Name: contrast-enhanced subharmonic aided pressure estimation (shape) using ultrasound imaging with a focus on identifying portal hypertension
Uploaded: 2020-12-05T15:00:00
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Questo lavoro è supportato in parte dal Comando del materiale di ricerca medica dell'esercito degli Stati Uniti sotto W81XWH-08-1-0503 e W81XWH-12-1-0066, dalle sovvenzioni AHA n. 0655441U e 15SDG25740015 e da NIH R21 HL081892, R21 HL130899, R21 HL089175, RC1 DK087365, R01 DK098526, R01 DK118964, R01 CA140338, R01 CA234428, da Lantheus Medical Imaging e da GE Healthcare, Oslo, Norvegia.

I comitati di revisione istituzionale della Thomas Jefferson University e dell'Ospedale dell'Università della Pennsylvania hanno approvato questo protocollo. Il protocollo è conforme all'Health Insurance Portability and Accountability Act. La Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti ha rilasciato un'approvazione per un nuovo farmaco sperimentale (IND # 124.465 a F. Forsberg) per questo protocollo. GE Healthcare (Oslo, Norvegia) ha fornito l'UCA utilizzato in questa ricerca (Sonazoid; Tabella 1</stro...

<ol>
	<li>Lyshchik, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of CEUS. , (2019).</li><li>Leighton, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Acoustic Bubble. , (1994).</li><li>Forsberg, F., Shi, W. T., Goldberg, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subharmonic+imaging+of+contrast+agents.">Subharmonic imaging of contrast agents.</a> Ultrasonics. 38 (1-8), 93-98 (2000).</li><li>Forsberg, F., Piccoli, C. W., Merton, D. A., Palazzo, J. P., Hall, A. 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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+adnexal+masses+using+contrast-enhanced+subharmonic+imaging:+a+pilot+study.">Characterization of adnexal masses using contrast-enhanced subharmonic imaging: a pilot study.</a> Journal of Ultrasound in Medicine. 39 (5), 977-985 (2020).</li><li>Eisenbrey, J. 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X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+control+of+SonoVue+microbubbles+to+estimate+hydrostatic+pressure.">Optimal control of SonoVue microbubbles to estimate hydrostatic pressure.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 67 (3), 557-567 (2020).</li><li>Eisenbrey, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+liver+disease:+noninvasive+subharmonic+aided+pressure+estimation+of+hepatic+venous+pressure+gradient.">Chronic liver disease: noninvasive subharmonic aided pressure estimation of hepatic venous pressure gradient.</a> Radiology. 268 (2), 581-588 (2013).</li><li>Gupta, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosing+portal+hypertension+with+noninvasive+subharmonic+pressure+estimates+from+an+ultrasound+contrast+agent.">Diagnosing portal hypertension with noninvasive subharmonic pressure estimates from an ultrasound contrast agent.</a> Radiology. , (2020).</li><li>Nam, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+neoadjuvant+chemotherapy+for+breast+cancer+by+using+three-dimensional+subharmonic+aided+pressure+estimation+and+imaging+with+US+contrast+agents:+preliminary+experience.">Monitoring neoadjuvant chemotherapy for breast cancer by using three-dimensional subharmonic aided pressure estimation and imaging with US contrast agents: preliminary experience.</a> Radiology. 285 (1), 53-62 (2017).</li><li>Dave, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+intra-cardiac+pressure+measurements+using+subharmonic-aided+pressure+estimation:+proof+of+concept+in+humans.">Non-invasive intra-cardiac pressure measurements using subharmonic-aided pressure estimation: proof of concept in humans.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (11), 2718-2724 (2017).</li><li>Esposito, C., Dickie, K., Forsberg, F., Dave, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Developing+an+interface+and+investigating+optimal+parameters+for+real-time+intra-cardiac+subharmonic+aided+pressure+estimation.">Developing an interface and investigating optimal parameters for real-time intra-cardiac subharmonic aided pressure estimation.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. , (2020).</li><li>Bosch, J., Groszmann, R. J., Shah, V. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+in+the+understanding+of+the+pathophysiological+basis+of+portal+hypertension:+How+changes+in+paradigm+are+leading+to+successful+new+treatments.">Evolution in the understanding of the pathophysiological basis of portal hypertension: How changes in paradigm are leading to successful new treatments.</a> Journal of Hepatology. 62, 121-130 (2015).</li><li>Procopet, B., Berzigotti, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosis+of+cirrhosis+and+portal+hypertension:+imaging,+non-invasive+markers+of+fibrosis+and+liver+biopsy.">Diagnosis of cirrhosis and portal hypertension: imaging, non-invasive markers of fibrosis and liver biopsy.</a> Gastroenterology Report. 5 (2), 79-89 (2017).</li><li>Dietrich, C. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. , (2020).</li><li>Gupta, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+pulse+shaping+on+subharmonic+aided+pressure+estimation+in+vitro+and+in+vivo.">Effect of pulse shaping on subharmonic aided pressure estimation in vitro and in vivo.</a> Journal of Ultrasound in Medicine. 36 (1), 3-11 (2017).</li><li>Dave, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+implementation+of+an+automated+acoustic+output+optimization+algorithm+for+subharmonic+aided+pressure+estimation.">On the implementation of an automated acoustic output optimization algorithm for subharmonic aided pressure estimation.</a> Ultrasonics. 53 (4), 880-888 (2013).</li><li>Gupta, I., Eisenbrey, J. R., Machado, P., Stanczak, M., Wallace, K., Forsberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+factors+impacting+subharmonic-+aided+pressure+estimation+(SHAPE).">On factors impacting subharmonic- aided pressure estimation (SHAPE).</a> Ultrasonic Imaging. 41 (1), 35-48 (2019).</li><li>Eisenbrey, J. R., Daecher, A., Kramer, M. R., Forsberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+needle+and+catheter+size+on+commercially+available+ultrasound+contrast+agents.">Effects of needle and catheter size on commercially available ultrasound contrast agents.</a> Journal of Ultrasound in Medicine. 34 (11), 1961-1968 (2015).</li></ol>

