Εισαγωγή

Η τεχνολογική πρόοδος είναι ραγδαία στον χώρο της υπερηχογραφίας. Κανένας πλέον στις μέρες μας δεν μπορεί να φανταστεί την άσκηση της γυναικολογίας και ειδικότερα της μαιευτικής χωρίς την χρήση των υπερήχων . Ωστόσο το κλασσικό δισδιάστατο 2D μοντέλο υπερηχογραφικής απεικόνισης αν και έχει καθιερωθεί πλέον σαν εξέταση στο χώρο της μαιευτικής και γυναικολογικής διάγνωσης, έχει το πρόβλημα ότι δεν μπορεί να απεικονίσει τομές οι οποίες είναι δύσκολο να προσπελαστούν. Στον τομέα αυτό η έρευνα εξελίσσεται καθημερινά με αποτέλεσμα να έχει αρχίσει να παρουσιάζεται μία πιο εξελιγμένη εφαρμογή των υπερήχων , το τρισδιάστατο υπερηχογράφημα (3D). Πρόκειται για μία μέθοδο η οποία μας δίνει τη δυνατότητα της ακριβέστερης μελέτης της ανατομίας , της φυσιολογίας και της παθοφυσιολογίας του εμβρύου της μήτρας.

Ιστορική αναδρομή

Ο Tom Brown στη Γλασκώβη στις αρχές του 1970, ήταν από τους πρώτους ερευνητές που είχε ως στόχο την χρήση ενός τρισδιάστατου μοντέλου υπερήχων στην μαιευτική και γυναικολογία. Το 1973 δημιούργησε το πρώτο πολυεπιπεδιακό υπερηχογραφικό σαρωτή.

Αργότερα , το 1986 στην Ιαπωνία μια ομάδα ερευνητών (Kazunori Baba et al ) έκανε την πρώτη τρισδιάστατη απεικόνιση εμβρύου .

Το 1995 ο Eberhard Merz έκανε βασικές παρατηρήσεις για την αξία της πολυεπιπεδιακής απεικόνισης στο προγεννητικό έλεγχο εμβρυϊκών ανωμαλιών.

Από τότε μέχρι και σήμερα όλο και περισσότερο βελτιώνονται οι τεχνικές και τα μηχανήματα και όλο και περισσότεροι ασχολούνται και ερευνούν το τρισδιάστατο υπερηχογράφημα ώστε πλέον έχει αρχίσει να εισάγεται στην καθημερινή ιατρική πρακτική.

Μειονεκτήματα

Τα προβλήματα τα οποία υπάρχουν κατά την προσπάθεια εφαρμογής του 3Δ υπερηχογραφήματος είναι αρκετά. Συγκεκριμένα δυσκολίες προέρχονται από τη κίνηση του εμβρύου , την ακραία καμπυλότητα και τη διαρκή αλλαγή της κοιλιάς της μητέρας κατά την εγκυμοσύνη και τέλος το μέγεθος του κυήματος στα μέσα και τελικά στάδια της εγκυμοσύνης , το οποίο είναι μεγαλύτερο από εύρος απεικόνισης της κεφαλής του υπερήχου. Τα προβλήματα αυτά ξεπεράστηκαν με την συνεχή βελτίωση παραγόντων όπως τα μέσα λήψης της εικόνας , οι αλγόριθμοι επανακατασκευής της εικόνας , η ισχύς των επεξεργαστών και τέλος η απεικόνιση . Πλέον οι μετρήσεις όγκων – οι οποίες είναι και η αρχή στην οποία στηρίζεται η λειτουργία του 3D υπερηχογραφήματος - μπορούν να γίνουν γρήγορα και αξιόπιστα.

