Трехмерная эхография в определении анатомии плода и аномалий его развития

Введение

В последние годы, благодаря появлению ультразвуковой аппаратуры с высокой разрешающей способностью, достигнуты большие успехи в визуализации аномалий развития плода. Тем не менее, остается фактом, что ультразвуковая технология может обеспечить только двухмерное изображение трехмерных структур. Безусловно, с помощью метода двухмерной эхографии в большинстве случаев возможно получение и документирование отдельных плоскостей сканирования, наиболее интересных для пренатальной диагностики. Опытный исследователь, сопоставляя двухмерные изображения может мысленно построить трехмерную модель. Однако проблемы возникают при невозможности получения отдельных двухмерных сканов. Такая ситуация типична при необычном положении плода или при обследовании плодов с комплексом мальформаций, которые должны быть осмотрены в нескольких плоскостях. Другая сложность двухмерной эхографии состоит в том, что даже если исследователь и представит себе трехмерный вид аномалии, сведения о ней приходится представлять будущим родителям только в описательном плане. В настоящее время трехмерная эхография может не только создавать отдельные сканы подобно двухмерной методике, но и воссоздавать полный объем тканей. Этот объемный образ может быть дититально изменен на мониторе с целью воспроизведения перпендикулярных сканов в разных плоскостях, для системного томографического изображения отдельных областей плода. Эта же технология позволяет получить внешний вид или транспарентное ("прозрачное", рентгеноподобное) изображение для реалистической оценки структур плода.

Методики создания обьемного изображения

Еще в начале 1980-х годов [1,2] появились первые сообщения о создании in vitro трехмерного эхографического изображения, но разнообразные технические сложности отодвинули клиническое применение технологии на много лет [3-15].

Для получения объемного изображения применяются два основных технических решения:

1. Пространственная локализация мануального перемещения источника по позиции сенсора [6,7,13,16]. При такой технике отдельные двухмерные сканы дискретно моментарно коррелируются с пространственной ориентацией трансдьюсера и сохраняются в памяти компьютера как соотнесенные с пространственными координатами. В последующем компьютерная программа создает трехмерное изображение по сохраняющимся в памяти пространственно ориентированным сканам. Положительным моментом является возможность сочетания этой методики с любым ультразвуковым диагностическим аппаратом, однако отрицательная сторона заключается в недостаточно качественном изображении, что не позволяет применять ее для рутинных исследований.
2. Использование специального трехмерного трансдьюсера [17-27], соединенного с двухмерным ультразвуковым сканнером со встроенным контролем трехмерного пространства и блоком памяти. Базовый принцип этой технологии заключается в том, что специальный трехмерный сканнер движется в заданном объеме по множеству двухмерных плоскостей и интервалы между этими плоскостями стандартны. Это совершается автоматически за счет смещения датчика мотором внутри трансдьюсерного контейнера. При эндовагинальных исследованиях для получения объемного изображения используются круговые движения трансдьюсера [26,27]. В абдоминальных датчиках трансдьюсер движется по определенной дуге [19,24,25] (Рис. 1 и 2).

При трансвагинальном, точно так же как и при абдоминальном сканировании все сканы обрабатываются и сохраняются пространственно ориентированными в объемной памяти как цифровые сигналы. Эта память может быть в последующем использована для компьютерного анализа, симультантного представления всех плоскостей сканирования внутри создаваемого объема с созданием перпендикулярных плоскостей. Объемная информация может быть также использована для создания изображения поверхностей или транспарентной картины.

Техника исследования

Создание и воспроизведение трехмерного изображения основывается на 5 основных этапах:

1. Получение объемной информации и оценка положения сигнала.
2. Томографический анализ отдельных секционных изображений (симультантное представление всех трех ортогональных плоскостей).
3. Обработка объемной информации.
4. Получение транспарентного изображения или поверхностного вида.
5. Оптимизация изображения или его ротация.

