Субгармоническая оценка давления с контрастным усилением (SHAPE) с использованием ультразвуковой визуализации с акцентом на выявление портальной гипертензии
Summary
Протокол неинвазивной оценки давления окружающей среды с использованием субгармонической ультразвуковой визуализации инфузионных контрастных микропузырьков (после соответствующей калибровки) описан на примерах пациентов с хроническим заболеванием печени.
Abstract
Неинвазивное, точное измерение давления в организме человека долгое время было важной, но труднодостижимой клинической целью. Контрастные вещества для ультразвуковой визуализации представляют собой заполненные газом инкапсулированные микропузырьки (диаметр < 10 мкм), которые пересекают всю сосудистую сеть и усиливают сигналы до 30 дБ. Эти микропузырьки также производят нелинейные колебания на частотах от субгармонических (половина частоты передачи) до более высоких гармоник. Субгармоническая амплитуда имеет обратную линейную зависимость от окружающего гидростатического давления. Здесь представлена ультразвуковая система, способная выполнять субгармоническую оценку давления (SHAPE) в режиме реального времени. Во время инфузии ультразвукового контрастного вещества активируется алгоритм оптимизации акустических выходов. После этой калибровки субгармонические сигналы микропузырьков (т.е. SHAPE) имеют самую высокую чувствительность к изменениям давления и могут использоваться для неинвазивной количественной оценки давления. Особое внимание здесь уделяется полезности процедуры SHAPE для выявления портальной гипертензии в печени, но этот метод применим во многих клинических сценариях.
Introduction
Ряд различных ультразвуковых контрастных веществ (УЦА) одобрен для клинического использования в кардиологии (в частности, помутнение левого желудочка) и радиологии (в частности, характеристика поражений печени у взрослых и детей) во всем мире. 1 Чувствительность и специфичность ультразвуковой визуализации могут быть улучшены путем внутривенного (IV) введения заполненных газом микропузырьков (диаметром < 10 мкм), инкапсулированных липидной или белковой оболочкой в виде УЦА, которые пересекают всю сосудистую сеть и усиливают сигналы до 30 дБ. 1 Эти УЦА не только усиливают обратно рассеянные ультразвуковые сигналы, но и при достаточном акустическом давлении (> 200 кПа) они также действуют как нелинейные осцилляторы. Следовательно, в принимаемых эхо-сигналах будут создаваться значительные энергетические компоненты в диапазоне от субгармонических и гармонических до ультрагармонических частот. 1,2 Эти нелинейные компоненты сигнала могут быть извлечены из тканевых и линейных пузырьковых эхо-сигналов (например, с использованием инверсии импульсов) и использованы для создания контрастно-специфических модальностей визуализации, таких как субгармоническая визуализация (SHI), которая принимает на половине частоты передачи (т.е. при f 0/2). 3 Наша группа продемонстрировала в клинических испытаниях на людях, что SHI может обнаруживать кровоток в новообразованиях и артериолах, связанных с различными опухолями и тканями. 4,5,6,7,8,9
Мы выступаем за использование УЦА не в качестве сосудистых индикаторов, а в качестве датчиков для неинвазивной оценки давления в системе кровообращения путем мониторинга субгармонических вариаций амплитуды пузырьков контраста. 10 Этот инновационный метод, называемый субгармонической оценкой давления (SHAPE), основан на обратной линейной корреляции между амплитудой субгармонических сигналов и гидростатическим давлением (до 186 мм рт. ст.), измеренной для большинства коммерческих UCA in vitro (r2 > 0,90), как показано в таблице 1. 10,11 Однако следует отметить, что не все УЦА демонстрируют такое поведение. В частности, было показано, что субгармонические сигналы от UCA SonoVue (известного как Lumason в США) первоначально повышаются с увеличением гидростатического давления, за которым следует плато и фаза снижения. 12 Тем не менее, SHAPE дает возможность неинвазивно получать градиенты давления в сердце и во всей сердечно-сосудистой системе, а также давление интерстициальной жидкости в опухолях. 13,14,15,16,17 Недавно мы внедрили версию алгоритма SHAPE в реальном времени на коммерческом ультразвуковом сканере и предоставили доказательство концепции, что SHAPE может предоставлять оценки давления in vivo с погрешностями менее 3 мм рт.ст. в левом и правом желудочках пациентов. 16,17
Наибольший опыт работы с SHAPE на сегодняшний день был получен для диагностики портальной гипертензии с участием более 220 субъектов, и первоначальные результаты были подтверждены в многоцентровом исследовании. 13,14 Портальная гипертензия определяется как увеличение градиента давления между воротной веной и печеночными венами или нижней полой веной, превышающее 5 мм рт.ст., в то время как клинически значимая портальная гипертензия (КСГ) требует градиента или его эквивалента, градиента давления в печеночных венах (HVPG) ≥ 10 мм рт.ст. 18 CSPH связан с повышенным риском гастроэзофагеального варикозного расширения вен, асцита, декомпенсации печени, послеоперационной декомпенсации и гепатоцеллюлярной карциномы. 18,19 Пациенты, у которых развивается асцит, имеют 50% трехлетнюю смертность, а те, у кого развивается спонтанная инфекция асцитической жидкости, несут 70% одногодичную смертность. Пациенты с циррозом печени имеют 5-10% ежегодной частоты образования гастроэзофагеального варикозного расширения вен и 4-15% ежегодной частоты кровотечений; Каждый эпизод кровотечения несет до 20% риска смерти. 18,19
В этой рукописи описывается, как провести исследование SHAPE с использованием коммерчески доступного оборудования и УЦА с акцентом на выявление портальной гипертензии в печени пациентов. Подробно объясняется критическая процедура калибровки, необходимая для достижения максимальной чувствительности к оценке изменений давления.
