В 2017 году мы встречаем новые флагманы в линейке ультразвуковых диагностических приборов компании Mindray – аппараты Resona 6 и Resona 7. Новинки могут похвастаться уникальными и инновационными технологиями, выводящими ультразвуковые диагностические приборы на новый виток развития ультразвуковой диагностической техники.
Данная статья посвящена обзору и возможностям новой платформы ZST+, на базе которой построены аппараты Mindray Resona 6 и Mindray Resona 7.
Перед началом обзора платформы Resona стоит написать пару строк о компании Mindray. Дело в том, что в своей работе мы часто сталкиваемся с мнением, что Mindray – является одним из многих местных (китайских) производителей ультразвуковой техники и не чем не примечательна. Данное утверждение в корне не верно. Что же это за компания – Mindray?
Компании Zonare и Mindray – создатели современной технологии зонного сканирования
Mindray основана в 1991 году, штаб-квартира компании расположена в городе Шенчжен (Китай), в компании работают более 9000 сотрудников по всему миру, в состав компании входят 11 собственных научных центров расположенных в разных странах (центры занимаются исследованиями и разработкой новых технологий и методик, расположены в США (3), Швеции (1) и Китае (7)), а также 22 зарубежных филиала, среди которых и Российский – Mindray Medical RUS. Компания Mindray экспортирует товары более чем в 190 стран мира. Уже несколько последних лет компания Mindray занимает лидирующие позиции (ТОП 3) в таможенной статистике по импорту медицинского оборудования в Российскую Федерацию, существенно оттесняя других гигантов рынка ультразвукового диагностического оборудования. Сегодня Mindray – это компания, которая привносит инновации и развитие в сфере разработки и создании ультразвуковых диагностических приборов будущего.
Платформа ZST+ не является полностью собственной разработкой компании Mindray. Рынок ультразвуковых аппаратов уже видел приборы, созданные по подобной технологии – приборы компании Zonare. Отдельно стоит уточнить, что зонная технология формирования изображения, разработанная в Zonare, была существенно доработана в компании Mindray и, сегодня, значительно отличается от предшественника.
В 2013 году произошло довольно громкое событие среди компаний производящих и разрабатывающих ультразвуковую медицинскую технику – компания Mindray купила Zonare совместно со всеми разработками и технологиями. Компания Zonare была сконцентрирована только на производстве и разработке ультразвуковых аппаратов, штаб-квартира компании расположена в Силиконовой долине (г. Маунтин-Вью). К моменту покупки продукция Zonare поставлялась в более чем в 70 стран мира и более чем 12% дохода инвестировалось на научные исследования и разработку. Компания Zonare, а с покупкой компании и Mindray, обладает более 100 патентами на применяемые технологии по всему миру.
Традиционная технология формирования изображения. Почему традиционная технология ограничивает развитие ультразвуковых систем визуализации
Давайте разберем три основных параметра, неразрывно связанных с качеством ультразвукового диагностического изображения: пространственное разрешение, временное разрешение и однородность тканевой визуализации. Все три параметра тесно связаны между собой и находятся в неком «равновесном положении». Например, более высокое пространственное разрешение увеличит общее количество TX линий (линий построчного формирования изображения), но негативно скажется на временном разрешении изображения. Или при улучшении параметра однородности тканевой визуализации мы получим большее количество фокусных зон, но также значительно уменьшим временное разрешение.
В вопросе получения оптимального для диагностики изображения есть два физических ограничителя: количество физических каналов ультразвуковой системы и частота сканирования. Зависимости очень простые:
- Чем большее количество физических каналов в архитектуре ультразвукового прибора (64, 128, 192, и т.д.), тем большее разрешение мы можем получить. Но данная зависимость не является линейной и последовательное увеличение физических каналов прибора не окажет влияния на качество диагностического изображения.
- Разрешение напрямую зависит от частоты сканирования: чем выше частота сканирования – тем выше разрешение, но тем меньше глубина сканирования.
