24

ГОУ ВПО Ивановская Медицинская Государственная Академия

Росздрава России

Кафедра онкологии, лучевой диагностики и лучевой терапии

РЕФЕРАТ

«Радионуклидная и УЗИ диагностика»

Выполнил студент 4 курса

6 группы лечебного ф-та

Боев М.А.

Иваново 2011

Введение

В последнее время значительное развитие получила клиническая диагностика заболеваний человека с помощью введения в его организм радиоизотопов в индикаторных количествах. Эта область медицины называется ядерной медициной. Визуализация с помощью радиоизотопов включает в себя ряд методов получения изображения, отражающих распределение в организме меченных радионуклидами веществ. Эти вещества называются радиофармпрепаратами (РФП) и предназначены для наблюдения и оценки физиологических функций отдельных внутренних органов. Характер распределения РФП в организме определяется способами его введения, а также такими факторами, как величина кровотока объёма циркулирующей крови и наличием того или иного метаболического процесса.

1. Особенности радионуклидной диагностики

Радионуклидная диагностика заключается в анализе информации, полученной после введения в организм пациента определенного химического или биохимического соединения, меченного ?-излучающим радионуклидом, с последующей регистрацией пространственно-временного распределения этого соединения в организме с помощью позиционно-чувствительного детектора гамма-излучения. Конечным результатом функциональных радионуклидных исследований является совокупность временных гистограмм (гамма-хронограмм). Полученные в лаборатории статические изображения изучаемого органа свидетельствуют о наличии и размере патологической области с аномальным распределением радиофармпрепарата.

Как уже упоминалось, изображения органов, избирательно концентрирующих препарат, получают методом сцинтиграфии. Пространственно - временная картина распределения радионуклида дает представление о топографии, форме и размерах органа, а также о наличии в нем патологических очагов. Радиоизотопная диагностика даёт менее чёткое изображение, чем КТ, ЯМР и УЗИ и имеет меньшее разрешение. Метод дает информацию о функциональной активности ткани.

Распределение радиофармпрепаратов зависит от кровотока и метаболической активности, поэтому методы ядерной медицины в большей степени направлены на функциональное исследование органов и систем, и в меньшей - на анализ их анатомо-морфологических особенностей. Этим методы ядерной медицины принципиально отличаются от рентгенологических и ультразвуковых методов исследования, которые фиксируют лишь анатомо-морфологические особенности органов или тканей. Функциональные изменения, намного опережающие анатомические, делают методы ядерной медицины уникальными как в ранней диагностике заболеваний, так и при динамическом наблюдении, при этом разовая лучевая нагрузка на пациента приблизительно в 100 раз меньше, чем при обычном рентгенологическом обследовании.

Методы ядерной медицины являются альтернативой так называемым методам функциональной диагностики (электрокардиография и электроэнцефалография), электрические феномены которых косвенно отражают кровоток и метаболизм. Прямое отображение кровотока, микроциркуляции и метаболизма (в том числе и объемное) миокарда и головного мозга методами ядерной медицины обеспечило стремительный прогресс кардиологии и неврологии. Радиофармпрепараты дают возможность получать изображения мест с аномальным метаболизмом, что позволяет визуализировать опухоли, воспаления или места тромбоза.

Методами изотопной диагностики производятся такие исследования, как перфузия миокарда, анги-вено-лимфография, визуализация щитовидной и слюнных желез, исследование опорожнения желудка и кишечного транзита, определение места и интенсивности кишечного кровотечения, визуализация печени и селезенки, визуализация почек с расчетом скорости клубочковой фильтрации, диагностика мочеточника, диагностика гипертонии, визуализация мошонки и яичек, визуализация скелета и костных метастазов, визуализация костного мозга, сцинтиграфия молочной железы и др.

К сожалению, в подавляющем большинстве подразделений радионуклидной диагностики медицинских учреждений используются субъективные и эмпирические методы анализа гамма-хронограмм, что приводит к диагностическим ошибкам в оценке функционального состояния исследуемых органов и физиологических систем. Однако объективная обработка гамма-хронограмм возможна только при привлечении априорной дополнительной информации о процессе транспорта используемого радиофармпрепарата в организме, формализованной в виде соответствующей математической модели. Определение (идентификация) неизвестных параметров модели по зарегистрированным гамма-хронограммам позволяет получать недоступную ранее диагностическую информацию в виде совокупности этих параметров, обладающих конкретным клинико-физиологическим смыслом. Поэтому перспективы развития функциональной радионуклидной диагностики, связаны с созданием методов математического моделирования процессов транспорта РФП. Сейчас разрабатывается комплекс математических моделей для исследований печени, костной системы, органной и тканевой гемоциркуляции; пакет программ идентификации системы физиологически содержательных параметров для получения принципиально новой диагностической информации; внедряется математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных, обеспечивающий возможность получения информации о пространственных изменениях физиологических параметров функционирования органов; разрабатываются алгоритмы и программы формирования функциональных изображений органов в терминах различных диагностических параметров; создается универсальный динамический фантом для проверки адекватности моделей.

