تقدير الضغط بمساعدة دون التوافقي المعزز بالتباين (SHAPE) باستخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية مع التركيز على تحديد ارتفاع ضغط الدم البابي
Summary
تم وصف بروتوكول لتقدير الضغوط المحيطة بشكل غير جراحي باستخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية دون التوافقي للفقاعات الدقيقة المتباينة المملوءة (بعد المعايرة المناسبة) مع أمثلة من المرضى البشريين المصابين بأمراض الكبد المزمنة.
Abstract
لطالما كان القياس الدقيق وغير الجراحي للضغوط داخل جسم الإنسان هدفا سريريا مهما ولكنه بعيد المنال. عوامل التباين للتصوير بالموجات فوق الصوتية عبارة عن فقاعات دقيقة مملوءة بالغاز ومغلفة (قطرها < 10 ميكرومتر) تجتاز الأوعية الدموية بأكملها وتعزز الإشارات بما يصل إلى 30 ديسيبل. تنتج هذه الفقاعات الدقيقة أيضا تذبذبات غير خطية عند ترددات تتراوح من دون التوافقي (نصف تردد الإرسال) إلى التوافقيات الأعلى. السعة دون التوافقية لها علاقة خطية عكسية مع الضغط الهيدروستاتيكي المحيط. هنا يتم تقديم نظام الموجات فوق الصوتية القادر على إجراء تقدير الضغط بمساعدة دون التوافقي (SHAPE) في الوقت الفعلي. أثناء ضخ عامل التباين بالموجات فوق الصوتية ، يتم تنشيط خوارزمية لتحسين المخرجات الصوتية. بعد هذه المعايرة ، تتمتع إشارات الفقاعات الدقيقة دون التوافقية (أي SHAPE) بأعلى حساسية لتغيرات الضغط ويمكن استخدامها لقياس الضغط بشكل غير جراحي. إن فائدة إجراء SHAPE لتحديد ارتفاع ضغط الدم البابي في الكبد هي التركيز هنا ، ولكن هذه التقنية قابلة للتطبيق عبر العديد من السيناريوهات السريرية.
Introduction
تمت الموافقة على عدد من عوامل التباين بالموجات فوق الصوتية المختلفة (UCAs) للاستخدام السريري في أمراض القلب (خاصة عتامة البطين الأيسر) والأشعة (خاصة توصيف آفات الكبد للبالغين والأطفال) في جميع أنحاء العالم. 1 يمكن تحسين حساسية وخصوصية التصوير بالموجات فوق الصوتية عن طريق الحقن الوريدي (IV) للفقاعات الدقيقة المملوءة بالغاز (قطرها < 10 ميكرومتر) المغلفة بقشرة دهنية أو بروتينية مثل UCAs التي تجتاز الأوعية الدموية بأكملها وتعزز الإشارات بما يصل إلى 30 ديسيبل. 1 لا تعمل UCAs هذه على تحسين إشارات الموجات فوق الصوتية المبعثرة فحسب ، بل تعمل أيضا كمذبذبات غير خطية عند ضغوط صوتية كافية (> 200 كيلو باسكال). وبالتالي ، سيتم إنتاج مكونات طاقة كبيرة في الأصداء المستقبلة تتراوح من الترددات دون التوافقية والتوافقية إلى الترددات فائقة التوافق. 1,2 يمكن استخراج مكونات الإشارة غير الخطية هذه من أصداء الأنسجة والفقاعات الخطية (على سبيل المثال ، باستخدام انعكاس النبض) واستخدامها لإنشاء طرق تصوير خاصة بالتباين مثل التصوير دون التوافقي (SHI) ، والذي يستقبل بنصف تردد الإرسال (أي عند f 0/2). 3 أثبتت مجموعتنا في التجارب السريرية البشرية أن SHI يمكنه اكتشاف تدفق الدم في الأوعية الجديدة والشرايين المرتبطة بمجموعة متنوعة من الأورام والأنسجة. 4,5,6,7,8,9