Описанные выше ограничения можно считать фундаментальными и значительно замедляющими развитие ультразвуковых приборов как класса медицинской диагностической техники. Из-за описанных ограничений, развитие разрешающих способностей ультразвуковой техники остановилось 20 лет назад с разработкой так называемого 3го поколения ультразвуковых диагностических машин, которое пришло совместно с разработкой полностью цифрового цикла сканирования применяющего непрерывную фокусировку ультразвукового луча и секционированный фокус. Если ограничиться обсуждаемой темой (ограничениями в улучшении разрешающих характеристик при построении изображения), то первым флагманом стал Siemens Sequoia 512, и, несмотря на то, что мир увидел данную систему более чем 10 лет назад, в этой «гонке» аппарат Sequoia 512 никто не смог обогнать.
Зависимость разрешающей способности сканирования в зависимости от числа физических каналов прибора и частоты сканирования.
Технология зонного сканирования – это революционный программный подход к сбору и обработке акустических данных, а также формированию диагностических изображений. Подход основан на инновационных методах обработки данных физических каналов прибора и рушит выше описанные барьеры традиционной методики формирования изображений.
В 2011 году, Frost and Sullivan - одна из наиболее авторитетных медицинских консалтинговых компаний назвала зонную технологию сканирования следующим индустриальным стандартом в методе генерации ультразвукового изображения. «На два поколения опережающие традиционную цифровую технологию формирования луча».
Преимущества технологии зонного сканирования Zonare
Традиционная и зонная технология формирования изображения
Традиционная технология и технология зонного сканирования абсолютно различны. Если обратиться к архитектуре строения, традиционная технология использует аппаратный формирователь луча (beamformer), который работает без сегмента памяти перед процессингом формирования изображения. В тоже время, зонная технология имеет в своей архитектуре канал памяти, который хранит оригинальный эхосигнал полностью, и программный процессор для формирования конечного изображения. Если рассмотреть сам процессинг формирования изображения, то традиционный beamformer формирует изображения построчно (линию за линией), тем самым игнорируя до 90% оригинального эхосигнала. Зонная технология, имея в памяти сохраненный оригинальный эхосигнал, применяет программный процессинг, а не физический, что до дает целый комплекс преимуществ:
- Время формирования изображения: зонная технология предлагает скорость формирования изображения в 10 раз быстрее, чем при построчном методе.
- Устройство формирователя луча: Программный процессинг формирователя луча легко обновлять и модернизировать, в отличие от аппаратного beamformer’а.
- Фокусировка луча: зонная технология позволяет отказаться от ограничений фокусировки, поскольку построение изображения происходит с фокусировкой по всей глубине сканирования.
- Скорость ультразвука: зонная технология позволяет провести компенсацию скорости ультразвука в зависимости от типа биологической ткани на уровне формирования изображения.
Технология зонного сканирования ZST+
Взяв за основу технологию зонного сканирования Zonare, ученые и инженеры компании Mindray создали инновационную платформу ZST+, которая и легла в основу создания систем Resona 6 и Resona 7. Обратимся к четырем «краеугольным камням» технологии ZST+.
Метод продвинутого акустического сбора информации (Advanced Acoustic Acqisition), который заключается в извлечении большей информации от каждой итерации сканирования, путем передачи и получения сравнительно небольшого количества отдельных зон сканирования. Данный метод позволяет в 10 раз ускорить время формирования ультразвукового изображения.
При традиционном методе формирования изображения, из-за построчного подхода, тратится в 10 раз большее время на формирование одного кадра изображения. Зонная технология предлагает существенное ускорение, которое критически важно, поскольку освободившееся время в процессе формирования ультразвукового кадра может быть использовано для оптимизации качества и увеличения частоты кадров. Особенно при исследованиях на сердце и 3D/4D реконструкции.
Если обратиться к аналогиям, то метод Advanced Acoustic Acqisition и традиционный метод формирования изображения можно сравнить с фотосъемкой при различной выдержке.