Диагностика предназначена для решения таких задач, как определение показаний к проведению хирургической операции резекции печени у больных первичным раком; своевременная корректировка курсов лучевой терапии больных с метастазами опухолей различных локализаций; оптимизация плана прицельного лечения на клеточном уровне в послеоперационном периоде; точная локализация границ оперативного вмешательства при саркомах нижних конечностей; установление возможности отказа от калечащей операции ампутации нижних конечностей при саркоме после химиотерапии; определение пригодности кожного лоскута для пересадки при пластической операции восстановления молочной железы у женщин после мастэктомии по поводу рака молочной железы; выработка оптимальной тактики послеоперационного лечения и реабилитации больных после операции по поводу саркомы, в частности, установления возможности и сроков протезирования нижней конечности.

2. Радиоактивные нуклиды и радиофармпрепараты

2.1 Критерии выбора радионуклида

· Оптимальным нуклидом для радиофармпрепарата является тот, который позволяет получить максимум диагностической информации при минимальной лучевой нагрузке на больного. Желательно выбирать такой РФП, который быстро поступает в исследуемый орган и быстро выводится из организма, тем самым снижая лучевую нагрузку.

· По физическим характеристикам он должен обладать коротким периодом полураспада. Быстрый распад нуклида также обеспечивает безопасность исследования.

· К числу основных требований следует отнести наличие у нуклида g-излучения; удобного для наружной регистрации.

· Пригодность РФП обуславливается еще и биологической характеристикой отражения функций организма или отдельного органа (например, избирательное поглощение ¹³¹I щитовидной железой). Однако этот критерий не является первостепенным, т. к. в настоящее время стало возможным включать радионуклиды в состав различных химических соединений, биологические свойства которых резко отличаются от используемого нуклида (например, распределение в организме ⁹⁹Тс в соединении с технефитом, пентатехом, броммезидой и др. совершенно иное, чем собственно ⁹⁹Тс).

· РФП, вводимые внутрь организма, не должны содержать токсических примесей или радиоактивных веществ, которые в процессе распада образуют долгоживущие дочерние нуклиды.

2.2 Изотопы и радиофармпрепараты для радионуклидной диагностики

В практике радионуклидной медицинской диагностики наибольшее распространение получили следующие изотопы:

Золото (¹⁹⁸Аu): Т = 2,7 дн. - источник b- и g-излучений. Препарат коллоидного золота быстро поглощается из кровяного русла печенью, селезенкой и красным костным мозгом. Выведения ¹⁹⁸Аu не происходит, он остается в клетках до полного распада (12-15 дней). Учитывая относительно высокую степень лучевой нагрузки на больного, вместо ¹⁹⁸Аu чаще используют ^99мТс. Применяется для сканирования печени, селезенки, лимфоузлов (в случае их опухолевого поражения); определения кровотока в печени.

Индий (^133мIn): Т=99,3 мин - за счет изомерного перехода (гамма-излучение с энергией 329 кэВ, рентгеновское излучение 24-28 кэВ, электроны конверсии 365-392 кэВ) переходит в ¹¹³In. ^113мIn генерируется распадом его материнского изотопа ¹¹³Sn (Т=115 сут). При внутривенном введении прочно связывается с ?-глобулинами крови и циркулирует в организме. Поскольку в таком виде ^113мIn является токсичным продуктом, то в клинической практике его используют в виде солей металлов. Генератор индия может быть использован в течении 6 месяцев. Редко используется в чистом виде, обычно входит в состав специальных меченых химических соединений - радиофармпрепаратов, получаемых на изотопных генераторах на территории госпиталя.

Йод (¹²⁵I), Т = 60 дн. Является источником чистого ?-излучения. Из-за большого периода полураспада применяется для метки гормонов, определяемых в сыворотке крови больного in vitro.

Йод (¹³¹I), Т = 8,1 дня, источник ?-частиц и ?-квантов с различным уровнем энергий. Участвует в обменных процессах в организме, в частности.. Критическим органом является щитовидная железа (здесь и далее: критический орган - это орган, ткань, часть тела, облучение которых причиняет наибольший ущерб здоровью данного лица или его потомству). Применяется в более чем в 90% всех терапевтических и диагностических процедур ядерной медицины, в частности, для определения функционального состояния и морфологических особенностей щитовидной железы.

