Contrast-Enhanced Subharmonic Aided Pressure Estimation (SHAPE) met behulp van echografie met een focus op het identificeren van portale hypertensie
Summary
Een protocol voor het niet-invasief schatten van omgevingsdrukken met behulp van subharmonische echografie van geïnfundeerde contrastmicrobubbels (na de juiste kalibratie) wordt beschreven met voorbeelden van menselijke patiënten met chronische leverziekte.
Abstract
Niet-invasieve, nauwkeurige meting van de druk in het menselijk lichaam is al lang een belangrijk maar ongrijpbaar klinisch doel. Contrastmiddelen voor ultrasone beeldvorming zijn met gas gevulde, ingekapselde microbubbels (diameter < 10 μm) die de gehele vasculatuur doorkruisen en signalen tot 30 dB verbeteren. Deze microbubbels produceren ook niet-lineaire oscillaties op frequenties variërend van de subharmonische (de helft van de zendfrequentie) tot hogere harmonischen. De subharmonische amplitude heeft een omgekeerde lineaire relatie met de omgevingshydrostatische druk. Hier wordt een echografiesysteem gepresenteerd dat in staat is om real-time, subharmonic aided pressure estimation (SHAPE) uit te voeren. Tijdens de infusie van ultrasone contrastmiddelen wordt een algoritme voor het optimaliseren van akoestische uitgangen geactiveerd. Na deze kalibratie hebben subharmonische microbubbelsignalen (d.w.z. SHAPE) de hoogste gevoeligheid voor drukveranderingen en kunnen ze worden gebruikt om de druk niet-invasief te kwantificeren. Het nut van de SHAPE-procedure voor het identificeren van portale hypertensie in de lever ligt hier centraal, maar de techniek is toepasbaar in veel klinische scenario's.
Introduction
Een aantal verschillende ultrasone contrastmiddelen (UCA’s) zijn goedgekeurd voor klinisch gebruik in de cardiologie (met name linkerventrikelopacificatie) en radiologie (met name karakterisering van leverlaesies bij volwassenen en kinderen) over de hele wereld. 1 De gevoeligheid en specificiteit van echografie kan worden verbeterd door intraveneuze (IV) injectie van met gas gevulde microbubbels (diameter < 10 μm) ingekapseld door een lipide- of eiwitschil als UCA's die de gehele vasculatuur doorkruisen en signalen met maximaal 30 dB verbeteren. 1 Deze UCA’s versterken niet alleen de teruggekaatste ultrasone signalen, maar bij voldoende akoestische drukken (> 200 kPa) fungeren ze ook als niet-lineaire oscillatoren. Daarom zullen significante energiecomponenten worden geproduceerd in de ontvangen echo’s, variërend van subharmonische en harmonische tot ultraharmonische frequenties. 1,2 Deze niet-lineaire signaalcomponenten kunnen worden geëxtraheerd uit weefsel- en lineaire belecho’s (bijvoorbeeld met behulp van pulsinversie) en worden gebruikt om contrastspecifieke beeldvormingsmodaliteiten te creëren, zoals subharmonische beeldvorming (SHI), die ontvangt op de helft van de zendfrequentie (d.w.z. op f 0/2). 3 Onze groep heeft in klinische onderzoeken bij mensen aangetoond dat SHI de bloedstroom in neovessels en arteriolen kan detecteren die geassocieerd zijn met een verscheidenheid aan tumoren en weefsels. 4,5,6,7,8,9
We hebben gepleit voor het gebruik van UCA’s niet als vasculaire tracers, maar als sensoren voor niet-invasieve drukschatting in de bloedsomloop door subharmonische contrastbelamplitudevariaties te monitoren. 10 Deze innovatieve techniek, subharmonic-aided pressure estimation (SHAPE) genoemd, is gebaseerd op de inverse lineaire correlatie tussen de amplitude van de subharmonische signalen en de hydrostatische druk (tot 186 mmHg) gemeten voor de meeste commerciële ICA’s in vitro (r2 > 0,90), zoals samengevat in tabel 1. 10,11 Er moet echter worden opgemerkt dat niet alle ICA’s dit gedrag vertonen. Het meest opvallend is aangetoond dat subharmonische signalen van de UCA SonoVue (bekend als Lumason in de VS) aanvankelijk stijgen met hydrostatische druktoenames, gevolgd door een plateau en een afnemende fase. 12 Niettemin biedt SHAPE de mogelijkheid om drukgradiënten in het hart en in het gehele cardiovasculaire systeem en interstitiële vloeistofdruk in tumoren niet-invasief te verkrijgen. 13,14,15,16,17 Onlangs hebben we een real-time versie van het SHAPE-algoritme geïmplementeerd op een commerciële ultrasone scanner en een proof-of-concept geleverd dat SHAPE in vivo drukschattingen kan geven met fouten van minder dan 3 mmHg in de linker- en rechterventrikels van patiënten. 16,17
De meeste ervaring met SHAPE tot nu toe was voor het diagnosticeren van portale hypertensie met meer dan 220 proefpersonen die deelnamen en de eerste bevindingen werden bevestigd in een multicenterstudie. 13,14 Portale hypertensie wordt gedefinieerd als een toename van de drukgradiënt tussen de poortader en de leveraders of de inferieure vena cava van meer dan 5 mmHg, terwijl klinisch significante portale hypertensie (CSPH) een gradiënt of het equivalent daarvan vereist, een hepatische veneuze drukgradiënt (HVPG) ≥ 10 mmHg. 18 CSPH is geassocieerd met een verhoogd risico op gastro-oesofageale varices, ascites, leverdecompensatie, postoperatieve decompensatie en hepatocellulair carcinoom. 18,19 Patiënten die ascites ontwikkelen hebben een 50% driejaarssterfte en degenen die een spontane infectie van de ascitesvloeistof ontwikkelen, dragen een sterfte van 70% op één jaar. Patiënten met cirrose hebben een jaarlijkse incidentie van 5-10% van gastro-oesofageale variceale formatie en een jaarlijkse incidentie van 4-15% van bloedingen; Elke bloedingsepisode heeft tot 20% risico op overlijden. 18,19
Dit manuscript beschrijft hoe een SHAPE-studie kan worden uitgevoerd met behulp van commercieel beschikbare apparatuur en UCA’s met de nadruk op het identificeren van portale hypertensie in de lever van patiënten. De kritische kalibratieprocedure die nodig is om de hoogste gevoeligheid voor het schatten van drukveranderingen te bereiken, wordt in detail uitgelegd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Niet-invasieve, nauwkeurige meting van de druk in het menselijk lichaam is al lang een belangrijk maar ongrijpbaar klinisch doel. Het hier gepresenteerde protocol voor SHAPE-metingen bereikt dit doel. Het meest kritische onderdeel van de SHAPE-procedure is het optimalisatiealgoritme, omdat subharmonische gegevens die niet bij het optimale akoestische uitgangsvermogen zijn verkregen, slecht correleren met hydrostatische drukken. 17,22,23 De eerste versie van deze software die op een Logiq 9-scanne…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt gedeeltelijk ondersteund door het U.S. Army Medical Research Material Command onder W81XWH-08-1-0503 en W81XWH-12-1-0066, door AHA-subsidies nr. 0655441U en 15SDG25740015, evenals door NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, door Lantheus Medical Imaging en door GE Healthcare, Oslo, Noorwegen.
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 |
Riferimenti
- 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).