La misurazione non invasiva e accurata delle pressioni all'interno del corpo umano è stata a lungo un obiettivo clinico importante ma elusivo. Il protocollo per le misure SHAPE qui presentato raggiunge questo obiettivo. La componente più critica della procedura SHAPE è l'algoritmo di ottimizzazione, poiché i dati subarmonici non acquisiti alla potenza acustica ottimale saranno scarsamente correlati con le pressioni idrostatiche. 17,22,23 La versione iniziale di questo software implementata su...

Un certo numero di diversi agenti di contrasto ecografici (UCA) sono approvati per l'uso clinico in cardiologia (in particolare opacizzazione ventricolare sinistra) e radiologia (in particolare caratterizzazione delle lesioni epatiche adulte e pediatriche) in tutto il mondo. 1 La sensibilità e la specificità dell'ecografia possono essere migliorate mediante iniezione endovenosa (IV) di microbolle riempite di gas (diametro < 10 μm) incapsulate da un guscio lipidico o proteico come UCA che attraversano l'intera vascolarizzazione e potenziano i segnali fino a 30 dB. 1 Questi UCA non solo potenziano i segnali ultrasonici retrodiffusi, ma a pressioni acustiche sufficienti (> 200 kPa) fungono anche da oscillatori non lineari. Quindi, significative componenti energetiche saranno prodotte negli echi ricevuti che vanno dalle frequenze subarmoniche e armoniche a quelle ultraarmoniche. 1,2 Questi componenti del segnale non lineare possono essere estratti da echi di bolle tissutali e lineari (ad esempio, utilizzando l'inversione di impulso) e utilizzati per creare modalità di imaging specifiche per contrasto come l'imaging subarmonico (SHI), che riceve a metà della frequenza di trasmissione (cioè a f 0/2). 3 Il nostro gruppo ha dimostrato in studi clinici sull'uomo che SHI può rilevare il flusso sanguigno nei neovasi e nelle arteriole associate a una varietà di tumori e tessuti. 4,5,6,7,8,9 
Abbiamo sostenuto l'uso di UCA non come traccianti vascolari, ma come sensori per la stima non invasiva della pressione nel sistema circolatorio monitorando le variazioni di ampiezza delle bolle di contrasto subarmoniche. 10 Questa tecnica innovativa, chiamata stima della pressione assistita da subarmoniche (SHAPE), si basa sulla correlazione lineare inversa tra l'ampiezza dei segnali subarmonici e la pressione idrostatica (fino a 186 mmHg) misurata per la maggior parte degli UCA commerciali in vitro (r2 > 0,90) come riassunto nella Tabella 1. 10,11 Tuttavia, va notato che non tutti gli UCA mostrano questo comportamento. In particolare, è stato dimostrato che i segnali subarmonici provenienti dall'UCA SonoVue (noto come Lumason negli Stati Uniti) inizialmente aumentano con aumenti di pressione idrostatica, seguiti da un plateau e una fase decrescente. 12 Tuttavia, SHAPE offre la possibilità di consentire di ottenere in modo non invasivo gradienti di pressione nel cuore e in tutto il sistema cardiovascolare e la pressione del liquido interstiziale nei tumori. 13,14,15,16,17 Recentemente, abbiamo implementato una versione in tempo reale dell'algoritmo SHAPE su uno scanner a ultrasuoni commerciale e abbiamo fornito la prova del concetto che SHAPE può fornire stime della pressione in vivo con errori inferiori a 3 mmHg nei ventricoli sinistro e destro dei pazienti. 16,17
La maggior parte dell'esperienza con SHAPE fino ad oggi è stata per la diagnosi di ipertensione portale con più di 220 soggetti arruolati e i risultati iniziali confermati in uno studio multicentrico. 13,14 L'ipertensione portale è definita come un aumento del gradiente di pressione tra la vena porta e le vene epatiche o la vena cava inferiore superiore a 5 mmHg, mentre l'ipertensione portale clinicamente significativa (CSPH) richiede un gradiente o equivalente, un gradiente di pressione venosa epatica (HVPG) ≥ 10 mmHg. 18 Il CSPH è associato ad un aumentato rischio di varici gastroesofagee, ascite, scompenso epatico, scompenso post-operatorio e carcinoma epatocellulare. 18,19 I pazienti che sviluppano ascite hanno una mortalità a tre anni del 50% e quelli che sviluppano un'infezione spontanea del liquido dell'ascite portano una mortalità del 70% a un anno. I pazienti con cirrosi hanno un'incidenza annuale del 5-10% di formazione variceale gastroesofagea e un'incidenza annuale del 4-15% di sanguinamento; Ogni episodio di sanguinamento comporta fino al 20% di rischio di morte. 18,19