Получение объемного изображения

Исследование начинается как и двухмерное конвенциональное эхографическое исследование за исключением того, что используется трехмерный датчик. Первоначально определяется интересующая исследователя область плода и получается В-изображение. Сканирующая коробка регулируемой стороной накладывается на В-изображение по линии получения объемной картины. Выбираются скорость и дуга сканирования и начинается локация объема. В течении 4 сек. заданный объем автоматически сканируется и откладывается в памяти.

Необходимо держать трансдьюсер в одном и том же положении, т.к. положение объема закладывается в память. Таким образом, сканирование должно начинаться в периоды отсутствия двигательной активности плода или при его минимальных движениях. Возможны артефакты, вызванные движением, что ведет к неправильной интерпретации или наложению трехмерных изображений при реконструкции (Рис. 3).

Ортогональные изображения

После того, как собрана и сохранена в памяти информация об объеме, на экране монитора создается изображение в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (Рис. 3 и 4). Плоскость сканирования изображается линией на периферии поля. Может быть наложена графическая модель изображения для указания позиции изучаемой плоскости внутри полученного объема. При манипуляции с изображением путем его ротации исследователь может послойно с высокой точностью изучать структуры плода. При сканировании это удается в любых плоскостях, даже в коронарной и косой, что невозможно при традиционном двухмерном сканировании. В дополнение полученное объемное изображение может быть повернуто на экране, так что зона наибольшего интереса становится максимально доступной. Краниальные, каудальные, правые и левые плоскости могут быть получены только по отношению к исследуемому объекту. Они не требуют длительного выведения на монитор как при двухмерном сканировании, т.к. представляют только наиболее интересный обзор для исследователя при изучении аномальний. Это особенно отчетливо видно при продольных, поперечных или при множестве косых срезов [24]. Эта техника наиболее оправдана при изучении специфических сканов, таких как срединный сагиттальный для определения головы плода или профиля лица. Необходимо сразу указать, что до исследования требуется определить наиболее информативную поверхность для поиска аномалии, например, ретрогнатии (Рис. 5 и 6). Нежелательная косая позиция может легко замаскировать такую аномалию. Сходные условия возникают при определении профиля плода при маловодий (Рис. 7) и точно демонстрируют отсутствие мозговых структур плода (Рис. 8). Одновременное изображение всех трех плоскостей позволяет получить точное представление об объемном предмете [28,29].

Поверхностный вид

Для создания изображения внешнего вида объемное изображение извлекается из памяти и избирательно подается на экран. Необходимые расчеты выполняются компьютером, встроенным в ультразвуковой диагностический прибор.

Для создания качественного поверхностного изображения требуется визуализация объекта в двух плоскостях (Рис. 9), большое количество амниотическои жидкости перед реконструируемой поверхностью. Дополнительные или наслаивающиеся структуры, такие как плацента, пуповина, конечности плода должны быть удалены путем "Декартова уравнения", при котором сохраняются только необходимые детали25 (Рис. 9). Небольшие второстепенные эхосигналы могут быть удалены при изменении порога чувствительности (Рис. 10). После того как желаемый объем был получен во всех трех ортогональных плоскостях и активирован трехмерный датчик, компьютеру требуется около 20 сек. для создания на мониторе изображения, напоминающего скульптуру (Рис. 11). Изображение может быть в последующем улучшено путем изменения яркости и контрастности. Исследователь может изучить изображение с разных точек зрения, поворачивая его на экране монитора. Это позволяет создать наиболее реалистичное впечатление об объемности предмета (Рис. 12).

Трехмерное изображение плода открывает новые возможности в изучении его анатомии (Рис. 11-15) и в определении трудно различимых мелких аномалий [20,22-25,30]. Аномалии поверхности тела плода могут быть достоверно изучены в трех плоскостях. Это особенно важно при диагностике таких аномалий как деформации лица, расщелины губы и неба, низко расположенные ушные раковины, аурикулярные дисплазии, spina bifida, расщепления передней брюшной стенки, мальформации рук и ног (Рис. 16-30). Ротация поверхностного изображения не только усиливает впечатление об объемности, но и более ясно демонстрирует аномалии, сочетающиеся с ангулярными деформациями (например, косолапость). Транспарентное или рентгеноподобное изображение.

