使用超声成像的对比增强次谐波辅助压力估计 （SHAPE），重点是识别门静脉高压症

Summary

通过人类慢性肝病患者的例子描述了利用注入对比微泡的次谐波超声成像（经过适当校准）无创估计环境压力的方案。

Abstract

长期以来，无创、准确测量人体内压力一直是一个重要但难以捉摸的临床目标。用于超声成像的造影剂是充满气体的封装微气泡（直径< 10 μm），可穿过整个脉管系统并将信号增强多达 30 dB。这些微气泡还产生非线性振荡，频率范围从次谐波（发射频率的一半）到更高次谐波。次谐波幅度与环境静水压力呈反比线性关系。这里介绍了一种能够执行实时次谐波辅助压力估计（SHAPE）的超声系统。在超声造影剂输注期间，激活了优化声学输出的算法。在此校准之后，次谐波微气泡信号（即SHAPE）对压力变化具有最高的灵敏度，可用于无创量化压力。SHAPE程序在识别肝脏门静脉高压症方面的效用是这里的重点，但该技术在许多临床场景中具有适用性。

Introduction

许多不同的超声造影剂（UCA）被批准用于心脏病学（特别是左心室混浊）和放射学（特别是成人和儿童肝脏病变特征）的临床应用。¹ 超声成像的灵敏度和特异性可以通过静脉内 （IV） 注射由脂质或蛋白质外壳封装的充满气体的微气泡（直径 < 10 μm）作为 UCA 来提高，UCA 穿过整个脉管系统并将信号增强高达 30 dB。¹ 这些UCA不仅增强了反向散射超声信号，而且在足够的声压（>200 kPa）下，它们还充当非线性振荡器。因此，在接收到的回波中将产生重要的能量成分，范围从次谐波和谐波到超谐波频率。¹，² 这些非线性信号分量可以从组织和线性气泡回波中提取（例如^，使用脉冲反转），并用于创建对比特定的成像模式，例如次谐波成像（SHI），其接收频率为发射频率的一半（即f ₀/2）。³ 我们小组在人体临床试验中证明，SHI可以检测与各种肿瘤和组织相关的新血管和小动脉中的血流。⁴，⁵，⁶，⁷，^8，9

我们提倡不使用UCA作为血管示踪剂，而是通过监测次谐波对比气泡振幅变化来作为循环系统中无创压力估计的传感器。¹⁰这种称为次谐波辅助压力估计（SHAPE）的创新技术依赖于大多数商业UCA在体外测量的次谐波信号幅度与静水压力（高达186 mmHg）之间的反线性相关性（r²>0.90），如表1所示。10，¹¹ 但是^，应该注意的是，并非所有 UCA 都表现出这种行为。最值得注意的是，已经表明，来自UCA SonoVue（在美国称为Lumason）的次谐波信号最初随着静水压力的增加而上升，然后是平台期和下降阶段。¹²尽管如此，SHAPE提供了允许无创获得心脏和整个心血管系统的压力梯度以及肿瘤中的间质液压力的可能性。13，¹⁴，¹⁵，¹⁶，¹⁷ 最近^，我们在商用超声扫描仪上实现了SHAPE算法的实时版本，并提供了概念验证，即SHAPE可以提供体内压力估计，患者的左心室和右心室误差小于3 mmHg。16^，17

迄今为止，SHAPE的最多经验是诊断门静脉高压症，入组了220多名受试者，并在一项多中心试验中证实了初步发现。13^，14 门静脉高压定义为门静脉与肝静脉或下腔静脉之间的压力梯度增加超过 5 mmHg，而临床上显着的门静脉高压 （CSPH） 需要梯度或等效值，肝静脉压梯度 （HVPG） ≥ 10 mmHg。¹⁸ CSPH 与胃食管静脉曲张、腹水、肝失代偿、术后失代偿和肝细胞癌的风险增加有关。18^，19 发生腹水的患者三年死亡率为 50%，发生腹水自发感染的患者一年死亡率为 70%。肝硬化患者胃食管静脉曲张形成年发病率为5-10%，出血年发生率为4-15%;每次出血发作都有高达20%的死亡风险。18^，19

本手稿描述了如何使用市售设备和UCA进行SHAPE研究，重点是识别患者肝脏中的门静脉高压症。详细解释了实现估算压力变化的最高灵敏度所需的关键校准程序。

Protocol

托马斯杰斐逊大学和宾夕法尼亚大学医院的机构审查委员会批准了该协议。该协议符合《健康保险流通与责任法案》。美国食品和药物管理局（FDA）为该协议发布了研究性新药批准（IND # 124，465至F. Forsberg）。GE Healthcare（挪威奥斯陆）提供了本研究中使用的UCA（Sonazoid; 表 1）。Sonazoid未被FDA批准用于美国的任何临床应用，这就是为什么需要IND的原因。其他获得 FDA 批准¹ 的 UCA 如果认为有潜在的临床有用，可以由主治医生自行决定在标签外使用。

注意:完整的协议和统计分析计划可在 https:// clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02489045 获得。试验注册号:NCT # 02489045。