Бенгальская роза - ¹³¹I. После введения препарат поглощается из крови клетками печени и вместе с желчью выводится в кишечник. Критические органы - печень и желчный пузырь. Применяется для изучения функционального состояния печени при гепатитах, циррозах, желтухах и опухолях.

¹³¹I-BSCN используется в качестве меченого препарата для определения содержания бора в опухоли in vivo и для диагностики опухолей.

Альбумин человеческой сыворотки, меченный изотопом ¹³¹I или ^99мТс. Выпускается в виде микро и макроагрегатов с величиной частиц 20-80 мкм, которые задерживаются в капиллярах легких. Через 3-4 часа микроагрегаты под действием ферментов крови разрушаются и выводятся из организма. Применяется для определения показателей центральной и мозговой гемодинамики: минутного и ударного объемов сердца, скорости кровотока в большом и малом круге кровообращения, объема крови в легких, периферического кровотока, кровотока в головном мозге, скорости лимфотока.

Гиппуран - ¹³¹I после внутривенного введения быстро и избирательно выводится почками. Критические органы: почки и мочевой пузырь. Применение: оценка секреторно-выделительной функции почек, проходимости мочевыводящих путей, выявление количества остаточной мочи.

Йод (¹³²I) является генераторным препаратом с Т = 2,3 часа, излучает только g-кванты с энергией 0,31 МэВ. Короткий период полураспада и отсутствие b-излучения уменьшает лучевую нагрузку на щитовидную железу почти в 200 раз по сравнению с ¹³¹I, что позволяет применять его у детей.

Ксенон (¹³³Хе), Т = 5,3 дня, является источником g-квантов. Воздушно-ксенововая смесь применяется для определения нарушений проходимости спинного мозга при опухоли, менингите, сколиозе, объема остаточного воздуха в легких; регионарной вентиляции легких.

Самарий-153 (Т = 47,1 час) - b-излучатель

Самарий-153-оксабифор - фармпрепарат для лучевой терапии метастатических поражений скелета.

Стронций-89 (Т= 50,5 дн) источник b-частиц с максимальной энергией МэВ. Препарат «хлорид стронция-89», «МЕТАСТРОН» - паллиативное средство при костных метастазах. ⁸⁹Sr является одним из наиболее современных и эффективных терапевтических радиоизотопов, который используется в онкологии для обезболивания, позволяя отказаться от наркотических веществ.

Таллий (¹⁹⁹Tl), Т = 7,43 час, срок годности 14 час, производится на циклотроне, предназначен для сцинтиграфии с целью диагностики инфаркта миокарда (Т1-199-хлорид) и исследования кровоснабжения головного мозга (диэтилдитиокабамат, ДДК-Т1-199) в кардиологии. Радиофармпрепарат ¹⁹⁹Tl-диэтилдитиокарбамат, способен стойко фиксироваться в структурах центральной нервной системы пропорционально кровотоку; используется для проведения томосцинтиграфии головного мозга с целью диагностики цереброваскулярной недостаточности. Этот индикатор дает возможность значительного снижения лучевой нагрузки на пациента.

Технеций (^99мТс), T= 6 часов - дочерний нуклид 99Мо, который получается при b-распаде последнего в специальном генератор, является источником только g-квантов с энергией 140 КэB. Генератор представляет собой колонку, заполненную сорбентом с прочно фиксированным на нем материнским нуклидом ⁹⁹Мо. Вымывание ⁹⁹Тс в раствор составляют не менее 80%. Срок эксплуатации генератора 14 дней.

Технеций (^99мТс) пертехнетат, ^99мТс - пертехнетат проявляет себя в организме подобно йоду. Отличие заключается в том, что ^99мТс - пертехнетат не включается в синтез гормонов, поэтому его можно использовать для определения функции щитовидной железы на фоне применения с лечебной целью препаратов, блокирующих синтез гормонов. В последние годы в радионуклидной диагностике широко используются стандартные наборы реагентов, связывающиеся с ^99мТс и поставляющие его после внутривенного введения в определенный орган. Примером является генератор ^99мTc на основе альбумина крови человека.

^99мТс - ХИДА (ТСК-15) отличается быстрым проходом и высокой концентрацией в желчевыводящих протоках и желчном пузыре, что обусловливает их хорошую визуализацию при минимальной лучевой нагрузке. Критические органы: печень, желчный пузырь и кишечник. Применяется для динамической гепатосцинтиграфии в диагностике желчнокаменной болезни, холецистита, холангита, желчевыводящих путей.

