Новые методы использования ультразвука в медицине. Обзор

В области использования ультразвука в здравоохранении в последние годы наметились большие инновационные тенденции. Это и появление сенсорных ультразвуковых систем премиум-класса, внедрение искусственного интеллекта для ускорения, упрощения и улучшения воспроизводимости изображений; а также большой прогресс в качестве изображения, приближающийся к качеству сканирования с помощью компьютерной томографии.  

Кроме того, производители продолжают улучшать общее качество систем, эргономику и рабочий процесс, а также автоматизировать системы не только премиум-уровня, но и портативные решения, которые могут использоваться практически везде. Компании также концентрируют свои усилия на поставках более дешевых и доступных систем в связи с текущим климатом в экономике и реформами в области здравоохранения.

В этом обзоре мы хотим представить вам некоторые из современных тенденции в этой технологической сфере и рассказать о конкретных применениях ультразвуковых систем в здравоохранении.

Интеграция искусственного интеллекта в ультразвуковые технологии

Автоматизация трудоемких задач, количественный анализ и выбор идеального фрагмента изображения из трехмерного набора данных сегодня в лучших системах производится с помощью технологии искусственного интеллекта (artificial intelligence, AI).

Интеграция AI-алгоритмов в программное обеспечение ультразвуковых систем началась несколько лет назад с целью ускорения рабочего процесса. Такие модули встроены, например, в программное обеспечение Siemens eSie Flow для трехмерного анализа состояния клапанов сердца. В системе Epiq компании Philips используется алгоритм, где искусственный интеллект может автоматически идентифицировать, сегментировать и проводить цветовое кодирование элементов анатомии в поле сканирования. Он также может выбрать оптимальный вид среза сканирования для различных обследований, извлекая его из трехмерных наборов данных, улучшая воспроизводимость независимо от уровня опыта специалистов по сонографии. Ультразвуковые системы Philips Epiq и Affiniti используют искусственный интеллект при визуализации во время УЗИ груди, что повышает воспроизводимость и упрощает рабочий процесс.

AI-технологии дают возможность кардиологу указать конкретную структуру, чтобы система могла автоматически вытаскивать все изображения с этой точки зрения, или определить конкретную анатомию и функцию, интересующую врача, вместо того чтобы управлять обширной коллекцией изображений и измерений. Это может сэкономить им критически важное время, которое они теперь могут провести со своими пациентами.

Компания Butterfly Network разработала инновационный портативный УЗИ-сканер iQ, который представляет собой устройство, в котором интегрированы возможности трех типичных УЗИ-датчиков. К этому зонду подключена программная система на базе алгоритмов глубокого обучения, которые помогут овладеть этой технологией врачам почти без опыта. Врач может использовать этот портативный прибор для сканирования тела пациента, а изображение визуализируется на экране смартфона или планшета. Поскольку это устройство объединяет три датчика в одном, врач не должен переключать зонд для исследования разных частей тела, что не только удобно, но и экономит время. Все изображения после этого отсылаются для хранения в облако.

Сегодня Butterfly iQ разрешено к использованию для 13 приложений, включая диагностику опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы и периферийных сосудов.

В системе Konica Minolta Sonimage HS1 используется система распознавания голоса на базе искусственного интеллекта. Нацеленная на интервенционные процедуры опорно-двигательного аппарата, она имеет возможность управлять функциями системы с помощью простых голосовых команд. Врач может держать датчик в одной руке, а иглу или шприц - в другой, что устраняет необходимость в ассистенте и поддерживает стерильное поле во время процедур.

Улучшение рабочего процесса в ультразвуковых исследованиях

В системах ультразвуковой визуализации и соответствующих системах отчетности производители пытаются оптимизировать рабочий процесс. Ультразвуковые системы нового поколения предлагают такие функции, как меньшее количество выпадающих меню, меньшее количество нажатий клавиш, более быстрое время обработки, а также автоматизацию измерений.

Например, новая версия системы Canon Aplio 900 CV, выпущенная в 2018 году, была разработана с использованием на 40% меньшего количества клавиш для упрощения рабочего процесса. Она также на 50 процентов легче, чем аналогичные конкурентные системы.

В ультразвуковой системе Samsung RS85 большое количество операций, требующих много многоступенчатых действий, объединены в один шаг, чтобы уменьшить количество нажатий клавиш и повторяющиеся действия пользователей. Другим примером является аппарат Sonimage HS1 от Konica Minolta, который предлагает упрощенную оптимизацию изображения с помощью одной кнопки. Многочисленные параметры изображения, такие как частота, фокус и комбинирование, автоматически изменяются при регулировке глубины.

Сейчас в некоторых системах, таких как, например, GE Healthcare Logiq E10, используется автоматизированная сегментация паталогических изменений, что позволяет повысить производительность за счет автоматизации. Это программное обеспечение помогает устранить необходимость в ручном измерении повреждений путем сегментации выявленных поражений груди, щитовидной железы или печени и автоматического определения следа повреждения и соответствующей области. Эта функция также помогает обеспечить согласованность действий различных пользователей, или даже одного и того же пользователя, при документировании и последующих действиях.

Голландская компания Usono разработала новый тип аксессуара для ультразвуковых исследований, позволяющий существенно улучшить воспроизводимость полученных изображений. Это система фиксации для трансторакальных УЗИ-зондов ProbeFix, которая позволяет врачам без труда получать изображения сердца пациента, не напрягаясь, чтобы удержать зонд на месте во время исследования.

ProbeFix, чем-то напоминающий ремни безопасности или корсет, надевается на пациента непосредственно перед началом ультразвукового исследования. Благодаря своей конструкции, которая включает в себя модульный адаптер для датчика УЗИ, для проведения исследований может использоваться зонд для кардиологических исследований практически любого производителя. При этом осуществляется фиксация не только самого датчика, но и точное изменение угла и позиции его расположения - и все это без какого-либо неудобства для пациента. Стабильное и настраиваемая фиксация положения позволяет проводить длительное ультразвуковое исследование сердечной деятельности без применения рук и других требующих затрат времени процедур.

3D-инновации в УЗИ

Более медленная частота кадров и большая стоимость ультразвуковых систем, работающих в 3D-режиме, ограничили их широкое применение, но их использование в некоторых областях специализации помогло быстро расширить спектр терапевтических методов, таких как транскатетерные структурные вмешательства на сердце. Использование трехмерного ультразвука имеет большое применение, когда изображение используется специалистами для планирования процедур или помощи при проведении операции. Такая технология также используется в качестве руководства при проведении катетерных процедур в сложной анатомии.

В последние годы многие производители таких систем увеличили частоту кадров и разрешающую способность, улучшили характеристики цветной допплерографии. Тенденция такова, что постепенно системы класса 3D начинают забирать долю рынка у двухмерных УЗИ-аппаратов.

Большинство 3D-систем все еще работают со скоростью менее 30 кадров в секунду, но технология и скорость улучшаются с каждым годом. Пришло время, когда всем эхографическим лабораториям нужна как минимум одна 3D-система. Эти системы необходимы, например, для оценки состояния кардиоонкологических пациентов. Изображения, которые они предоставляют, также ценны для хирургов и специалистов-кардиологов, которые нуждаются в 3D-изображениях для более полной оценки и визуализации клапанов, дефектов перегородки и придатка левого предсердия.

Компания GE Healthcare выпустила новый релиз своей технологии восстановления звуковых изображений cSound, получивший название Imaging Elevated. Эта технология способствует повышению качества изображения и улучшению рабочего процесса работы системы Vivid E95 для визуализации сердца. Она использует специализированный графический процессор для увеличения частоты смены кадров. Это позволяет почти в три раза увеличить частоту смены кадров для чрезпищеводной эхокардиографии за один такт по сравнению с системами предыдущего поколения.