Πλεονεκτήματα

Ένα από τα πλέον σημαντικά πλεονεκτήματα της νεότερης αυτής μεθόδου σε σύγκριση με το δισδιάστατο υπερηχογράφημα είναι ότι η εξέταση απαιτεί πολύ λιγότερη ώρα σάρωσης με τον μετατροπέα, Κατά το δισδιάστατο υπερηχογράφημα ο ιατρός σαρώνει την επιφάνεια της κοιλιάς της εγκύου αρκετές φορές και με διαφόρους τρόπους ώστε τελικά οι δισδιάστατες εικόνες που λαμβάνει να μπορούν στο μυαλό του να συντεθούν σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο. Φυσικά όχι μόνο ο χρόνος σάρωσης είναι μεγαλύτερος στο δισδιάστατο υπερηχογράφημα αλλά και η εξέταση διαρκεί με τον τρόπο αυτό περισσότερο και τελικά ο ιατρός δεν μπορεί να έχει το τρισδιάστατο μοντέλο ανά πάσα στιγμή διαθέσιμο. Με το 3D υπερηχογράφημα απεικονίζεται τρισδιάστατα το έμβρυο και ο ιατρός με μικρό χρόνο εξέτασης μπορεί να έχει πλήρη και συνεχή εικόνα του εμβρύου να πάσα στιγμή. Η αναφορά γίνεται στον χρόνο σάρωσης , δηλαδή τον χρόνο που απαιτείται να είναι παρούσα η εξεταζόμενη μέσα στο δωμάτιο των υπερήχων. Ο συνολικός χρόνος μπορεί να προσεγγίζει ή και να ξεπερνά τον χρόνο του δισδιάστατου υπερηχογραφήματος αφού απαιτείται αρκετή ώρα για την επεξεργασία των δεδομένων.

Και οι δύο εξετάσεις (2D και 3D) έχουν παρόμοιο τρόπο λειτουργίας . Λαμβάνονται τα δεδομένα τα οποία επεξεργάζονται ψηφιακά κι τελικά απεικονίζονται σε μία οθόνη. Ωστόσο το κάθε επί μέρους στάδιο στην όλη διαδικασία έχει ιδιαιτερότητες στην κάθε εξέταση.

Παρακάτω θα παρατεθούν οι τρόποι με τους οποίους λαμβάνονται τα δεδομένα πριν επεξεργαστούν .

Προσέγγιση του οργάνου στόχου και λήψη τομών

Για να επεξεργαστούν τα δεδομένα από τον επεξεργαστή του υπερηχογραφικού μηχανήματος πρέπει να περάσει η κεφαλή ου μηχανήματος πάνω από το μέρος του σώματος που πρέπει να εξεταστεί. Αυτό μπορεί να γίνει είτε μηχανικά είτε με το χέρι του εξεταστή.

Στην πρώτη περίπτωση (internal image aquiring system) υπάρχει ένα σύστημα μηχανικά κατευθυνόμενο το οποίο κατευθύνει την υπερηχογραφική κεφαλή πάνω από το σημείο του σώματος (το κοιλιακό τοίχωμα της ασθενούς στην περίπτωση αυτή) με ταχύτητα και γωνία σταθερή , ώστε οι εικόνες που συλλέγονται να είναι της ίδιας γωνίας τομής και να ισαπέχουν μεταξύ τους . Το σύστημα αυτό στέλνει αυτόματα πληροφορίες για την θέση του στον επεξεργαστή του μηχανήματος και έτσι κάθε τομή εύκολα και χωρίς επιπρόσθετη επεξεργασία εντοπίζεται χωροχρονικά. Υπάρχουν δύο τύποι μηχανικής κατεύθυνσης της κεφαλής . Ο ένας τύπος είναι ο γραμμικός όπου η κεφαλή κινείται κατά μήκος μίας γραμμής και ο άλλος τύπος είναι ο γωνιακός όπου η κεφαλή τοποθετείται πάνω από το έμβρυο και στρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ώστε να λαμβάνονται κυκλικά όλες οι τομές του εμβρύου. Ο δεύτερος τύπος έχει βρει εφαρμογή στο ενδομητρικό υπερηχογράφημα για την απεικόνιση του κυήματος κατά το πρώτο τρίμηνο κύησης με ειδικές για τον σκοπό αυτό κεφαλές.

Υπάρχουν ωστόσο δυσκολίες για την πρακτική της μεθόδου αυτής. Πρόκειται για αρκετά ογκώδη μηχανήματα τα οποία δύσκολά μπορεί ο εξεταστής να χειριστεί και να προσαρμόσει στο κοιλιακό τοίχωμα της ασθενούς.