^99мТс - фитон избирательно накапливается в клетках печени и селезенки. При введении быстро элиминируется из крови с достижением максимального накопления в печени к 10^-15-й мин. Критические органы: печень, селезенка и красный костный мозг. Применяется в диагностике очаговых поражений и цирроза печени.

^99мТс - ДТПА (ТСК) - нефротропный препарат. При внутри венном введении быстро фильтруется клубочками почек и полностью выводится из организма за 24 часа. Максимальная концентрация препарата в почках достигается через 5-6 минут. Критические органы: почки и мочевой пузырь. Применяется для динамической сцинтиграфии почек в изучении клубочковой фильтрации и морфологии почек, мочекаменной болезни, туберкулезе почек, пиелонефрите, сахарном диабете.

^99мТс - цитон - нефротропный препарат, фиксирующийся в проксимальных и дистальных отделах канальцев почек. Максимальная концентрация препарата в почках наступает через 3 часа. Критические органы - почки и мочевой пузырь. Применяется для статической диагностики опухолей и пороков развития почек.

^99мТс - пирофосфат (ТСК-8) накапливается в костях, некротических тканях. Максимальная концентрация в костях достигается через 4 часа. Выводится почками. Критические органы: скелет и почки. Применяется в диагностике метастазов в кости, инфаркте миокарда.

^99мТс-МАА (макроагрегаты альбумина сыворотки человеческой крови) после внутри венного введения задерживаются в капиллярах легких, вызывая их временную эмболию. При внутриартериальном введении МАА фиксируются в капиллярах того органа, который снабжается кровью из данной артерии. Критическим органом являются легкие или исследуемый орган. Применяется для выявления нарушений микроциркуляции артерии, закрытой травме груди.

Фосфор (³²Р): Т = 14,2 дн. - источник b-частиц с максимальной энергией 1,7 МэВ и наибольшей длиной пробега в тканях 8 мм. Используется для диагностики злокачественных новообразований глаз, кожи слизистых оболочек, молочной железы, головного мозга (во время операции).

Отметим, что в настоящее время бурно развиваются исследования с препаратами на основе антител, пептидов и нуклеатидов, меченных различными радионуклидами, в основном ¹³¹I, ⁹⁰Y, ¹¹¹In. Ведутся исследования по использованию a- и b - излучателей.

Препарат «Астат-211 - метиленовый синий» обнаружил высокую эффективность при действии на клетки злокачественной опухоли меланомы человека - опухоли, которая быстро развивается в организме человека. В развитии радиофармпромышленности можно выделить два этапа. Первый - производство готовых радиофармпрепаратов. Второй начался в связи с появлением генераторных систем, которые дали возможность получать радиофармпрепарат с заданными свойствами непосредственно в лаборатории, -- из сочетания радионуклида с набором реагентов. С этого момента в радиофармпромышленности выделилось два направления -- производство генераторов и наборов к ним.

В последние годы проводятся новые разработки, в частности, препаратов самария-153, олова-117m, генераторов рения-188, в планах - создание генератора технеция, других препаратов и источников для медицины.

Следует помнить, что методы ядерной медицины предусматривает использование короткоживущих радионуклидов, которые невозможно перевозить на большие расстояния, и они должны быть применены в непосредственной близости от места их получения. Поэтому производство радиофармпрепаратов должно осуществляться или вблизи или на территории клиники.

2.3 Изотопы и препараты для позитронной эмиссионной томографии

Для целей позитронной эмиссионной томографии используются чрезвычайно короткоживущие нуклиды. Получение из них фармпрепаратов представляет собой серьезную проблему: на производство изотопа, синтез меченого соединения (причем не простой, а направленный - изотоп должен быть введен в точно назначенное место в молекуле), доставку препарата к больному, введение препарата в организм человека и проведение анализа отводится несколько минут! Естественно, что в этом случае могут быть использованы только экспрессные методы синтеза. Обычно применяются не столько химические, сколько биохимические методики, причем и генератор нуклида (циклотрон) и фабрика меченых соединений располагаются на непосредственно на территории госпиталя или даже в здании лечебного учреждения.

Изотопы для позитронной томографии: Углерод-11, ¹¹С, Т = 20,4 мин.; Азот-13, ¹³N, T = 10,0 мин.; Кислород-15, ¹⁵O, T = 2,1 мин.; Фтор-18, ¹⁸F, T = 109 мин.; Рубидий-82, ⁸²Rb, T = 1,25 мин.

Двуокись углерода . Меченные радиоактивными изотопами вода и двуокись углерода используются для исследований локального кровоснабжения головного мозга.

