Przeszła długą drogę rozwoju od stadium ciekawostki, poprzez wiele zaniechanych prób jej zastosowania – do powszechnie stosowanej, praktycznej metody diagnostycznej

W1937 roku Karl Theodore Dussik, neurolog i psychiatra z Uniwersytetu Wiedeńskiego, wraz z bratem Friedrichem podjął próbę wykorzystania urządzenia zwanego reflektoskopem w badaniach ludzkiego mózgu. Wyniki kolejnych obserwacji były zachęcające, acz niejednoznaczne. Mimo wszystko w 1942 roku Dussik zdecydował się na ich publikację, starając się wykazać przydatność tej metody we wczesnej diagnostyce guzów mózgu. Szybko jednak się okazało, że entuzjazm badacza nie ma pokrycia w faktach. Udowodniono bowiem, iż w wielu przypadkach zmienność otrzymanego przez Dussika sygnału nie była efektem obecności zmian nowotworowych, lecz pochodziła z różnic w grubości czaszki.

Bracia Dussik, przekonani o swoich racjach, kontynuowali badania już w powojennych Niemczech. Udoskonalali aparaturę i uzyskali pierwsze ultrasonograficzne obrazy już w 1947 roku. Swoją metodę badawczą ochrzcili mianem hiperfonografii. Drzwi do ultrasonografii w medycynie zostały szeroko otwarte, czego najlepszym potwierdzeniem była organizacja, już rok później, pierwszego kongresu poświęconego w całości problematyce wykorzystania ultradźwięków w medycynie.

Bombowe urządzenie

Tymczasem w 1949 roku amerykański lekarz Douglass Howry przy współpracy inżynierów Rodericka Blissa i Geralda Posakony’ego rozpoczął budowę skanera ultrasonograficznego, w którym fale emitowane były pulsacyjnie. Do budowy wykorzystano elementy zwykłego odbiornika radiowego i… radaru lotniczego. Po roku prób, drobnych sukcesów oraz niepowodzeń, posługując się kamerą 35 mm, dokonano pierwszej w historii fotograficznej rejestracji obrazu przekroju ciała uzyskanego za pomocą ultrasonografu. Ograniczeniem skonstruowanego urządzenia była możliwość obrazowania tylko struktur prostopadłych do wiązki ultradźwięków. Dlatego też po kolejnych dwóch latach prób, w 1951 roku, Howry wraz ze współpracownikami skonstruował złożony skaner ultrasonograficzny. Głowica przymocowana była do drewnianej szyny, wzdłuż której mogła się swobodnie poruszać. Rozwiązanie, choć technicznie skuteczne, wymagało całkowitego zanurzenia zarówno pacjenta, jak i głowicy w wodzie, co nie było najdogodniejszym rozwiązaniem. Stąd kolejne badania, dzięki którym powstał nowy skaner, testowany intensywnie do 1954 roku. Co ciekawe, w trakcie konstruowania skanera Howry sięgnął po elementy z obrotowej wieży, w której oryginalnie montowano działka służące do obrony bombowca B-29, czyli słynnej „superfortecy”! Dokładnie taki typ maszyn został wykorzystany do zrzucenia bomb atomowych na Hiroszimę i Nagasaki.

Howry nie przestawał doskonalić aparatu. W dalszym przebiegu testów pacjenta umieszczano na zwykłym fotelu dentystycznym, który był otoczony półkolistym pojemnikiem. Pojemnik wypełniano roztworem soli, a sama sonda ultradźwiękowa krążyła w tymże roztworze dookoła pacjenta. Osiągnąwszy całkiem zadowalające rezultaty, Howry zastanawiał się nad dalszymi technicznymi rozwiązaniami.

Zdjęcie przeszło bez echa

Tymczasem jesienią 1953 roku szwedzki lekarz Inge Edler wraz z niemieckim fizykiem Hellmuthem Hertzem podjęli udaną próbę zastosowania ultradźwięków w celu diagnostyki wad zastawek serca. Wykorzystując dla swoich potrzeb skonstruowany przez firmę Siemens aparat, tzw. Ultraschall Impulsgerät, wykonali pierwsze ruchome zdjęcia serca, dając tym samym początek światowej echokardiografii. Ich osiągnięcie nie zostało wówczas docenione. Laureat Nagrody Nobla, André F. Cournand, znakomity patofizjolog i jeden ze współtwórców techniki cewnikowania serca, gdy mu zaprezentowano zasady techniki oraz wyniki prac Edlera i Hertza wyraził uprzejme, acz niewielkie zainteresowanie.

Teraz podjęto intensywne próby nad uwolnieniem głowicy, tak aby mogła bezpośrednio stykać się z powierzchnią ciała pacjenta. Sprawa nie była łatwa i dopiero w latach 60. Douglas Howry wraz z Williamem Wrightem i Edwardem Meyerem opracowali skaner, który umożliwiał bezpośredni kontakt sondy z ciałem pacjenta. Później zaś Wright i Meyer – teraz już jako założyciele firmy Physionics Engineering – opracowali pierwowzór skanera z głowicą mieszczącą się w dłoni lekarza wykonującego badanie.

