О необходимости оценки показателей механического (MI) и температурного (TI) индексов при проведении ультразвуковых исследований

А.В. Цоколов, Н.В. Жданова, Р.Ю. Шаймухаметоа, А.М. Мкртчан, М.А. Перепечаев, ФГБУ «1409 Военно-морской клинический госпиталь» МО РФ Калининград

В эхокардиографии многое, если не все, зависит от аппаратуры и от ее программного обеспечения, но роль и место настроек, выполняемых оператором, не стоит недооценивать, и  в  ряде  ситуаций  последние  могут  иметь  решающее  значение.  Без  понимания  подходов к дополнительной настройке ультразвуковых приборов и доведения качества получаемой «картинки» до максимально возможного идеального уровня не следует ожидать хороших результатов от выполненного обследования, даже с учетом профессионального уровня врача-диагноста, выполняющего последнее.

Благодаря новым высокотехнологичным ультразвуковым приборам, использующим все достижения современной компьютерной технологии, стало  возможным  получение  информации даже более точной с диагностической точки зрения, чем при МРТ-исследованиях. 4D-визуализация – бесспорное тому подтверждение. Все это обусловливает повышенный интерес к ультразвуковому исследованию как среди практических врачей, так и среди специалистов по лучевым методам диагностики [1].

Качество изображения и диагностическая ценность  ультразвукового  прибора  определяются набором, качеством и возможностями ультразвуковых датчиков, а также рядом основных технических характеристик самого сканера. К последним относятся чувствительность, пространственная,   контрастная   и   временнаая  разрешающая   способность,   динамический диапазон, возможность регулировки частоты кадров, усреднения по кадрам, плотность акустических строк, количество фокусных зон, зон усиления по глубине, разнообразие вариантов предустановок и, что особенно важно, – возможность постобработки изображения. Последняя   позволяет   оператору   вносить   изменения   в   характеристики   изображения   как в реальном времени, так и в режиме «заморозки», а также изменять  изображения,  сохраненных в памяти прибора, подчеркивая одни (например, слабые по амплитуде) и заглушая другие (чрезмерно сильные) эхосигналы,  снижающие  уровни  шумов,  с  сохранением  как можно больше возможной видеоинформации.

Прежде всего, хотелось бы  остановиться  на  общих  принципах  безопасного  использования ультразвуковых приборов, основные из которых представлены ниже.

1. Медицинские ультразвуковые приборы должны использоваться  только  в  диагностических целях.
2. Ультразвуковое оборудование должно использоваться только специалистами, прошедшими обучение по правилам техники безопасности  и  ознакомленными  с  принципами правильного  использования  данного  оборудования.  Последнее  включает  в  себя: а) оценку потенциальных температурных  и  механических  биоэффектов  ультразвука (о них будет сказано далее); б) полное знание особенностей настройки оборудования; в) понимание влияния эффектов аппаратной настройки на различные энергетические показатели прибора.
3. Время исследования должно быть максимально коротким  (насколько  это  возможно для получения правильного диагностического заключения).
4. Уровень мощности должен быть максимально низким (насколько это возможно для получения правильного диагностического заключения).
5. Оператор должен стремиться придерживаться рекомендаций BMUS [2] по времени сканирования (особенно при выполнении акушерских исследований).
6. Сканирование у беременных не должно выполняться только лишь с единственной целью получить «сувенирное видеоизображение или фотографию» (!!!).

Фундаментальные подходы по безопасному применению диагностического ультразвука заключаются в использовании как можно более низкой мощности и как можно менее продолжительного времени сканирования, что согласуется с накапливаемой в этой сфере информацией. Прежде всего – это принципы ALARA (т.е. «настолько низко, насколько это возможно»). Считается, что в некоторых ситуациях  целесообразно  использовать  более высокую мощность или более продолжительное время исследования, чем при обычных исследованиях: например, в тех случаях,  когда  риск  от  не  диагностированных  аномалий плода выше риска причиняемого вреда от потенциальных биоэффектов ультразвука. Такой подход является неотъемлемой частью работы высокопрофессиональных врачей ультразвуковой диагностики при принятии решений подобного рода и зависит в конечном итоге от всесторонней информированности врача.

«Температурный индекс» (TI) и «механический индекс» (MI) были внедрены  в  повседневную практику с целью предоставить оператору точные показатели, отражающие потенциальные возможности ультразвуковых приборов вызывать определенные биологические эффекты. Так, TI позволяет  постоянно  мониторировать  относительный  потенциал  повышения температуры тканей, попадающих в зону сканирования. При помощи же показателя MI возможно осуществлять постоянный контроль  относительного  риска  ультразвука  в  отношении неблагоприятных биологических эффектов с нетемпературными механизмами повреждения, такими как кавитация (образование полостей).

При работе на сканерах, которые отображают значения температурного (TI) и механического индексов  (MI)  на  экране,  операторы  должны  постоянно отслеживать  их  значения и использовать контрольные установки, поддерживая их на настолько низком уровне,  насколько это возможно для получения полезных с диагностической точки зрения  данных. Контроль MI и TI должен быть выполнен сразу после установки прибора и после проведения любого изменения аппаратного или программного обеспечения.