Кислород [¹⁵O]-меченная вода и кислород используются для количественной оценки потребления кислорода миокардом и кислородной фракции выброса, а так же для измерения степени некроза в опухоли.

Вода [¹⁵O]-меченная вода и кислород используются для количественной оценки потребления кислорода миокардом и кислородной фракции выброса. [¹⁵O]-вода также используется как метка миокардиальной перфузии (контрастирующая с [¹³N]-аммиаком. Использование [¹⁵O]-воды имеет преимущество 100% фракции выброса в миокарде. Выброс не зависит от метаболизма, который потенциально изменяет фракции выбросов для других изотопов, таких как [⁸²Rb] или [¹³N]-аммиак. Недостатком является высокая концентрационная активность [¹⁵O] в сосудах сердца, полостях сердца и легких. Поэтому трудно точно измерить концентрацию метки.

Азот-13 Т = 10,0 мин.

Аммиак [¹³N]-меченный аммиак используется для измерения кровотока. Метка двигается из сосудов в ткани с помощью активного транспорта (натрий-калиевый насос) и путем пассивной диффузии. После того как метка оказывается внутри клетки, она преимущественно метаболизируется по цепочке глутаминовой кислоты. [¹³N]-аммиак применяется как способ измерения региональной перфузии в миокарде как в норме, так и при патологии. Преимуществом [¹³N]-аммиака является его короткий период полураспада, что позволяет использовать его при повторных исследованиях. [¹³N]-аммиак быстро покидает кровяное русло и долго удерживается в тканях, что обеспечивает получение высококонтрастных поперечных изображений сердечной мышцы. Зачастую исследования с использованием [13N]-аммиака комбинируются с введением [¹⁸F]ФДГ, что позволяет сравнивать миокардиальный кровоток с метаболизмом глюкозы, диагносцировать несоответствие и рассчитывать индекс жизнеспособности сердечной мышцы.

Углерод-11 Т = 20,4 мин

Ацетат ¹¹C-меченный ацетат используется для количественной оценки окислительного метаболизма. Основным источником питания миокарда являются жирные кислоты, поэтому данная метка полезна в оценке метаболического состояния сердца.

Карфентанил является агонистом мю-опиатных рецепторов, он в 8000 раз мощнее, чем морфин. [¹¹C]-меченный карфентанил используется в позитронно-эмиссионной томографии для исследования опиатных рецепторов головного мозга.

Кокаин ПЭТ используется для идентификации и характеризации мест связывания опиатных веществ в головном мозге. [¹¹C]-меченный кокаин применяется в исследованиях на человеке и обезьянах для изучения распределения и фармакокинетики данного агента. Например, было показано, кокаин быстро накапливается и выходит из полосатого тела и временная диаграмма данного процесса коррелирует с временной моделью кокаинового «кайфа». ПЭТ также используется для исследования биологических эффектов кокаина. Большие одноразовые дозы кокаина имеют слабо влияют на работоспособность допаминовых рецепторов D2 (что измерялось при помощи [¹¹C]N-метилпипоперидола), в то время как хроническое употребление кокаина приводит к снижению функций данных рецепторов. У лиц, хронически злоупотребляющих кокаином, снижается метаболизм допамина (что измерялось при помощи 6-[¹⁸F]-фтор-L-допа)

Депренил. После внутривенного введения радиоактивного [¹¹C]-депренила, проводится ПЭТ-исследование. Депренил эффективен для лечения ранних стадий болезни Паркинсона.

Лейцин. [¹¹C]-меченные метионин и лейцин используются для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

Метионин [¹¹C]-меченные метионин и лейцин используются для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

N-метилспиперонал. N-метилспиперонал (N-метилспироперидол) связывает допаминэргические D2 рецепторы. [¹¹C]-меченный N-метилпиперонал применяется для исследования нейрохимического влияния различных веществ на допаминэргическую систему.

Раклоприд. [¹¹C]-меченный раклоприд используется в позитронно-эмиссионной томографии для изучения функционирования допаминэргических синапсов. Раклоприд связывает допаминовые D2 рецепторы и является селективным, обратимым ингибитором D2 рецепторов.

Фтор 18 Т= 109 мин.

Галоперидол ПЭТ используется для изучения мест связывания галоперидола, широко используемого антипсихотического и снижающего беспокойство препарата. Галоперидол действует на допаминовые рецепторы можжечка.

