АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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.

протокол

Институциональные наблюдательные советы Университета Томаса Джефферсона и Больницы Пенсильванского университета одобрили этот протокол. Протокол соответствует Закону о переносимости и подотчетности медицинского страхования. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) выдало разрешение на исследование нового лекарственного средства (IND # 124,465 Ф. Форсбергу) для этого протокола. GE Healthcare (Осло, Норвегия) предоставила УЦА, использованный в этом исследовании (Sonazoid; Таблица 1). Соназоид не одобрен FDA для каких-либо клинических применений в Соединенных Штатах, поэтому был необходим IND. Другие UCA с одобрением FDA1 могут использоваться не по прямому назначению по усмотрению лечащего врача, если они считаются потенциально клинически полезными.

ПРИМЕЧАНИЕ: Полный протокол и план статистического анализа доступны по адресу https:// clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02489045. Регистрационный номер исследования: NCT # 02489045.

1. Предметная подготовка

  1. Просмотрите известные лекарственные аллергии или непереносимости субъекта, в частности, любую известную аллергию на используемый УЦА.
  2. Исключите субъектов с нестабильными сердечно-легочными заболеваниями или тех, кто в целом нестабилен с медицинской точки зрения.
  3. Положите испытуемого на носилки в положении лежа на спине.
  4. Поместите канюлю 18–22 калибра в вену правой или левой руки субъекта для инфузии УЦА.
  5. Убедитесь, что службы экстренной помощи (например, аварийная тележка) будут доступны в больнице в случае каких-либо острых побочных реакций.
    ПРИМЕЧАНИЕ: УЦА очень безопасны при серьезных реакциях анафилактоидного типа, о которых сообщается со скоростью менее 0,01%. 20 См.

2. Подготовка к УЦА (специфическая для соназоида)

  1. Подготовьте три (3) флакона с 48 мкл микропузырьков (6 мл) для каждого субъекта, ресуспендировав в соответствии с инструкциями производителя. UCA поставляется в виде сухого порошка в запечатанных флаконах по 10 мл. Свободное пространство флаконов содержит перфторбутан.
    1. Перфорируйте пробку флакона УЦА хемоспайком.
    2. Снимите защитный колпачок с порта шприца хемоспайка и добавьте 2 мл стерильной воды.
    3. Когда шприц остается прикрепленным к хемоспайку, немедленно встряхните продукт в течение 1 минуты, чтобы обеспечить однородный продукт.
    4. Извлеките продукт в шприц и снова введите продукт обратно во флакон. Это делается для того, чтобы избежать разбавления продукта из-за объема мертвого пространства в хемоспайке.
    5. Извлеките шприц из порта шприца и снова прикрепите защитный колпачок. Концентрация восстановленного УЦА составляет 8 мкл микропузырьков/мл.
    6. Повторите процедуру восстановления для остальных 2 флаконов.
  2. Используйте физиологический раствор (0,9% раствор NaCl), чтобы заполнить соединительные трубки перед подключением к 3-ходовому запорному крану. Затем запорный кран будет соединен с удлинительной трубкой, ведущей к канюле.
  3. Наберите все три (3) флакона с взвешенным УЦА в шприц объемом 10 мл и поместите его в шприцевой насос на том же уровне или ниже пациента и подсоедините непосредственно к запорному крану.
  4. После первоначальной ультразвуковой визуализации и после открытия запорного крана вводят раствор NaCl со скоростью 120 мл / час и совместно вводят соназоид со скоростью 0,024 мкл на кг массы тела в минуту (скорость инфузии суспензии 0,18 мл / кг / час).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эта скорость инфузии была выбрана на основе предыдущего опыта нашей группы с соназоидной инфузией у пациентов с портальной гипертензией, проходящих SHAPE13,14,21. Точная процедура ресуспензии и метод инфузии будут варьироваться в зависимости от используемого УЦА.

