Historia ultrasonografii – od początków do współczesności

Ciężko dziś sobie wyobrazić diagnostykę medyczną bez nieinwazyjnych i nieszkodliwych badań ultrasonograficznych – USG. Historia ultrasonografii dzieje się na naszych oczach i aż trudno uwierzyć, że jeszcze 50 lat temu podobne narzędzia diagnostyczne były absolutnie niedostępne i trudne do wyobrażenia. Historia ultrasonografu to pasjonująca opowieść o tym jak zamienić odbicia fal akustycznych na widzialny obraz.

Czym jest USG – krótka charakterystyka

Ultrasonograf tworzy obraz narządów wewnętrznych ciała na podstawie echa fal akustycznych (niesłyszalnych i nieszkodliwych ultradźwięków), które odbiły się od tkanek i zostały przechwycone przez ultraczułą aparaturę medyczną.

Jak działa USG?

Sercem ultrasonografu jest głowica USG, która jest zarówno „głośnikiem” emitującym impulsy ultradźwiękowe do wnętrza ciała człowieka, jak i „mikrofonem” zbierającym powracające do głowicy echo (odbite ultradźwięki). Głowica ta również zamienia powracające fale akustyczne na serię impulsów elektrycznych, które są przesyłane do wnętrza aparatu. Ultrasonograf zamienia je następnie na poprawny geometrycznie obraz diagnostyczny na monitorze aparatu.

Historia ultrasonografii i ultrasonografu

Historia ultrasonografii jest pasjonującą opowieścią o nieraz niewielkich zespołach naukowców i inżynierów z całego świata, którzy krok po kroku, początkowo całkowicie analogowo, tworzyli urządzenia zdolne wizualizować wnętrze ludzkiego ciała z wykorzystaniem ultradźwięków. Historia USG to droga od pierwszych badań wykonywanych w wannach wypełnionych wodą, w całkowicie zaciemnionych pomieszczeniach, gdzie jedynie klisza aparatu fotograficznego dokumentowała badanie, aż po współczesne cyfrowe ultrasonografy mieszczące się w dłoni lekarza wyposażonego jedynie w telefon komórkowy!

Podwaliny pod USG – XIX wiek

Podstawą większości współczesnych ultrasonografów jest zjawisko piezoelektryczne, które polega na zamianie impulsu elektrycznego na impuls fal ultradźwiękowych oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne, polegające na zamianie ciśnienia ultradźwięków na impulsy elektryczne. Odkrycie tych zjawisk zawdzięczamy Pierre’owi i Jacquesowi Currie, którzy na początku lat 80. XIX wieku odkryli pierwsze kryształy piezoelektryczne. W przeważającej większości współczesnych głowic ultrasonograficznych znajduje się od kilkudziesięciu do nawet kilku tysięcy takich kryształów.

Pierwsze prace nad ultrasonografem

Ultradźwięki wykorzystywano w medycynie już od lat 40. XX wieku, ale służyły wówczas do eksperymentalnych terapii – garstka wizjonerów próbowała wtedy opracować ultradźwiękowe narzędzia diagnostyczne i napotykała na liczne bariery technologiczne. Ultradźwięki wykorzystywano natomiast w przemysłowych urządzeniach pozwalających badać strukturę elementów metalowych. Tego typu maszyny opracowywano i produkowano na całym świecie już na przełomie lat 40. i 50. i na ich podstawie opracowywano też późniejsze ultrasonografy – rozpoczęła się historia USG jakie dzisiaj znamy.

Pierwsze badanie USG

Można sobie wyobrażać, że pierwsze badanie USG polegało na przyłożeniu takiego przemysłowego detektora do ludzkiego ciała, jednak sprawa jest bardziej skomplikowana. Wczesne próby diagnostycznego wykorzystania USG były przede wszystkim ukierunkowane na diagnostykę nowotworów mózgu i napotykały na niemożliwe do przełamania trudności w postaci zakłóceń wynikających z grubości ludzkiej czaszki. Dopiero w drugiej połowie lat 50. przemiany technologiczne umożliwiły opracowanie urządzeń użytecznych w diagnostyce, a punkt ciężkości badań przeniesiono z mózgu na inne organy. Ówczesne urządzenia wymagały zanurzenia ciała pacjenta w roztworze soli lub wodzie.

Pierwszy ultrasonograf czasu rzeczywistego

Pierwsze ultrasonografy stosowane w praktyce szpitalnej oparte były o lampę oscyloskopową, której obraz świecił przez ułamek sekundy, wymagały badania w ciemności i wiele zależało od wyobraźni lekarza pracującego z USG. Historia USG przyśpieszyła na skutek wprowadzenia ultrasonografów czasu rzeczywistego, w których obraz pojawiał się na ekranie w sposób stały, a pochodził z obracającej się wewnątrz głowicy ultrasonograficznej tarczy z trzema przetwornikami piezoelektrycznymi. Pozwoliło to lekarzowi płynnie przesuwać głowicę po ciele pacjenta i na bieżąco obserwować zmiany w obrazie. Do dziś tego typu badania prowadzi się w lekko przyciemnionych pomieszczeniach.

