Измерение толщины и функции диафрагмы с помощью ультразвука в месте оказания медицинской помощи

Summary

Толщина и функция диафрагмы могут быть оценены у здоровых людей и пациентов в критическом состоянии с помощью ультразвукового исследования в месте оказания медицинской помощи. Этот метод предлагает точный, воспроизводимый, осуществимый и хорошо переносимый метод оценки структуры и функции диафрагмы.

Abstract

Диафрагма является основным компонентом насоса дыхательной мышцы. Дисфункция диафрагмы может вызвать одышку и непереносимость физической нагрузки, а также предрасполагает пострадавших людей к дыхательной недостаточности. У пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких, диафрагма подвержена атрофии и дисфункции из-за неиспользования и других механизмов. Это приводит к неудачному отлучению от груди и плохим отдаленным клиническим исходам. Ультразвуковое исследование в месте оказания медицинской помощи представляет собой достоверный и воспроизводимый метод оценки толщины диафрагмы и сократительной активности (фракции утолщения во время вдоха), который может быть легко использован как клиницистами, так и исследователями. В этой статье представлены рекомендации по измерению толщины диафрагмы и количественной оценке утолщения диафрагмы во время приливного дыхания или максимального вдоха. После освоения этот метод может быть использован для диагностики и прогнозирования дисфункции диафрагмы, а также для управления и мониторинга ответа на лечение с течением времени как у здоровых людей, так и у пациентов с острыми или хроническими заболеваниями.

Introduction

Ультразвук относится к звуковым волнам, находящимся за верхними слышимыми границами человеческого слуха. Ультразвук имеет множество применений за пределами здравоохранения, наиболее известным, вероятно, является разработка SONAR (звуковая навигация и определение дальности) для военного использования в^Первой мировой войне; В настоящее время ультразвук широко используется в медицинской диагностике и терапии. Медицинская сонография или диагностическое ультразвуковое исследование использует высокочастотные звуковые волны (>20 кГц) для получения изображений структур мягких тканей тела. Эти звуковые волны представляют собой импульсы с частотой от 1 до 20 миллионов циклов/с (мегагерц, МГц), которые могут передаваться в тело для изучения анатомических структур, таких как печень, сердце и скелетные мышцы. Ультразвуковое исследование в местах оказания медицинской помощи все чаще становится краеугольным камнем оценки и лечения критических заболеваний.

Первое применение ультразвука в медицине было сделано в 1940-х годах доктором Карлом Дусиком, который попытался обнаружить опухоли головного мозга, измеряя передачу ультразвуковых лучей^{через голову.} По мере развития технологий были разработаны новые методы, в том числе амплитудный режим (A-mode) и яркостный режим (B-mode)³, за которыми последовала разработка двумерных сканеров в 1960 году ^4,5. Область диагностического ультразвука стала неоценимой в клинической практике, поскольку она позволяет избежать воздействия ионизирующего излучения и может быть получена у постели больного, избегая необходимости внутрибольничной транспортировки с сопутствующими рисками. УЗИ безопасно, хорошо переносится, надежно и воспроизводимо у пациентов ^6,7.

Диафрагма представляет собой тонкую куполообразную мышечную структуру, которая действует как главный дыхательный насос, обеспечивающий спонтанную вентиляцию легких у людей. Диафрагма разделяет грудную и брюшную полости и состоит из трех отдельных сегментов: центрального сухожилия, реберной диафрагмы и диафрагмы голени (рис. 1). Центральное сухожилие диафрагмы представляет собой несократительную структуру, которая позволяет крупным кровеносным сосудам проходить из грудной полости в брюшную. Реберная диафрагма имеет волокна, идущие от грудной клетки или мечевидного отростка до центрального сухожилия. Диафрагма голени вводится в первые три поясничных позвоночных. Во время вдоха реберная диафрагма сокращается, опуская купол диафрагмы при одновременном расширении нижней грудной клетки. Реберная диафрагма поддерживает диафрагму голени в опускании купола ^8,9,10.

