые волны в узком пучке и, оценивая время прохождения ультразвука через определенную ткань или орган тела человека, определять размеры данного органа и получать разнообразные показатели и индексы, характеризующие его состояние.

Широкий спектр медицинских исследований, связанных с диагностикой сердечно-сосудистых заболеваний, обеспечивается ультразвуковыми допплеровскими приборами с применением датчиков различного назначения. В основе конструирования таких приборов лежит эффект Допплера, который заключается в том, что частота эхо-сигнала, отраженного от движущихся биологических тканей, отличается от частоты, излучаемой ультразвуковым датчиком. Это позволяет, в частности, путем измерения допллеровского сдвига частот определить скорость и направление кровотока в сосудах, а также выявлять методами спектрального анализа симптомы различных заболеваний, таких, как инфаркт мозга.
Диагностические способности современных ультразвуковых приборов

Медики оценивают комплексы ультразвукового диагностирования на основе их функциональных характеристик, реализованных режимов диагностирования, сложившейся классификации технического уровня приборов, ряда общепринятых параметров, отражающих качество прибора, а также имеющихся знаний и опыта применения.

В современных ультразвуковых диагностических приборах используются режимы работы, позволяющие отображать следующие основные виды диагностической информации:

• двухмерное черно-белое изображение исследуемого объекта (B-режим);
• яркостную эхограмму с разверткой во времени (M-режим);
• анализ скоростей кровотока: D-режим (PW и CW);
• расположение и форму сосудов (PD-режим);
• пространственное распределение скоростей движения тканей, отображение направления движения, ускорения или энергии эхо-сигналов (TD-режим).

Используются также комбинированные режимы, например, B+M, B+D (дуплексный режим), B+D+CFM (триплексный режим). В наиболее совершенных технических комплексах применяются также режимы трехмерного изображения, позволяющие представить пространственные расположения и форму различных структур и органов, получать двухмерные акустические сечения произвольной ориентации, точное вычисление объемов исследуемых объектов любой формы, объемное представление поверхностей объектов с различным ракурсом наблюдения.

Возможность получения полноценных двухмерных и трехмерных изображений и их обработки в реальном масштабе времени представляется медикам весьма перспективным направлением развития ультразвуковой диагностики. В частности, отмечаются следующие преимущества такого способа представления информации:

• существенное повышение информационных возможностей с целью исследования положения, формы и состояния различных органов и структур;
• значительно более точное вычисление объемов исследуемых объектов любой формы;
• возможность уменьшения объемов (размеров) физического вмешательства при хирургических операциях.

Важнейшими для медиков характеристиками оценки качества изображения, которые должен обеспечивать диагностический прибор, являются: разрешающая способность (продольная и поперечная), чувствительность, динамический диапазон, контрастная разрешающая способность, частота кадров в секунду и отсутствие артефактов.

В настоящее время получили применение следующие методы измерения скорости в биологических тканях:

•  Так называемый метод "спектрального допплера", в котором выделяются две модификации: "непрерывный допплер" (CW) и "импульсно-волновой допплер" (режим PW). В режиме CW излучаются и принимаются синусоидальные сигналы большой длительности. В режиме PW излучаются и принимаются пачки импульсов. Оба режима применяют для измерения скорости спектральный анализ сдвига частот. Обычно каждый из этих режимов сочетается с режимом B, где врач, диагностирующий состояние исследуемого объекта, выбирает точку, в которой должна измеряться скорость кровотока, и переходит в режим CW или PW. При этом на экране монитора отображается меняющийся во времени спектр допплеровского сдвига частоты или средняя и максимальная скорости кровотока и изменение их во времени. В режиме CW медику необходимо правильно выбрать диапазон скоростей и точно сфокусировать датчик. В режиме PW может иметь место неоднозначность оценки спектра скоростей, которая проявляется в виде ложных изображений спектра. Устранение этого эффекта достигается манипуляцией частоты повторения и подбором диапазона скоростей. Для технической реализации метода "спектрального допплера" применяются методы спектрального анализа с использованием БПФ для ускорения вычислений.
• Метод цветового допплеровского картирования (режим CFM) состоит в том, что в определенной выделенной части серо-шкального изображения (режим B) выводится информация о скорости движения структур в каждом из элементов изображения. В соответствии с направлением скорости элемент изображения окрашивается в красные или синие тона, а величина скорости отображается их оттенками. Режим CFM должен обеспечить наблюдение двухмерной картины распределения кровотока в области анализа с частотой не менее 15 кадров в секунду. Для оценки скоростей в режиме CFM обычно применяется один из следующих методов обработки сигналов: фазовый метод (phase-domain system) на базе автокорреляционной обработки или метод измерения временных сдвигов (time-domain system) с применением кросс-корреляции. С точки зрения технической реализации принципиальным отличием режима CFM от режимов "спектрального допплера" является необходимость оценки скорости кровотока сразу во многих элементах изображения в режиме реального времени. Дополнительные преимущества для медиков создает режим кинопамяти, обеспечивающий возможность запоминания нескольких десятков последовательно получаемых кадров для их последующего просмотра в более медленном темпе. Кроме того, запись кадров можно сопровождать синхронной регистрацией с отображением на экране прибора кривой электрокардиограммы, позволяющей привязывать каждый кадр к определенной фазе сердечного цикла.
• Метод энергетической допплеровской эхографии (режим PD) позволяет отображать двухмерную картину расположения и формы сосудов, выделяя их одним цветом на фоне обычного изображения в B-режиме. Этот метод не дает информации о средней скорости кровотока, а только регистрирует сам факт наличия кровотока.
• Метод допплеровской визуализации тканей (режим DTI) регистрирует движение тканей, отображая на двухмерной картине распределение скоростей движения отдельных элементов тканей. При этом с помощью фильтров исключаются эхо-сигналы от движущихся стенок сердца и сосудов с использованием того факта, что допплеровский сдвиг частоты у этих сигналов существенно меньше, чем у эхо-сигналов от кровотока. В этом режиме возможно также картирование относительной скорости и направления движения тканей, картирование ускорения, а также уровня энергии эхо-сигналов от движущихся тканей.
• Метод "конвергентного цветового допплера" (режим CCD) объединяет возможности методов цветового допплеровского картирования и "энергетического допплера". Если уровень эхо-сигналов от элементов кровотока выше определенного порога, то отображается информация о скорости кровотока, как в режиме CFM. Информация о кровотоке с малым уровнем эхо-сигналов отображается, как в режиме "энергетического допплера". В других модификациях для сильных эхо-сигналов на двумерной картине дополнительно отображается информация об энергии отраженных сигналов или во всем диапазоне сигналов отображается информация об энергии сигналов и направлении кровотока.
• Метод кинетического изображения (режим CK) позволяет выделять цветом границы движущихся тканей (например, стенок сосудов) и наблюдать траекторию их движения во времени за счет отображения "следа" движения границ. Положения границы в последовательные моменты времени кодируются различным цветом или оттенками цвета.
• Метод трехмерного цветового допплеровского картирования использует возможность запоминания нескольких кадров изображения. После включения режима исследователь должен переместить датчик или изменить его угловое положение, не нарушая контакта датчика с телом пациента. В приборе запоминаются последовательные кадры изображения, полученные в различных ракурсах. По этим кадрам реконструируется псевдотрехмерное изображение только цветной части изображения, характеризующей кровоток в сосудах. Это изображение можно поворачивать и наблюдать с различных сторон. Из-за сложности обеспечения равномерного перемещения датчика возможны большие геометрические искажения. Для исключения этого недостатка применяются методы автоматического перемещения датчика по третьей координате или точного определения его положения в момент получения каждого кадра. Для трехмерного картирования необходимо получить не менее 20-30 кадров.

Среди других направлений вызывает большой интерес использование технологии тканевой гармоники (native tissue harmonic imaging), построенной на фильтрации не основной частоты отраженного эхо-сигнала, а второй гармоники (а иногда и третьей гармоники), что позволяет учитывать нелинейные эффекты распространения ультразвука в тканях и улучшить качество получаемого изображения.

Другим перспективным и актуальным для медиков направлением дальнейшего развития средств ультразвуковой диагностики (как и других методов компьютерной диагностики) является реализация возможности накопления, хранения, сопровождения и быстрого поиска медицинской диагностической информации, включая изображения, что позволит создавать долговременные базы данных пациентов, а также накапливать и использовать опыт диагностирования в рамках одной клиники или даже сети медицинских учреждений.