Это изображение отличается от поверхностного тем, что объект кажется прозрачным. Эхогенные структуры могут быть представлены на дисплее изолированно за счет отфильтровывания гипоэхогенных структур. Это позволяет получить полный вид скелета плода подобно рентгеновскому изображению (Рис. 31-34) [23-25,31]. Второстепенные наслаивающиеся детали не имеют значения при транспарентном изображении, при котором они автоматически элиминируются. Как и при поверхностном изображении, транспаретное может быть ротировано и изучено с многих точек зрения, что усиливает впечатление о трехмерном объекте в пространстве.

Хранение информации

В связи с большими объемами, мы хранили информацию об объеме и трехмерном изображении на жестком диске Syquest со съемным картриджем 88 Мб.

Преимущества трехмерной ультрасонографии в пренатальной диагностике

Преимуществами трехразмерной ультрасонографии над традиционным двухмерным изображением являются следующие:

1. Способность хранения и воспроизведения полного объема.
• Хранимый объем пригоден для детального послойного изучения во всех трех плоскостях.
• Время обследования пациента может быть сокращено, хранимый объем может быть восстановлен после завершения исследования.
• Объем может быть перманентно сохранен на жестком диске без уменьшения для многократного анализа (включая биометрию плода), точно так же и для ретроспективного анализа с периодичностью в недели, месяцы, годы.
• Объем может находиться на жестком переносном диске картридже для независимого анализа другим исследователем.
• Многократное копирование сохраненного объема представляет прекрасные возможности для обучения и усовершенствования специалистов (например, по биометрии плода, по выявлению специфических аномалий плода).
2. Одновременное изображение.
• Демонстрация третьего изображения, что невозможно при двухмерной технике.
• Уникальная возможность идентификации анатомической поверхности (профиль лица, биометрия).
• Повышение точности волюметрии.
3. Повехностное изображение для исследователя.
• Реалистичное изображение поверхностной анатомии плода.
• Детальная проверка поверхностных структур (например, развитие лица).
• Достоверное выявление или исключение дефектов поверхности.
• Визуализация комплекса аномалий или диагностика мальформаций ассоциированных с ангулярной деформацией.
• Возможность наблюдения плода под разными углами при ротации поверхностного изображения.
4. Изображение плода для будущих родителей.
• Совершенно новый "фотографический" образ структур плода для будущих родителей.
• Потенциальное усиление связей ребенок-родители.
• Лучшая оценка тяжести аномалий плода.
• Большая уверенность родителей в случаях исключения аномалий плода.
5. Транспарентное изображение.
6. Демонстрация плодного скелета представляет возможности для оценки пренатальной "бебиграммы".

При сравнении с двухмерным эхографическим изображением, трехмерная ультрасонография с ее возможностями ортогонального поверхностного и транспарентного изображения представляет новые возможности визуализации плода и диагностики его аномалий [23-25]. С момента перевода изучаемого объема в память возможен точный обзор мельчайших деталей, но, в отличии от двухмерной ультрасонографии, также в коронарных и косых срезах. Объемное изображение можно вращать на экране, что представляет исследователю оптимальные условия для изучения отдельных областей. Это позволяет выбрать отдельные плоскости для биометрии и более точного определения объема [28,29], чем это может быть достигнуто двухмерной эхографией. Наряду с этим повышается точность определения веса плода [32].

Трехмерная эхография - новый шаг в диагностике мальформаций плода, точного определения специфических поверхностей, определения или исключения мелких дефектов (расщелина губы и неба, spina bifida). Появляется возможность проводить точное томографическое исследование областей с комплексом органов, таких как центральная нервная система плода [33]. Способность селективной визуализации мелких аномалий плода открывает новые перспективы в диагностике хромосомных аномалий и различных синдромальных состояний, при которых ранее было невозможно определять мелкие детали.

Более того, рентгеноподобное изображение скелета плода при транспарентной методике открывает новые пути в изучении оссификации и диагностике ее нарушений [23-25,31].

