Estimación de la presión asistida por subarmónicos (SHAPE) con contraste mejorado mediante imágenes de ultrasonido con un enfoque en la identificación de la hipertensión portal
Summary
Se describe un protocolo para estimar de forma no invasiva las presiones ambientales utilizando imágenes de ultrasonido subarmónico de microburbujas de contraste infundidas (después de la calibración adecuada) con ejemplos de pacientes humanos con enfermedad hepática crónica.
Abstract
La medición no invasiva y precisa de las presiones dentro del cuerpo humano ha sido durante mucho tiempo un objetivo clínico importante pero difícil de alcanzar. Los agentes de contraste para imágenes de ultrasonido son microburbujas encapsuladas llenas de gas (diámetro < 10 μm) que atraviesan toda la vasculatura y mejoran las señales hasta en 30 dB. Estas microburbujas también producen oscilaciones no lineales a frecuencias que van desde el subarmónico (la mitad de la frecuencia de transmisión) hasta armónicos más altos. La amplitud subarmónica tiene una relación lineal inversa con la presión hidrostática ambiental. Aquí se presenta un sistema de ultrasonido capaz de realizar una estimación de presión asistida por subarmónicos (SHAPE) en tiempo real. Durante la infusión de agente de contraste por ultrasonido, se activa un algoritmo para optimizar las salidas acústicas. Después de esta calibración, las señales de microburbujas subarmónicas (es decir, SHAPE) tienen la mayor sensibilidad a los cambios de presión y se pueden usar para cuantificar la presión de forma no invasiva. La utilidad del procedimiento SHAPE para identificar la hipertensión portal en el hígado es el énfasis aquí, pero la técnica tiene aplicabilidad en muchos escenarios clínicos.
Introduction
Varios agentes de contraste de ultrasonido (UCA) diferentes están aprobados para uso clínico en cardiología (en particular opacificación ventricular izquierda) y radiología (en particular caracterización de lesiones hepáticas adultas y pediátricas) en todo el mundo. 1 La sensibilidad y la especificidad de las imágenes de ultrasonido pueden mejorarse mediante la inyección intravenosa (IV) de microburbujas llenas de gas (diámetro < 10 μm) encapsuladas por una cubierta lipídica o proteica como UCA que atraviesan toda la vasculatura y mejoran las señales hasta en 30 dB. 1 Estos UCA no solo mejoran las señales de ultrasonido retrodispersadas, sino que a presiones acústicas suficientes (> 200 kPa) también actúan como osciladores no lineales. Por lo tanto, se producirán componentes de energía significativos en los ecos recibidos que van desde frecuencias subarmónicas y armónicas hasta ultraarmónicas. 1,2 Estos componentes de señal no lineales pueden extraerse de ecos de tejido y burbujas lineales (por ejemplo, utilizando inversión de pulso) y usarse para crear modalidades de imagen específicas de contraste, como imágenes subarmónicas (SHI), que reciben a la mitad de la frecuencia de transmisión (es decir, a f 0/2). 3 Nuestro grupo ha demostrado en ensayos clínicos en humanos que el SHI puede detectar el flujo sanguíneo en neovasos y arteriolas asociados con una variedad de tumores y tejidos. 4,5,6,7,8,9
Hemos abogado por el uso de UCAs no como trazadores vasculares, sino como sensores para la estimación no invasiva de la presión en el sistema circulatorio mediante la monitorización de las variaciones de amplitud de burbujas de contraste subarmónicas. 10 Esta técnica innovadora, llamada estimación de presión asistida por subarmónicos (SHAPE), se basa en la correlación lineal inversa entre la amplitud de las señales subarmónicas y la presión hidrostática (hasta 186 mmHg) medida para la mayoría de los UCA comerciales in vitro (r2 > 0.90) como se resume en la Tabla 1. 10,11 Sin embargo, cabe señalar que no todas las UCA presentan este comportamiento. En particular, se ha demostrado que las señales subarmónicas de la UCA SonoVue (conocida como Lumason en los Estados Unidos) aumentan inicialmente con aumentos de presión hidrostática, seguidos de una meseta y una fase decreciente. 12 No obstante, SHAPE ofrece la posibilidad de permitir que los gradientes de presión en el corazón y en todo el sistema cardiovascular, así como la presión del líquido intersticial en los tumores, se obtengan de forma no invasiva. 13,14,15,16,17 Recientemente, implementamos una versión en tiempo real del algoritmo SHAPE en un escáner de ultrasonido comercial y proporcionamos una prueba de concepto de que SHAPE puede proporcionar estimaciones de presión in vivo con errores de menos de 3 mmHg en los ventrículos izquierdo y derecho de los pacientes. 16,17
La mayor experiencia con SHAPE hasta la fecha ha sido para diagnosticar la hipertensión portal con más de 220 sujetos inscritos y los hallazgos iniciales confirmados en un ensayo multicéntrico. 13,14 La hipertensión portal se define como un aumento en el gradiente de presión entre la vena porta y las venas hepáticas o la vena cava inferior superior a 5 mmHg, mientras que la hipertensión portal clínicamente significativa (CSPH) requiere un gradiente o su equivalente, un gradiente de presión venosa hepática (GPVV) ≥ 10 mmHg. 18 La CSPH se asocia con un mayor riesgo de várices gastroesofágicas, ascitis, descompensación hepática, descompensación postoperatoria y carcinoma hepatocelular. 18,19 Los pacientes que desarrollan ascitis tienen una mortalidad del 50% a tres años y los que desarrollan infección espontánea del líquido ascitis tienen una mortalidad del 70% al año. Los pacientes con cirrosis tienen una incidencia anual del 5-10% de formación de várices gastroesofágicas y una incidencia anual de hemorragia del 4-15%; Cada episodio hemorrágico conlleva hasta un 20% de riesgo de muerte. 18,19
Este manuscrito describe cómo llevar a cabo un estudio SHAPE utilizando equipos disponibles comercialmente y UCA con énfasis en la identificación de la hipertensión portal en el hígado de los pacientes. El procedimiento de calibración crítico requerido para lograr la mayor sensibilidad para estimar los cambios de presión se explica en detalle.
Protocol
Representative Results
Discussion
La medición no invasiva y precisa de las presiones dentro del cuerpo humano ha sido durante mucho tiempo un objetivo clínico importante pero difícil de alcanzar. El protocolo para mediciones SHAPE presentado aquí logra este objetivo. El componente más crítico del procedimiento SHAPE es el algoritmo de optimización, ya que los datos subarmónicos no adquiridos en la potencia acústica óptima se correlacionarán mal con las presiones hidrostáticas. 17,22,23 La versión inicial de este soft…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo es apoyado en parte por el Comando de Material de Investigación Médica del Ejército de los Estados Unidos bajo W81XWH-08-1-0503 y W81XWH-12-1-0066, por las subvenciones de la AHA no 0655441U y 15SDG25740015, así como por NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, por Lantheus Medical Imaging y por GE Healthcare, Oslo, Noruega.
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).
