Kontrastforbedret subharmonisk assistert trykkestimering (SHAPE) ved hjelp av ultralydavbildning med fokus på å identifisere portalhypertensjon
Summary
En protokoll for ikke-invasiv estimering av omgivelsestrykk ved bruk av subharmonisk ultralydavbildning av infuserte kontrastmikrobobler (etter passende kalibrering) er beskrevet med eksempler fra humane pasienter med kronisk leversykdom.
Abstract
Ikke-invasiv, nøyaktig måling av trykk i menneskekroppen har lenge vært et viktig, men unnvikende klinisk mål. Kontrastmidler for ultralydavbildning er gassfylte, innkapslede mikrobobler (diameter < 10 μm) som krysser hele vaskulaturen og forbedrer signaler med opptil 30 dB. Disse mikroboblene produserer også ikke-lineære svingninger ved frekvenser som spenner fra subharmoniske (halvparten av sendefrekvensen) til høyere harmoniske svingninger. Den subharmoniske amplituden har et inverst lineært forhold til det omgivende hydrostatiske trykket. Her presenteres et ultralydsystem som er i stand til å utføre sanntids, subharmonisk assistert trykkestimering (SHAPE). Under infusjon av ultralydkontrastmiddel aktiveres en algoritme for optimalisering av akustiske utganger. Etter denne kalibreringen har subharmoniske mikroboblesignaler (dvs. SHAPE) den høyeste følsomheten for trykkendringer og kan brukes til ikke-invasivt kvantifisering av trykk. Nytten av SHAPE-prosedyren for å identifisere portal hypertensjon i leveren er vekten her, men teknikken har anvendelighet på tvers av mange kliniske scenarier.
Introduction
En rekke forskjellige kontrastmidler for ultralyd (UCAs) er godkjent for klinisk bruk innen kardiologi (spesielt opasifisering av venstre ventrikkel) og radiologi (spesielt karakterisering av leverskader hos voksne og barn) over hele verden. 1 Følsomheten og spesifisiteten til ultralydavbildning kan forbedres ved intravenøs (IV) injeksjon av gassfylte mikrobobler (diameter < 10 μm) innkapslet av et lipid- eller proteinskall som UCA som krysser hele vaskulaturen og forbedrer signaler med opptil 30 dB. 1 Disse UCAene forbedrer ikke bare de tilbakespredte ultralydsignalene, men ved tilstrekkelig akustisk trykk (> 200 kPa) fungerer de også som ikke-lineære oscillatorer. Derfor vil betydelige energikomponenter bli produsert i de mottatte ekkoene som spenner fra subharmoniske og harmoniske til ultraharmoniske frekvenser. 1,2 Disse ikke-lineære signalkomponentene kan ekstraheres fra vev og lineære bobleekko (f.eks. ved hjelp av pulsinversjon) og brukes til å lage kontrastspesifikke avbildningsmodaliteter som subharmonisk avbildning (SHI), som mottar ved halvparten av sendefrekvensen (dvs. ved f 0/2). 3 Vår gruppe har vist i kliniske studier på mennesker at SHI kan oppdage blodstrømmen i neokar og arterioler assosiert med en rekke svulster og vev. 4,5,6,7,8,9
Vi har tatt til orde for bruk av UCA ikke som vaskulære sporstoffer, men som sensorer for ikke-invasiv trykkestimering i sirkulasjonssystemet ved å overvåke subharmoniske kontrastbobleamplitudevariasjoner. 10 Denne innovative teknikken, kalt subharmonisk-assistert trykkestimering (SHAPE), er avhengig av den inverse lineære korrelasjonen mellom amplituden til de subharmoniske signalene og hydrostatisk trykk (opptil 186 mmHg) målt for de fleste kommersielle UCA in vitro (r2 > 0,90) som oppsummert i tabell 1. 10,11 Det bør imidlertid bemerkes at ikke alle UCA utviser denne oppførselen. Spesielt har det vist seg at subharmoniske signaler fra UCA SonoVue (kjent som Lumason i USA) først stiger med hydrostatisk trykkøkning, etterfulgt av et platå og en avtagende fase. 12 Ikke desto mindre gir SHAPE muligheten til å tillate at trykkgradienter i hjertet og gjennom hele kardiovaskulærsystemet samt interstitielt væsketrykk i svulster oppnås ikke-invasivt. 13,14,15,16,17 Nylig implementerte vi en sanntidsversjon av SHAPE-algoritmen på en kommersiell ultralydskanner og ga proof-of-concept som SHAPE kan gi in vivo trykkestimater med feil på mindre enn 3 mmHg i venstre og høyre ventrikler hos pasienter. 16,17
Den mest erfaringen med SHAPE hittil har vært for diagnostisering av portalhypertensjon med mer enn 220 personer inkludert og innledende funn bekreftet i en multisenterstudie. 13,14 Portalhypertensjon er definert som en økning i trykkgradienten mellom portvenen og levervenene eller den nedre vena cava som overstiger 5 mmHg, mens klinisk signifikant portalhypertensjon (CSPH) krever en gradient eller tilsvarende, en hepatisk venøs trykkgradient (HVPG) ≥ 10 mmHg. 18 CSPH er forbundet med økt risiko for gastroøsofageale varicer, ascites, leverdekompensasjon, postoperativ dekompensasjon og hepatocellulært karsinom. 18,19 Pasienter som utvikler ascites har en 50% treårig dødelighet og de som utvikler spontan infeksjon av ascites væsken bære en 70% ett-års dødelighet. Pasienter med cirrhose har en 5-10% årlig forekomst av gastroøsofageal variceal dannelse, og en 4-15% årlig forekomst av blødning; Hver blødningsepisode medfører opptil 20% risiko for død. 18,19
Dette manuskriptet beskriver hvordan man kan gjennomføre en SHAPE-studie ved hjelp av kommersielt tilgjengelig utstyr og UCA med vekt på å identifisere portal hypertensjon i leveren til pasienter. Den kritiske kalibreringsprosedyren som kreves for å oppnå høyest følsomhet for estimering av trykkendringer, forklares i detalj.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ikke-invasiv, nøyaktig måling av trykk i menneskekroppen har lenge vært et viktig, men unnvikende klinisk mål. Protokollen for SHAPE-målinger som presenteres her oppnår dette målet. Den mest kritiske komponenten i SHAPE-prosedyren er optimaliseringsalgoritmen, siden subharmoniske data som ikke er oppnådd ved optimal akustisk effekt, vil korrelere dårlig med hydrostatisk trykk. 17,22,23 Den første versjonen av denne programvaren implementert på en Logiq 9-skanner var tilbøyelig til å …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet støttes delvis av US Army Medical Research Material Command under W81XWH-08-1-0503, og W81XWH-12-1-0066, av AHA-tilskudd nr. 0655441U og 15SDG25740015 samt av NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, av Lantheus Medical Imaging og av GE Healthcare, Oslo, Norge.
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).