Ион фтора Радиомеченный ион фтора [¹⁸F-] являлся стандартным агентом для клинических исследований костной системы. Схема накопления [¹⁸F-] схожа с таковой у технеция-99m-дифосфоната (распространенной метки при исследованиях на гамма-камере). При этом, нормальные костные структуры имеют равномерное накопление в скелете [¹⁸F-]. Оба [¹⁸F-] и [^99mTc] имеют хорошую чувствительность как индикаторы патологии скелета, но имеют ограниченные возможности в плане патологической специфичности (например, и доброкачественные, и злокачественные процессы стимулируют остеобластную активность и повышение накопления). Однако, из-за того, что [¹⁸F-] имеет большие различия в скорости накопления между мягкими тканями и костями скелета по сравнению с [^99mTc]-дифосфонатом, позитронно-эмиссионная томография всего тела будет более анатомически и количественно точной, чем такое же исследование на гамма-камере.

Фтордеоксиглюкоза [¹⁸F]-меченные ПЭТ метки используются в неврологии для изучения метаболизма, нервной передачи и клеточных процессов. L-[¹⁸F]-допа применяется для исследования распределения запасов медиатора и исследования болезни Паркинсона.

Фторэтилспиперонал [¹⁸F]-меченные ПЭТ метки используются в неврологии дя изучения метаболизма, нервной передачи и клеточных процессов. [¹⁸F]-меченный фторэтилспиперонал является радиолигандом, который используется для исследования D2-допаминовых рецепторов. ПЭТ исследования допаминэргической функции используются для изучения гормональных эффектов, процесса старения и нейропатологических состояний, таких как болезнь Паркинсона и шизофрения.

Фторурацил [¹⁸F]-меченный фторурацил используется для измерения доставки препаратов применяемых при химиотерапевтическом лечении рака.

Рубидий-82, Т = 1,25 мин. ⁸²Rb используется при проведении исследований миокардиальной перфузии. Короткое время полураспада (Т=76 с) позволяет проводить парные стресс-исследования с высокой скоростью. Одной из отличительных особенностей данной метки является то, что она может быть произведена без циклотрона из генераторной колонки. Однако существуют и ограничения, из-за низкой разрешающей способности изображений связанной с относительно высокой дальностью полета позитронов от данного эмиттера. ⁸²Rb используется для определения недостаточности гематоэнцефалического барьера. Короткое время полураспада ⁸²Rb для получения статистически значимых изображений требует применения высокоэффективных томографов, но зато обеспечивает возможность проведения серий измерений у одного пациента, т.е. возможность изучения кратковременных изменений, вызванных препаратами.

3. Ультразвуковое исследование

Ультразвуковое исследование (УЗИ) -- неинвазивное исследование организма человека или животного^[1] с помощью ультразвуковых волн.

Физические основы

Физическая основа УЗИ -- пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды -- прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания -- временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой -- числом колебаний в единицу времени; длиной -- расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».

Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая -- отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.^[2]

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 -- 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.

Составляющие системы ультразвуковой диагностики

Генератор ультразвуковых волн

Генератором ультразвуковых волн является передатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

Ультразвуковой датчик

В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

Виды датчиков

Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Линейные датчики используют частоту 5-15 Мгц. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.Также линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 10 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур - щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

Конвексный датчик использует частоту 2,5-7,5 МГц. Имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов - органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы.

Секторный датчик работает на частоте 1,5-5 Мгц. Имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиоскопия - исследование сердца.

Методики ультразвукового исследования

Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная -- черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера. Выделяют следующие режимы:

B-режим Методика даёт информацию в виде двухмерных серошкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние.

M-режим Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, вторая координата заменена временной. По вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до лоцируемой структуры, а по горизонтальной - время. Используется режим в основном для исследования сердца. Дает информацию о виде кривых, отражающих амплитуду и скорость движения кардиальных структур.

Допплерография

Спектральный Допплер Общей Каротидной Артерии

Увеличенный компьютером Транскраниальный допплер.

Методика основана на использовании эффекта Допплера. Сущность эффекта состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с измененной частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур - если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика - уменьшается.

· Потоковая спектральная допплерография (ПСД)

Предназначена для оценки кровотока в относительно крупных сосудах и камерах сердца. Основным видом диагностической информации является спектрографическая запись, представляющая собой развертку скорости кровотока во времени. На таком графике по вертикальной оси откладывается скорость, а по горизонтальной - время. Сигналы, отображающиеся выше горизонтальной оси, идут от потока крови, направленного к датчику, ниже этой оси - от датчика. Помимо скорости и направления кровотока, по виду допплеровской спектрограммы можно определить характер потока крови: ламинарный поток отображается в виде узкой кривой с четкими контурами, турбулентный - широкой неоднородной кривой.

