Kontrastmittelverstärkte subharmonische Druckschätzung (SHAPE) mittels Ultraschallbildgebung mit Schwerpunkt auf der Identifizierung portaler Hypertonie
Summary
Ein Protokoll zur nicht-invasiven Abschätzung des Umgebungsdrucks unter Verwendung der subharmonischen Ultraschallbildgebung von infundierten Kontrastmittelmikrobläschen (nach entsprechender Kalibrierung) wird anhand von Beispielen von menschlichen Patienten mit chronischer Lebererkrankung beschrieben.
Abstract
Die nicht-invasive, genaue Messung des Drucks im menschlichen Körper ist seit langem ein wichtiges, aber schwer fassbares klinisches Ziel. Kontrastmittel für die Ultraschallbildgebung sind gasgefüllte, verkapselte Mikrobläschen (Durchmesser < 10 μm), die das gesamte Gefäßsystem durchdringen und die Signale um bis zu 30 dB verstärken. Diese Mikrobläschen erzeugen auch nichtlineare Schwingungen bei Frequenzen, die von der Subharmonischen (die Hälfte der Sendefrequenz) bis zu höheren Oberwellen reichen. Die subharmonische Amplitude steht in einem umgekehrten linearen Verhältnis zum hydrostatischen Umgebungsdruck. Hier wird ein Ultraschallsystem vorgestellt, das in der Lage ist, eine subharmonisch unterstützte Druckschätzung (SHAPE) in Echtzeit durchzuführen. Bei der Ultraschall-Kontrastmittelinfusion wird ein Algorithmus zur Optimierung der akustischen Leistung aktiviert. Nach dieser Kalibrierung haben subharmonische Mikrobläschensignale (d. h. SHAPE) die höchste Empfindlichkeit gegenüber Druckänderungen und können zur nichtinvasiven Quantifizierung des Drucks verwendet werden. Der Nutzen des SHAPE-Verfahrens zur Identifizierung der portalen Hypertonie in der Leber steht hier im Vordergrund, aber die Technik ist in vielen klinischen Szenarien anwendbar.
Introduction
Eine Reihe verschiedener Ultraschall-Kontrastmittel (UCAs) sind weltweit für den klinischen Einsatz in der Kardiologie (insbesondere linksventrikuläre Trübung) und Radiologie (insbesondere Charakterisierung von Leberläsionen bei Erwachsenen und Kindern) zugelassen. 1 Die Sensitivität und Spezifität der Ultraschallbildgebung kann durch intravenöse (IV) Injektion von gasgefüllten Mikrobläschen (Durchmesser < 10 μm) verbessert werden, die von einer Lipid- oder Proteinhülle als UCAs eingekapselt sind, die das gesamte Gefäßsystem durchqueren und die Signale um bis zu 30 dB verstärken. 1 Diese UCAs verstärken nicht nur die rückgestreuten Ultraschallsignale, sondern wirken bei ausreichendem Schalldruck (> 200 kPa) auch als nichtlineare Oszillatoren. Daher werden signifikante Energiekomponenten in den empfangenen Echos erzeugt, die von subharmonischen und harmonischen bis hin zu ultraharmonischen Frequenzen reichen. 1,2 Diese nichtlinearen Signalkomponenten können aus Gewebe- und linearen Blasenechos extrahiert werden (z. B. durch Pulsinversion) und zur Erstellung kontrastspezifischer Bildgebungsmodalitäten wie der subharmonischen Bildgebung (SHI) verwendet werden, die mit der halben Sendefrequenz (d. h. mit f 0/2) empfängt. 3 Unsere Gruppe hat in klinischen Studien am Menschen gezeigt, dass die GKV den Blutfluss in Neogefäßen und Arteriolen nachweisen kann, die mit einer Vielzahl von Tumoren und Geweben assoziiert sind. 4,5,6,7,8,9
Wir haben uns dafür ausgesprochen, UCAs nicht als vaskuläre Tracer zu verwenden, sondern als Sensoren für die nichtinvasive Druckschätzung im Kreislaufsystem durch die Beobachtung subharmonischer Kontrastblasenamplitudenvariationen. 10 Diese innovative Technik, die als subharmonische Druckschätzung (SHAPE) bezeichnet wird, beruht auf der umgekehrten linearen Korrelation zwischen der Amplitude der subharmonischen Signale und dem hydrostatischen Druck (bis zu 186 mmHg), der für die meisten kommerziellen UCAs in vitro gemessen wird (r2 > 0,90), wie in Tabelle 1 zusammengefasst. 10,11 Es ist jedoch zu beachten, dass nicht alle UCAs dieses Verhalten zeigen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass subharmonische Signale des UCA SonoVue (in den USA Lumason genannt) zunächst mit hydrostatischem Druckanstieg ansteigen, gefolgt von einem Plateau und einer abnehmenden Phase. 12 Nichtsdestotrotz bietet SHAPE die Möglichkeit, Druckgradienten im Herzen und im gesamten Herz-Kreislauf-System sowie den interstitiellen Flüssigkeitsdruck in Tumoren nicht-invasiv zu ermitteln. 13,14,15,16,17 Kürzlich haben wir eine Echtzeitversion des SHAPE-Algorithmus auf einem kommerziellen Ultraschallgerät implementiert und den Proof-of-Concept erbracht, dass SHAPE in vivo Druckschätzungen mit Fehlern von weniger als 3 mmHg in der linken und rechten Herzkammer von Patienten liefern kann. 16,17
