Zastosowanie ultrasonografii dopplerowskiej w okulistyce – wprowadzenie

fizyka i astronoma, potwierdzonego empirycznie przez holenderskiego fizyka C.H.D. Ballota w 1844 roku ^{2, 3} . W roku 1880 dwaj francuscy naukowcy i bracia Pierre i Jacques Curie odkryli piezoelektryczność kryształów baru, co dało początek dalszemu rozwojowi świadomego wykorzystywania potencjału dźwięków ⁴ . Ponieważ zachodzi też odwrotność efektu piezoelektrycznego, kryształy te mogą zarówno nadawać, jak i odbierać dźwięk. Urządzenia piezoelektryczne stały się elementem przetworników ultradźwiękowych, w tym głowic do badań ultrasonograficznych ⁵ .

Początkowo sonografia była wykorzystywana w budownictwie oraz przez wojsko w czasie II wojny światowej, a jej rozwój zbiegł się w czasie z rozwojem lotnictwa i marynarki wojennej. Pierwszy skaner B-mode został wykonany w 1951 roku przez Wilda i Reida, a komercyjna produkcja sonografów ruszyła już w 1963 roku ⁶ .

Na początku badania dopplerowskie dotyczyły dużych struktur naczyniowych. W kardiologii pierwsze próby wykorzystania zjawiska Dopplera były podjęte w 1956 roku ⁷ . W 1989 roku amerykański zespół badaczy pod przewodnictwem Ericksona i Hendrixa opublikował pierwszą pracę naukową o wykorzystaniu zjawiska Dopplera w okulistyce ⁸ .

Efekt Dopplera

Ultrasonografia dopplerowska opiera się na zjawisku obserwowanym dla fal dźwiękowych i promieniowania elektromagnetycznego, charakteryzującym się zmianą częstotliwości fali odbitej od ośrodka w ruchu. Tym ośrodkiem jest zwykle ruch krwi w naczyniu. Przetwornik wysyła i odbiera fale dźwiękowe, które są odpowiednio wzmocnione i przetworzone. Różnicę między częstotliwością fali wysłanej (Fw) i fali odbitej (Fo) nazywamy przesunięciem dopplerowskim lub efektem Dopplera (ΔF).

Jego wielkość zależy od częstotliwości Fo, prędkości ośrodka będącego w ruchu (V) i prędkości fali ultradźwiękowej w tkankach (Vt). Zależności między zmiennymi opisuje równanie Dopplera:

(ΔF) = Fw − Fo = 2 × Fw × V/Vt × cos α

Kąt α zwany kątem insonacji (lub kątem Dopplera) określa kąt między kierunkiem fali ultradźwiękowej a osią długą naczynia, która opisuje drogę, po której przemieszczają się krwinki w naczyniu. Gdy przetwornik jest równoległy do naczynia krwionośnego, wartość cos kąta 0º wynosi 1. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, w prawidłowym pomiarze przesunięcia dopplerowskiego należy uwzględnić jego wartość, zmieniając nastawy aparatu. W praktyce używanie bardzo małych kątów może prowadzić do trudności technicznych, ponieważ to ściana naczynia może całkowicie odbić falę, a nie poruszające się krwinki. Dlatego w praktyce klinicznej do oceny przepływów najczęściej stosuje się kąty do 30º. Należy unikać kątów przekraczających 60º, ponieważ w tym przypadku nawet małe błędy oszacowania kąta Dopplera spowodują bardzo duże błędy korekcji. Należy pamiętać, że korekcja kąta insonacji jest ręczna, a nie dokonywana przez sprzęt, dlatego powinna być za każdym razem dopasowana do przebiegu naczynia.

Podstawowe informacje o badaniu USG z użyciem funkcji Dopplera

Obrazowanie metodą kolorowego dopplera (CDI – color Doppler imaging) jest połączeniem standardowych obrazów ultrasonograficznych w skali szarości (tzw. prezentacja B) z informacją o kierunkach poruszających się struktur (najczęściej krwinek), uzyskaną za pomocą obliczenia przesunięcia dopplerowskiego w obszarze pomiarowym nazywanym bramką kolorowego dopplera. Badanie wzbogacone o funkcję dupleks służy także do oceny ilościowej przepływów w obszarze zwanym miejscem próbkowania. Do obliczenia zjawiska Dopplera wykorzystywane są fale dźwiękowe odbite od przepływających elementów morfotycznych krwi, co pozwala na ocenę hemodynamiki krążenia w obszarze badanym, którym jest miejsce próbkowania pokazane strzałką na rycinie 1.