لقد دعونا إلى استخدام UCAs ليس كمتتبعات للأوعية الدموية ، ولكن كأجهزة استشعار لتقدير الضغط غير الباضع في الدورة الدموية من خلال مراقبة تغيرات سعة فقاعة التباين دون التوافقية. (10) تعتمد هذه التقنية المبتكرة، التي تسمى تقدير الضغط بمساعدة دون التوافقي (SHAPE)، على الارتباط الخطي العكسي بين سعة الإشارات دون التوافقية والضغط الهيدروستاتيكي (حتى 186 مم زئبق) المقاس لمعظم الوصلات غير المتدرجة التجارية في المختبر (r2 > 0.90) على النحو الموجز في الجدول 1. 10,11 ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه لا تظهر جميع UCAs هذا السلوك. والجدير بالذكر أنه تبين أن الإشارات دون التوافقية من UCA SonoVue (المعروفة باسم Lumason في الولايات المتحدة الأمريكية) ترتفع في البداية مع زيادة الضغط الهيدروستاتيكي ، تليها هضبة ومرحلة متناقصة. 12 ومع ذلك ، يوفر SHAPE إمكانية السماح بتدرجات الضغط في القلب وفي جميع أنحاء نظام القلب والأوعية الدموية وكذلك ضغط السائل الخلالي في الأورام للحصول عليها بشكل غير جراحي. 13،14،15،16،17 في الآونة الأخيرة ، قمنا بتنفيذ إصدار في الوقت الفعلي من خوارزمية SHAPE على ماسح ضوئي تجاري بالموجات فوق الصوتية وقدمنا دليلا على المفهوم الذي يمكن أن يوفره SHAPE في تقديرات الضغط في الجسم الحي مع أخطاء أقل من 3 مم زئبق في البطينين الأيسر والأيمن للمرضى. 16,17
كانت معظم التجارب مع SHAPE حتى الآن هي تشخيص ارتفاع ضغط الدم البابي مع أكثر من 220 شخصا مسجلا وتأكيد النتائج الأولية في تجربة متعددة المراكز. 13,14 يعرف ارتفاع ضغط الدم البابي بأنه زيادة في تدرج الضغط بين الوريد البابي والأوردة الكبدية أو الوريد الأجوف السفلي يتجاوز 5 مم زئبق ، بينما يتطلب ارتفاع ضغط الدم البابي المهم سريريا (CSPH) تدرجا أو ما يعادله ، تدرج الضغط الوريدي الكبدي (HVPG) ≥ 10 مم زئبق. 18 يرتبط CSPH بزيادة خطر الإصابة بالدوالي المعدية المريئية ، والاستسقاء ، والمعاوضة الكبدية ، والمعاوضة بعد الجراحة ، وسرطان الخلايا الكبدية. 18،19 المرضى الذين يصابون بالاستسقاء لديهم معدل وفيات بنسبة 50٪ لمدة ثلاث سنوات وأولئك الذين يصابون بعدوى تلقائية بسائل الاستسقاء يحملون 70٪ من الوفيات لمدة عام واحد. المرضى الذين يعانون من تليف الكبد لديهم 5-10 ٪ سنويا من حدوث الدوالي المعدية المريئية ، و 4-15 ٪ سنويا من حدوث النزيف. كل نوبة نزيف تحمل ما يصل إلى 20 ٪ من خطر الوفاة. 18,19
تصف هذه المخطوطة كيفية إجراء دراسة SHAPE باستخدام المعدات المتاحة تجاريا و UCAs مع التركيز على تحديد ارتفاع ضغط الدم البابي في كبد المرضى. يتم شرح إجراء المعايرة الحرجة المطلوبة لتحقيق أعلى حساسية لتقدير تغيرات الضغط بالتفصيل.
Protocol
Representative Results
Discussion
لطالما كان القياس الدقيق وغير الجراحي للضغوط داخل جسم الإنسان هدفا سريريا مهما ولكنه بعيد المنال. يحقق بروتوكول قياسات SHAPE المقدم هنا هذا الهدف. العنصر الأكثر أهمية في إجراء SHAPE هو خوارزمية التحسين ، نظرا لأن البيانات دون التوافقية التي لم يتم الحصول عليها عند خرج الطاقة الصوتية الأمثل ست?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتم دعم هذا العمل جزئيا من قبل قيادة مواد البحوث الطبية للجيش الأمريكي تحت W81XWH-08-1-0503 ، و W81XWH-12-1-0066 ، من خلال منح AHA رقم 0655441U و 15SDG25740015 وكذلك من قبل NIH R21 HL081892 و R21 HL130899 و R21 HL089175 و RC1 DK087365 و R01 DK098526 و R01 DK118964 و R01 CA140338 و R01 CA234428 و Lantheus Medical Imaging و GE Healthcare ، أوسلو ، النرويج.
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 |
References
- 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).