Дальнейшее развитие данной технологии связано с реализацией режимов дистанционной диагностики, позволяющих получать изображения исследуемых органов в удаленных населенных пунктах или даже в полевых условиях и передавать их в центральную клинику, где эксперты смогут дать квалифицированное заключение о состоянии пациента и проконсультировать местный медперсонал.

Технологические проблемы конструирования ультразвуковых диагностических приборов

Каждый из рассмотренных выше существующих или перспективных режимов и методов ультразвуковой медицинской диагностики имеет множество вариантов технической реализации. Выбор наиболее перспективных вариантов будущего диагностического комплекса определяется, прежде всего, запросами будущих потребителей - медиков и технической реализуемостью применяемых методов с учетом жестких требований режима реального времени.

Реализация каждого из режимов требует применения соответствующих методов сигнальной обработки и самым существенным образом влияет на требования к вычислительной мощности диагностического комплекса. Даже реализация относительно простых режимов B, M, B+B, B+M, обеспечивающих получение двухмерных черно-белых изображений, требует применения нетривиальных средств фильтрации, сглаживания, гамма-коррекции, усреднения по кадрам, подчеркивания контуров и т.п. для получения необходимого качества изображения. Кроме того, при формировании акустического изображения на экране прибора могут возникать артефакты (ложные объекты), которые вызваны как несовершенством аппаратуры, так и физическими процессами прохождения ультразвука в биологических тканях. Для борьбы с этими явлениями применяются специальные математические методы сигнальной обработки, но их реализация означает дополнительную нагрузку на вычислительную мощность комплекса.

Для реализации режимов, обеспечивающих получение диагностической информации о движущихся объектах, например, измерение скорости кровотока, или режима цветного допплеровского картирования, принятые эхо-сигналы подвергаются специальной обработке, для которой обычно применяются методы спектрального анализа, автокорреляции или кросскорреляции. Для измерения характеристик движения тканей в организме человека (чаще всего - крови) используется эффект Допплера, который состоит в том, что частота излучаемых и частота отраженных акустических волн отличаются, если излучатель и отражатель движутся относительно друг друга. Это позволяет по измеренному в приборе допплеровскому сдвигу частоты оценивать скорость движения.

Конструирование перспективных ультразвуковых диагностических аппаратов сопряжено с решением очень сложных технических проблем, в том числе с развитием средств приема ультразвуковых эхо-сигналов с помощью датчиков с двухмерными массивами преобразователей или с послойным сканированием и быстрым формированием трехмерного представления исследуемого объекта с помощью мощных многопроцессорных вычислительных комплексов.

Одной из последних разработок, иллюстрирующих прогресс в данном направлении, является анонсированный в 2002 году компанией Philips Ultrasound ультразвуковой диагностический комплекс SONOS 7500, в котором реализован режим Live 3D Video, обеспечивающий возможность анализа высококачественного трехмерного изображения исследуемого объекта в реальном масштабе времени. В технической реализации этого комплекса применяются самые современные технологии:

•  Система приема отраженных ультразвуковых сигналов xMATRIX, построенная на двухмерном массиве из 3000 преобразователей, c микропроцессорной обработкой, вычислительная мощность которой эквивалентна мощности 150 современных компьютерных плат.
• Система формирования трехмерного изображения в реальном масштабе времени, построенная на основе суперкомпьютерной архитектуры сигнальной обработки xSTREAM, которая, в частности, обеспечивает одновременное отображение движущихся изображений в двух плоскостях.
• Технология цифровой обработки изображений XRES, построенная на адаптивных алгоритмах и обеспечивающая минимизацию влияния артефактов и более четкое изображение поверхностей и контуров.
• Удобный интеллектуальный пользовательский интерфейс iNavigator, который позволяет переходить от одного режима к другому нажатием одной клавиши и обеспечивает возможность манипуляции отображением трехмерных объектов с помощью вращения трэк-болла (trackball).
• Средства TomTec анализа в режиме оф-лайн, обеспечивающие измерение, оценку и исследование количественных характеристик объекта, представленного в полученном трехмерном изображении, включая оценку объемов выделенных объектов, вычисление расстояний между заданными точками в трехмерном пространстве и т.п.