Трансторакальное УЗИ диафрагмы привлекает все большее внимание благодаря своей способности контролировать толщину диафрагмы в зоне аппозиции (рис. 1)11,12,13. Диафрагма была впервые визуализирована с помощью ультразвука в 1975 году Haber et ^al.14. Сократительная способность диафрагмы и мышечное укорочение во время вдоха могут быть количественно определены с помощью ультразвукового исследования в М-режиме для контроля толщины диафрагмы (Tdi) и фракции утолщения (TFdi). Эта оценка сократительной способности позволяет измерить мышечную работоспособность диафрагмы при заданном уровне вдохного побуждения и усилия. Ультразвуковое исследование в месте оказания медицинской помощи обеспечивает безопасные, воспроизводимые и надежные измерения функции и архитектуры диафрагмы. У пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких, изменения толщины диафрагмы с течением времени могут быть использованы для оценки негативных последствий искусственной вентиляции легких, включая последствия миотравмы, вызванной чрезмерной помощью (атрофия; уменьшение толщины в конце выдоха с течением времени) или недостаточной помощью (травма, вызванная нагрузкой, приводящая к воспалению, отеку; возможно, выражается в увеличении толщины конечного выдоха с течением времени)¹⁵. Эти изменения коррелируют с неблагоприятными клиническими исходами¹⁶. Измерение TFdi во время дыхательного дыхания позволяет оценить приливную диафрагмальную активность (т.е. усилие на вдохе). Измерение TFdi при максимальном усилии вдоха (TFdi,max) позволяет оценить прочность диафрагмы (поскольку силогенерирующая способность диафрагмы связана с ее способностью сокращаться и укорачиваться).

Существует существенный консенсус в отношении оптимального протокола сбора и анализа измерений¹⁷. Компетентность в ультразвуковой визуализации диафрагмы включает в себя умеренно крутую кривую обучения; Тщательное обучение технике и ее потенциальным подводным камням имеет важное значение. Исследования показали, что навыки в области ультразвуковой диагностики диафрагмы могут быть приобретены за короткий период времени с помощью дистанционного обучения через Интернет¹⁸. Поэтому этот протокол был оптимизирован для обеспечения последовательного измерения толщины диафрагмы и фракции утолщения, которое может применяться как у здоровых людей, так и у пациентов с подозрением на респираторную патологию¹⁹

Protocol

Исследования, использующие этот метод, получили этическое одобрение Совета по этике исследований в Университетской сети здравоохранения, Торонто, Канада.