Как следствие, метод Advanced Acoustic Acqisition предоставляет следующие клинические преимущества:
- Чрезвычайно быстрое и точное отображение информации
- Уменьшение артефактов, вызванных движением в зоне сканирования
- Эффективный баланс применения всех ультразвуковых пресетов при исследовании любого типа пациентов
Метод динамичной попиксельной фокусировки луча (Dynamic Pixel Focusing) отвечает за фокусировку ультразвуковых лучей при сканировании. Метод предоставляет уникальную возможность получения однородного ультразвукового изображения с фокусировкой во всем спектре глубины сканирования.
Все современные ультразвуковые системы построены на основе традиционной технологии формирования ультразвукового луча и изображения, в зависимости от аппаратной мощности прибора, пользователю предлагается работа с 1, 2, 3 или 4 фокусами, в то время как метод динамичной попиксельной фокусировки позволяет получить изображения с фокусировкой по всей глубине сканирования.
Как же происходит попиксельная фокусировка? Процесс построения изображения с фокусировкой по всей глубине можно условно разделить на три шага:
- Первый шаг заключается в получении акустических данных в виде нескольких больших зон, которые содержат полный и оригинальный акустический эхосигнал, полученный с каждого физического канала ультразвукового аппарата.
- Второй шаг. Выравнивание фазы (временной задержки) для приведения полученных данных сканирования к одной фазе на каждом повторяющемся пикселе, что позволит в дальнейшем провести когерентный синтез изображения
- Третий шаг. После выравнивания фазы на каждом повторяющемся пикселе, система может реализовать синтез и построение изображения, основываясь на данных эхосигнала (как амплитуды, так и фазы).
Результат работы метода динамичной попиксельной фокусировки луча на специализированном ультразвуковом фантоме
Метод компенсации скорости ультразвука (Sound Speed Compensation (SSC)), обрабатывает данные ретроспективно с помощью различных скоростей ультразвука, что позволяет получить оптимальное тканеспецифичное изображение.
Обычная методика, применяемая в системах с традиционным beamformer'ом, применяет фиксированную скорость ультразвука равную 1540 м/с, что не может быть оптимальным подходом к формованию изображения, так как различные ткани имеют различную скорость распространения ультразвука. Соответственно, данный метод не учитывает специфику скорости распространения ультразвука в различных тканях. В тоже время, технология ZST+, за счет метода быстрого формирования изображения, способна провести построение кадра с адаптивной скоростью ультразвука, оптимизируя изображения по типу сканируемых тканей.
Пример работы метода компенсации скорости ультразвука (Sound Speed Compensation (SSC)) хорошо виден при исследовании на специализированном ультразвуковом фантоме
Метод ретроспективной обработки акустических данных (Total Recall Imaging (TRI)). Система, построенная на архитектуре ZST+, использует сохраненный оригинальный эхосигнал, что позволяет применять целый спектр ретроспективных обработок, а также позволяет пользователю изменять многочисленные параметры визуализации для оптимизации диагностического изображения.
Более того, поскольку хранится полный кадр оригинального эхосигнала, то возможность постпроцессинга изображений также вырастает в разы. В тех случаях, где ранее требовалось провести сканирование заново, теперь достаточно применить соответствующие инструменты, предоставляемые методом TRI.
Новая платформа Resona, созданная на основе технологии зонного сканирования ZST+
Платформа Resona – это прежде всего инновационная основа, благодаря которой становятся технически возможной разработка и использования новых, более сложных технологий для экспертных методик ультразвуковой диагностики. Выход аппаратов Resona в серийное производство позволяет ожидать не только новые инновации в УЗИ диагностике, но и новые возможности для клинических исследований, новые и более производительные решения в оптимизации ультразвукового изображения, новый врачебный инструментарий для анализа диагностического изображения, а также новый уровень комфорта в процессе ультразвукового исследования.