عنوان مقاله: آلتراسوند فوق‌سریع: جهشی بزرگ در آینده تشخیص‌های پزشکی

مقدمه: آلتراسوند؛ فناوری تحول‌آفرین در پزشکی

در دنیای ابزارهای پزشکی، آلتراسوند (فراصوت) همواره یک فناوری پیشرو و تحول‌آفرین بوده است [۵۸۴]. این تکنولوژی به لطف قابلیت تصویربرداری بلادرنگ (Real-time)، خواص غیر یونیزه‌کننده (بدون اشعه مضر) و هزینه بسیار پایین‌تر نسبت به سایر روش‌ها، بخش‌های مختلف پزشکی از رادیولوژی و قلب گرفته تا اورژانس و مداخلات درمانی را متحول کرده است [۵۸۶].

در طول تاریخ آلتراسوند، نوآوری‌ها همواره نقش کلیدی داشته‌اند. از قابلیت تصویربرداری بلادرنگ در دهه ۱۹۶۰ تا سیستم‌های چندکاناله در دهه ۱۹۷۰، ابزارهای تحلیل جریان خون (داپلر رنگی) در دهه ۱۹۸۰، و بهبود کیفیت تصویر با تکنیک‌های ترکیب و تصویربرداری هارمونیک در دهه ۱۹۹۰ [۵۹۱-۵۹۳]. هر بار، بلوغ یک فناوری جدید (مانند میکروپروسسورها یا پردازنده‌های سیگنال دیجیتال) راه را برای ورود این نوآوری‌ها به پلتفرم‌های تجاری هموار کرده است [۵۹۴]. با ورود دستگاه‌های قابل حمل در دهه ۲۰۰۰ و کوچک‌سازی گسترده، بازارهای جدیدی مانند پزشکی اورژانس نیز ایجاد شدند [۵۹۷-۵۹۸]. این روند تکاملی در نمودار زیر به خوبی نشان داده شده است [۶۰۴]:

شکل ۱: نوآوری‌های مهم در تصویربرداری آلتراسوند و فعال‌کننده‌های تکنولوژیکی آن‌ها.

آلتراسوند فوق‌سریع: تعریف و جهش بزرگ

امروزه، آلتراسوند در آستانه یک تحول فناورانه بزرگ دیگر قرار دارد: آلتراسوند فوق‌سریع (Ultrafast Ultrasound Imaging) [۶۲۶]. این پیشرفت مرهون نیاز بی‌سابقه صنعت بازی‌های ویدیویی به قدرت پردازش و نمایش بسیار بالا است که منجر به توسعه واحد‌های پردازش گرافیکی (GPU) و CPUهای چند هسته‌ای شده است [۶۲۷-۶۲۸]. این قابلیت‌های محاسباتی موازی عظیم، حالا در دسترس صنعت آلتراسوند قرار گرفته و معماری‌های کاملاً نرم‌افزاری را امکان‌پذیر ساخته است [۶۲۹].

در معماری‌های سنتی آلتراسوند، تصاویر به صورت خط به خط و متوالی بازسازی می‌شوند که نرخ فریم را محدود می‌کند [۶۳۶-۶۳۹]. اما آلتراسوند فوق‌سریع این الگو را می‌شکند:

• تصویربرداری موازی کامل: یک سیستم آلتراسوند فوق‌سریع قادر است به صورت موازی تمام خطوط یک تصویر کامل را تنها با یک ارسال سیگنال پردازش کند [۶۷۵].
• محدودیت جدید: نرخ فریم دیگر به تعداد خطوط بازسازی شده محدود نمی‌شود، بلکه تنها به زمان رفت و برگشت یک پالس واحد در محیط بستگی دارد [۶۷۶].

این تغییر پارادایم، افزایش چشمگیر نرخ فریم را به ارمغان آورده است. برای مثال، نرخ فریم برای تصویربرداری شکمی از ۲۰ هرتز به ۳۸۰۰ هرتز و برای تصویربرداری قلبی از ۱۵۰ هرتز به ۵۰۰۰ هرتز افزایش یافته است [۶۷۸]. این سرعت‌های بالا، امکان مشاهده پدیده‌های گذرا را که قبلاً هرگز با اسکنرهای آلتراسوند تجاری دیده نشده بودند، فراهم می‌کند [۶۸۱].