Получение изображения поверхности плода, его внешнего вида открывает драматически новые визуальные возможности для родителей, которые могут увидеть своего ребенка с фотографической точностью. Это может усилить связь мать-дитя [24].

Применимо к диагностике аномалий плода, трехмерная эхография может не только помочь родителям представить природу и тяжесть дефектов плода, но и в отрицательных случаях, демонстрируя нормальные результаты, трехмерная эхография позволяет говорить об этом с большей уверенностью, чем при традиционной двухмерной сонографии [24].

При сравнительном анализе результатов двух- и трехразмерной эхографии Merz и соавт24. при обследовании 458 плодов нашли, что диагностическое значение трехразмерной эхографии выше в значительном числе случаев (294/458, 64,2%). Это было зафиксировано в 46,2% случаев только ортогонального обследования за счет точного топографического изображения требуемого региона и способности опознать осевую плоскость. Когда использовались поверхностное и трансперентное изображение, диагностическое преимущество было зафиксировано в 71,5% (233/326) случаев. Этот высокий процент случаев достигался за счет скульптурно-подобного изображения поверхности плода, способности развернуть объект под различными углами, точность определения размеров дефекта, изображения скелета при транспарентном изображении и четкого портретирования комплекса мальформаций.

Дальнейшие преимущества трехразмерной эхографии объясняются способностью сохранять сведения об исследованном объеме. Способность сохранять и вызывать к повторному использованию полный объем позволяет чаще, чем при двухмерной эхографии проводить повторное считывание информации с других плоскостей даже в случаях ухода пациента от исследователя. Хранящийся объем может быть использован для повторного послойного помиллиметрового исследования этим же или другими исследователями. Возможен и ретроспективный анализ спустя недели и месяцы. Наконец, хранящийся объем, иллюстрирующий специфические аномалии плода, может быть использован для подготовки специалистов.

Проблемы трехмерной ультрасонографии

При проведении трехразмерной ультрасонографии возникают следующие проблемы [24]:

1. Исследователь должен адаптироваться к непривычным размерам и форме датчика для трехмерного сканирования.
2. Движения в период исследования ведут к артефактам изображения.
3. Ориентация при сохраненном объеме может быть затруднена.
4. Трехмерная реконструкция изображения требует относительно много времени, если компьютер содержит большое количество отдельных изображений.
5. Маловодие приводит к ошибкам в реконструкции поверхности.
6. Располагающиеся рядом структуры могут накладываться на изображение и требуется их "удаление" с помощью декартова уравнения до реконструкции объема.
7. Если начальная плоскость сканирования располагается высоко, возможно ложно положительное изображение структурных дефектов.
8. Хранение трехмерного изображения требует больших объемов машинной памяти. Так, хранение одного объема абдоминального трехмерного сканирования требует 5-10 Мб.

Первая сложность трехразмерной эхографии состоит в неизбежном курсе обучения технике. Рутинное применение трехразмерной эхографии заключается в способности исследователя к визуализации необходимой части изображения и быстрого получения объема высокого качества. Качество изображения непосредственно зависит от качества получаемых ультразвуковых сигналов. Другие проблемы возникают при наличии маловодия, которое препятствует получению удовлетворительного изображения поверхности, и изображения движущихся объектов (чаще - головы плода), т.к. движение вызывает появление артефактов в следствии выпадения отдельных срезов. Другая проблема воссоздания изображения возникает при реконструкции поверхности, состоящей из многих плоскостей. Так как реконструкция изображения поверхности из нескольких плоскостей требует 1-2 мин, то изображение, состоящее из 40 образов, требует более 10 мин компьютерного времени.

И, наконец, хранение в памяти компьютера объема требует большого запаса памяти (около 5-10 Мб для одного абдоминального объема), так что затраты на хранение большого числа объемов могут быть достаточно высоки.

Критическая оценка и перспективы

Несмотря на проблемы, существующие в трехразмерной ультрасонографии, признано, что эта технология развилась в плодотворное продолжение двухмерной эхографии и что исследователь, диагностирующий аномалии плода, может применить технологию для селективного анализа подозрительных находок.