Protocol
Representative Results
Discussion
Неинвазивное, точное измерение давления в организме человека долгое время было важной, но труднодостижимой клинической целью. Представленный здесь протокол измерений SHAPE достигает этой цели. Наиболее важным компонентом процедуры SHAPE является алгоритм оптимизации, поскольку субгармо?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа частично поддерживается Командованием медицинских исследований армии США в рамках W81XWH-08-1-0503 и W81XWH-12-1-0066, грантами AHA No 0655441U и 15SDG25740015, а также NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, Lantheus Medical Imaging и GE Healthcare, Осло, Норвегия.
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
- Lyshchik, A. . Fundamentals of CEUS. , (2019).
- Leighton, T. G. . The Acoustic Bubble. , (1994).
- Forsberg, F., Shi, W. T., Goldberg, B. B. Subharmonic imaging of contrast agents. Ultrasonics. 38 (1-8), 93-98 (2000).
- Forsberg, F., Piccoli, C. W., Merton, D. A., Palazzo, J. P., Hall, A. L. Breast lesions: imaging with contrast-enhanced subharmonic US – initial experience. Radiology. 244 (3), 718-726 (2007).
- Sridharan, A., et al. Characterizing breast lesions using quantitative parametric 3D subharmonic imaging: a multi-center study. Academic Radiology. 27 (8), 1065-1074 (2020).
- Forsberg, F., et al. Subharmonic and endoscopic contrast imaging of pancreatic masses: a pilot study. Journal of Ultrasound in Medicine. 37 (1), 123-129 (2018).
- Delaney, L. J., et al. Characterization of adnexal masses using contrast-enhanced subharmonic imaging: a pilot study. Journal of Ultrasound in Medicine. 39 (5), 977-985 (2020).
- Eisenbrey, J. R., et al. Contrast-enhanced subharmonic and harmonic ultrasound of renal masses undergoing percutaneous cryoablation. Academic Radiology. 22 (7), 820-826 (2015).
- Gupta, I., et al. Transrectal subharmonic ultrasound imaging for prostate cancer detection. Urology. 138 (4), 106-112 (2020).
- Shi, W. T., Forsberg, F., Raichlen, J. S., Needleman, L., Goldberg, B. B. Pressure dependence of subharmonic signals from contrast microbubbles. Ultrasound in Medicine and Biology. 25 (2), 275-283 (1999).
- Halldorsdottir, V. G., et al. Subharmonic contrast microbubble signals for noninvasive pressure estimation under static and dynamic flow conditions. Ultrasonic Imaging. 33 (3), 153-164 (2011).
- Nio, A. Q. X., et al. Optimal control of SonoVue microbubbles to estimate hydrostatic pressure. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 67 (3), 557-567 (2020).
- Eisenbrey, J. R., et al. Chronic liver disease: noninvasive subharmonic aided pressure estimation of hepatic venous pressure gradient. Radiology. 268 (2), 581-588 (2013).
- Gupta, I., et al. Diagnosing portal hypertension with noninvasive subharmonic pressure estimates from an ultrasound contrast agent. Radiology. , (2020).
- Nam, K., et al. Monitoring neoadjuvant chemotherapy for breast cancer by using three-dimensional subharmonic aided pressure estimation and imaging with US contrast agents: preliminary experience. Radiology. 285 (1), 53-62 (2017).
- Dave, J. K., et al. Non-invasive intra-cardiac pressure measurements using subharmonic-aided pressure estimation: proof of concept in humans. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (11), 2718-2724 (2017).
- Esposito, C., Dickie, K., Forsberg, F., Dave, J. K. Developing an interface and investigating optimal parameters for real-time intra-cardiac subharmonic aided pressure estimation. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. , (2020).
- Bosch, J., Groszmann, R. J., Shah, V. H. Evolution in the understanding of the pathophysiological basis of portal hypertension: How changes in paradigm are leading to successful new treatments. Journal of Hepatology. 62, 121-130 (2015).
- Procopet, B., Berzigotti, A. Diagnosis of cirrhosis and portal hypertension: imaging, non-invasive markers of fibrosis and liver biopsy. Gastroenterology Report. 5 (2), 79-89 (2017).
- Dietrich, C. F., et al. Guidelines and good clinical practice recommendations for contrast-enhanced ultrasound (CEUS) in the liver-update 2020 WFUMB in cooperation with EFSUMB, AFSUMB, AIUM, and FLAUS. Ultrasound in Medicine and Biology. , (2020).
- Gupta, I., et al. Effect of pulse shaping on subharmonic aided pressure estimation in vitro and in vivo. Journal of Ultrasound in Medicine. 36 (1), 3-11 (2017).
- Dave, J. K., et al. On the implementation of an automated acoustic output optimization algorithm for subharmonic aided pressure estimation. Ultrasonics. 53 (4), 880-888 (2013).
- Gupta, I., Eisenbrey, J. R., Machado, P., Stanczak, M., Wallace, K., Forsberg, F. On factors impacting subharmonic- aided pressure estimation (SHAPE). Ultrasonic Imaging. 41 (1), 35-48 (2019).
- Eisenbrey, J. R., Daecher, A., Kramer, M. R., Forsberg, F. Effects of needle and catheter size on commercially available ultrasound contrast agents. Journal of Ultrasound in Medicine. 34 (11), 1961-1968 (2015).