Στην δεύτερη περίπτωση (free hand tracking) την κεφαλή χειρίζεται ο ίδιος ο εξεταστής και αυτός σαρώνει την υπό εξέταση επιφάνεια. Με τον τρόπο αυτό όμως υπάρχει το πρόβλημα ότι οι εικόνες και τα δεδομένα που λαμβάνονται ούτε ισαπέχουν μεταξύ τους , ούτε αναφέρονται στην ίδια γωνία τομής. Αυτό συμβαίνει γιατί το ανθρώπινο χέρι δεν έχει την ακρίβεια που μπορεί να έχει ένα μηχάνημα. Το πρόβλημα αυτό έχει ξεπεραστεί με την τοποθέτηση στην κεφαλή μίας ειδικής συσκευής η οποία λειτουργεί ηλεκτρομαγνητικά και αποστέλλει σήμα για την εκάστοτε θέση της κεφαλής στον χώρο. Έτσι ο επεξεργαστής έχει την δυνατότητα να αναγνωρίζει και να αντιστοιχεί την κάθε τομή ανάλογα με τη θέση της κεφαλής στο κοιλιακό τοίχωμα και την γωνία της ως προς αυτό. Συνεπώς ο εξεταστής αρκεί να περάσει μια φορά την κεφαλή αργά και σταθερά πάνω στο κοιλιακό τοίχωμα. Για την τεχνική αυτή δεν είναι αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί ειδικό μηχάνημα για 3D απεικόνιση. Η συσκευή του εντοπισμού της κεφαλής προσαρμόζεται στη υπερηχογραφική κεφαλή του δισδιάστατου υπέρηχου και τα δεδομένα από αυτήν αντί να αποστέλλονται στον επεξεργαστή του ίδιου μηχανήματος αποστέλλονται σε άλλον υπολογιστή ο οποίος τελικά αφού κάνει την επεξεργασία προβάλει την εικόνα στο αρχικό δισδιάστατο υπερηχογραφικό μηχάνημα.

Και στις δύο περιπτώσεις η ταχύτητα σάρωσης προδικάζει και την ποιότητα απεικόνισης. Όσο πιο αργά γίνεται η σάρωση τόσο πιο πολλές τομές λαμβάνονται και επεξεργάζονται με αποτέλεσμα να προβάλλονται και πιο ευκρινείς εικόνες. Σε περίπτωση που ο εξεταστής προτιμά μία λήψη που να μην αλλοιώνεται από κινήσεις μπορεί να διαλέξει και μία πιο γρήγορη σάρωση. Αυτό συμβαίνει κατά την απεικόνιση του εμβρύου . Αντίθετα κατά την απεικόνιση της μήτρας ή όταν το έμβρυο είναι σχετικά ακίνητο η σάρωση γίνεται αργά.

Επεξεργασία των δεδομένων

Από την στιγμή που γίνονται οι τομές αυτές τα δεδομένα αυτομάτως ψηφιοποιούνται και αποστέλλονται στον επεξεργαστή. Από εκεί τα δεδομένα αναλύονται και επανακατασκευάζονται με τελικό σκοπό την τρισδιάστατη απεικόνιση. Υπάρχουν δύο μέθοδοι επανακατασκευής της τρισδιάστατης εικόνας. Στην πρώτη οι πληροφορίες από τις 2D τομές εκτιμώνται και υφίστανται επεξεργασία ώστε αφαιρούνται τα στοιχεία εκείνα που δεν είναι απαραίτητα για την συγκεκριμένη απεικόνιση που ενδιαφέρει τον εξεταστή. Η αξία της μεθόδου αυτής έγκειται στο ότι ο όγκος των δεδομένων που μένουν τελικά για να κατασκευαστεί η τρισδιάστατη απεικόνιση είναι μικρός και συνεπώς η επεξεργασία είναι πιο αποτελεσματική. Ωστόσο με τη μέθοδο αυτή υπάρχει ο κίνδυνος να μην χρησιμοποιηθούν στοιχεία τα οποία μπορεί τελικά να είναι σημαντικά για την απεικόνιση. Επίσης στις περισσότερες μαιευτικές εφαρμογές ο διαχωρισμός αυτός των στοιχείων γίνεται από τον ίδιο τον εξεταστή και έτσι καταναλώνεται πολύς χρόνος. Η δεύτερη μέθοδος χρησιμοποιεί όλα τα δεδομένα από τις τομές 2D , τις οποίες χρησιμοποιεί για να δημιουργήσει ένα ογκομετρικό σύστημα βασισμένο σε voxels (στοιχειώδης τρισδιάστατη απεικονιστική μονάδα>voxelbased volumetric data set) . Δεν γίνεται κανένας διαχωρισμός των δεδομένων σε επιθυμητά ή μη και έτσι δεν υπάρχει απώλεια δεδομένων κατά την τρισδιάστατη απεικόνιση. Η τεχνική αυτή παρέχει την δυνατότητα προβολής της εικόνας με αρκετούς τρόπους , αλλά τα αρχεία πληροφοριών είναι αρκετά μεγάλα και δεν μπορεί κανείς να τα χειριστεί σε πραγματικό χρόνο .

Το μέγεθος των αρχείων είναι αρκετά μεγάλο και αποθηκεύεται σε σκληρούς δίσκους της τάξης των GB. Από εκεί και μέρα το αρχείο μπορεί να απεικονιστεί , να επεξεργαστεί περαιτέρω , να αποθηκευτεί για μελλοντική χρήση ή ακόμα και να αποσταλεί ηλεκτρονικά σε άλλο μέρος.

Απόδοση των δεδομένων (dataset rendering)

Μετά από την επεξεργασία πρέπει να γίνει η απόδοση των πληροφοριών σε εικόνα. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι απεικόνισης αλλά οι σημαντικότεροι είναι η επιφανειακή απόδοση (surface rendering) και η αποδόσεις όγκων (volume rendering) και η πολυεπιπεδιακή απεικόνιση (multiplanar display). Η επιλογή της τεχνικής απεικόνισης εξαρτάται από το αντικείμενο της εξέτασης και από τη μέθοδο με την οποία έχουν επεξεργαστεί τα στοιχεία στην κεντρική μονάδα του υπερηχογραφικού μηχανήματος.

Επιφανειακή απόδοση (surface rendering)

Η επιφανειακή απεικόνιση είναι η μέθοδος που γίνεται πιο εύκολα αντιληπτή και κατανοητή τόσο από τους ιατρούς όσο και από τους ασθενείς. Με την μέθοδο αυτή απεικονίζονται τρισδιάστατα μοντέλα της εξωτερικής επιφάνειας του κυήματος ή των οργάνων αυτού. Για να γίνει η απεικόνιση αυτή πρώτα γίνεται ένας διαχωρισμός και τμηματοποίηση των voxel που υπάρχουν ψηφιοποιημένα στο αρχείο ώστε καθένα να ανήκει σε μία συγκεκριμένη δομή του εμβρύου. Αυτό γίνεται με την παρεμβολή του χειριστή του μηχανήματος ή με κάποιον αλγόριθμο του επεξεργαστή. Μόλις καθοριστούν τα όρια κάθε δομής, τότε απεικονίζονται η τρισδιάστατη εικόνα είτε με την μορφή ιστογράμματος είτε ολόκληρη. Για να γίνεται περισσότερο ευκρινής και κατανοητή η εικόνα της επιφάνειας υφίσταται επεξεργασία και παρουσιάζεται σαν να είναι φωτισμένη με κάποια φωτεινή πηγή . Με τον τρόπο αυτό οι σκιές που δημιουργούνται βοηθούν το εξεταστή να διακρίνει καλύτερα τις δομές. Τέλος με την εφαρμογή κάποιων αλγορίθμων στρέψης ο χειριστής μπορεί να στρέψει την τρισδιάστατη απεικόνιση και να δει το αντικείμενο από όλες τις οπτικές γωνίες.

Αποδόσεις όγκων (volume rendering)

Η μέθοδοι απεικόνισης όγκων έγκειται στην προβολή εικόνων στις οποίες απεικονίζεται ολόκληρη η ανατομία του έμβρυο και όχι μόνο της επιφάνειας του. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι προβολής των πληροφοριών αυτών σε εικόνες. Πρόκειται για συνδυασμό της επιφανειακής απεικόνισης με την προσθήκη διαφάνειας στο μοντέλο. Με τον τρόπο αυτό προκύπτει μία τρισδιάστατη επιφανειακή εικόνα η οποία απεικονίζει σαν σε ακτινογραφία και την εσωτερική ανατομία του εμβρύου. Αυτό γίνεται μια ειδική επεξεργασία του αποθηκευμένου τρισδιάστατου μοντέλου ώστε περιοχές με μαλακά μόρια να εικονίζονται λιγότερα έντονα , ενώ για παράδειγμα τα οστά να φαίνονται πιο έντονα.

Το πλέον σημαντικό σε όλες αυτές τις απεικονιστικές μεθόδους είναι ότι μπορούν όλες να αναπαραχθούν με διαφορετική επεξεργασία του ίδιου αποθηκευμένου τρισδιάστατου μοντέλου . Έτσι ο χειριστής μπορεί να λάβει πολλές εικόνες ανάλογα με το τί ακριβώς θέλει να μελετήσει κάθε φορά χωρίς να πρέπει ούτε να διαρκεί πολύ η εξέταση , ούτε να επαναλαμβάνεται.