Nie mniej istotnym problemem wiążącym się z techniką USG był sposób uzyskiwania obrazu. Początkowo diagnostyka opierała się na tzw. prezentacji w trybie A (A mode). Polegała ona na kierowaniu fal ultradźwiękowych do badanych struktur i odbieraniu powracających dźwięków w postaci jednowymiarowych wykresów na ekranie oscyloskopu. Pierwsze istotne prace eksperymentalne nad zastosowaniem trybu A podjęli już u schyłku lat 40. George Ludwig oraz Francis Struthers. W 1956 roku szkocki ginekolog i położnik Ian Donald zastosował ten typ obrazowania w badaniach ludzkich płodów. W dwa lata później na łamach czasopisma „Lancet” zaprezentował skuteczność i przydatność tej techniki, którą wykorzystał z powodzeniem w badaniach prenatalnych. Wielu wskazuje właśnie na Iana Donalda jako tego, który faktycznie wprowadził metodykę USG do medycyny.

W tym samym czasie, w 1957 roku, znany już Douglass Howry we współpracy z Josephem Holmesem opracowali zasady obrazowania dwuwymiarowego (B mode). Warto w tym miejscu zaznaczyć, że ogromny wkład do badań nad obrazowaniem ultrasonograficznym miał lekarz Julian Wild, który wraz z inżynierem Johnem Reidem opracował w 1953 roku urządzenie do liniowego obrazowania w trybie B. Wówczas też po raz pierwszy można było za jego pomocą uzyskać obraz w czasie rzeczywistym. I jakkolwiek jakość badań USG pozostawiała jeszcze wiele do życzenia, to nie ulegało wątpliwości, że w ciągu zaledwie dwóch dziesięcioleci nastąpił dynamiczny rozwój. Dwuwymiarowa wizualizacja dała w późniejszym czasie podstawy do rozwoju echokardiografii.

Przełom lat 60. i 70. XX wieku to czas wprowadzenia skali szarości i obrazowania w czasie rzeczywistym. Pokonanie ograniczenia wynikającego z opóźnienia między generacją ultradźwięków a uzyskaniem obrazu było krokiem milowym. Jest to także czas wprowadzenia do ultrasonografii technologii cyfrowej. Pierwsza wieloelementowa głowica elektroniczna zaprojektowana została w 1971 roku przez Nicolasa Boma.

Lata 60. to czas intensywnego rozwoju ultrasonografii dopplerowskiej. U jej podstaw leży zjawisko opisane przez austriackiego fizyka i matematyka Christiana Andreasa Dopplera jeszcze w XIX stuleciu. Początkowo jedyną dostępną opcją w badaniu dopplerowskim był Doppler fali ciągłej. Dopiero 1966 roku Don Baker, Dennis Watkins i John Reid z Seattle rozpoczęli prace nad konstrukcją Dopplera pulsacyjnego. Color Doppler, umożliwiający obrazowanie przepływu w skali kolorów, został zastosowany po raz pierwszy podczas zabiegu chirurgicznego w roku 1985 przez Shinichiego Takamoto. Kolejnym krokiem w obrazowaniu przepływu metodą ultradźwięków było zastosowanie Dopplera mocy (Power Doppler) zaproponowane przez J.M. Rubina w 1994 roku.

Polskie początki

Trudno jest jednoznacznie wskazać na datę narodzin polskiej ultrasonografii. Już 1963 roku przeprowadzono pionierską próbę wykorzystania różnicy w prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w środowiskach o różnej gęstości i sprężystości do celów diagnostycznych u chorych na osteoporozę. Rok później zespół pod kierownictwem prof. Leszka Filipczyńskiego, w skład którego wchodzili m.in. Grażyna Łypacewicz, J. Etienne, J. Sałkowski, opracował i skonstruował ultrasonograf UG-1 (ryc. 1),

Ryc. 1. Prototyp ultrasonografu UG-1.

umożliwiający otrzymywanie obrazów jamy brzusznej. Urządzenie zainstalowano w II Klinice Położnictwa i Ginekologii AM w Warszawie przy ulicy Karowej, kierowanej wówczas przez prof. Ireneusza Roszkowskiego. Był to pierwszy ultrasonograf tego typu w Polsce i zaledwie czwarte tej klasy urządzenie na świecie. Pierwszym planowanym zastosowaniem UG-1 była diagnostyka przedoperacyjna guzów miednicy małej. Badania przeprowadzał wówczas dr Jerzy Groniowski.

W kolejnych latach zespół prof. Filipczyńskiego opracował echoencefaloskop ultradźwiękowy EM-1 do badań diagnostycznych mózgu, a następnie pierwszy w Polsce, a według innych źródeł pierwszy na świecie, oftalmoskop ultradźwiękowy OU-1 przeznaczony do wizualizacji wewnętrznych struktur oka (ryc. 2).

Ryc. 2. Oftalmoskop ultradźwiękowy z instrumentacją do badania oka.