Портативные УЗИ-сканеры

В последние несколько лет произошел буквально взрыв в использовании УЗИ в месте оказания медицинских услуг. Производители выпустили многочисленные несложные ультразвуковые системы небольшого карманного размера или чуть большего размера с тележкой или настенным креплением, которые позволяют быстро "заглянуть внутрь пациента" для более точной и быстрой оценки его состояния или определить, требуется ли более высокий уровень визуализации. Портативные УЗИ-системы стали использоваться и во многих узкоспециализированных направлениях, прежде всего в отделениях неотложной помощи и интенсивной терапии, медицине внутренних органов и анестезии. 

Например, Fujifilm SonoSite имеет целую линейка компактных устройств. Портативная система SonoSite X-Porte сочетает в себе сенсорное управление и настраиваемый интерфейс, предлагающий более 80 наглядных пособий и руководств в режиме реального времени. Система SonoSite Edge II имеет интуитивно понятный интерфейс, облегчающий доступ к часто используемым функциям, а также широкоугольный дисплей с антибликовым покрытием для минимальной настройки во время просмотра. В SonoSite SII используется простой портретный дисплей и интеллектуальный пользовательский интерфейс. Система SonoSite iViz умещается на ладони и предназначена для исследований брюшной полости, сердца, легких, пренатальной ультразвуковой диагностики, имея для этого фазированный датчик 5.1 Мгц, который может просматривать ткани на глубину до 32 см.

Одним из лидеров в этой сфере является компания Philips, которая уже относительно давно продает свое портативное УЗИ-устройство - Philips Lumify, использующее любой планшет в качестве дисплея и интерфейса. Philips Lumify выглядит как обычный ультразвуковой датчик, но на одной стороне у него расположен разъем micro-USB. Поэтому вам надо просто загрузить на Android-планшет приложение Lumify, вставить ультразвуковой преобразователь в разъем планшета и у вас в руках появляется полноценная ультразвуковая система.

Врачи могут использовать Lumify для неотложной помощи, при диагностике внутренних заболеваний и срочной помощи при травмах опорно-двигательного аппарата, в своей обычной практике. Приложение помогает при обследовании желчного пузыря, брюшной полости и легких. Новое устройство будет полезно для гинекологического, сосудистого и поверхностного обследования, оценки функциональности опорно-двигательного аппарата и мягких тканей.

Новые методы ультразвуковой визуализации

Производители постепенно переходят от базовых двух- и трехмерных изображений к новым способам реконструкции изображений, чтобы ускорить их анализ и сделать их более понятными.

В частности, подробную оценку состояния сердца или мозга плода трудно выполнить из-за небольшого размера и чрезвычайно высокой частоты сердечных сокращений. На 18 неделе сердце плода размером с оливку и бьется около 150 раз в минуту. Кроме того, сама структура чрезвычайно сложна и при постоянном движении ребенка она всегда является движущейся мишенью. Изображение играет важную роль, так как врожденные пороки сердца поражают одного из 110 младенцев, родившихся в мире.

Программное обеспечение для анализа сердца и сосудов fetalHQ компании GE Healthcare работающее в УЗИ-системе Voluson E10, помогает оценить форму, размер и сжимаемость сердца плода менее чем за три минуты. Функция под названием Radiant Flow этой системы показывает кровоток в трехмерном представлении. Она также может помочь показать медленное кровообращение, например, нейроваскулярное кровообращение.

Система Philips TrueVue предлагает фотореалистичный рендеринг и возможность изменять местоположение источника освещения в трехмерных ультразвуковых изображениях.

Метод трехмерного ультразвукового отображения в этой системе позволяет получать удивительно реалистичные трехмерные ультразвуковые изображения и предоставляет оператору возможность перемещать источник света в любое место в пределах объемного изображения. Маневренность источника света позволяет пользователю управлять светом и тенью на анатомических структурах, чтобы повысить достоверность клинических результатов, и может помочь укрепить связь между матерью и ребенком.

