Біомедична ультразвукова вставка - наука для здоров’я

Підзаголовок

Триває медична революція

Ультразвукові хвилі - це механічні хвилі, які викликають коливання в середовищі, через яке вони проходять. Створені сигнали можуть бути використані для діагностичних цілей (ультразвук, доплерівське ультразвукове дослідження, еластографія) або терапії (літотрипсія, фармакоемульгування тощо). Вони вже використовуються для лікування деяких видів раку, міоми матки та глаукоми. Крім того, значний технологічний прогрес, досягнутий за останні кілька років, відкриває багато перспектив для розробки нових потужних і точних приладів у різних сферах застосування: кардіології, неврології, психіатрії.

Час читання

20 хв

Останнє оновлення

22.03.19

Мікаел Тантер, директор відділу фізики хвиль для медицини (Inserm unit 979/CNRS/ESPCI Paris/Paris Sciences et Lettres Université) та директор прискорювача технологічних досліджень Inserm Biomedical Ultrasound, лауреат премії Opecst-Inserm 2014.

Розуміння ультразвуку та його біомедичного використання

Як і звукові хвилі, ультразвукові хвилі - це механічні хвилі, які матеріалізуються шляхом налаштування молекул, що складають речовину, на вібрацію. Якщо частота хвиль у полі звукових звуків знаходиться між 20 Гц для найнижчої частоти та 20 000 Гц для найвищої, частота ультразвуку вища, включаючи від 20 кГц до 10 ТГц. Потім починається поле гіперзонів.

Ультразвукові хвилі викликають коливання навколо точки рівноваги - молекул у середовищі, через яке вони проходять. Це коливання поступово дифундує в заданому напрямку від точки ініціації. Залежно від щільності середовища, яке перетинається, ультразвук поширюється з більш-менш високою швидкістю: опір матеріалу визначається його акустичним імпедансом (відзначається Z та вимірюється в паскалях в секундах на метр), що впливає на цю швидкість. З іншого боку, ультразвукова хвиля, що проходить через дане середовище, відскакує і повертається у вигляді відлуння, коли надходить на межу розділу нового середовища, акустичний імпеданс якого відрізняється від першого. Таким чином, аналізуючи зворотньо розсіяний сигнал, можна отримати інформацію на аналізованому середовищі.

У медичній галузі ультразвук має ряд переваг:

Це хвилі, які не присутні ніякої небезпеки (відсутність іонізуючого випромінювання, зокрема).
Вони можуть бути реалізовані завдяки малооб'ємне та недороге обладнання.
Вони дозволяють отриматиспостережувані та інтерпретовані зображення одночасно з обстеженням.

Франція, колиска ультразвукових методик

Поле ультразвуку - це те поле, в якому Франція була на передньому краї: пригода почалася з П’єра Кюрі, який теоретизував п’єзоелектричність, що дає можливість створювати ультразвук з електричного струму, в 1880 році. Через тридцять років його учень Поль Ланжевен перший ультразвуковий передавач і приймач, що призвело до першого військового використання під час Другої світової війни (ехолот).

Потім з’явився розвиток використання ультразвуку в медичній галузі, зокрема завдяки ультразвуку, розробленому британцями. Протягом 1950-х років був розроблений перший ультразвуковий зонд, а потім - перший 2D-ультразвук на початку 1970-х років, обидва з яких використовувались в акушерстві. Розробкою та використанням доплерівського ультразвуку для оцінки кровотоку та судинного опору керував дослідник-новатор Леандр Пурсело, директор відділення Inserm 316 "Нервова система плода до дитини" на медичному факультеті Тура (з 1988 - 2003).

Діагностичні методи візуалізації

Використання ультразвукових хвиль у діагностичному полі базується на формуванні зображень із сигналів, розсіяних тканинами (ультразвук), або на вимірюванні кровотоку (доплерівське ехо).

УЗД складається з випромінювання ультразвуку у напрямку тканин та органів, які слід спостерігати, потім збору та аналізу ехо-сигналу ультразвуку відповідно до відстані та імпедансу середовища, на якому вони відскочили.

У звичайному двовимірному (2D) ультразвуку сканування (ручне, механічне, електронне) дозволяє одночасно випромінювати кілька вогневих ліній у різних напрямках. Комп’ютерна обробка зібраних ехо-сигналів дає змогу представити перехрещені середовища як функцію їх імпедансу, відтворити двовимірне зображення, що представляє площину перерізу аналізованої області:

середовища з низьким імпедансом (слабке ехо) чорним кольором: вони можуть відповідати рідким середовищам або м’яким тканинам,
носії з високим імпедансом (сильне ехо) відображаються білим кольором.

У цьому пристрої п’єзоелектричні матеріали випромінюють механічні хвилі: це матеріали, здатні деформуватися при дії електричного напруження. Ця деформація призводить до механічної хвилі, яка фокусується у напрямку тканин, що підлягають аналізу. Потім зонд збирає відлуння хвиль.

Гель, який зазвичай використовують при проведенні зовнішнього ультразвуку, дозволяє уникнути перешкод, які повітря може створювати між зондом і шкірою, оскільки він має імпеданс, порівнянний з імпедансом останнього.