1. Оценка толщины диафрагмы и фракции утолщения при приливном дыхании

1. Идентификация диафрагмы
   1. Уложите пациента в полулежачее положение (30°-45° от параллели) на спине. Снимите любой предмет одежды с правой стороны груди.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Аналогичная процедура может быть использована для визуализации левого полушария; Левую сторону, как правило, труднее визуализировать, а точность измерений, как сообщается, намного ниже¹⁹.
   2. Включите планшет, питающий портативный ультразвуковой аппарат, и запустите соответствующее приложение (см. Таблицу материалов). Начните обследование опорно-двигательного аппарата с помощью высокочастотного линейного матричного преобразователя (минимум 12 МГц).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для выполнения этой техники можно использовать любую ультразвуковую систему.
   3. Нанесите на наконечник линейного матричного преобразователя достаточное количество геля для ультразвука и убедитесь, что ультразвук находится в режиме B для позиционирования. Удерживайте зонд, обхватив его кончик большим и указательным пальцами (Рисунок 2A).
   4. Пальпируйте поверхность грудной стенки, чтобы найти правые восьмые, девятые или^10-е межреберья между средними и передними подмышечными линиями, как показано на рисунке 1C и рисунке 2A, и поместите зонд в зону аппозиции (обычно около восьмого межреберья).
   5. Наклоните преобразователь в сагиттальной плоскости так, чтобы он полностью располагался между ребрами (Рисунок 2A) и на изображении не было видно никаких реберных артефактов (Рисунок 2B). Если на изображении появляется ребро, отрегулируйте угол наклона датчика, наклонив его вверх или вниз. Если ребро все еще видно, поворачивайте щуп до тех пор, пока не будет видна только диафрагма. Если визуализация диафрагмы по-прежнему проблематична, сдвиньте зонд вверх или вниз в новое межреберье.
   6. На мониторе УЗИ выявляют две яркие белые параллельные линии, непосредственно расположенные выше печени, указывающие на плевральную и перитонеальную оболочки (рис. 2Б). Между этими линиями можно визуализировать относительно гипоэхогенную реберную диафрагму.
   7. Отрегулируйте глубину изображения, нажав на кнопку увеличения или уменьшения глубины, чтобы оптимизировать размер диафрагмы. Убедитесь, что диафрагма находится по центру монитора. Это обеспечит максимальное рассасывание плевральной и брюшинной линий от окружающих структур.
   8. Если изображение остается неоптимальным (например, на снимке видны легкие или ребра или плевральная и брюшинная мембраны не визуализируются четко), отрегулируйте датчик для лучшей визуализации, перемещая зонд вверх и вниз вдоль реберного пространства, вперед и назад от основания или вращая. В таблице 1 приведены примеры распространенных проблем при трансдиафрагмальном ультразвуковом исследовании.
2. Оптимизация изображений
   1. После того, как датчик находится в правильном месте, оптимизируйте качество изображения, изменив следующие компоненты перед сбором данных.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В различных программах ультразвуковых аппаратов существуют различия в модели и программном обеспечении. В этом программном обеспечении мы выполнили следующие нажатия кнопок для достижения цели.
   2. В программном обеспечении ультразвукового аппарата нажмите кнопку усиления , чтобы изменить яркость изображения. Увеличьте усиление, нажав кнопку увеличения , чтобы изображение выглядело ярче. И наоборот, нажмите кнопку уменьшения , чтобы затемнить изображение. Если коэффициент усиления слишком низкий, может быть трудно определить структуры. Если коэффициент усиления слишком высок, могут появиться посторонние эхо-сигналы, и изображение будет выглядеть слишком ярким.
   3. Если доступно на ультразвуковом аппарате, нажмите кнопку фокусировки , чтобы настроить фокусировку и изменить качество изображения. Нажмите кнопку увеличения , чтобы увеличить фокус, или кнопку уменьшить , чтобы уменьшить фокус.
3. Получение изображений
   1. После того, как размещение и качество изображения будут оптимизированы, переведите ультразвук в М-режим, нажав кнопку М-режима в ультразвуковом программном обеспечении.
   2. На экране изображения появится одна вертикальная линия сканирования. Проведите линию между участком, где плевральная и перитонеальная линии наиболее четкие.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Между ультразвуковыми устройствами могут наблюдаться некоторые различия при получении изображений в М-режиме. Обеспечьте четкую область, где хорошо очерченные плевральная и перитонеальная мембраны визуализируются до начала М-режима. Расположите линию сканирования в месте, где плевральная и перитонеальная мембраны четко очерчены на протяжении всего дыхательного цикла и в поле зрения не попадают легкие или ребра.
   3. Запустите М-режим в течение полного цикла вдоха и выдоха во время приливного дыхания, а затем нажмите на кнопки замораживания , а затем сохраните , чтобы зафиксировать фактическое состояние и сохранить изображение. Если доступно, отрегулируйте скорость развертки, нажав кнопку скорости развертки , чтобы отрегулировать скорость сбора и обеспечить получение двух дыхательных циклов. Повторите этот процесс, чтобы получить еще одно изображение.
   4. Безопасным для кожи маркером отметьте местоположение зонда на теле пациента, чтобы убедиться, что точно такое же положение диафрагмы измеряется с течением времени. Это необходимо для поддержания воспроизводимости измерения, так как толщина диафрагмы изменяется по площади ее поверхности¹⁹.
   5. По этим изображениям можно измерить толщину диафрагмы (Tdi) и фракцию утолщения (TFdi). Если значения из второго изображения в М-режиме не находятся в пределах 10% от первого изображения, повторяйте получение изображения в М-режиме до тех пор, пока не будут получены два изображения с набором значений в пределах 10% друг от друга. Подробнее об анализе изображений см. ниже.
   6. После завершения исследования нажмите кнопку «Завершить исследование » в программе УЗИ.
   7. Чтобы экспортировать файлы, нажмите « Экспортировать изображения » и убедитесь, что файлы экспортированы в формате DICOM.
   8. Протрите бок пациента, если остался гель, и продезинфицируйте ультразвуковое оборудование соответствующими дезинфицирующими салфетками.
4. Анализ изображений
   1. Откройте необходимые файлы DICOM в MicroDicom DICOM viewer или аналогичном программном обеспечении.
   2. Нажмите на инструмент «расстояние» (может называться штангенциркулем или прямой линией) и проведите прямую линию от внутреннего края плевральной мембраны до внутреннего края перитонеальной мембраны в конце выдоха (Tdi,ee).
   3. Убедитесь, что обе мембраны не включены в это измерение, и что оба конца прямой линии расположены прямо поперек (вертикально) друг от друга так, чтобы между маркерами не было разницы во времени, которая может искусственно увеличить расстояние, как показано на рисунке 2B¹⁷.
   4. Запишите это значение как толщину диафрагмы (Tdi,ee).
   5. Повторите шаг 4.2 на пиковом вдохе того же вдоха, чтобы получить толщину диафрагмы на пиковом вдохе (Tdi,pi).
   6. Если пациент не дышит, а фракция утолщения диафрагмы не видна во время вдоха, измерьте Tdi,pi в месте, представляющем толщину диафрагмы во время фазы вдоха (в этом случае оно будет примерно таким же, как Tdi,ee), как показано на рисунке 3.
   7. Как Tdi,ee, так и Tdi,pi должны быть проанализированы из одного и того же дыхания, как показано на рисунке 2C, чтобы оценить фракцию утолщения диафрагмы во время приливного дыхания (TFdi).
   8. Используя Tdi,pi и Tdi,ee, вычислите TFdi для каждого вдоха:
      