Реализация возможностей удаленной диагностики также сопряжена с решением сложных технических проблем, связанных, в частности, с необходимостью развития методов сжатия изображений, стандартизации потоков передачи изображений и организации информационных систем, обеспечивающих накопление и быстрый поиск изображений по заданным признакам. Перечисленные технические направления сейчас также активно развиваются. Например, широкое распространение получили стандарт сжатия изображений JPEG, построенный на основе методов дискретного косинусного преобразования, и стандарт передачи и цифровой обработки изображений в медицине DICOM, реализованный во многих современных комплексах ультразвуковой медицинской диагностики.

Опыт и перспективы конструирования ультразвуковых компьютеризованных приборов для отечественного рынка

Большинство медицинских ультразвуковых диагностических приборов, применяемых в настоящее время в российских медицинских учреждениях – зарубежного производства. Ведущие мировые производители медицинской техники предлагают достаточно широкий выбор ультразвуковых приборов, в которых реализовано множество рассмотренных выше диагностических функций. Однако, стоимость наиболее современных приборов данного класса приближается к 500 тыс. долларов США. Подобная техника недоступна большинству учреждений российского здравоохранения. С другой стороны, масштаб проблемы своевременной диагностики множества заболеваний требует использования и развития технической базы медицинских учреждений страны.

Разработанный специалистами ИНЭУМ недорогой портативный эхоэнцефалодоплерограф "ЭхЭДГ-Комплекс-М"пользуется у российских медиков высоким спросом и обеспечивает диагностику заболеваний и травм головного мозга, сосудов, артерий и вен головы, а также верхних и нижних конечностей методами эхоимпульсной и допплеровской ультразвуковой локации. Этот прибор объединяет четыре информативных диагностических метода:

1. Эхоэнцефалография с обсчетом и распечаткой данных о дистанциях М-эха, ширине желудочка, индексов мозгового плаща.
2. Эхопульсография с математической обработкой составляющих амплитуды пульсации М-эха.
3. Ультразвуковая допплерография с регистрацией скорости и направления потока по сонным, глазничным и позвоночным артериям.
4. Транскраниальная допплерография, обеспечивающая анализ циркуляции кровотока по внутричерепным артериям и венам мозга.

Дальнейшее развитие модельного ряда диагностических приборов, разрабатываемых в ИНЭУМ, направлено на повышение диагностических возможностей ультразвуковых приборов с использованием двухмерной и трехмерной визуализации структур головного мозга и сосудов головы в реальном масштабе времени. Это даст возможность сопоставить топографические взаимоотношения близлежащих структур сонной артерии, диагностировать перегибы, извитость, бифуркационные аномалии вкупе с прецизионной оценкой тромбов и стенозов, выявлять начальные и развивающиеся малосимптомные стадии атеросклеротических сужений сонных артерий.

Большинство из рассмотренных режимов может быть реализовано на современных вычислительных технологиях только с применением самых быстродействующих микропроцессоров, причем чаще всего возникает необходимость создания многопроцессорных конфигураций и организации параллельной обработки больших потоков сигнальной информации. Проектирование столь сложных комплексов требует предварительного компьютерного моделирования, а требования к построению конкретной имитационной модели существенным образом определяются выбранными или разработанными методами сигнальной обработки.

Разработка ультразвуковых диагностических приборов нового поколения обеспечивается на основе дальнейшего развития принципов магистрально-модульной архитектуры, позволяющей создавать из ограниченного числа унифицированных модулей широкий спектр специализированных и многофункциональных приборов в соответствии с изложенными выше требованиями к их диагностическим возможностям. Проведенные исследования современной элементной базы и направлений развития архитектурно-программных решений свидетельствуют о перспективности применения быстродействующих специализированных процессоров сигнальной обработки, обеспечивающих возможность наращивания вычислительной мощности за счет организации параллельной обработки многоканального потока сигнальной информации. В частности, подобные возможности обеспечиваются доступными на рынке цифровыми сигнальными процессорами серии TMS320C62xx фирмы Texas Instruments, TigerSHARC фирмы Analog Devices, а также ПЛИС серии STRATIX фирмы Altera.

Рост производительности, архитектурных и программных возможностей новой элементной базы создают возможность реализации относительно недорогих, компактных и конкурентоспособных ультразвуковых диагностических комплексов, обеспечивающих уникальные возможности получения ценной диагностической информации с двухмерной и трехмерной визуализацией исследуемых объектов в реальном масштабе времени. При этом наиболее сложные и трудоемкие задачи проектирования диагностических комплексов нового поколения связаны с разработкой и технической реализацией эффективных алгоритмов обработки сигнальной информации. В частности, система предобработки сигнальной информации должна обеспечить выполнение в реальном времени следующих задач:

•  формирование диаграммы направленности фазированной антенной решетки и реализации режима многолучевого приема;
• согласованную линейную и адаптивную фильтрацию в многолучевом приемном пространстве;
• корреляционный анализ в многолучевом приемном пространстве для измерения допллеровского сигнала от движущихся структур;
• спектральный анализ (энергетический и частотный) по сформированным допплеровским сигналам в многолучевом приемном пространстве;
• анализ и классификацию контуров и поверхностей, цветовое кодирование и построение изометрических проекций и сечений.

Учитывая быстрые темпы развития технологий и динамику развития рыночной ситуации, средства построения имитационных моделей диагностических комплексов должны быть достаточно гибкими и универсальными, позволяющими оперативно вносить изменения в методологическую и технологическую базу построения имитационных моделей и оперативно приводить имитационную модель комплекса к стадии полунатурного моделирования и макетирования. В качестве базовых средств построения интегрированной среды выбраны стандартные программные комплексы MATLAB и Simulink, позволяющие создавать имитационные модели проектируемых систем и функционирующие на широко распространенных компьютерных платформах Windows и UNIX. В такой среде творческий коллектив получает возможность с минимальными усилиями проводить проектирование сложного вычислительного комплекса на всех этапах, включая разработку и верификацию алгоритмов, поведенческое моделирование и отладку моделей на различных аппаратно-программных платформах вплоть до получения действующего макета проектируемого изделия и запуска изделия в серийное производство.

Основными этапами разработки являются:

•  стадия исследования и разработки концепции, методов и алгоритмов;
• стадия системного проектирования, включая выбор комплектующих, разработку структуры системы, основных узлов, коммуникационных интерфейсов, верификацию технических решений;
• стадия макетирования, тестирования и реализации программно-аппаратных решений.

На стадии исследования и разработки концепции, методов и алгоритмов, реализуемых в проектируемом вычислительном комплексе, используется стандартный инструмент математического моделирования MATLAB, дополненный специализированными пакетами прикладных программ:

• Signal Processing Toolbox, предназначенный для анализа сигнальной обработки и верификации алгоритмов,
• Communication Toolbox, предназначенный для проектирования и анализа коммуникационных систем,
• Filter Design Toolbox, предназначенный для разработки сложных цифровых фильтров и их реализации в арифметике с фиксированной точкой,
• Wavelet Toolbox, предназначенный для анализа, сжатия и импульсной декомпозиции сигналов и изображений.

На стадии системного проектирования, используются программные средства системы Simulink. Simulink - это интерактивное средство моделирования и анализа динамических систем, позволяющее описать структуру проектируемой системы, промоделировать ее поведение, оценить производительность и выявить ошибки или узкие места в проекте.

Simulink, с одной стороны, органически вписывается в концепцию математического моделирования сложных алгоритмов, реализованную в системе MATLAB, и, с другой стороны, позволяет верифицировать основные архитектурные концепции проекта, используя средства иерархического построения структуры, средства дискретизации, средства событийного моделирования Stateflow, встраиваемые библиотечные модели основных узлов цифровой обработки сигналов DSP Blockset и узлов, выполняющих операции с фиксированной точкой Fixed-Point Blockset.

По мере верификации и конкретизации архитектурных и программно-аппаратных решений разработчики комплекса получают возможность реализовать полученные локальные технические решения в виде новых библиотечных модулей и перейти к заключительному этапу проектирования комплекса с использованием полунатурного моделирования программно-аппаратного комплекса в среде реального времени Real-Time Workshop.

Разрабатываемая технология проектирования нового поколения ультразвуковых приборов с уникальными диагностическими возможностями позволит в ближайшие годы удовлетворить возрастающие потребности медиков и обеспечить диагностику и профилактику цереброваскулярных заболеваний в России на качественно новом уровне.