От УЗИ до нейромодуляции. История и перспективы медицинского ультразвука

Ультразвук используется в медицине уже давно и для самых разных целей. Он способен визуализировать структуру внутренних органов и разрушать опухоли, безболезненно проникая глубоко в человеческий организм. Вместе с сотрудниками лаборатории промышленного и медицинского ультразвука (LIMU) физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова рассказываем об основных методах его использования и перспективных разработках в этом направлении.

Как все начиналось

О существовании ультразвука было известно еще в начале XIX в. Причем первые опыты были связаны с исследованиями скорости звука в воде и гидроакустикой — первопроходцем в этом направлении стал швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон, который вместе с французским математиком Шарлем Штурмом измерял скорость звука в Женевском озере.

После того как стало ясно, что существуют звуковые частоты, недоступные для человеческого слуха, ученые задались вопросом: можно ли как-то их использовать? Первый ответ неожиданно пришел из психологии. Выдающийся британский исследователь Фрэнсис Гальтон, который вошел в историю как основоположник ряда направлений в психологии, много занимался исследованием рефлексов у животных и обнаружил, что домашние животные, в том числе собаки и кошки, способны улавливать звуковые волны, недоступные для человеческого уха. Практическим результатом этих исследований стало изобретение первого ультразвукового свистка для «беззвучной» дрессировки. Прибор этот довольно примитивен и ограничен в использовании, тем не менее это первый случай, когда человек смог управлять ультразвуком. А значит, более сложные изобретения ждали своего часа.

Конец XIX и первые десятилетия XX в. ознаменовались бурным ростом промышленности, как следствие — появились новые технологии с использованием ультразвука. После того как в 1880-х гг. была открыта связь между электрическими и звуковыми колебаниями, появились пьезоэлектрические датчики, преобразующие звуковые сигналы в электричество или, наоборот, электрические колебания в ультразвук. Продолжала развиваться и гидроакустика, технологии в этой области широко применялись в Первой мировой войне, в частности для распознавания вражеских подлодок. Чуть позже советский ученый С.Я. Соколов нашел способ ультразвукового сканирования дефектов в металлических конструкциях.

После этих открытий использование ультразвука в медицине стало вопросом времени. Ведь если люди уже научились обнаруживать объекты на расстоянии и видеть незримые глазу дефекты, регистрируя колебания и измеряя скорость ультразвука, то логично поставить вопрос: можно ли таким же образом «сканировать» и человеческий организм? Итогом подобных экспериментов стало изобретение прообраза ультразвукового исследователя (УЗИ) австрийским психиатром и неврологом Карлом Дуссиком, считавшимся в то время главным специалистом по лечению шизофрении. В 1947 г. он измерил интенсивность ультразвуковых волн, проходящих сквозь череп, и, как считал поначалу, определил таким образом местонахождение опухолей головного мозга. Последующие опыты, однако, показали, что вывод ученого был ошибочным: пятна при сканировании возникали не из-за опухолей, а из-за того, что кости черепа в разных местах имеют разную толщину и, соответственно, неравномерно поглощают звуковые колебания. То, что Карл Дуссик принял за патологии, наблюдалось даже на пустом черепе, без всякого мозга. Тем не менее, начало было положено.

В Советском Союзе первый ультразвуковой диагностический аппарат появился в 1959 г. В то время активно изучались возможности применения ультразвука в диагностике — в исследованиях не только мозга, но и организма в целом. Так постепенно в медицинскую практику прочно вошло ультразвуковое исследование (УЗИ), которое теперь считается наиболее доступным и безопасным методом диагностики внутренних органов, оценки состояния сосудов и лимфоузлов, а также контроля развития плода при беременности.

Новые диагностические возможности

Как объяснила «Научной России» Вера Александровна Хохлова, д.ф.-м.н., сооснователь и соруководитель лаборатории промышленного и медицинского ультразвука (LIMU), доцент кафедры акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, технологии УЗИ не стоят на месте: улучшается четкость изображений, появляются новые подходы к получению и обработке ультразвуковых сигналов и, как следствие, новые диагностические возможности.

«Традиционное УЗИ работает на продольных волнах и определяет отличия тканей по плотности и скорости звука (акустическому импедансу). В последнее время широкое развитие получили методы эластографии, работающие не на продольных, а на поперечных (сдвиговых) волнах. С помощью этих методов можно количественно оценивать жесткость тканей, которая сильно изменяется при различных патологиях, например, фиброзе, циррозе или опухолях. Поскольку патологические участки часто жестче окружающих здоровых тканей, этот метод используется врачами для уточнения границ опухоли, а также для прицельной биопсии — изъятия малых кусочков тканей из организма для исследования и постановки диагноза. Так делают, например, при выявлении рака простаты, молочной и щитовидной желез. А при диагностике заболеваний печени эластография даже начинает использоваться как неинвазивная альтернатива биопсии», — рассказала В.А. Хохлова.