   9. Получите вторую пару измерений из того же изображения в М-режиме (см. рис. 2C).
   10. Повторите шаги 1.4.1-1.4.9 для второго изображения M-режима. На данный момент получено четыре измерения Tdi,ee и четыре измерения TFdi.
   11. Если значения из второго изображения в М-режиме не находятся в пределах 10% от первого изображения, повторяйте получение изображения в М-режиме до тех пор, пока не будут получены два изображения с набором значений в пределах 10% друг от друга.

Рисунок 1: Обзор анатомии диафрагмы и размещения ультразвукового датчика. (А) Анатомические структуры для УЗИ реберной диафрагмы. Диафрагма состоит из центрального сухожилия, реберной диафрагмы и диафрагмы голени. (В,В) Для визуализации реберной диафрагмы в зоне аппозиции на УЗИ пациента помещают в полулежачее положение и располагают восьмое, девятое или^10-е межреберье. Высокочастотный (>12 МГц) ультразвуковой датчик с линейной матрицей размещается параллельно ребрам в межреберном пространстве вдоль среднеподмышечной линии для визуализации реберной диафрагмы в виде поперечного сечения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Толщина и утолщение ультразвуковой диафрагмы во время дыхательного дыхания. (А) Зонд помещают в восьмое, девятое или^10-е межреберье для визуализации диафрагмы в виде поперечного сечения. (B) На изображении в В-режиме белыми стрелками показаны гиперэхогенные плевральная и перитонеальная мембраны. (C) Изображение в М-режиме проецирует изменение толщины диафрагмы в определенный момент с течением времени. Слева направо желтыми линиями измеряется толщина диафрагмы на конце выдоха (Tdi,ee) и толщина диафрагмы на пиковом вдохе (Tdi,pi) первого вдоха, а красными линиями обозначается толщина второго вдоха. Толщина диафрагмы (Tdi,ee) составляет 1,20 и 1,25 мм, а TFdi 26% и 23% соответственно у здорового мужчины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Распространенные проблемы при трансдиафрагмальном ультразвуковом исследовании Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

2. Оценка максимальной фракции утолщения диафрагмы

ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная фракция утолщения диафрагмы может быть оценена во время той же экспериментальной сессии, что и толщина диафрагмы.