Spektrum przepływu dopplerowskiego jest ściśle zależne od ruchu krwinek w naczyniu. Linia bazowa pokazuje wartość przepływu 0 cm/s. Pod nią uwidoczniony jest przepływ w żyle środkowej siatkówki (CRV – central retinal vein), który odbywa się w kierunku od głowicy (kolor niebieski). Nad linią bazową pokazane jest spektrum przepływu w tętnicy środkowej siatkówki (CRA – central retinal artery; oznaczone kolorem czerwonym).

Wskazania do badania kolorowym dopplerem

Badanie dopplerowskie może być cennym uzupełnieniem badania w prezentacji B, dlatego jego zastosowanie jest bardzo szerokie, obejmujące patologie wszystkich struktur oczodołu, czyli skóry, gruczołu łzowego, woreczka łzowego, gałki ocznej i przestrzeni pozagałkowej (okolicy tarczy nerwu wzrokowego, przedniego odcinka nerwu wzrokowego, przestrzeni wewnątrz- i zewnątrzstożkowej, oraz mięśni prostych okoruchowych).

Rycina 1. Badanie USG w prezentacji B z nałożeniem bramki kolorowego dopplera z funkcją dupleks na przykładzie tętnicy środkowej siatkówki (CRA) i żyły środkowej siatkówki (CRV). W ich obszarze widoczny jest przepływ krwi znakowany kolorem. Zwyczajowo kolor niebieski oznacza przepływ w kierunku od głowicy, czerwony przeciwnie – w kierunku do czoła głowicy. Miejsce próbkowania sygnału ograniczone jest przez dwie równoległe linie w miejscu oznaczonym białą strzałką

Główne zastosowanie obejmuje ocenę przepływów w chorobach naczyniowych, takich jak jaskra, cukrzyca, choroba nadciśnieniowa, vasculitis, kolagenozy, neuropatia nerwu II ^{9, 10} . Inną grupą wskazań są choroby pierwotnie naczyniowe, które mają wpływ na hemodynamikę oka, takie jak zwężenia tętnic szyjnych czy przetoki tętniczo-żylne ^{11, 12} .

Kolejną grupą wskazań są choroby onkologiczne zajmujące struktury oczodołowe, w których ocenia się charakter unaczynienia i stosunek naczyń guza do warstw ścian gałki ocznej ^{13, 14} . Inny wskazaniem – i zarazem częstym zastosowaniem klinicznym – jest wykorzystywanie CDI w monitorowaniu efektów leczenia chorób przewlekłych lub zmian pooperacyjnych oraz zaburzeń w układzie autonomicznym ^{15, 16, 17} . Podstawowe grupy wskazań i ich przykłady pogrupowano w tabeli 1.

Tabela 1. Główne wskazania do badania dopplerowskiego w okulistyce

Parametry służące do oceny dopplerowskiej przepływów w naczyniach pozagałkowych

Ocena badania ma charakter zarówno ilościowy, jak i jakościowy. Z analizy spektrum otrzymuje się wiele wyliczeń, z czego do oceny przepływów w okulistyce najczęściej wykorzystuje się dwa parametry prędkościowe: prędkość maksymalnego przepływu (PSV – peak systolic velocity) i prędkość końcoworozkurczową (EDV – end diastolic velocity). Kolejne dwa – współczynnik oporu przepływu krwi Puercelota (RI – resistive index) i indeks pulsacji Goslinga (PI – pulsatility index) – określają stosunki między parametrami prędkościowymi i są wyliczone przez oprogramowanie ultrasonografu według wzorów:

RI = (PSV − EDV)/ PSV

PI = (PSV − EDV)/TAMAX

Drugi ze wzorów uwzględnia prędkość maksymalną uśrednioną w czasie (TAMAX – time-averaged maximum velocity).