Из новейших технологий можно отметить трехмерное УЗИ, которое на базе набора обычных УЗИ-снимков позволяет восстанавливать объемные изображения. Они дают врачу больше информации для точной диагностики. Существуют и методы, которые пока не столь активно применяются в клинической практике, но обладают высоким потенциалом. Как отметила В.А. Хохлова, к таким методам относится ультразвуковая 3D-томография. Этот метод основан не на рассеянии диагностических импульсов, а на их прохождении через исследуемую область и измерении их скорости и затухания. Это особенно эффективно для обнаружения опухолей в мягких тканях — например, молочных железах, в которых маленькие образования трудно обнаружить как классическими методами УЗИ, так и компьютерной томографией, потому что там опухоль может слабо отличаться от здоровой ткани вокруг.

От диагностики к ультразвуковой терапии

Для диагностики используются низкоинтенсивные ультразвуковые волны. Логичным продолжением исследований возможностей ультразвука стал переход к терапевтическим методам. И если с помощью низкоинтенсивных волн можно выявлять различные опухоли и патологии, то используя высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (ФУЗ), можно повреждать или разрушать злокачественные образования. При этом воздействие может быть разным. Как пояснила В.А. Хохлова, неинвазивная ультразвуковая хирургия использует три основных эффекта интенсивного ультразвука: он нагревание, механическое воздействие и кавитацию (пузырьковую активность).

«При тепловой ФУЗ-абляции ультразвуковая энергия фокусируется через кожу в маленькой целевой зоне, например в опухоли. Там эта энергия поглощается, переходит в тепло и нагревает ткань до температуры теплового некроза. В результате злокачественная ткань “сваривается” и перестает функционировать. При гистотрипсии (механическом разрушении ткани) же используются очень короткие и мощные импульсы фокусированного ультразвука, вызывающие пузырьковую активность в опухоли. При этом опухоль механически “перемалывается” на субклеточные компоненты, которые затем выводятся иммунной системой организма», — отметила В.А. Хохлова.

Методы гистотрипсии уже прошли клинические испытания на людях для лечения опухолей печени и выглядят сейчас наиболее перспективными, обладая целым рядом клинических преимуществ по сравнению с другими технологиями. К.ф.-м.н., младший научный сотрудник LIMU и кафедры медицинской физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Екатерина Максимовна Пономарчук рассказала корреспонденту «Научной России» о лабораторных испытаниях метода. Сотрудники LIMU совместно с врачами Медицинского научно-образовательного института (МНОИ) и факультета фундаментальной медицины МГУ им. М.В. Ломоносова подтвердили его эффективность на примере лейомиосаркомы, а также рака предстательной и молочной желез и кишечника.

«Последние результаты мировых исследований показывают, что, помимо прямого механического разрушения опухоли, гистотрипсия способна усиливать противоопухолевый иммунный ответ организма. Обломки раковых клеток высвобождаются и попадают в кровоток, и, как только они перестают быть скрытыми, иммунная система узнает о наличии опухоли в организме и начинает ее атаковать», — отметила Е.М. Пономарчук.

Но ультразвук способен разрушать не только опухоли. Еще с 1980-х гг. для разрушения почечных камней используют метод литотрипсии — когда короткие высокоамплитудные ударно-волновые ультразвуковые импульсы измельчают камни до состояния песка, который затем выводится из организма естественным путем. Как рассказал корреспонденту «Научной России» Сергей Алексеевич Цысарь, к.ф.-м.н., доцент кафедры нанофотоники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, этот метод также активно совершенствуется.

«Недавно был предложен и уже успешно прошел клинические испытания альтернативный метод ультразвуковой литотрипсии, использующий последовательности более длинных, но менее интенсивных ультразвуковых импульсов, что позволяет снизить риск повреждения здоровых структур почки и проводить процедуру без анестезии», — рассказал С.А. Цысарь.

Почему именно ультразвук

Одно из наиболее очевидных преимуществ ультразвука заключается в том, что он позволяет проводить операции без разрезов, что снижает риск попадания инфекции в организм. Еще одним важным преимуществом ученые считают неионизирующую природу ультразвука. Это означает, что ультразвук, проникая в организм, не ионизирует молекулы в живых клетках. То есть он не превращает нейтральные молекулы в свободные радикалы и заряженные ионы, способные разрушать молекулярные связи и нарушать обмен веществ. Соответственно, ультразвук не вызывает и мутаций ДНК, лучевой болезни или развития рака.

Хотя в хирургии активно развиваются малоинвазивные методы — например, с использованием лазера, радиочастотного излучения или экстремального охлаждения (криоабляция), — ультразвук выгодно отличается тем, что является полностью неинвазивным, поскольку может беспрепятственно распространяться в мягких тканях тела человека.