1. Получение изображений
   1. Используя ту же методику, что описана выше, определите диафрагму с помощью ультразвука в В-режиме и оптимизируйте ее соответствующим образом.
   2. У пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких, убедитесь в наличии достаточного дыхательного импульса для функциональной оценки диафрагмы, измерив давление окклюзии дыхательных путей (P_0,1) на аппарате искусственной вентиляции легких. Р_0,1 должен быть не менее 2 см H₂O, чтобы продолжить. Если он составляет менее 2 см_H2O, подумайте о том, чтобы уменьшить седацию или вентиляцию легких, чтобы увеличить дыхательный импульс перед ультразвуковым исследованием.
   3. После того, как дыхательный импульс станет достаточным у пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких, уменьшите вентиляционную поддержку до минимального уровня (например, вентиляция с поддержкой давлением (PSV): 0 см H₂O; положительное давление в конце выдоха (PEEP): 0 см H₂O; умеренные уровни PSV или PEEP могут поддерживаться, если это необходимо для газообмена), чтобы временно увеличить сократительную способность диафрагмы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Удаление вентиляционной поддержки увеличивает дыхательный импульс и усилие, облегчая оценку функции диафрагмы.
2. Переведите ультразвук в М-режим, нажав кнопку М-режима .
3. Во время бега в М-режиме научите участника выполнять максимальное волевое усилие на вдохе против неокклюзированных дыхательных путей (т.е. маневр инваторной способности), проинструктировав участника «сделать большой вдох», если это возможно.
   1. Если пациент не может выполнять команды для выполнения максимальных усилий на вдохе, применяют короткий маневр окклюзии дыхательных путей (маневр Марини)²⁰ в течение до 20 с, чтобы стимулировать увеличение дыхательных усилий. Затем отпустите окклюзию и измерьте TFdi, max после снятия окклюзии.
4. Заморозьте запись и сохраните изображение.
5. Повторите шаги 2.1-2.4 еще дважды, чтобы получить в общей сложности три изображения М-режима для анализа, или до тех пор, пока сонографист не будет уверен, что пациент приложил максимальные волевые усилия.
6. Экспортируйте изображения в режиме M в формате DICOM для тщательного анализа в автономном режиме.
7. Протрите бок пациента, чтобы удалить остатки геля, и продезинфицируйте ультразвуковое оборудование соответствующими дезинфицирующими салфетками.
8. Анализ изображений
   1. Откройте необходимые файлы DICOM в MicroDicom DICOM viewer или аналогичном программном обеспечении.
   2. Нажмите на дистанционный инструмент (может называться штангенциркулем или прямолинейным) и проведите прямую линию от внутреннего края плевральной мембраны до внутреннего края перитонеальной мембраны в конце выдоха (Tdi,ee) и пике вдоха (Tdi,pi) во время максимального вдоха, как показано на рисунке 3B.
   3. Убедитесь, что все измерения исключают плевральную и перитонеальную мембраны, а оба конца прямой линии расположены прямо напротив (вертикально) друг от друга, чтобы не было разницы во времени.
   4. TFdi,max для каждого вдоха вычисляется как:
      
   5. Запишите максимальное значение, по крайней мере, трех последовательных попыток как TFdi,max.