Функция Philips aReveal автоматически отсекает лишние данные вокруг лица плода, распознавая геометрию черепа. Показать лицо или отменить процесс можно одним касанием. Функция aReveal применима как с изображением TrueVue, так и с объемными 3D-изображениями, полученными стандартным способом.

Сканирование кровотока в маленьких кровеносных сосудах с помощью ультразвука было невозможно еще пару лет назад, но сейчас несколько производителей предлагают системы с такой возможностью. Эта функция обеспечивает дополнительный способ проверки повреждений на наличие признаков рака или воспаления. Одним из первых был Canon Aplio 900 CV, который может показывать кровоток в капиллярных сосудах. Система среднего диапазона Arietta 65 компании Hitachi предлагает функцию визуализации мелких кровеносных сосудов для лучшего обзора перфузии в таких органах, как почка. 

Нетрадиционное применение ультразвука в здравоохранении

В последние годы ультразвуковая технология стала использоваться не только в сфере диагностической визуализации, но и в других сферах медицины. Например, французская компания EDAP разработала систему Focal One, использующую высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук для абляции аденомы простаты. Принцип работы этого устройства основан на воздействии высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком на ткань предстательной железы, что вызывает ее разогрев и способствует гибели раковых клеток, локализованных в капсуле простаты. Метод такой абляции считается малоинвазивным, малотравматичным и применим в тех случаях, когда опухоль локализована, либо проведение хирургии любым из методов проблематично.

При применении этой системы уролог использует ранее полученные снимки МРТ и данные 3D-бипсии, накладываемые на "живую" картинку ультразвукового сканирования, получаемую при помощи того же Focal One. Когда целевая зона подтверждена и ее границы зафиксированы, на ткань в этой области направляется высокоинтенсивный звуковой пучок, уничтожающий раковое поражение. Это позволяет избежать повреждения тканей вне зафиксированных границ и "атаковать" только то, что находится внутри зоны.

Израильская компания BRH Medical предлагает на рынке свою систему BRH-A2, которая использует ультразвук и электрические импульсы для лечения глубоких и хронических ран. Использование сразу двух методов позволяет ускорить заживление раны, одновременно снижая болезненность лечения. В процессе лечения электрические импульсы и энергия ультразвукового излучения проникает как в саму рану, так и под нее, заживляя ее со всех сторон. Причем, для того чтобы обеспечить применение сразу нескольких вариантов лечения в течение одной терапевтической сессии, этот прибор при проведении лечения изменяет частоту и мощность электрической и ультразвуковой стимуляции. Кроме того, устройство может применять режим, в котором обе технологии стимуляции используются попеременно или вместе.

Ультразвук оказывает влияние на стимулирование фибробластов к образованию коллагена, а также на более упорядоченное расположение нового коллагена, улучающее формирование эпителия. В свою очередь, электростимуляция вытягивает фибробласты и образующийся коллаген, что приводит к более сильному соединению тканей.

Компания OtoNexus Medical Technologies разрабатывает прибор, который может точно диагностировать инфекции среднего уха у детей и взрослых. Новое устройство способно определить как наличие инфекции, так и, что более важно, тип инфекции, что предоставит врачу возможность точно определить, прописывать ли больному антибиотики и когда это лучше сделать. Разработка OtoNexus в своей работе использует ультразвук, который позволяет получить ценную информацию о содержимом среднего уха, что невозможно понять с помощью традиционного отоскопа или любого другого метода.

Новое портативное устройство, по форме напоминающее традиционный отоскоп, позволяет просматривать и сохранять изображения барабанной перепонки, а также результаты ультразвуковых измерений. Весь процесс измерений занимает менее секунды, причем сенсор не нуждается в использовании традиционного геля или воды.

Обзор подготовлен по материалам Fierce Biotech, Medgadget.com, ITN, ScienceAlert, Biospace, Times of Israel, DAIC.