«Ультразвук с легкостью проникает в глубокие области в организме, позволяя визуализировать внутренние органы и воздействовать на них. Однако если на пути ультразвука возникают объекты с резко отличающейся плотностью и скоростью звука (например, кости или воздушные пазухи), ультразвуковая волна отражается от них, что затрудняет визуализацию структур, расположенных за данными объектами, и возможность терапевтического воздействия на них. Такими препятствиями для ультразвука в теле человека выступают, например, кости, черепная коробка, легкие, кишечник», — пояснил С.А. Цысарь.

Однако, к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Алиса Александровна Крохмаль добавила, что терапия головного мозга с помощью ультразвука все же возможна и даже успешно используется в клинической практике.

«Для успешной фокусировки ультразвука в головном мозге используются сложные методы компенсации неоднородностей черепа — их рассчитывают для каждого конкретного пациента, основываясь на данных компьютерной томографии. Но для реализации такого подхода требуются довольно сложные и мощные излучатели, а также дорогостоящий контроль с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), что делает эту методику не такой широкодоступной, как хотелось бы», — отметила А.А. Крохмаль.

Ультразвук и головной мозг

Возможность ультразвуковой терапии головного мозга — один из главных вызовов для ученых, и для этого требуются подходящие излучатели. Но что нужно для их создания? Прежде всего — преодолеть препятствия, которые создают кости черепа на пути ультразвука. Решение этой задачи открыло новые возможности для терапии головного мозга: теперь можно бороться с нейродегенеративными заболеваниями или изменять активность различных отделов головного мозга с помощью нейромодуляции.

По словам А.А. Крохмаль, основная сложность заключается в том, что кости черепа сильно отличаются по своим акустическим свойствам от окружающих их мягких тканей и потому существенно поглощают и искажают ультразвуковой пучок. Существенные потери энергии на пути к области воздействия могут привести к недостаточной интенсивности ультразвука в фокусе для оказания требуемого эффекта. А искажения, вызываемые неоднородными по толщине и внутренней структуре костями черепа, приводят к «размытию» фокуса и формированию горячих точек в нежелательных местах, где потенциально могут повреждаться здоровые ткани. Поэтому сейчас исследуются и разрабатываются методы коррекции искажений ультразвукового пучка.

«Уже сегодня с помощью тепловой ФУЗ-абляции проводятся операции на мозге без вскрытия черепа — например, для лечения двигательных нарушений при болезни Паркинсона, эссенциальном треморе, дистонии. Кроме того, в прошлом году совместно с нашими коллегами-врачами из Международного медицинского центра им. В.С. Бузаева мы показали возможность применения лекарственной терапии для улучшения прохождения ультразвука через кости черепа и проведения успешной операции у пациентов, изначально не подходящих для ультразвукового лечения двигательных расстройств», — рассказала А.А. Крохмаль.

Новые технологии для излучателей

Необходимость создания новых излучателей, в свою очередь, открывает простор для сопутствующих исследований, результатом которых становятся новые научные подходы и технологии, например, в создании многоэлементных ультразвуковых решеток. Как рассказал корреспонденту «Научной России» сооснователь и соруководитель LIMU, д.ф.-м.н., профессор кафедры акустики физического факультета МГУ Олег Анатольевич Сапожников, создаваемое ультразвуковое поле во многом зависит от геометрии и частоты излучателя. Поэтому команда LIMU сейчас активно занимается дизайном излучателей для конкретных клинических приложений, в том числе разработкой многоэлементных ультразвуковых решеток. Кроме компенсации неоднородностей (например, черепа) такие многоэлементные решетки позволяют менять точку фокусировки электронным образом, не перемещая сам излучатель.

«В нашей лаборатории был предложен уникальный метод создания решеток с максимально плотным квазислучайным расположением излучающих элементов. Такой дизайн позволил получать гораздо бóльшую интенсивность в фокусе и подавлять формирование дополнительных горячих точек в нежелательных местах», — рассказал О.А. Сапожников.

Еще одно важное направление при создании излучателей — определение структуры ультразвукового поля, которое планируется создавать. По словам С.А. Цысаря, это необходимо для того, чтобы в процессе терапии не повредить здоровые ткани. Одним из достижений в данном направлении стало развитие метода акустической голографии. Суть его заключается в воссоздании реального волнового поля в любой точке пространства путем измерения характеристик этого поля всего в одной плоскости.

«Метод акустической голографии позволяет с высокой точностью определять реальные параметры ультразвуковой системы. Кроме того, современные разработки ультразвуковой медицинской техники были бы невозможны без численных расчетов сложных нелинейных ультразвуковых полей с помощью методов компьютерного моделирования, которые активно развиваются и используются у нас в лаборатории уже более 30 лет», — отметил С.А. Цысарь.

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники:

Халиуллина А.В., Хайрутдинов Б.И. Ультразвук в медицине 

Курыгин А.А., Майстренко Н.А., Семенов В.В. История ультразвуковой диагностики в хирургии (к 50-летию создания отечественной методики)

Фото: serhii_bobyk, wirestock / фотобанк Freepik; yuyu2000, rawpixel / фотобанк 123RF