Πολυεπιπεδιακή απεικόνιση (multiplanar display)

Στην πολυεπιπεδιακή απεικόνιση διαλέγονται τρεις κάθετοι μεταξύ τους άξονες . Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται επίπεδα στις τρεις διαστάσεις . Τομές της τρισδιάστατης εικόνας προβάλλονται σε κάθε έναν από αυτούς. Τα επίπεδα μπορούν να έχουν οποιονδήποτε προσανατολισμό βολεύει τον εξεταστή για να απεικονίσει τις τομές που θέλει. Σημαντικό είναι ότι οι τομές αυτές δεν έχουν παρθεί κατευθείαν από το υπερηχογραφικό μηχάνημα με άμεση σάρωση αλλά είναι τομές που εξάγονται ηλεκτρονικά από το τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο που υπάρχει μέσα στον μνήμη του μηχανήματος. Με την επεξεργασία του μοντέλου αυτού ο κάθε άξονας απεικονίζει μια άλλη διάσταση του οργάνου στόχου . Ο χειριστής μπορεί ταυτόχρονα να βλέπει σε κάθε άξονα διαφορετικό σημείο του κυήματος και με την βοήθεια ενός οδηγού σημείου να είναι σε θέση να τα ευθυγραμμίσει όλα ώστε ένα συγκεκριμένο voxel να απεικονίζεται σε όλες τις διαστάσεις .Αυτό τον βοηθάει όχι μόνο να έχει πρόσβαση σε τομές που κανονικά λόγω αδυναμίας προσέγγισης της κεφαλής δεν θα μπορούσε , αλλά και να ξέρει ανά πάσα στιγμή με την βοήθεια του σεσημασμένου στην οθόνη σημείου που ακριβώς βρίσκεται. Είναι εύκολα κατανοητό ότι η διερεύνηση της ανατομίας της περιοχής γίνεται πολύ εύκολη και προσεγγίσιμη .

Συμπέρασμα

Στις μέρες μας η πρόοδος που γίνεται καθημερινά σε τομείς όπως η επεξεργαστική ισχύς των υπολογιστών , τα ηλεκτρονικά αποθηκευτικά μέσα, οι αλγόριθμοι επεξεργασίας και προβολής εικόνων και τα συστήματα προβολής εικόνων έχουν καταστήσει δυνατή τον προγεννητικό έλεγχο με τη χρήση του 3D υπερηχογραφήματος. Με την κατάλληλη εκπαίδευση η μέθοδος αυτή είναι πολλά υποσχόμενη και μπορεί να συμβάλλει πολλά προς την κατεύθυνση αυτή. Ωστόσο χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ευρύτερα ώστε να μπορούν να εξαχθούν περισσότερα και ασφαλέστερα στοιχεία για την αξία της . Το τρισδιάστατο υπερηχογράφημα με την σημερινή χρήση του ίσως να μην προσφέρει κάτι παραπάνω από τον κλασικό υπερηχογραφικό έλεγχο παρα μόνο την απεικόνιση του εμβρύου στους γονείς , για τους οποίους είναι πολύ ευκολότερο στην κατανόηση και θεαματικότερο. Προσοχή χρειάζεται ώστε η χρήση του να γίνεται για ιατρικούς και όχι εμπορικους λόγους.

Βιβλιογραφία

1. A short History of the development of 3-D Ultrasound in Obstetrics and Gynecology Dr. Joseph Woo
2. Three-dimensional Fetal Sonography Use and Misuse Beryl R. Benacerraf, MD
3. Three dimensional vaginal sonography in obstetrics and gynaecology Ron Maymon et al Human reproduction Update 2000
4. Three dimensional ultrasound experience in obstetrics Ilan E. Timor- Tritsch and Lawrence D. Platt
5. Three dimensional ultrasonography of the embryo and fetus Roger A. Pierson
6. 3D fetal ultrasonography Wesley Lee

Νάστος Κωνσταντίνος, Φοιτητής Ιατρικής Σχολής
Β’ Μαιευτική και Γυναικολογική Κλινική Πανεπιστημίου Αθηνών
Αρεταίειο Νοσοκομείο
Διευθυντής: Καθηγητής Γ. Κ. Κρεατσάς