3. Первичная ультразвуковая визуализация

  1. Включите ультразвуковой сканер (например, Logiq E10, версия R2) и выберите криволинейный датчик C1-6-D.
  2. Выберите предустановку брюшной полости на ультразвуковом сканере и используйте криволинейно-линейную матрицу (обычно с полосой пропускания 1-6 или 2-8 МГц) для получения изображений в оттенках серого как портала, так и печеночной вены в одной плоскости изображения и на одинаковой глубине (рис. 1). Как правило, это лучше всего достигается с помощью подреберного подхода.
  3. Оптимизируйте изображения на основе надлежащей клинической практики и позаботьтесь о том, чтобы выделить область печеночной вены подальше от нижней полой вены, чтобы избежать влияния ретроградного потока.

4. Визуализация SHI и SHAPE

  1. Активируйте контрастный режим визуализации SHI в режиме двойного дисплея (т. е. одновременно работая в режиме B и SHI в реальном времени) с помощью кнопки сенсорной панели Subharmonic Contrast и активируйте режим контрастности. Затем выберите SUBH-AM на поворотном регуляторе.
    1. Выполняйте SHI на частоте передачи 2,5 МГц и получайте полученные сигналы на частоте 1,25 МГц.
    2. Используйте формирование импульсов, чтобы максимизировать генерацию субгармонических сигналов микропузырьков, таких как гауссовская оконная биномиальная отфильтрованная прямоугольная волна с соназоидом,21 но это зависит от сканера и UCA. 17 См.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выбор частоты изображения и формы импульса может быть недоступен конечным пользователям.
  2. Подтверждают проходимость воротной и печеночной вены, а также наличие микропузырьков, что может занять до 1-2 минут от начала инфузии.
  3. Активируйте код автоматической оптимизации SHAPE, чтобы оптимизировать SHAPE, компенсируя различную глубину и затухание. 22,23 Выберите TIC Analysis на сенсорной панели, затем F6, а затем кнопку k.
  4. Алгоритм оптимизации SHAPE будет получать субгармонические данные для каждого уровня акустического выхода. После завершения сбора данных разместите ROI на портальной вене в окне контрастного образца (вверху слева на экране TIC Analysis).
    1. Постройте средние субгармонические данные в пределах ROI в зависимости от акустического выхода и подгоните логистическую кривую к данным. Выберите точку перегиба этой кривой (или, скорее, пик в производной кривой, показанной ниже) в качестве оптимизированной мощности, так как было показано, что это точка наибольшей чувствительности SHAPE. 22,23 Один из таких наборов кривых показан на рисунке 2.
  5. Отрегулируйте акустическую выходную мощность до значения, указанного на шаге 4.4.1, что обеспечит максимальное изменение субгармонических амплитуд в зависимости от давления окружающей среды (т.е. максимизацию чувствительности SHAPE).
  6. Получение субгармонических данных из микропузырьков (т.е. SHAPE) в сегментах 5-15 с во время инфузии суспензии UCA (рис. 3).

5. Обработка данных SHAPE

  1. После того, как оптимизированная кинопетля SHI будет получена (шаг 5.6), выберите «Анализ TIC» на сенсорной панели.
    1. Убедитесь, что на сенсорной панели активирована функция «Отслеживание движения», которая регулирует положение ROI для каждого кадра, чтобы компенсировать любое дыхание или другое движение.
    2. Убедитесь, что дБ выбран в качестве единицы измерения для оси Y на трассах в окне анализа.
  2. В окне контрастного образца (вверху слева на экране) выберите идентичные ROI (по умолчанию используются эллиптические области) в печеночной и воротной венах. В окне анализа (справа) субгармонический сигнал (в дБ) внутри каждого сосуда усредняется по всем кадрам в полосе пропускания 0,5 МГц около 1,25 МГц.
  3. Рассчитайте конечный градиент SHAPE (в дБ) как разницу в среднем субгармоническом сигнале между ROI печени и воротной вены. Основываясь на текущих исследованиях, оптимальная рабочая точка для идентификации CSPH составляет -0,11 дБ, а уравнение линейной регрессии - HVPG = 0,81 x SHAPE + 9,43. 14 Важно отметить, что это пороговое значение и уравнение зависят как от сканера, так и от УЦА.