Необходимы дальнейшие технические решения, которые позволят ускорить копьютеризирование трехмерного изображения и снизить затраты на хранение информации об исследуемом объеме. Учитывая скорость, с которой трехмерная технология достигла сегодняшнего положения, можно утверждать, что многие проблемы будут решены в ближайшем будущем, что приблизит нас к цели - созданию трехмерного эхографического изображения в реальном масштабе времени. Это может быть достигнуто за счет повышения качества существующей технологии или развития системы линз, помещаемых перед трансдьюсером [34,35].

Список литературы

1. Brinkley, J. F( Muramatsu, S. K., McCallum, W. D. and Popp, R. L. (1982). In vitro evaluation of ultrasonic three dimensional imaging and volume system. Ultrasonic Imaging, 4,126-39.
2. Fredfelt, K. E( Holm, H. H. and PedersenJ. F. (1984). Three dimensional ultrasonic scanning. Acta Radiol. Diagn., 25,237-41.
3. Sohn, C( GrotepaB, J( Schneider, W., Funk, A., Sohn, G., Jensch, P., Fendel, H., Ameling, W. and Jung, H. (1988). Erste Untersuchungen zur dreidimensionalen Darstellung mittels Ultraschall. Z. Geburtsh. PerinaL, 192,241-8.
4. Baba, K., Satch, K., Sakamoto, S( Okal, T. and Shiego, 1. ( 1989) . Development of an ultrasonic system for three-dimensional reconstruction of the fetusJ. Perinat. Med., 17,19-24.
5. Sohn, C Grotepa B, J. and Swobodnik, W. (1989). Moglichkeiten der 3-Dimensionalen LJltraschalluntersuchung. Ultraschall, 10,307-13.
6. King, D. L., King, D. L.Jrand Shao, M. Y. (1990). Three dimensional spatial registration and interactive display of position and orientation of realtime ultrasound images. J. Ultrasound Med., 9, 525-32.
7. Rotten, D( Levaillant, J. M( Constancis, E., Billon, A. C., Le Guerinel, Y. and Rua, P. (1991). Three-dimensional imaging of solid breast tumors with ultrasound: preliminary data and analysis of its possible contribution to the understanding of the standard two-dimensional sonographjc images. Ultrasound Obstet. GynecoL, 1,384-90.
8. Pretorius, D. H. and Nelson, T. R, (1991). Threedimensional ultrasound imaging in patient diagnosis and management: the future. Ultrasound Obstet. GynecoL, 1,381-3.
9. Kratochwil, A. (1992). Versuch der 3-Dimensionalen Darstellung in der Geburtshilfe. Ultraschall Med., 13,183-6.
10. Sohn, C., Stolz, W., Nuber, В., Hesse, A. and Hornung, B. (1991). Die dreidimensionale Ultraschalldiagnostik in Gynakologie und Geburtshilfe. Geburtsh. Frauenheilkd., 51,335-40.
11. Lees, W. R( Gardener, J. E. and Gillams, A. (1991). Three-dimensional ultrasound of the fetus. Radiology, 181,132.
12. Merz, E., Macchiella, (D Bahirnann, F. and Weber, G. (1991). Fetale Fehibildungsdiagnostik mit Hilfe der 3-D-Sonographie. Ultraschall Klin. Prax., 6,147.
13. Kelly, 1. M. G., Gardener, J. E. and Lees, W. R. (1992). Three-dimensional fetal ultrasound. Lancet, 339,1062-4.
14. Kuo, H. C., Chang, F. M., Wu, C. H( Yao, B. L. and Liu, С. Н. (1992). The primary application of three-dimensional ultrasonography in obstetrics. Am. J. Obstet. GynecoL, 166,880-6.
15. Nelson, T. R. and Pretorius, D. H. (1992). Threedimensional ultrasound of fetal surface features. Ultrasound Obstet. GynecoL, 2,166-74.