Рисунок 3: Примеры минимальной и максимальной фракции утолщения диафрагмы. (A) Толщину ультразвуковой диафрагмы (Tdi) и фракцию утолщения (TFdi) измеряли при наличии минимального сокращения диафрагмы. При необходимости отрегулируйте скорость развертки; два вдоха используются для оценки TFdi. При отсутствии четкой пиковой толщины вдоха время инспираторного усилия определяется клинически у постели больного. TFdi здесь рассчитывается как 11%, но будет усреднен еще за два вдоха (всего четыре вдоха, запечатленные на двух изображениях). (Б) Максимальная фракция утолщения диафрагмы, измеренная при максимальных усилиях на вдохе (TFdi,max), стимулируется либо путем обучения пациента максимальным волевым усилием, либо путем выполнения метода Марини, если пациент не может быть обучен и имеется P_0,1 >2 см H₂O. TFdi,max рассчитывается здесь как 208%, однако наибольшее значение, полученное после нескольких (по крайней мере, трех) попыток, будет записано как TFdi,max. Выявлена выраженная разница в TFdi и Tdi при максимальном вдохе (B) по сравнению с минимальным вдохным усилием (A). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

УЗИ диафрагмы представляет собой неинвазивный, надежный и валидный метод мониторинга структуры и функции диафрагмы у здоровых людей и пациентов в критическом состоянии. Фракция утолщения диафрагмы обеспечивает измерение сократительной активности и функции диафрагмы у постели больного, что гораздо более осуществимо, чем измерение трансдиафрагмального давления с помощью магнитного подергивания, традиционный метод золотого стандарта для оценки функции диафрагмы³³. Мониторинг функции и толщины диафрагмы с помощью ультразвукового исследования в месте оказания медицинской помощи позволяет обнаружить атрофию диафрагмы. Таким образом, эксперты рекомендуют выполнить как минимум 15 отдельных трансдиафрагмальных ультразвуковых исследований и проанализировать их, чтобы развить компетенцию¹⁷.

Для обеспечения воспроизводимости и точности измерений необходимо обязательно разметить место расположения датчика¹⁹. Изображение в режиме B должно быть оптимизировано путем регулировки положения датчика, а также глубины, усиления и фокусировки прибора. Скорость развертки используемого ультразвука должна быть отрегулирована таким образом, чтобы получить как минимум два вдоха в пределах полученного изображения, если это возможно. Наконец, измерения следует повторять до тех пор, пока не будут получены согласованные значения (в пределах 10%).

Некоторые трудности, связанные с получением Tdi и TFdi, заключаются в размещении и ориентации линейного датчика. В таблице 1 приведены некоторые распространенные сценарии и связанные с ними меры по устранению неполадок, которые должны предпринять пользователи.

Необходимо отметить некоторые ограничения этого ультразвукового метода. Во-первых, толщина диафрагмы сильно варьируется у разных пациентов, и изменения толщины с течением времени необходимо соотносить с исходным значением (например, для диагностики атрофии). Во-вторых, несмотря на простоту методики, для обеспечения компетентности требуется обучение. Для достижения компетентности в области методики 18 была проведена валидация онлайновой учебной платформы на основе веб-технологий¹⁸. В-третьих, описанная ультразвуковая методика дает ограниченные данные о структуре мышц (массе) и функции (сократительной способности). Новые методы, такие как ультразвуковое исследование и ультразвуковая эластография, могут предоставить дополнительную информацию о мышечной ригидности и фиброзе 34,35,36,37,38.

Таким образом, трансдиафрагмальное УЗИ позволяет определить структуру и функцию диафрагмы, что может быть легко выполнено у здоровых и критически больных пациентов. Данная методика является надежной и валидной, считаясь компетентным пользователем с достаточной подготовкой. В этой статье описывается, как выполнять трансдиафрагмальное ультразвуковое исследование, и предостерегается пользователей о необходимости пройти достаточную подготовку перед получением данных.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10-15 MHz linear array transducer	Philips	L12-4	Any 10-15MHz linear array transducer may be used
Any DICOM viewer software  Example: MicroDicom DICOM viewer	MicroDicom		Free for non-commerical use analysis software: https://www.microdicom.com/company.html
Lumify Ultrasound Application	Philips		Other systems will use their own software
Lumify Ultrasound System	Philips		Any ultrasound system may be used
Skin Safe Marker	Viscot	1450XL	Used for marking location of probe
Ultrasound Gel	Wavelength	NTPC201X	Any ultrasound gel may be used