Зовсім недавно було розроблено 3D-ультразвук, який дозволяє, як випливає з назви, отримати тривимірне зображення. У цьому випадку механічне або електронне сканування дозволяє накопичувати інформацію, отриману в різних точках відлуння з різних точок випромінювання. Їх комп’ютерна обробка дозволяє створити тривимірне зображення.

Удосконалення п'єзоелектричних зондів, а також можливості обчислень та збору дозволяють розглядати 4D-зображення, тобто тривимірні з часом. Такі методи вже використовуються в дослідницьких лабораторіях, і їх розробка може незабаром запропонувати метод надшвидкого придбання, що дає змогу спостерігати за органами або плодом з неперевершеною точністю.

Доплерівське УЗД широко використовується при неінвазивному дослідженні судин. В його основі лежить ефект Доплера: коли джерело хвилі (або його спостерігач) перебуває в русі, частота хвилі, яку він випромінює, змінюється в залежності від напрямку та швидкості напрямку. Знаковим прикладом ефекту Доплера є звук автомобільної сирени, що рухається від високого до низького, коли він наближається, а потім пропускає фіксованого спостерігача. Застосований до кровотоку, цей принцип дозволяє виміряти відбиту частоту і порівняти її з частотою випромінювання, залежно від швидкості руху еритроцитів у судині.

Терапевтичне ультразвукове дослідження

У порівнянні з діагностичним ультразвуком, терапевтичне ультразвукове дослідження використовує хвилі більшої інтенсивності, які постійно доставляються до певної точки тканини. Вони генерують тепловий нагрів та місцеві модифікації (створення газових бульбашок, некроз, коагуляція), які будуть брати участь у бажаному терапевтичному ефекті. Таким чином, ультразвук використовується для знищення доброякісних або злоякісних уражень (пухлин, кальцифікатів, каменів тощо).

Фокусоване ультразвукове обстеження високої інтенсивності (HIFU) дозволяє повторити лікування без ризику обмеженої дози, як при іонізуючих процедурах, і дійти до органів навіть глибоко, не вимагаючи розрізу, на відміну від радіочастотного лікування або лазером. Однак деякі тканини є менш доступними, ніж інші, залежно від характеру тканин, які необхідно перехрестити заздалегідь (особливо кістки). В даний час HIFU в основному використовуються для лікування деяких видів раку (печінки, простати), міоми матки або глаукоми. Вони поєднуються з точним моніторингом руйнування тканин у режимі реального часу завдяки МРТ-моніторингу місцевих змін температури.

літотрипсія - це методика, заснована на використанні ультразвуку для руйнування каменів у нирках або жовчному міхурі: ударні хвилі, що випромінюються через рівні проміжки часу, локально створюють бульбашки газу, які агломерат вибухають на поверхні каменю (явище кавітації). Вони поступово розбивають його на субміліметрові фрагменти, які потім усуваються природним шляхом.

За тим же принципом, фармакоемульсифікація допомагає знищити каламутні кришталики під час лікування катаракти. Потім уламки евакуюються за допомогою зрошувально-всмоктувальної системи.

Які параметри хвиль визначають їх використання ?

Хвиля характеризується кількома параметрами: її амплітудою, тривалістю пострілу (або сплеском сигналу) і кількістю повторень цих пострілів.

При зображенні амплітуда використовуваних хвиль має порядок мегапаскальних, що випромінюються протягом мікросекунди. У терапії (HIFU) амплітуда однакова, але сплеск триває кілька секунд, створюючи високу інтенсивність та акустичну енергію. Нарешті, при літотрипсії амплітуда повинна бути набагато вищою, щоб забезпечити достатню потужність для механічного знищення кальцифікації, але дуже коротку, щоб вона не нагрівалася.

Більш довгі сплески, але обмеженої амплітуди, дають можливість модулювати активність нейронів. А за допомогою ультразвуку, що випромінюється протягом короткого періоду (100 мікросекунд), ми також можемо створити віддалену пальпацію тканин (еластографія).

Проблеми досліджень у галузі ультразвукових хвиль

Технологічний прогрес у галузі ультразвукових хвиль відбувається з експоненціальною швидкістю. Для підвищення їх ефективності застосовуються численні науково-технічні розробки за допомогою звичайних методів. Вони дають змогу отримувати все більш точні, більш кількісні та більш функціональні зображення тканин. У довгостроковій перспективі мініатюризація ультразвукових систем навіть дасть можливість запропонувати нейромодуляцію шляхом імплантації зондів. Водночас вартість обладнання повинна зменшуватися, дозволяючи широке їх розповсюдження.

Назустріч новим діагностичним додаткам

Спочатку прогрес зосереджувався, зокрема, на швидкості збору та обробки інформації. Завдяки новому принципу передачі ультразвукових хвиль (акустична плоскохвильова голографія) зображення отримуються набагато швидше, ніж раніше (від 50 до 10000 зображень в секунду):ультрашвидке ультразвукове зображення не тільки пропонує звичайну інформацію про УЗД, але також надає іншу інформацію, таку як твердість тканин.