Результаты

Как и во всех ультразвуковых исследованиях, первым соображением для SHAPE печени является получение наилучших исходных изображений в оттенках серого целевой области и обеспечение (с помощью допплерографии) отсутствия внутрипеченочных портальных венозных шунтов или других сосудистых а...

Обсуждение

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?...

Раскрытие информации

Доктора Форсберг, Гупта, Уоллес и Эйзенбри имеют патент на технологию SHAPE. Доктор Уоллес является сотрудником GE.

Благодарности

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.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
2 mL syringeBecton Dickinson309637Used for reconstituting Sonazoid
10 mL saline-filled syringeBecton Dickinson306545Used for flushing line to verify IV access
500 mL saline bagBaxter Healthcare Corp2131323Used for co-infusion with Sonazoid
C1-6-D curvi-linear probleGE HealthcareH40472LTUsed for liver imaging
Chemoprotect SpikeCodan USAC355Chemospike used for reconstituting Sonazoid
Discofix C BlueB. Braun Medical Inc16494C3-way stopcock
Intrafix Safeset 180 cmB. Braun Medical Inc4063000Infusion tubing
Logiq E10 ultrasound scannerGE HealthcareH4928USUsed for conventional ultrasound imaging as well as for SHI and SHAPE
Luer lock 10 mL syringeBecton Dickinson300912For infusion of Sonazoid
Medfusion 3500 syringe pumpSmiths Medical3500-500Used for infusing Sonazoid at 0.18 mL/kg/hour
Perfusor-leitung tubing 150 mmB. Braun Medical Inc8722960Extension line enabling syringe connection to patient's IV access
SHI/SHAPE softwareGE HealthcareH4920CIContrast-specific imaging software
Sigma Spectrum infusion systemBaxter Healthcare Corp35700BAXPump used for co-infusing saline at 120 mL/hour
SonazoidGE HealthcareGas-filled microbubble based ultrasound contrast agent
sterile water, 2 mLB. Braun Medical IncUsed for reconstituting Sonazoid
ultrasound gelCardinal HealthUSG-250BTUsed for contact between probe and patient
Venflon IV cannula 22GABecton Dickinson393202Cannula needle for obtaining IV access

Ссылки

  1. Lyshchik, A. . Fundamentals of CEUS. , (2019).
  2. Leighton, T. G. . The Acoustic Bubble. , (1994).
  3. Forsberg, F., Shi, W. T., Goldberg, B. B. Subharmonic imaging of contrast agents. Ultrasonics. 38 (1-8), 93-98 (2000).
  4. 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).
  5. Sridharan, A., et al. Characterizing breast lesions using quantitative parametric 3D subharmonic imaging: a multi-center study. Academic Radiology. 27 (8), 1065-1074 (2020).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Eisenbrey, J. R., et al. Contrast-enhanced subharmonic and harmonic ultrasound of renal masses undergoing percutaneous cryoablation. Academic Radiology. 22 (7), 820-826 (2015).
  9. Gupta, I., et al. Transrectal subharmonic ultrasound imaging for prostate cancer detection. Urology. 138 (4), 106-112 (2020).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Eisenbrey, J. R., et al. Chronic liver disease: noninvasive subharmonic aided pressure estimation of hepatic venous pressure gradient. Radiology. 268 (2), 581-588 (2013).
  14. Gupta, I., et al. Diagnosing portal hypertension with noninvasive subharmonic pressure estimates from an ultrasound contrast agent. Radiology. , (2020).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

JoVE166

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены