Самоучитель игры на ультразвуке. Часть вторая. Безопасность ультразвука.

[gynlex]

В современной медицине существует 6 методов визуализации:

1. Рентген
2. Компьютерная томография
3. Маммография
4. Методы молекулярной визуализации (PET - позитронная эмисионная томография или SPECT - однофотонная эмисионная компьютерная томография)
5. МРТ - магнитно резонансная томография
6. Ультразвуковая диагностика

Вместе с МРТ ультразвук отличается от других методов визуализации тем, что это неионизирующее излучение. Соответственно доза (полная энергия, поглощенная за время ее выделения) не является ключевым фактором.



Ультразвук не превращает атомы и молекулы в ионы.

Тем не менее ультразвук способен вызывать другие виды биологических изменений:

• тепловые биоэффекты - биологические изменения, связанные с повышением температуры в ткани-мишени.

• нетепловые биоэффекты (их ещё часто называют механическими) - биологические изменения, связанные с действием ультразвука без патологического повышения температуры.

Механические эффекты ультразвука.

Основаны на явлении кавитации.

Кавитация - формирование микропузырьков в жидкости, которая подвергается быстрому изменению давления.

Наглядная модель - работающий корабельный винт.

Ещё раз стоить вспомнить, что звуковая волна - это чередование зон высокого (зон сгущения\сжатия) давления и зон низкого давления (разрежения). Во время разрежения (часть ультразвуковой волны низкого давления) заполненные воздухом структуры быстро расширяются, чтобы затем снова быстро сократиться во время сгущения (зона высокого давления). Процесс аналогичный кипению жидкости.

Эффект кавитации используют в литотрипсии (дробление камней в почках), а так же (немедицинское применение) для очистки металлов.

В ультразвуковой машине существует специальный параметр, отображающийся на боковой панели экрана монитора, позволяющий контролировать возникающие в тканях, подвергаемых воздействию ультразвука, механические эффекты - MI - механический индекс.





MI - индекс безопасности, отражающий сколько энергии передается внутрь пациента во время проведения УЗИ. Этот индекс оценивает вероятность появления кавитации в тканях, подвергающихся воздействию.

Рассчитывается по формуле:



PNP - пик отрицательного давления (точка максимального разрежения ультразвуковой волны), измеренный в МПа

F - частота ультразвуковой волны в МГц

Механический индекс - безразмерная величина.

Не слишком сложная формула. По сути это измерение давления разделенного по времени. Она сообщает пользователю об амплитуде импульса в любое требуемое время. А мы уже знаем, что  амплитуда характеризует тяжесть нарушений, возникающих в среде. Высокие амплитуды импульса приводят к пропорционально более высоким значениям  MI.

Этот индекс основан на предположении, что существует порог для отрицательного акустического давления, после которого возникает кавитация. Однако в настоящее время мы не знаем порога MI , после которого возникает кавитация, повреждающая здоровые ткани.

Считается, что явление кавитации маловероятно в диагностическом акушерском диапазоне 3 - 4 мГц. Порог кавитации in vivo, предположительно, на уровне 10 МПа. В тканях, которые содержат газы после рождения (легкие и кишечник), и в тканях в которые вводились газосодержащие ультразвуковые контрастные вещества, кавитационный порог значительно ниже.

Максимально разрешенный механический индекс для акушерского УЗИ - 1,0

Вернемся к формуле. Большое количество изменений давления за короткий промежуток времени   может привести к разрушительным последствиям. Доктор David A. Toms на своем сайте, посвященном вопросам безопасного применения ультразвука, приводит интересный пример (вольный перевод):

Предположим, мы имеем MI = 1,0 при проведении ультразвукового исследования датчиком с частотой 4 МГц. Достаточно типичные значения при проведении акушерского скрининга во  II триместре беременности (21 - 23 недели). Исходя из уравнения, пик отрицательного давления будет 2 МПа. Соответственно, положительная сторона ультразвуковой волны будет похожа на другую сторону. И разность давлений (между положительным и отрицательным) в целом в половине 4 МГц циклов будет равна 4 МПа. Этот показатель эквивалентен погружению на 400 метров под воду за 1\8 микросекунду. 1\8 микросекунды делает эту аналогию невозможной (это было бы в 10 раз быстрее скорости света), но все это подчеркивает, что колебания давления в пределах ультразвуковых импульсов - большие, быстрые и очень далеки от тривиального восприятия.

В США максимальный MI, разрешенный для использования в диагностическом УЗИ - 1,9. При частоте 5 МГц это соответствует отрицательной амплитуде давления в 4,2 МПа. Ультразвуковые аппараты, производимые в Европе, достигают максимума в 5,5 МПа.

С нетепловыми биоэффектами ультразвука авторы исследования, проведенного в 2006 году (Ang ESBC. Gluncic V. Duque A. Schafer ME. Rakic P, Prenatal exposure to ultrasound waves impacts neuronal migration in mice, Proceedings of the National Acad of Sci, August 2006; 103: 12903-12910. Links) на мышах, связывают его негативное действие на нейроны мозга. Мышей на поздних сроках беременности подвергали воздействию ультразвука частотой в 6,7 МГц (чуть более высокая частота, чем обычно используется для исследования организма человека) продолжительностью от 30 до 420 минут. 335 мышей. Только небольшому количеству нейронов новорожденных мышат удалось занять свое правильное положение. Они остались разбросанными в неподходящих слоях коры головного мозга. В итоге: эпилепсия, шизофрения, аутизм.

Естественно мышь - не человек, структура тела немного другая. Экспозиция ультразвукового воздействия в исследовании достаточно продолжительная. Как и немного другие параметры, используемые в диагностическом ультразвуке. Но результат исследования заставляет задуматься.

И ещё одно немаловажное замечание. Когда мы говорим о нетепловых эффектах ультразвука, мы подразумеваем только возможное появление эффекта кавитации. Но существуют и другие нетепловые эффекты. Например, сложные жидкости (кровь - сложная жидкость), под воздействием давления, начинают менять свое движение. В связи с отсутствием на данном этапе развития науки методологии расчета для анализа этого эффекта в тканях, данный биоэффект не рассматривается в качестве критерия безопасности ультразвукового воздействия.

Тепловой эффект ультразвука.

Тепловой индекс (TI) - второй индекс безопасности, предложенный к использованию для предупреждения возможного нагревания исследуемых тканей во время проведения УЗИ.  Описывает потенциал ультразвукового луча по повышению температуры среды на пути луча.

TI - это отношение акустической мощности используемой ультразвуковой машиной к мощности, необходимой для повышения температуры тканей на 1 градус.

TI = 0,8 означает, что ткань может максимально нагреться на 0,8 градусов при использовании установленных условий подачи ультразвука.

Неблагоприятные тепловые эффекты для человеческого тела могут быть исключены при температуре вплоть до 38,5 градусов. Температура выше 41 градуса останавливает деление клеток и вызывает тератогенные эффекты у экспериментальных животных в зависимости от времени воздействия.

В настоящее время мы не можем ответить при каких условиях во время диагностического УЗИ произойдет нагревание тканей безопасное для пациента.

Имеет значение то, какой из режимов сканирования используется. В зависимости от режима изменяется интенсивность ультразвука.

В экспериментах на животных при применении пульсирующего допплеровского исследования определялось увеличение температуры в различных тканях более чем на 5 градусов. Времени воздействия в 30 - 60 сек было достаточно для того, чтобы вызвать данный эффект.

При использовании режима допплера высокая акустическая мощность сосредоточена на конкретном участке, поэтому интенсивность значительно выше, чем при стандартных ультразвуковых исследованиях. Хорошим примером является использование допплерографии средней мозговой артерии для выявления анемии плода.

Имеет значение и то, через что проходит ультразвуковая волна. Кость поглощает гораздо больше звуковой энергии, чем мягкие ткани, поэтому мягкие ткани, расположенные непосредственно на границе с инсонируемой (подвергающейся действию ультразвука) костью от нее вторично нагреваются. Примерно то же происходит в микроволновой печи, если в нее поставить чашку с едой на короткое время.

Кроме того всегда следует помнить, что при проведении трансвагинального ультразвукового исследования имеет место нагревание рабочей поверхности трансдьюсера (ультразвукового датчика).

Были определены 3 варианта TI:

• Тепловой индекс для мягких тканей (TIS).
• Тепловой индекс для кости (TIB), который используется когда кость располагается непосредственно возле лучевого фокуса.
• Тепловой индекс для черепа (TIC), используется при транскраниальном (через череп) исследовании.

Для вычисления каждого из тепловых индексов используются простые формулы.

TIS= W*f*k

TIB=W*k

TIC=W*k

W - акустическая мощность, измеренная в воде.

f - частота

k -  коэффициент, который характеризует все параметры используемой модели. TIB и TIC не зависят от частоты.

Максимально допустимые значения выходной акустической мощности (интенсивности). Вспоминаем пример с опилками и солнечным светом в первой части:



В 1976 году значение верхнего предела допустимой интенсивности было установлено на достаточно низком уровне - 94 мВт\см2. По мере совершенствования технологий, четкости изображения и возможностей допплера требуется все более и более высокая мощность ультразвуковой машины.

В 1992 году FDA увеличило допустимую интенсивность для ультразвуковых машин до 730 мВт\см2. Почти в 8 раз выше.

Исследование 2007 года показало, что средний TI больше 1,0 может произойти во время допплеровского УЗИ и, в частности, при импульсивно-волновой допплерографии.

Данные о безопасности воздействия ультразвука на плод, как правило, обнадеживают. В заявлении о безопасности  ISUOG (International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology) 2000, 2002, 2003 гг. говорится: « Основываясь на доступной в настоящее время информации, можно сделать вывод о том, что рутинное УЗИ для каждой беременной женщины в режиме реального времени В-mode не противопоказано. Наибольший риск повреждения плода, тератогенных эффектов имеет место в первом триместре беременности…Время экспозиции и выходная акустическая мощность должны быть минимальными для получения необходимой медицинской информации и должны ограничиваться строго медицинскими целями. Не следует продлять исследование для исключительно развлекательных целей».

Большинство исследований по теме безопасности ультразвуковых исследований для плодов были проведены до 1990 года (в период машин с относительно низкой выходной мощностью). Кроме того, акушерский ультразвук в то время выполнялся не так часто, как в современном мире. Учитывая более высокие уровни энергии, генерируемые современными ультразвуковыми машинами, новые рандомизированные исследования чрезвычайно оправданы, но теперь это гораздо сложнее осуществить, потому что рутинное использование УЗИ в акушерстве де факто стало стандартом наблюдения и лечения во всех странах Европы и Америки.

Хотя это не имеет прямого отношения к ультразвуковому исследованию, но стоит задуматься о том, что порог боли в слышимом диапазоне составляет примерно 130 дБ, что соответствует интенсивности 1 мВт\см2. Возвратитесь к таблице максимально допустимых значений выходной акустической мощности. Ультразвук в диагностических частотах полностью блокируется воздухом и, следовательно, не представляет опасности для слуха ни оператора ультразвуковой машины, ни пациента. Но ребенок внутриутробно находится совершенно в другой среде. Он «плавает» в околоплодных водах.  Во время своего изучения подводной передачи сверхзвуковых волн, Лангевин описал разрушение стаи рыб и болезненные ощущения после того, как он поместил руку в резервуар с водой. Не задумывались ли вы, может ребенку больно?

Возвращаясь к тепловому индексу.

TIC используется только при транскраниальных исследованиях. TIS  и TIB  демонстрируются при всех других видах исследования. Большинство акушерских УЗИ используют при своем проведении вариант TIS ( мягкие ткани). Но при некоторых видах исследований, например, изучении мягких тканей лицевого черепа, глаз или грудной клетки, TIS - типичный показатель, но, учитывая близкое расположение костей, которые случайно могут подвергнуться воздействию и вызвать вторичное нагревание рядом расположенных тканей (МОЗГ!), TIB - наиболее подходящий. Поэтому врач должен быть способен изменить типовое изображение, которое автоматически выбирает ультразвуковая машина.

В настоящее время тепловой и механический индексы являются требованиями  ODS (output display standart) и позволяют врачу контролировать ход исследования и вовремя внести соответствующие коррективы. И это особенно актуально при проведении акушерских исследований.







К сожалению, уровень знаний врачей о безопасности ультразвука достаточно низкий, не говоря уже об информированности пациентов.

В ходе европейского врачебного опроса среди специалистов УЗИ в 2005 только 22% смогли объяснить, что такое  ТI, 11%, что такое  MI. И только 28% смогли найти эту информацию на экранах мониторов.

Аналогичный опрос среди врачей США показал сопоставимые цифры: 17,7% дали определение TI, 3,8% -  MI, и 20,8% смогли найти показатели на своих ультразвуковых машинах.

Практическая рекомендация для врачей УЗИ:

Безопасность во время исследования полностью зависит от специалиста, проводящего УЗИ и может быть достигнута только при соблюдении радиологического принципа  ALARA ( As Low As Reasonably Achievable) - минимально возможная продолжительность при минимально возможной экспозиции ультразвука необходимой для получения диагностической информации.

Ещё несколько правил, основанных на европейских рекомендациях:

• Для машин с дисплеем, отражающим значения термального и механического индексов, оператор должен постоянно следить за их значениями и использовать преднастройки для максимального соответствия данных индексов (сверяться с рекомендуемыми производителем табличными значениями индексов и временем исследования).
• Допплер для исследования сердца плода. Уровень мощности , используемый для исследования сердца плода, низкий. Это исследование не противопоказано по соображениям безопасности даже при необходимости длительного исследования.
• Использование диагностического УЗ оборудования в недиагностических целях. Недиагностические цели: повторные сканы для обучения специалистов, демонстрации возможностей оборудования и создания «сувенирных» изображений или видео плода. Рекомендуется максимально низкий уровень TI и МI - эти сканы сканы не должны проводиться в первом триместре, если единственной их целью является получение «сувенирных» изображений.
• При УЗИ плода в 11 - 13+6 недель гестации допплеровские режимы (спектральный, энергетический и цветное допплеровское картирование) не должны использоваться при рутинном УЗИ. Допплеровское исследование может быть использовано по медицинским показаниям, как например, уточнение риска трисомии плода. В случае проведения допплеровского исследования термический индекс должен быть менее 1,0 и время исследования должно быть максимально коротким (обычно не более 5 - 10 мин.) и не должно превышать 60 минут.

Ключевые моменты для пациенток:

1. Пациенты должны быть информированы об ограничениях УЗИ (как в плане ограничения метода как способа диагностики, так и в плане безопасности исследования).
2. Не все аномалии плода могут быть выявлены пренатально.
3. Существует риск ложной интерпретации.
4. УЗИ может быть причиной неоправданного вмешательства.
5. УЗИ может повышать уровень тревожности пациентки и ее семьи.
6. УЗИ может создавать ложную уверенность в нормальном течении беременности и мотивировать к отказу от других методов диагностики.