USG 3D, 4D oraz 5D

Obrazy dwuwymiarowe, gdzie każdy punkt (piksel) obrazu reprezentuje siłę impulsu odbitego od tkanki nazywamy „prezentacją B” od angielskiego „brightness” czyli „jasność”, lub inaczej 2D. Z kolei wizualizacja powierzchniowa, na przykład twarzyczki dziecka w płynie owodniowym matki, złożona jest z setek takich obrazów dwuwymiarowych i nazywana jest prezentacją 3D. Niestety stworzenie obrazu 3D trwało nawet kilkanaście sekund i był to obraz nieruchomy. Dopiero zwiększenie mocy obliczeniowej komputerów umożliwiło rekonstrukcję powierzchniową w czasie rzeczywistym nawet kilkunastu klatek 3D na sekundę. To wrażenie płynności ruchu w czasie dodało więc czwarty wymiar – czas, to USG 4D. Po dodaniu sztucznego oświetlenia i zastosowaniu wyrafinowanych technologii wyostrzania i rekonstrukcji obrazu, obrazy płodu widzimy w tak realistycznej jakości, że możemy nawet mówić o kolejnym poziomie technologii, zwanym niekiedy „5D”.

USG – od kiedy w Polsce dostępny jest ultrasonograf?

Pierwsze USG w Polsce UG-1 zostało opracowane w 1963 roku przez profesora Leszka Filipczyńskiego z Zakładu Ultradźwięków Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk (IPPT-PAN). W PRL diagnostyka ultrasonograficzna opierała się w przeważającej mierze na urządzeniach rodzimej produkcji. W latach 60. powstały maszyny dedykowane m.in. neurologii, kardiologii, okulistyce i otolaryngologii, od początku lat 70. i w latach 80. w IPPT-PAN rozwijane były urządzenia wykorzystujące efekt Dopplera, wymiernie poszerzając gamę diagnostycznych zastosowań USG. Od kiedy w Polsce w 1989 zaszły zmiany ustrojowe w naszych szpitalach zaczęto szeroko korzystać z ultrasonografów produkowanych przez wiodące marki zagraniczne. Od kiedy jest USG, w Polsce rozwijana jest wiedza medyczna związana z obrazowaniem ultrasonograficznym, już w latach 60. zespół IPPT-PAN współpracował ze specjalistami z najważniejszych akademii medycznych w kraju.

Badania USG dzisiaj

Obecnie ultrasonografia osiągnęła wyżyny popularności i dostępności. W Polsce na 120 000 lekarzy nawet 25 000 może korzystać z USG – jest to technika nieinwazyjna, niedroga, powtarzalna i zupełnie nieszkodliwa dla pacjenta. Pozwala na monitorowanie choroby nawet co kilka dni. USG stosowane jest nawet przez paramedyków: fizjoterapeutów, osteopatów, ratowników medycznych. Istnieją całe dziedziny badań diagnostycznych, których nie można wykonać bez ultrasonografu.

Przyszłość ultrasonografii

Obserwujemy teraz dynamiczny rozwój automatycznego rozpoznawania obrazów i wykorzystania sztucznej inteligencji we współczesnych ultrasonografach. Historia USG idzie w kierunku autonomicznej pracy maszyny nad rozpoznawaniem chorób i monitorowaniem terapii. Wzrasta rozdzielczość: współczesne ultrasonografy wykrywają powolne przepływy w kapilarach o średnicy jednej krwinki (!). Również miniaturyzacja osiąga najwyższy poziom umożliwiając ukrycie całego ultrasonografu w obudowie głowicy mieszczącej się w dłoni lekarza. Obraz możemy obserwować na telefonie komórkowym lub wysyłać go przez internet. W przyszłości kobiety będą mogły wypożyczać aparaty USG na czas ciąży i zdalnie łączyć się z lekarzem, który będzie monitorował rozwój płodu.

Podsumowanie

We współczesnej diagnostyce obrazowej możemy mówić o konkurencji trzech technologii: tomografii komputerowej (CT), rezonansu magnetycznego (MRI) oraz USG. Historia tych technologii zdaje się jednak wskazywać na nieustanny rozwój ultrasonografii przy jednoczesnym zatrzymywaniu się tomografii komputerowej, która mocno obciąża pacjenta szkodliwą dawką promieniowania rentgenowskiego. Rozdzielczość ultrasonografów przekracza też tę osiąganą przez tomografy komputerowe (CT) i rezonanse magnetyczne (MRI). Ponadto współczesne USG jest badaniem czasu rzeczywistego, czego nie można powiedzieć ani o CT, ani tym bardziej o MRI. Przemysł ultrasonograficzny stale rośnie, co jest odzwierciedleniem mnogości zalet tego rodzaju diagnostyki.

Bibliografia:

Andrzej Nowicki, Ultrasonografia, wprowadzenie do obrazowania i metod dopplerowskich, Warszawa 2016.

Joseph Woo, A short History of the development of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology [Part 1], [Part 2], [Part 3].