Цей спосіб, відомий якеластографія, вже може покращити діагностику або оцінку захворювань печінки або щитовидної залози неінвазивним шляхом. Насправді, місце ультразвуку у візуалізації постійно переосмислюється завдяки регулярному технічному прогресу. Таким чином, ці методи оцінюються в нових областях, таких як оцінка твердості пухлини з прогностичними цілями. Твердість серцевої тканини становить ще одне поле дослідження: серцева скутість - параметр, досі недоступний за допомогою інших методів оцінки. Однак його вимірювання полегшить діагностику серцевої недостатності майже у половини постраждалих, для яких пряме вимірювання неможливе.

ультрашвидкий доплер Надзвичайно покращує чутливість класичного доплерівського ультразвуку, дозволяючи досліджувати судини меншого калібру. Надшвидкий каденс забезпечує кращу чутливість і дозволяє спостерігати судини, в яких кровотік вже недостатньо швидкий, щоб виміряти його за допомогою звичайного доплерівського дослідження. Таким чином, він є новим методом досліджень in vivo динаміки судинної мережі, від найбільших судин до судин меншого калібру, при яких відбувається нервово-судинне зчеплення (інтерфейс між артеріолами та нейронами). Цей інструмент, зокрема, може запропонувати нові способи функціонального дослідження та оцінки заходів при нервово-судинних патологіях. Доказ концепції вже надано, і його клінічне використання для оцінки функції мозку у новонароджених, як очікується, розвиватиметься в найближчі роки.

Супер-роздільна здатність також дозволила розробити метод ультразвукової мікроскопії, який забезпечує засоби для оцінки мережі людських капілярів, діаметр яких становить лише кілька мікронів, глибина - кілька сантиметрів і неінвазивна. При такому підході газові мікробульбашки, створені ультразвуком, дозволяють хвилям відбиватися у всіх напрямках. У поєднанні з надшвидким захопленням, цей підхід в будь-який час виявляє положення кожного незалежного міхура, забезпечуючи картографування мікросудин до мікроскопічного масштабу з поверхні тіла. Є багато перспектив у дослідженнях у галузі неврології, онкології, діабету (де залучення мікросудин є основною проблемою) або в області серцево-судинної системи. Інтерес цього підходу полягав би у вдосконаленні розуміння ранніх патофізіологічних механізмів, які в даний час виявляються лише на більш просунутій стадії захворювання, на рівні найбільших судин.

Назустріч новим терапевтичним застосуванням

Розробляється кілька інноваційних терапевтичних підходів, що використовують різні типи ультразвукових хвиль:

У галузі психіатрії хвилі, потужність яких є проміжною від тих, що використовуються у візуалізації та терапії, можуть дозволити нейромодуляція ультразвуком, як альтернатива транскраніальній магнітній стимуляції (ТМС), яка зараз використовується при лікуванні лікарсько-стійкої депресії.

Крім того, як і те, що вже практикується з літотрипсією ниркових каменів, поєднання діагностичного та терапевтичного ультразвукового дослідження через один і той же пристрій є підходом, що розробляється для спостереження та лікування патологій серцевих клапанів та аортального стенозу, пов’язаних з їх кальцифікацією: цей підхід можливо знайдіть кальциновані ділянки та одночасно застосовуйте ударні хвилі для їх знищення. Доказ концепції був наданий дослідниками з Інституту Ланжевена і призвів до створення стартапу (Cardiawave). Цей метод може стати простою неінвазивною альтернативою звичайній хірургії, яку важко виконувати людям похилого віку (які становлять більшість зацікавлених пацієнтів). Плануються перші клінічні випробування. Подібний підхід також розроблений при лікуванні венозних тромбів (флебіт).

Нарешті, доставка препарату до тканин-мішеней - це новий терапевтичний підхід із використанням ультразвуку опосередковано: мікрокапельки, що містять інкапсульований препарат, надходять у кров. Коли продукт потрапляє до цільової тканини, явище кавітації, пов’язане з бульбашками газу, створюваними ультразвуком, використовується для вивільнення препарату. Цей підхід особливо вивчається у галузі лікування раку, де метою є обмеження токсичності, пов’язаної з лікуванням здорових клітин, при оптимізації терапевтичної активності на рівні пухлини.

Цей підхід також цікавий для того, щоб зробити певні тканини більш доступними для наркотиків, зокрема для дозволяють проходити гематоенцефалічний бар’єр (BHE). Ця структура, роль якої полягає в обмеженні проходження токсинів із кровообігу до мозкової тканини, ускладнює лікування захворювань центральної нервової системи (зокрема пухлин). Завдяки механічним коливанням, які вони викликають, ультразвукові хвилі можуть тимчасово пронизувати ВВВ, дозволяючи проходження наркотиків. Локалізоване надання лікування (біотерапія, генна терапія) за допомогою ультразвуку, пов’язане з візуальним оглядом за допомогою МРТ, в даний час є предметом роботи у тварин. Це забезпечить неінвазивну процедуру лікування певних патологій мозку.