· Непрерывная (постоянноволновая) ПСД

Основана на постоянном излучении и постоянном приеме отраженных ультразвуковых волн. При этом величина сдвига частоты отраженного сигнала определяется движением всех структур на пути ультразвукового луча в пределах глубины его проникновения. Недостаток: невозможность изолированного анализа потоков в строго определенном месте. Достоинства: допускает измерение больших скоростей потоков крови.

· Импульсная ПСД

Основана на периодическом излучении серий импульсов ультразвуковых волн, которые, отразившись от эритроцитов, последовательно воспринимаются тем же датчиком. В этом режиме фиксируются сигналы, отраженные только с определенного расстояния от датчика, которые устанавливаются по усмотрению врача. Место исследования кровотока называют контрольным объемом. Достоинства: возможность оценки кровотока в любой заданной точке.

Цветовое допплеровское картирование (ЦДК)

Основано на кодирование в цвете значения допплеровского сдвига излучаемой частоты. Методика обеспечивает прямую визуализацию потоков крови в сердце и в относительно крупных сосудах. Красный цвет соответствует потоку, идущему в сторону датчика, синий - от датчика. Темные оттенки этих цветов соответствуют низким скоростям, светлые оттенки - высоким. Недостаток: невозможность получения изображения мелких кровеносных сосудов с маленькой скоростью кровотока. Достоинства: позволяет оценивать как морфологическое состояние сосудов, так и состояние кровотока по ним.

· Энергетическая допплерография (ЭД)

Основана на анализе амплитуд всех эхосигналов допплеровского спектра, отражающих плотность эритроцитов в заданном объеме. Оттенки цвета (от темно-оранжевого к желтому) несут сведения об интенсивности эхосигнала. Диагностическое значение энергетической допплерографии заключается в возможности оценки васкуляризации органов и патологических участков. Недостаток: невозможно судить о направлении, характере и скорости кровотока. Достоинства: отображение получают все сосуды, независимо от их хода относительно ультразвукового луча, в том числе кровеносные сосуды очень небольшого диаметра и с незначительной скоростью кровотока.

· Комбинированные варианты:

ЦДК+ЭД - конвергентная цветовая допплерография B-режим УЗИ + ПСД (или ЭД) - дуплексное исследование

· Трехмерное допплеровское картирование и трехмерная ЭД

Методики, дающие возможность наблюдать объемную картину пространственного расположения кровеносных сосудов в режиме реального времени в любом ракурсе, что позволяет с высокой точностью оценивать их соотношение с различными анатомическими структурами и патологическими процессами, в том числе со злокачественными опухолями. В этом режиме используется возможность запоминания нескольких кадров изображения. После включения режима исследователь перемещает датчик или изменяет его угловое положение, не нарушая контакта датчика с телом пациента. При этом в приборе запоминаются последовательные кадры изображения, полученные в разных ракурсах. На основе полученных кадров в устройстве обработки системы реконструируется псевдотрехмерное изображение только цветной части изображения, характеризующий кровоток в сосудах. Это трехмерное изображение сосудов можно поворачивать и наблюдать с различных сторон. Недостатком такого способа получения трехмерного изображения является возможность больших геометрических искажений из-за того, что трудно обеспечить равномерное перемещение датчика вручную с нужной скоростью при регистрации информации. Метод позволяющий получать трехмерные изображения без искажений, называется методом трехмерной эхографии (3D).

Эхоконтрастирование

Методика основана на внутривенном введении особых контрастирующих веществ, содержащих свободные микропузырьки газа (диаметром менее 5 мкм при их циркуляции не менее 5 минут).

В клинической практике методика используется в двух направлениях.

· Динамическая эхоконтрастная ангиография.

Существенно улучшается визуализация кровотока, особенно в мелких глубоко расположенных сосудах с низкой скоростью кровотока; значительно повышается чувствительность ЦДК и ЭД; обеспечивается возможность наблюдения всех фаз контрастирования сосудов в режиме реального времени; возрастает точность оценки стенотических поражений кровеносных сосудов.

· Тканевое эхоконтрастирование.

Обеспечивается избирательностью включения эхоконтрастных веществ в структуру определенных органов. Степень, скорость и накопление эхоконтраста в неизмененных и патологических тканях различны. Появляется возможность оценки перфузии органов, улучшается контрастное разрешение между нормальной и пораженной тканью, что способствует повышению точности диагностики и различных заболеваний, особенно злокачественных опухолей.^[3]

Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью принтера.

Эхоэнцефалография

Применение ультразвука для диагноза при серьезных повреждениях головы позволяет хирургу определить места кровоизлияний. При использовании переносного зонда можно установить положение срединной линии головного мозга примерно в течение одной минуты. Принцип работы такого зонда основывается на регистрации ультразвукового эха от границы раздела полушарий.