Die meisten Erfahrungen mit SHAPE wurden bisher mit der Diagnose von portaler Hypertonie gemacht, wobei mehr als 220 Probanden in die Studie aufgenommen wurden und erste Ergebnisse in einer multizentrischen Studie bestätigt wurden. 13,14 Die portale Hypertonie ist definiert als ein Anstieg des Druckgradienten zwischen der Pfortader und den Lebervenen oder der unteren Hohlvene um mehr als 5 mmHg, während die klinisch signifikante portale Hypertonie (CSPH) einen Gradienten oder einen gleichwertigen Gradienten, einen hepatisch-venösen Druckgradienten (HVPG) ≥ 10 mmHg, erfordert. 18 CSPH ist mit einem erhöhten Risiko für gastroösophageale Varizen, Aszites, hepatische Dekompensation, postoperative Dekompensation und hepatozelluläres Karzinom assoziiert. 18,19 Patienten, die Aszites entwickeln, haben eine Drei-Jahres-Mortalität von 50% und Patienten, die eine Spontaninfektion der Aszitesflüssigkeit entwickeln, haben eine Ein-Jahres-Mortalität von 70%. Patienten mit Zirrhose haben eine jährliche Inzidenz von 5-10% der gastroösophagealen Varizenbildung und eine jährliche Inzidenz von 4-15% von Blutungen; Jede Blutung birgt ein Sterberisiko von bis zu 20 %. 18,19
Dieses Manuskript beschreibt, wie eine SHAPE-Studie mit kommerziell erhältlichen Geräten und UCAs durchgeführt wird, wobei der Schwerpunkt auf der Identifizierung von portaler Hypertonie in der Leber von Patienten liegt. Das kritische Kalibrierverfahren, das erforderlich ist, um die höchste Empfindlichkeit bei der Abschätzung von Druckänderungen zu erreichen, wird ausführlich erläutert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die nicht-invasive, genaue Messung des Drucks im menschlichen Körper ist seit langem ein wichtiges, aber schwer fassbares klinisches Ziel. Das hier vorgestellte Protokoll für SHAPE-Messungen erreicht dieses Ziel. Die kritischste Komponente des SHAPE-Verfahrens ist der Optimierungsalgorithmus, da subharmonische Daten, die nicht bei optimaler akustischer Leistung erfasst werden, schlecht mit hydrostatischen Drücken korrelieren. 17,22,23 Die erste Version dieser Software, die auf einem Logiq 9-Sc…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird zum Teil vom U.S. Army Medical Research Material Command unter W81XWH-08-1-0503 und W81XWH-12-1-0066, durch die AHA-Zuschüsse Nr. 0655441U und 15SDG25740015 sowie durch NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, von Lantheus Medical Imaging und von GE Healthcare, Oslo, Norwegen, unterstützt.
Materials
| 2 mL syringe | Becton Dickinson | 309637 | Used for reconstituting Sonazoid |
| 10 mL saline-filled syringe | Becton Dickinson | 306545 | Used for flushing line to verify IV access |
| 500 mL saline bag | Baxter Healthcare Corp | 2131323 | Used for co-infusion with Sonazoid |
| C1-6-D curvi-linear proble | GE Healthcare | H40472LT | Used for liver imaging |
| Chemoprotect Spike | Codan USA | C355 | Chemospike used for reconstituting Sonazoid |
| Discofix C Blue | B. Braun Medical Inc | 16494C | 3-way stopcock |
| Intrafix Safeset 180 cm | B. Braun Medical Inc | 4063000 | Infusion tubing |
| Logiq E10 ultrasound scanner | GE Healthcare | H4928US | Used for conventional ultrasound imaging as well as for SHI and SHAPE |
| Luer lock 10 mL syringe | Becton Dickinson | 300912 | For infusion of Sonazoid |
| Medfusion 3500 syringe pump | Smiths Medical | 3500-500 | Used for infusing Sonazoid at 0.18 mL/kg/hour |
| Perfusor-leitung tubing 150 mm | B. Braun Medical Inc | 8722960 | Extension line enabling syringe connection to patient's IV access |
| SHI/SHAPE software | GE Healthcare | H4920CI | Contrast-specific imaging software |
| Sigma Spectrum infusion system | Baxter Healthcare Corp | 35700BAX | Pump used for co-infusing saline at 120 mL/hour |
| Sonazoid | GE Healthcare | Gas-filled microbubble based ultrasound contrast agent | |
| sterile water, 2 mL | B. Braun Medical Inc | Used for reconstituting Sonazoid | |
| ultrasound gel | Cardinal Health | USG-250BT | Used for contact between probe and patient |
| Venflon IV cannula 22GA | Becton Dickinson | 393202 | Cannula needle for obtaining IV access |
Referencias
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