پشت صحنه آلتراسوند فوق‌سریع: غلبه بر موانع تکنولوژیکی

ورود آلتراسوند فوق‌سریع به عرصه تجاری تنها اخیراً و پس از غلبه بر موانع تکنولوژیکی عمده‌ای میسر شده است [۶۸۵]:

1. نرخ انتقال داده بالا: انتقال مستقیم سیگنال‌های Radio Frequency (RF) خام (غیرپردازش‌شده) از ماژول اکتساب به واحد پردازش، نیازمند نرخ انتقال داده‌ای عظیم (چندین گیگابایت در ثانیه) است [۶۸۸-۶۸۹].
2. قدرت پردازشی بی‌سابقه: واحد پردازش (CPU و GPU) باید به اندازه‌ای قدرتمند باشد که تصویربرداری بلادرنگ را با حجم داده عظیم تضمین کند (مثلاً ۱ تا ۲ گیگافلاپس در ثانیه برای تصویربرداری B-mode معمولی) [۶۹۰-۶۹۱].

معماری آلتراسوند فوق‌سریع با ترکیب قدرت پردازش GPUها و لینک‌های عددی سریع (مانند PCI Express) این چالش‌ها را حل کرده است. این امکان انتقال مرحله پردازش “شکل‌دهی پرتو” (beamforming) – که پرتقاضاترین مرحله در سیستم‌های آلتراسوند است – از سخت‌افزار به نرم‌افزار را فراهم کرده و به موازی‌سازی کامل محاسبات تصویر آلتراسوند منجر شده است [۶۹۴-۶۹۵]. شکل زیر تفاوت معماری را نشان می‌دهد [۷۲۳]:

شکل ۲: مقایسه معماری سیستم‌های آلتراسوند سنتی و فوق‌سریع. پردازش موازی کامل تصویربرداری را امکان‌پذیر می‌سازد.

کاربردهای نوین آلتراسوند فوق‌سریع: فراتر از تصور

آلتراسوند فوق‌سریع دو نوآوری مهم را به ارمغان آورده است که پارادایم‌های موجود را تغییر می‌دهد:

۳. الاستوگرافی موج برشی (Shear Wave Elastography – SWE): آلتراسوند سنتی اطلاعات مورفولوژیک (تصاویر خاکستری) و عملکردی (تصویربرداری جریان خون) را فراهم می‌کرد. اما با قابلیت‌های فوق‌سریع، بعد سومی به آلتراسوند اضافه می‌شود: اطلاعات فیزیوپاتولوژیک از طریق ارزیابی خواص ویسکوالاستیک بافت‌ها (سفتی و ویسکوزیته) [۸۱۵]. این فناوری امکان تصویربرداری از امواج برشی گذرا را در بافت‌های نرم فراهم می‌کند که قبلاً با دستگاه‌های تجاری امکان‌پذیر نبود [۸۳۶].

• اهمیت امواج برشی: امواج فشاری (امواج آلتراسوند) در بافت نرم بسیار سریع‌تر از امواج برشی حرکت می‌کنند (۱۵۰۰ متر بر ثانیه در مقابل ۱ تا ۱۰ متر بر ثانیه) [۸۴۰]. این تفاوت سرعت بسیار زیاد، امکان تصویربرداری از امواج برشی را با استفاده از امواج فشاری آلتراسوند فراهم می‌کند. امواج برشی مستقیماً منعکس‌کننده خواص ویسکوالاستیک بافت هستند [۸۵۰].
• نیاز به سرعت بالا: فرکانس امواج برشی در بافت انسان معمولاً بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ هرتز است [۸۵۳]. برای نمونه‌برداری صحیح از این امواج گذرا، حداقل نرخ فریم مورد نیاز چند هزار هرتز (۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ هرتز) است که تنها با تصویربرداری فوق‌سریع قابل دستیابی است [۸۵۸-۸۵۹].
• تولید امواج برشی: می‌توان امواج برشی گذرا را به روش‌های مختلفی در بدن تولید کرد: ارتعاشات طبیعی بدن (مانند ضربان قلب)، لرزاننده‌های خارجی، و مهم‌تر از همه، نیروی تابش آکوستیک ناشی از پرتوهای آلتراسوند متمرکز (Pushing Beam)[۸۶۳-۸۷۱]. این روش اخیر امکان ایجاد یک منبع موج برشی “مافوق صوت” را فراهم می‌کند که امواج برشی صفحه‌ای را در یک “مخروط ماخ” (مشابه انفجار صوتی) تابش می‌کند؛ این تکنیک به عنوان تصویربرداری برشی مافوق صوت (SSI) شناخته می‌شود [۸۷۵].
• اندازه‌گیری ویسکوالاستیسیته: پس از تولید و تصویربرداری، امواج برشی اطلاعات عمیقی در مورد خواص مکانیکی بافت می‌دهند. نقشه سرعت موج برشی می‌تواند مستقیماً به مدول یانگ بافت مرتبط شود که سفتی آن را کمی‌سازی می‌کند [۹۴۴].

SWE یک حالت تصویربرداری بلادرنگ جدید است که تخمین الاستیسیته بافت را بر حسب کیلوپاسکال (kPa) ارائه می‌دهد [۹۷۳]. این قابلیت هم در تصاویر دوبعدی و هم در تصویربرداری سه‌بعدی حجمی (Volumetric Imaging) پیاده‌سازی شده است [۹۷۷-۹۷۹].