Офтальмология

Ультразвуковые зонды применяются для измерения размеров глаза и определения положения хрусталика.

Внутренние болезни

Ультразвуковое исследование играет важную роль в постановке диагноза заболеваний внутренних органов, таких как:

· брюшная полость и забрюшинное пространство

o печень

o жёлчный пузырь и желчевыводящие пути

o поджелудочная железа

o селезёнка

o почки

· органы малого таза

o мочеточники

o мочевой пузырь

o предстательная железа

Ввиду относительно невысокой стоимости и высокой доступности ультразвуковое исследование является широко используемым методом обследования пациента и позволяет диагностировать достаточно большое количество заболеваний, таких как онкологические заболевания, хронические диффузные изменения в органах (диффузные изменения в печени и поджелудочной железе, почках и паренхиме почек, предстательной железе, наличие конкрементов в желчном пузыре, почках, наличие аномалий внутренних органов, жидкостных образований в органах и т. д.

Печень

Ультразвуковое исследование печени является достаточно высокоинформативным. Врачом оцениваются размеры печени, её структура и однородность, наличие очаговых изменений а также состояние кровотока. УЗИ позволяет с достаточно высокой чувствительностью и специфичностью выявить как диффузные изменения печени (жировой гепатоз, хронический гепатит и цирроз), так и очаговые (жидкостные и опухолевые образования). Обязательно следует добавить что любые ультразвуковые заключения исследования как печени, так и других органов, необходимо оценивать только вместе с клиническими, анамнестическими данными, а также данными дополнительных обследований.

Жёлчный пузырь и желчные протоки

Кроме самой печени оценивается состояние желчного пузыря и желчных протоков -- исследуются их размеры, толщина стенок, проходимость, наличие конкрементов, состояние окружающих тканей. УЗИ позволяет в большинстве случаев определить наличие конкрементов в полости желчного пузыря.

Поджелудочная железа

При исследовании поджелудочной железы оцениваются её размеры, форма, контуры, однородность паренхимы, наличие образований. Качественное УЗИ поджелудочной железы часто довольно затруднительно, так как она может частично или полностью перекрываться газами находящимися в желудке, тонком и толстом кишечнике. Наиболее часто выносимое врачами ультразвуковой диагностики заключение «диффузные изменения в поджелудочной железе» может отражать как возрастные изменения (склеротические, жировая инфильтрация), так и возможные изменения вследствие хронических воспалительных процессов.

Почки и наподчечники, забрюшинное пространство

Исследование забрюшинного пространства, почек и надпочечников является достаточно трудным для врача ввиду особенностей их расположения, сложности строения и многогранности и неоднозначности трактовки ультразвуковой картины этих органов. При исследовании почек оценивается их количество, расположение, размер, форма, контуры, структура паренхимы и чашечно-лоханочной системы. УЗИ позволяет выявить аномалии почек, наличие конкрементов, жидкостных и опухолевых образований, также изменения вследствие хронических и острых патологических процессов почек.

Щитовидная железа

В исследовании щитовидной железы ультразвуковое исследование является ведущим и позволяет определить наличие узлов, кист, изменения размера и структуры железы.

В силу физических особенностей не все органы можно достоверно исследовать ультразвуковым методом, например, полые органы желудочно-кишечного тракта труднодоступны для исследования из-за содержания в них газа. Тем не менее, ультразвуковая диагностика может применяться для определения признаков кишечной непроходимости и косвенных признаков спаечного процесса. При помощи ультразвукового исследования можно обнаружить наличие свободной жидкости в брюшной полости, если её достаточно много, что может играть решающую роль в лечебной тактике ряда терапевтических и хирургических заболеваний и травм.

Кардиология, сосудистая и кардиохирургия

Эхокардиография (ЭхоКГ) -- это ультразвуковая диагностика заболеваний сердца. В этом исследовании оцениваются размеры сердца и его отдельных структур (желудочки, предсердия, межжелудочковая перегородка, толщина миокарда желудочков, предсердий и т. д.), наличие и объем жидкости в перикарде -- «сердечной сорочке», состояние клапанов сердца. С помощью специальных расчетов и измерений Эхокардиография позволяет определить массу сердца, сократительную способность сердца -- фракцию выброса и т. д. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце следить за работой митрального клапана, расположенного между желудочком и предсердием.

Акушерство, гинекология и пренатальная диагностика.

Ультразвуковое исследование используется для изучения внутренних половых органов женщины, состояния беременной матки, анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки, легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через нее крови, а через 4-5 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвукового исследования можно также определять количество зародышей или констатировать смерть плода.