Questo manoscritto descrive come condurre uno studio SHAPE utilizzando apparecchiature disponibili in commercio e UCA con particolare attenzione all'identificazione dell'ipertensione portale nel fegato dei pazienti. La procedura di calibrazione critica necessaria per ottenere la massima sensibilità alla stima delle variazioni di pressione è spiegata in dettaglio.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>2 mL syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>309637</td>
			<td>Used for reconstituting Sonazoid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mL saline-filled syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>306545</td>
			<td>Used for flushing line to verify IV access</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL saline bag</td>
			<td>Baxter Healthcare Corp</td>
			<td>2131323</td>
			<td>Used for co-infusion with Sonazoid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C1-6-D curvi-linear proble</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>H40472LT</td>
			<td>Used for liver imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chemoprotect Spike</td>
			<td>Codan USA</td>
			<td>C355</td>
			<td>Chemospike used for reconstituting Sonazoid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Discofix C Blue</td>
			<td>B. Braun Medical Inc</td>
			<td>16494C</td>
			<td>3-way stopcock</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Intrafix Safeset 180 cm</td>
			<td>B. Braun Medical Inc</td>
			<td>4063000</td>
			<td>Infusion tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Logiq E10 ultrasound scanner</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>H4928US</td>
			<td>Used for conventional ultrasound imaging as well as for SHI and SHAPE</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luer lock 10 mL syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>300912</td>
			<td>For infusion of Sonazoid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medfusion 3500 syringe pump</td>
			<td>Smiths Medical</td>
			<td>3500-500</td>
			<td>Used for infusing Sonazoid at 0.18 mL/kg/hour</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Perfusor-leitung tubing 150 mm</td>
			<td>B. Braun Medical Inc</td>
			<td>8722960</td>
			<td>Extension line enabling syringe connection to patient&#39;s IV access</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SHI/SHAPE software</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>H4920CI</td>
			<td>Contrast-specific imaging software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sigma Spectrum infusion system</td>
			<td>Baxter Healthcare Corp</td>
			<td>35700BAX</td>
			<td>Pump used for co-infusing saline at 120 mL/hour</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonazoid</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td></td>
			<td>Gas-filled microbubble based ultrasound contrast agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sterile water, 2 mL</td>
			<td>B. Braun Medical Inc</td>
			<td></td>
			<td>Used for reconstituting Sonazoid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ultrasound gel</td>
			<td>Cardinal Health</td>
			<td>USG-250BT</td>
			<td>Used for contact between probe and patient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Venflon IV cannula 22GA</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>393202</td>
			<td>Cannula needle for obtaining IV access</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