16. Watkin, K. L., Khalife, S., Nuwayhid, В., Baer, L., Mathur, (S El-Hakim, S. and Diouf, 1. (1993). Three -dimensional reconstruction of freehand abdominal and vaginal ultrasonic images. Ultrasound Obstet. GynecoL, 3 (Suppi. 2), 185.
17. Bemaschek, G. and Deutinger, J. (1993). Voluvision fetaler Fehibildungen. Ultraschall Klin. Prax., 8,154.
18. Steiner, (H Staudach, A( Spitzer, (D Graf, A. H. and Wienerroither, H. (1993). Bietet. die 3-D Sonographie neue Perspektiven in der Gynakologie und Geburtshilfe? Geburtsh. Frauenheilkd., 53,779-82.
19. Kirbach, D. and Whittmgham, T. A. (1994). 3-D ultrasound - the Kretztechnik Voluson approach. Eur.J. Ultrasound, 1,85-9.
20. Lee, A., Deutinger, J. and Bemaschek, G. (1994). Voluvision: three-dimensional ultrasonography of fetal malformations. Am. J. Obstet. Gynecol, 170,1312-14.
21. Merz, E. (1994). Volume (3-D) scanning in the evaluation of fetal malformation. Ultrasound Obstet. GynecoL, 4 (Suppi. 1), 196.
22. Steiner, H., Staudach, A., Spitzer, D. and Schaffer, H. (1994). Three-dimensional ultrasound in obstetrics and gynaecology; technique, possibilities and limitations. Hum. Reprod., 9,1773-8.
23. Merz, E( Bahirnann, F. and Weber, G. (1995). Volume (3-D)-scanning in the evaluation of fetal malformations - a new dimension in prenatal diagnosis. Ultrasound Obstet. Gynecol., 5,222-7
24. Merz,( E Bahimann, F., Weber, G. and Macchiella, D. (1995). Three-dimensional ultrasonography in prenatal diagnosis. J. Perinatal Med., 23,213-22.
25. Merz, E. (1995). Einsatz der 3 D-Ultraschalltechnik in der pranatalen Diagnostik. Ultraschall Med., 16,154-61.
26. Feichtinger, W. (1993). Transvaginal three-dimensional imaging. Ultrasound Obstet. Gynecol, 3,375-8.
27. Merz, E., Weber, G., Bahimann, F. and Macchiella, D. (1995). Transvaginale 3-D-Sonographie in der Gynakologie. Gynakologie, 28,270-5.
28. Gregg, A( Steiner, H., Staudach, A. and Weiner, C. P. (1993). Accuracy of 3-D sonographie volume measurements. Am. J. Obstet. Gynecol, 168,348.
29. Gilja, 0. H( Thune, N., Matre, K., Hausken, T, Odegaard, S. and Berstad, A. (1994). In vitro evaluation of three-dimensional ultrasonography in volume estimation of abdominal organs. Ultrasound Med. Biol., 20,157-65.
30. Steiner,( H Merz, E. and Staudach, A. (1995). 3-D Facing (video). Hum. Reprod., Update (CD Rom).
31. Steiner,( H Spitzer, D., Weiss-Wichert, P. H( Graf, A. H. and Staudach, A. (1995). Three-dimensional ultrasound in prenatal diagnosis of skeletal dysplasia. Prenat. Diagn., 15,373-7.
32. Favre, R( Nisand, G( Bettahar, K., Grange, G. and Nisand, 1. (1993). Measurement of limb circumferences with three-dimensional ultrasound for fetal weight estimation. Ultrasound Obstet. Gynecol, 3,176-9
33. Pilu, G. (1994). Sonography of fetal ventriculomegaly: the never-ending story. Ultrasound Obstet. Gynecol., 4,180-1.
34. Chiba, Y( Hayashi, K( Yamazaki, S( Takamizawa, K. and Sasaki, H. (1994). New technique of ultrasound, thick slicing 3-D imaging and the clinical aspects in the perinatal field. Ultrasound Obstet. Gynecol, 4 (Suppi. 1), 337.
35. Kossoff, (G GrifEths, K. A. and Warren, P. S. (1994). Real-time quasi-three-dimensional viewing in sonography, with conventional, grayscale volume imaging. Ultrasound Obstet. Gynecol, 4,211-16.