کاربرد بالینی SWE: SWE در حال حاضر برای ارزیابی بالینی در اندام‌های مختلفی مانند سینه، کبد، تیروئید و پروستات در حال ارزیابی است [۱۰۰۲-۱۰۰۳].

• سینه: بهبود دقت تشخیص ضایعات سرطانی و کاهش بیوپسی‌های غیرضروری [۱۰۰۵-۱۰۰۷].
• کبد: ارزیابی دقیق‌تر فیبروز کبد و تشخیص ضایعات کانونی [۱۰۰۵-۱۰۰۷].
• پروستات: بهبود نرخ تشخیص سرطان پروستات از طریق مکان‌یابی دقیق ضایعات [۱۰۲۴].
• قلب: ارزیابی سفتی میوکارد قلب در طول چرخه قلبی [۱۰۳۳].

۴. تغییر پارادایم در تحلیل جریان خون با آلتراسوند فوق‌سریع (Ultrafast Doppler):

آلتراسوند فوق‌سریع همچنین روش‌های مرسوم تحلیل جریان خون (داپلر) را متحول می‌کند [۱۰۳۸]. تحلیل داپلر سنتی از نظر فنی بسیار پرتقاضاست و دارای محدودیت‌هایی است که بر دقت و کارایی کاربر تأثیر می‌گذارد [۱۰۴۰-۱۰۴۱].

• سکانس‌های فوق‌سریع برای داپلر: با ارسال چندین موج صفحه‌ای مایل و ترکیب همدوس پژواک‌های برگشتی، تصاویر آلتراسوند بازسازی می‌شوند که سپس پردازش داپلر بر روی آن‌ها انجام می‌شود [۱۰۴۴-۱۰۴۵].
• افزایش سرعت چشمگیر: این روش امکان اکتساب تصاویر داپلر را ۱۰ تا ۱۵ برابر سریع‌تر از رویکردهای سنتی فراهم می‌کند [۱۰۶۳].
• کیفیت بی‌سابقه: تصاویر جریان رنگی با رزولوشن زمانی و حساسیت بسیار بالایی تولید می‌شوند که قبلاً در سیستم‌های آلتراسوند دیده نشده بود [۱۰۷۱-۱۰۷۲]. این امکان تجسم جریان‌های پیچیده و سریع را فراهم می‌کند که می‌تواند به تشخیص قابل اعتمادتر بیماری‌های قلبی عروقی کمک کند [۱۰۷۲].
• داپلر کمی فوق‌سریع: با معماری فوق‌سریع، اطلاعات کمی جریان خون به صورت همزمان در تمام پیکسل‌های جعبه رنگی (Color Box) به دست می‌آید، که ناسازگاری بین تصویربرداری و اندازه‌گیری‌های کمی را از بین می‌برد [۱۱۳۲].
• بهبود گردش کار پزشک: امکان بررسی پس از اکتساب (retrospective review) کلیپ‌های داده داپلر، مکان‌یابی دقیق قله‌های سرعت، و انجام اندازه‌گیری‌های PW (پالس ویو) در چندین مکان از یک چرخه قلبی، زمان معاینه عروقی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد [۱۱۳۵-۱۱۴۳].

نتیجه‌گیری: آینده‌ای روشن‌تر با آلتراسوند فوق‌سریع

الاستوگرافی موج برشی (SWE) و داپلر فوق‌سریع (Ultrafast Doppler) دو نوآوری بسیار مهم هستند که تنها به لطف قابلیت‌های تصویربرداری آلتراسوند فوق‌سریع امکان‌پذیر شده‌اند [۱۱۴۵]. این‌ها اولین نمونه‌ها از مزایای بی‌شمار دیگری هستند که این معماری می‌تواند به دنیای بالینی بیاورد.

آلتراسوند فوق‌سریع می‌تواند نحوه تصویربرداری از اندام‌های متحرک را متحول کند و پتانسیل زیادی برای کاربردهایی مانند تحلیل دینامیک قلب، اندازه‌گیری سرعت موج پالس در شریان‌ها، و حتی تصویربرداری عملکردی مغز دارد [۱۱۴۸-۱۱۵۲].

شکی نیست که این پیشرفت‌ها، استانداردهای جدیدی را در تصویربرداری آلتراسوند در سال‌های آینده ایجاد خواهند کرد و مسیر را برای نوآوری‌های چشمگیرتر در تشخیص و درمان پزشکی هموار می‌سازند. نوراوید به عنوان یک شرکت پیشرو در این حوزه، متعهد به آوردن این فناوری‌های متحول‌کننده به جامعه پزشکی و درمانی است.