contrast-enhanced subharmonic aided pressure estimation (shape) using ultrasound imaging with a focus on identifying portal hypertension

La misurazione non invasiva e accurata delle pressioni all'interno del corpo umano è stata a lungo un obiettivo clinico importante ma elusivo. Gli agenti di contrasto per l'imaging a ultrasuoni sono microbolle incapsulate con gas (diametro < 10 μm) che attraversano l'intera vascolarizzazione e migliorano i segnali fino a 30 dB. Queste microbolle producono anche oscillazioni non lineari a frequenze che vanno dalla subarmonica (metà della frequenza di trasmissione) alle armoniche superiori. L'ampiezza subarmonica ha una relazione lineare inversa con la pressione idrostatica ambiente. Qui viene presentato un sistema a ultrasuoni in grado di eseguire in tempo reale, la stima della pressione subarmonica assistita (SHAPE). Durante l'infusione di mezzo di contrasto ad ultrasuoni, viene attivato un algoritmo per l'ottimizzazione delle uscite acustiche. A seguito di questa calibrazione, i segnali a microbolle subarmoniche (cioè SHAPE) hanno la massima sensibilità alle variazioni di pressione e possono essere utilizzati per quantificare la pressione in modo non invasivo. L'utilità della procedura SHAPE per identificare l'ipertensione portale nel fegato è l'enfasi qui, ma la tecnica ha applicabilità in molti scenari clinici.

Come per tutti gli esami ecografici, la prima considerazione per la SHAPE epatica è quella di ottenere le migliori immagini possibili in scala di grigi di base della regione bersaglio e di garantire (utilizzando l'imaging Doppler) che non siano presenti shunt venosi portale intraepatici o altre anomalie vascolari. Nel caso dell'imaging epatico per la diagnosi di ipertensione portale, la chiave è visualizzare sia la vena porta che una vena epatica alla stessa profondità per ridurre al minimo l'impatto dell'attenuazione...

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Contrast-Enhanced Subharmonic Aided Pressure Estimation SHAPE Using Ultrasound Imaging with a Focus on Identifying Portal Hypertension

Un protocollo per la stima non invasiva delle pressioni ambientali utilizzando l'imaging ecografico subarmonico di microbolle di contrasto infuse (dopo appropriata calibrazione) è descritto con esempi di pazienti umani con malattia epatica cronica.

Stima della pressione subarmonica assistita da contrasto (SHAPE) utilizzando l'imaging a ultrasuoni con particolare attenzione all'identificazione dell'ipertensione portale

Noninvasive, accurate measurement of pressures within the human body has long been an important but elusive clinical goal. Contrast agents for ultrasound ...

Research

JoVE Journal

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