Принципы эхокардиографической характеристики тканей
Технологическое развитие коммерческих эхокардиографических аппаратов имеет существенную и до сих пор актуальную цель - оптимизацию отчетливо контурированного и по возможности лишенного артефактов отображения эхо-сигналов, возникающих на эндокарде, на створках клапанов и стенках крупных сосудов, т.е. на граничных поверхностях, имеющих большие по сравнению с длиной волны размеры. Одно- или двумерное отображение этих эхо-сигналов в режиме реального времени позволяет проводить качественный и количественный анализ сердечных морфологии и функции. Из-за быстро растущей распространенности всех форм сердечной недостаточности самым частым показанием для выполнения эхокардиографического исследования сегодня является оценка функции левого желудочка.
а) Эхокардиографическая характеристика тканей. Данный методический подход, напротив, стремится получить диагностическую информацию о функциональном состоянии определенной области миокарда на основании анализа эхо-сигналов от самой сердечной мышцы. В основе концепции эхокардиографической характеристики тканей лежит гипотеза о том, что физиологические изменения (например, сокращение миокарда), а также заболевания сердечной мышцы обусловливают воспроизводимые изменения акустических свойств, меняют физические свойства и эхокардиографическое изображение и поэтому могут быть измерены. Особенно значима такая постановка вопроса в тех случаях, когда требуется идентифицировать субклиническую патологию миокарда при сохраненной глобальной функции желудочков (например, у асимптоматичных членов семей пациентов с кардиомиопатиями). Таким образом, эхокардиографическая характеристика тканей по отношению к общепринятой ЭхоКГ является ни в коем случае не конкурирующей, а дополняющей методикой.
Как будет показано ниже, в прошлом эхокардиографическая характеристика тканей методически была настолько ограничена различными техническими обстоятельствами, что не имела применения в рутинной клинической практике. Дальнейшее тех-нически-аппаратное и методически-ана-литическое развитие последних лет, по-видимому, впервые создало предпосылки для стандартизированной и выполнимой с оправданными временными затратами методики оценки миокарда, имеющей реальные шансы на широкое применение в рутинной клинической диагностике.
Влияние секторального преобразования на структуру изображения двумерной эхокардиограммы. Слева: видеокадр нормального левого парастернального сечения по длинной оси. Выделенный участок соответствует проксимальной части задней стенки левого желудочка. Справа: увеличенное изображение выделенного участка при использовании двух различных алгоритмов секторального преобразования (справа вверху: линейная интерполяция; справа внизу: среднее по 4 пикселям). Хорошо заметные различия эхоструктуры миокарда являются следствиями вызванных этими алгоритмами разных градаций яркости отдельных пикселей.
Изображение RF-сигнала нормального парастернального сечения по длинной оси до (а) и после (б) секторального преобразования. RF-данные записывались после демодуляции и логарифмического усиления; частота сканирования составляла 2,5 МГц. Верхнее изображение имеет прямоугольную форму, поскольку не выполнено секторальное преобразование. Линии сканирования проходят слева направо; соответственно близкие к датчику структуры на изображении находятся слева. Этот кадр воспроизводит оригинальную структуру изображения, однако искаженную геометрически. Это связано с нарастающим с глубиной расстоянием между линиями сканирования. LV - левый желудочек, АО - аорта.
б) Последующая обработка исходного сигнала. Для того чтобы получилось оптически хорошо воспринимаемое и геометрически корректное изображение, полученный от датчика исходный сигнал проходит этапы последующей обработки, оказывающие влияние на информационное содержание первоначального сигнала. При секторальном преобразовании содержащаяся в исходном сигнале информация подвергается систематическому изменению. При этом структура изображения меняется в зависимости от того, какой метод используется для заполнения промежутков между отдельными линиями сканирования, причем эти промежутки тем больше, чем больше глубина исследования.
Наконец, можно произвольно модифицировать интенсивность изображения при помощи регулировки компенсации глубины, в результате чего различные аномалии миокарда могут как маскироваться, так и имитироваться. Из разнообразных особенностей обработки изображения, обусловленных аппаратом и зависящих от него, вытекают принципиальные ограничения для количественного анализа миокардиальных эхо-сигналов.