Protokół badania

Przed rozpoczęciem badania ultrasonograficznego zarówno pacjent, jak i badający powinni pamiętać o kilku zaleceniach. Od położenia pacjenta do początku badania powinno upłynąć około 5 minut, co jest warunkiem ustabilizowania warunków krążeniowych. Jest to też czas na rozmowę z pacjentem i udzielenie odpowiedzi na jego pytania. Ponadto należy pouczyć badanego, aby powstrzymywał się od palenia i ćwiczeń przez trzy godziny i od picia kawy lub alkoholu przez 12 godzin przed badaniem. Pacjenta układa się w pozycji leżącej, głowa nie może być odchylona, a nogi skrępowane, aby uniknąć wpływu na powrót żylny. Badany powinien być poinstruowany, aby patrzył prosto podczas zamykania oczu i starał się utrzymywać wzrok w tej pozycji po opuszczeniu powiek. Lekarz powinien siedzieć w stabilnej pozycji, co ma zapobiec zmęczeniu. Dodatkowo musi być utrzymywana stała odległość między sondą a gałką oczną. Nadmierny nacisk na powieki może spowodować zmianę ciśnienia wewnątrzgałkowego, potencjalnie prowadząc do zmian ciśnienia perfuzji, a zatem i prędkości przepływów w naczyniach pozagałkowych ¹⁸ . By zapobiec uciskowi gałki przez czoło sondy, proponuje się zastosowanie porcji żelu do wypełnienia oczodołów, co stanowi rodzaj nakładki, przez którą fala dźwiękowa przechodzi bez zakłóceń (ryc. 2). Ważne jest przyjęcie odpowiedniej pozycji przez lekarza i chorego, ponieważ istotnym ograniczeniem tej techniki jest jej czasochłonność: badanie wszystkich naczyń pozagałkowych zgodnie z przyjętymi standardami może trwać do 30-45 minut.

Rycina 2. Porcja żelu między powiekami a czołem głowicy zapobiega uciskowi gałki ocznej

Rycina 3. Boczna pozycja lekarza podczas badania ultrasonograficznego gałek ocznych

Ważne, aby dłoń trzymająca głowicę była oparta o czoło pacjenta, co jest niezbędne w utrzymaniu jej stabilnej pozycji. Część autorów proponuje pozycję, w której badający siedzi za głową pacjenta, a podstawa jego dłoni spoczywa na czole pacjenta ¹⁸ , co naszym zdaniem ogranicza z kolei możliwości oceny tętnic szyjnych. Proponowaną przez nas pozycję badania przedstawiono na rycinie 3.

Rycina 4. Uniwersalne głowice liniowe o częstotliwości pracy 6-15 MHz oraz 8-18 MHz wykorzystywane do badań okulistycznych

Głowice używane do badań USG w okulistyce

Wybór rodzaju przetwornika USG stanowi kompromis między rozdzielczością a głębokością pomiaru: wyższa częstotliwość poprawia rozdzielczość, ale zmniejsza głębokość obrazowania z powodu tłumienia sygnału wiązki. Typowy przetwornik pozagałkowego CDI ma częstotliwość 7,5 MHz, ale częstotliwości sond stosowane w opublikowanych badaniach mierzących przepływ krwi w naczyniach pozagałkowych wahają się od 2 do 13 MHz, a nawet bywają wyższe. Należy pamiętać, że głowica zawsze pracuje w pewnym przedziale częstotliwości, a jej podstawowym zadaniem jest wykonywanie badań w prezentacji B. Włączenie funkcji dopplerowskiej powoduje automatyczną zmianę częstotliwości pracy głowicy, dostosowującą ją do nowych warunków pracy związanej z detekcją naczyń. Przykłady dwóch typów głowic liniowych wykorzystywanych do badań okulistycznych przedstawiono na rycinie 4.

Podsumowanie

Ultrasonografia dopplerowska jest nieinwazyjnym, bezpiecznym i powtarzalnym badaniem, umożliwiającym ocenę prędkości i charakterystyki przepływu krwi w naczyniach zlokalizowanych pozagałkowo i w oczodole. Badanie to jest przydatne w diagnostyce wielu schorzeń okulistycznych o podłożu naczyniowym, zapalnym i onkologicznym. Właściwa metodologia badania i doświadczenie badającego są głównymi czynnikami decydującymi o wiarygodności pomiaru i właściwej interpretacji wyników.