При этом следует помнить о том, что вследствие ошибок в расчетах значений TI и вследствие наличия ограничений в простых моделях, на  основе  которых  выполняются  такие расчеты, итоговые значения TI могут быть недооценены в два раза и более.

Описывается три варианта TI:

1. TI для мягких тканей (TIS). Этот показатель используется в случаях, когда ультразвук проникает только через мягкие ткани, как, например, во время акушерского исследования беременных (на сроках более 10 нед с момента последнего менструального цикла (LMP)).
2. TI для костной ткани (TIB). Этот показатель используется в тех случаях, когда ультразвуковой луч сталкивается с костью или проходит рядом с ее  центром,  как,  например,  при любом сканировании плода на сроках более чем 10 нед после LMP.
3. TI для костей черепа (TIC). Этот показатель используется в случаях, когда ультразвуковой датчик располагается очень близко с костью, как, например, во  время  транскраниального сканирования неонатального черепа.

Особенности настройки/регулировки изображения по показателю MI/TI, особенно в акушерской практике,  в  неонатологии,  а  также  при  УЗД-исследовании  сосудов  головного мозга, представлены ниже.

Вероятно, любые потенциальные биологические эффекты оказываются значимыми для эмбриона и плода. Ограничение времени сканирования при акушерском исследовании приведено в таблицах 1 и 2. В настоящее время детально сформулированы основные принципы потенциальных тепловых эффектов, основанных на TI и могущих возникнуть вследствие сканирования.

Примечание.

+ – нет никаких оснований ограничивать время сканирования в этой области.

А: Многие сканеры позволяют одновременно мониторировать MI и один из показателей TI; самые подходящие значения TI зависят от клинической ситуации.

В: TI>0,7 – общее время сканирования (включая паузы) эмбриона или плода при ЦДК в неонатальном периоде должно быть ограниченным.

С: TI>1,0 – общее время сканирования (включая паузы) других частей тела в неонатальном периоде должно быть ограниченным.

D: MI>0,3 – существует возможность (вероятность) минимального повреждения легких в неонатальном периоде или кишечника. Если такое исследование все же необходимо выполнить, постарайтесь уменьшить время воздействия настолько, насколько это возможно.

E: MI>0,7 – существует риск кавитации, если используется ультразвуковой контрастный препарат, содержащий микросферы газа. Существует теоретическая возможность кавитации даже в тех случаях, когда не используются ультразвуковые контрастные препараты/вещества. Риск увеличивается при значениях MI выше этих значений.

ЧСС – частота сердечных сокращений

Примечание.

+ – нет известных причин, ограничивающих продолжительность сканирования в указанной области

А: многие сканеры позволяют одновременно мониторировать MI и один из показателей TI; самые подходящие значения TI зависят от клинической ситуации.

В: TI>1,0 – общее время сканирования (включая паузы) должно быть ограничено.

С: MI>0,7 – существует риск кавитации, если используется ультразвуковой контрастный препарат, содержащий микросферы газа. Существует теоретическая возможность кавитации даже в тех случаях, когда не используются ультразвуковые контрастные препараты. Риск увеличивается при значениях MI выше этих значений.

D: транскраниальное ультразвуковое исследование может потребовать более высокой энергетической акустической мощности или более длительного времени мониторирования, чем при применении его в других областях. Когда время сканирования превышает рекомендуемые значения, следует сделать перерыв в исследовании с целью минимизации риска негативного влияния.

Следует поддерживать настолько низкие значения MI, насколько это возможно, при соблюдении баланса качества изображения, удовлетворительного с диагностической точки зрения [3–6].

Факторы риска

Оператору необходимо знать факторы, представляющие опасность для пациента. Так, оператор должен понимать, что на температурную и кавитационную опасность скорее всего оказывают влияние особенности настройки сканера, рабочий  режим  (например,  В-режим, режим ЦДК либо спектральный допплеровский режим), а также частота датчика.

Не существует универсальных правил для прогнозирования влияния особенностей настройки сканера (за исключением управления выходной мощностью), поскольку попытка ограничить выходную мощность часто приводит к изменениям более чем одного параметра настройки элементов управления сканером. Тем не менее сказанное может оказаться  полезным в плане общего руководства к действию. Так, в различных режимах сканирования баольший  потенциал  нагрева часто  связан  с  настройками  фокусировки  при  многофокусной или глубокой установке фокуса, а также с использованием зума (особенно с длинной, узкой или глубокой  областью  зума).  В  спектральном  импульсном  допплеровском  режиме  больший потенциал нагрева обычно связан  с  высокой  частотой  повторения  импульсов  (например, с максимумом на шкале частот). Вероятность кавитации выше при настройках с большой мощность и низкой  частотой.  В  допплеровских  режимах  вероятность  нагрева  возрастает при выборе низкоскоростной шкалы или при выборе шкалы с высокой допплеровской частотой. Варианты значений показателя MI и TI, отображаемые на экране монитора при выполнении повседневных рутинных исследований, приведены на рисунках 1 и 2.