в) RF-сигналы, не подвергнутые последующей обработке. Для того чтобы обойти эти ограничения, ранее для характеристики тканей использовались «сырые» RF-сигналы, не прошедшие последующую обработку; при этом исключается также секторальное преобразование. Для регистрации и анализа RF-данных были разработаны различные прототипы, поскольку в продажу подобные системы не поступали. Например, на рисунке 9.3 представлено схематическое изображение системы, созданной в одной из рабочих групп. В зависимости от того, на каком этапе обработки сигнала в коммерческой ультразвуковой системе перехватываются данные, получается высокоамплитудный оригинальный RF-сигнал с непосредственным отображением частотного рисунка или логарифмически усиленный демодулированный RF-сигнал (т.е. сигнал после компенсации глубины и определения описывающей кривой).
Рисунок ниже поясняет визуальные различия изображений при использовании обоих типов данных. В случае оригинального RF-сигнала можно также использовать частотный рисунок каждой отдельной линии сканирования.
Схематическое представление системы для регистрации RF-данных. RF-данные, подвергнутые лишь линейному усилению, считываются непосредственно с датчика прибора. Динамический диапазон этого исходного сигнала составляет около 100 дБ. После демодуляции и логарифмического усиления динамический диапазон снижается примерно до 40 дБ, однако дальше RF-данные не подвергаются секторальному преобразованию или другой последующей обработке, а также не зависят от настроек регулятора компенсации глубины.
Не подвергнутые последующей обработке, имеющие частоту оцифровки 20 МГц RF-сигналы (верхняя половина) и скомпенсированные, имеющие частоту оцифровки 5 МГц RF-данные (нижняя половина). Три части рисунка а, расположенные рядом друг с другом, отображают весь двумерный массив данных. Хорошо видны пики и долинки ультразвуковых волн. Красным цветом отмечена отдельная линия сканирования, чей спектр представлен справа. В части б приведен тот же массив данных, но после демодуляции и компенсации. Отдельная линия сканирования содержит уже не частотный спектр, а интенсивность соответственно скомпенсированных амплитуд. RV - правый желудочек; VS - межжелудочковая перегородка; АО - аорта; LV - левый желудочек; PW - задняя стенка левого желудочка.
г) Диагностическое использование ранних систем, базировавшихся на RF-сигнале. Результаты специальных научных исследований, выполненных на различных системах, продемонстрировали принципиальный потенциал данного диагностического подхода. Но из-за методических различий их сравнение было возможно лишь в ограниченной мере; мультицентровые исследования для оценки диагностического значения метода были невозможны. В этом, наряду со значительными временными затратами и высокой стоимостью использованных прототипов, заключается причина того, что в конечном итоге характеристика тканей, основанная на RF-сигнале, не вошла в рутинную диагностическую практику.
д) RF-данные и стандарт DICOM. В течение последних нескольких лет в цифровых ультразвуковых приборах все чаще предоставляется возможность использования RF-данных, зарегистрированных с большим динамическим диапазоном и высокой частотой оцифровки. С этого времени ограничения стали в большей степени касаться системы управления и хранения данных. Реализованные в сетях DICOM базовые требования к современной ультразвуковой диагностике связаны со стандартизированными и неизменными процессами передачи, архивации и воспроизведения данных, их анализа и составления врачебного заключения. Однако RF-данные содержат информацию, специфичную для конкретного аппарата.
Поэтому представить себе полноценное сравнение исходных сигналов различных секторных сканеров так же сложно, как и всеобщее согласование этих данных со стандартом DICOM. Сегодня в этом отношении потенциально привлекательным решением являются коммерческие сканеры, позволяющие анализировать совместимые с форматом DICOM «нативные» ультразвуковые сигналы до секторного преобразования и последующей обработки. Регистрация, воспроизведение и сохранение таких данных не требуют специальной дополнительной аппаратуры. Анализ может происходить в режиме «off-line» при помощи специально разработанного для характеристики тканей программного обеспечения. Конечно, эти «нативные» ультразвуковые сигналы не содержат «сырой» RF-сигнал; но поскольку они сохранены до секторного преобразования и с высокой частотой оцифровки, они позволяют производить стандартизированные количественные измерения интенсивности и пространственного расположения миокардиальных эхо-сигналов.
