Ультразвукові системи – бачити невидиме за допомогою звукових хвиль

Сучасні ультразвукові технології перетворили медичну візуалізацію зі статичних анатомічних зображень на динамічні функціональні оцінки, і все це без іонізуючого випромінювання. У цій статті досліджуються фізика, клінічне застосування та передові інновації в діагностичному ультразвуковому дослідженні.

Фізичні принципи
Медичний ультразвук працює на частотах 2-18 МГц. П'єзоелектричний ефект перетворює електричну енергію на механічні коливання в перетворювачі. Компенсація часового посилення (TGC) враховує глибинно-залежне ослаблення (0,5-1 дБ/см/МГц). Осьова роздільна здатність залежить від довжини хвилі (λ = c/f), тоді як латеральна роздільна здатність пов'язана з шириною променя.

Хронологія еволюції

• 1942: Перше медичне застосування Карла Дуссіка (візуалізація мозку)
• 1958: Ян Дональд розробляє акушерський ультразвуковий метод
• 1976: Аналогові перетворювачі сканування дозволяють отримувати зображення у шкалах сірого
• 1983: Кольоровий Доплер, представлений Намекавою та Касаї
• 2012: FDA схвалює перші кишенькові пристрої

Клінічні методи

1. B-режим
   Фундаментальна візуалізація у градаціях сірого з просторовою роздільною здатністю до 0,1 мм
2. Доплерівські методи

• Кольоровий доплер: картування швидкості (межа Найквіста 0,5-2 м/с)
• Енергетичний доплер: у 3-5 разів чутливіший до повільного потоку
• Спектральний доплер: кількісно визначає тяжкість стенозу (коефіцієнти PSV >2 вказують на стеноз сонної артерії >50%)

3. Передові методи

• Еластографія (жорсткість печінки >7,1 кПа вказує на фіброз F2)
• Ультразвукове дослідження з контрастуванням (мікробульбашки SonoVue)
• 3D/4D візуалізація (Voluson E10 досягає воксельної роздільної здатності 0,3 мм)

Нові програми

• Фокусований ультразвук (ФУС)
  • Термічна абляція (85% 3-річна виживаність при есенціальному треморі)
  • Відкриття гематоенцефалічного бар'єру для лікування хвороби Альцгеймера
• Ультразвукове дослідження в місці надання медичної допомоги (POCUS)
  • ШВИДКЕ обстеження (чутливість 98% для виявлення гемоперитонеуму)
  • B-лінії ультразвукового дослідження легень (точність 93% для виявлення набряку легень)

Рубежі інновацій

1. Технологія CMUT
   Ємнісні мікрооброблені ультразвукові перетворювачі забезпечують надшироку смугу пропускання (3-18 МГц) з частковою смугою пропускання 40%.
2. Інтеграція штучного інтелекту

• Samsung S-Shearwave забезпечує еластографічні вимірювання під керівництвом штучного інтелекту
• Автоматизований розрахунок EF показує кореляцію 0,92 з МРТ серця

3. Кишенькова революція
   Butterfly iQ+ використовує 9000 MEMS-елементів в однокристальній конструкції та важить лише 205 г.
4. Терапевтичне застосування
   Гістотрипсія неінвазивно видаляє пухлини за допомогою акустичної кавітації (клінічні випробування раку печінки).

Технічні виклики

• Корекція фазової аберації у пацієнтів з ожирінням
• Обмежена глибина проникнення (15 см на частоті 3 МГц)
• Алгоритми зменшення спекл-шуму
• Регуляторні перешкоди для діагностичних систем на основі штучного інтелекту

Глобальний ринок ультразвукової діагностики (8,5 млрд доларів США у 2023 році) змінюється за рахунок портативних систем, на які зараз припадає 35% продажів. Завдяки новим технологіям, таким як надроздільна здатність зображення (візуалізація судин розміром 50 мкм) та методи нейронної візуалізації, ультразвук продовжує перевизначати межі неінвазивної діагностики.