Чувствительность тканей

Особое влияние следует уделять снижению риска температурной опасности при воздействии диагностического ультразвука в следующих ситуациях:

• эмбрион (менее чем 8 нед после зачатия);
• голова, мозг или позвоночник любого плода или новорожденного;
• глаз (у субъекта любого возраста) [4].

При сроках более 8 нед после зачатия у эмбриона происходит органогенез. Этот период особенно чувствителен, поскольку повреждение клеток может  привести  к  аномалиям  плода или значительным изменениям в его развитии.  Мозг  и  спинной  мозг  продолжают  развиваться вплоть до периода новорожденности. Присутствие костей в проекции  луча  сканирования значительно увеличивает вероятность повышения  температуры  как  вследствие  прямого поглощения энергии самой костью, так и из-за переноса тепла  от  кости  к  соседним тканям. В таблице 3 указаны наиболее важные периоды ранних сроков беременности [7].

Глаз особенно чувствителен к тепловому воздействию, поскольку хрусталик и стекловидное тело не имеют возможности охлаждаться за счет кровеносных сосудов. Это относится к глазу пациентов любого возраста (как детей, так и взрослых), а также к плоду, хотя глаз плода и охлаждается несколько лучше из-за окружающей его жидкой среды (около- плодные воды).

Примечание.

LMP – последний менструальный цикл.
Особое внимание следует уделять снижению выходной мощности и минимизации времени воздействия на эмбрион или плод, когда температура тела матери уже повышена.

Рекомендации по применению

Рекомендуемое время воздействия и верхние уровни для индексов MI/TI зависят от особенностей клинического применения, и основные из них приведены в табл. 1 для акушеров (включая  гинекологические  обследования,  когда  предполагается  беременность) и УЗИ новорожденных, а также в табл. 2 для других случаев применения [8].

В случаях, когда TI или MI не отображаются в процессе выполнения исследования, следует рассматривать как наихудшие из представленных в таблице (учитывая все возможные комбинации настроек прибора).

Для абдоминального  и  акушерского  обследования  при  оценке  повышения  температуры в худшем случае следует использовать модель, аналогичную TIB, в которой мягкие ткани лежат над костью, а интересующая область находится в глубине, где средние значения оказываются максимальными. В других случаях (например, глаза или поверхностно расположенная кость) используемая модель должна соответствовать конкретно вовлеченным в исследование тканям.

Оператор должен стремиться к тому, чтобы не превышать рекомендованное BMUS [2] время сканирования. Если существует клиническая необходимость в превышении рекомендованных временных значений, следует придерживаться принципа ALARA (принцип минимального  уровня  используемого  излучения).  Когда  рекомендованное  время  обследования все же оказывается существенно превышенным по тем или иным причинам, следует по возможности убрать датчик от пациента и прекратить исследование.

И, наконец, в связи с этим возникает вопрос: каким образом на программно-аппаратном уровне можно снизить значения TI и MI?

Для показателя MI это:

1. уменьшение сектора сканирования;
2. увеличение шкалы скоростей PW-;
3. предпочтительная работа в режиме CW-.

Для показателя TI это:

1. Уменьшение окна сканирования в режиме ЦДК;
2. Предпочтительная работа в PW-режиме (работа в режиме CW- приводит к значительному увеличению TIC).

Однако время – это тот показатель, от которого, в конечном счете, будет зависеть характер воздействия на ткани  тепловой  и  механической  энергии,  передаваемой  ультразвуковыми волнами в процессе выполнения исследований.

Литература

1. Гальперин Е.В. Особенности нового поколения медицинских ультразвуковых приборов// Медицинский альманах. 2010; 1 (10): 87–89.
2. ter Haar G., Duck F.A. The Safe Use of Ultrasound in Medical Diagnosis// BMUS/BIR. London, 2000.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine Consensus Report on Potential Bioeffects of Diagnostic Ultrasound// J Ultrasound Med. 2008; 27: 503–515.
4. Herman B.A., Harris G.R. Theoretical study of steady-state temperature rise within the eye due to ultrasound insonation// IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1999; 46: 1566–1574.
5. International Electrotechnical Comission. IEC 60601-2-37 Ed. 2.0. Medical electrical equipment – Part 2-37: Particular requirements for the basic safety and essential performance of ultrasonic medical diagnostic and monitoring equipment. Geneva: IEC, 2007.
6. Jago J.R., Henderson J., Whittingham T.A., Mitchell G. A comparison of AIUM/NEMA Thermal Indices with calculated temperature rises for a simple third trimester pregnancy tissue model// Ultrasound Med Biol. 1999; 25: 623–628.
7. Guidelines for the safe use of diagnostic ultrasound equipment// Ultrasound. 2010; 18: 52–59.
8. Conclusions and Recommendations on Thermal and Non-thermal Mechanisms for Biological Effects// Ultrasound Med Biol. 1998, 24: (Suppl. 1): xv-xvi.