1. 科目准备

1. 查看受试者已知的药物过敏或不耐受，特别是对正在使用的UCA的任何已知过敏。
2. 排除心肺疾病不稳定或通常医学不稳定的受试者。
3. 将受试者仰卧放在担架上。
4. 将 18 - 22 号套管放在受试者右臂或左臂的静脉中以进行 UCA 输注。
5. 确保医院内提供紧急服务（例如，急救车），以防出现任何急性不良反应。
   注意:UCA非常安全，报告的严重类过敏反应发生率低于0.01%。²⁰

2. UCA制备（特定于声纳肽）

1. 根据制造商的说明重悬，为每个受试者准备三 （3） 个装有 48 μL 微气泡 （6 mL） 的小瓶。UCA 以干粉形式提供，装在 10 mL 密封小瓶中。小瓶的顶部空间含有全氟丁烷。
   1. 用化学尖刺穿UCA小瓶的塞子。
   2. 从化学尖峰的注射器端口取下保护帽，并加入2mL无菌水。
   3. 将注射器留在化疗尖峰上，立即摇动产品 1 分钟以确保产品均匀。
   4. 将产品撤回注射器，然后再次将产品重新注入小瓶中。这是为了避免由于化学尖峰中的死区体积而导致产品稀释。
   5. 从注射器端口取出注射器并重新安装保护盖。重组UCA的浓度为8 μL微泡/mL。
   6. 对其他2个小瓶重复复溶程序。
2. 在连接到 3 通旋塞阀之前，使用生理盐水（0.9% NaCl 溶液）填充连接管。然后，旋塞阀将连接到通向套管的延长管。
3. 将所有三 （3） 瓶悬浮的 UCA 抽入 10 mL 注射器中，并将其放入患者相同水平或下方的注射泵中，并直接连接到旋塞阀。
4. 在初始超声成像和旋塞阀打开后，以 120 mL/h 的速度输注 NaCl 溶液，并以每公斤体重每分钟 0.024 μL 的速率共同输注 Sonazoid（悬浮输注速率为 0.18 mL/kg/小时）。
   注意:该输注速率是根据我们小组以前在接受SHAPE^13，14，21的门静脉高压受试者中输注声纳样的经验选择的。确切的重悬程序和输液方法将根据所使用的UCA而有所不同。

3. 初始超声成像

1. 打开超声扫描仪（例如 Logiq E10 版本 R2）的电源并选择 C1-6-D 曲线探头。
2. 在超声扫描仪上选择一个腹部预设，并使用曲线阵列（通常具有1-6或2-8 MHz带宽）在同一成像平面和相似深度获取门静脉和肝静脉的灰度图像（图1）。这通常最好通过肋下方法来实现。
3. 根据良好临床实践优化图像，并注意选择远离下腔静脉的肝静脉区域，以避免逆行血流的影响。

4. SHI 和形状成像

1. 使用 次谐波对比度 触摸屏按钮在双显示模式下激活 SHI 对比度成像模式（即同时运行实时 B 模式和 SHI），并激活对比度模式。然后在旋转控制器上选择 SUBH-AM 。
   1. 以 2.5 MHz 的发射频率执行 SHI，并在 1.25 MHz 处获得接收信号。
   2. 使用脉冲整形来最大限度地产生次谐波微气泡信号，例如带有声纳样的高斯窗口二项式滤波方波，²¹ 但这依赖于扫描仪和 UCA。¹⁷
      注:最终用户可能无法选择成像频率和脉冲形状。
2. 确认门静脉和肝静脉的通畅性以及微气泡的存在，从输注开始可能需要长达1-2分钟。
3. 激活 SHAPE 自动优化代码，通过补偿不同的深度和衰减来优化 SHAPE。22^，23 在触摸屏上选择 TIC 分析，然后选择 F6，然后选择 k 按钮。
4. SHAPE优化算法将获取每个声学输出电平的次谐波数据。数据采集完成后，在对比样本窗口（TIC分析屏幕左上角）的门静脉上放置ROI。
   1. 将ROI内的平均次谐波数据绘制为声学输出的函数，并将逻辑曲线拟合到数据。选择该曲线的拐点（或者更确切地说是下面显示的导数曲线中的峰值）作为优化功率，因为这已被证明是SHAPE灵敏度最高的点。22^，23 图2显示了一组这样的曲线。
5. 将声学输出功率调整到步骤4.4.1中确定的值，这将确保次谐波幅度的最大变化是环境压力的函数（即，最大化SHAPE的灵敏度）。
6. 在输注UCA悬浮液期间，从5-15秒段的微气泡（即SHAPE）获取次谐波数据（图3）。

5. 形状数据处理

1. 获取优化的SHI电影循环（步骤5.6）后，在触摸屏上选择"TIC分析"。
   1. 确保触摸面板上的"运动跟踪"已激活，该面板会调整每帧的ROI位置以补偿任何呼吸或其他运动。
   2. 确保在分析窗口中选择dB作为迹线上Y轴的单位。
2. 在对比样本窗口（屏幕左上角）中，选择肝静脉和门静脉内相同的ROI（椭圆区域为默认）。在分析窗口（右侧）中，每个容器内的次谐波信号（以dB为单位）在1.25 MHz左右的0.5 MHz带宽内的所有帧上平均。
3. 计算最终的SHAPE梯度（以dB为单位）作为肝静脉和门静脉ROI之间平均次谐波信号的差异。根据目前的研究，识别CSPH的最佳工作点为-0.11 dB，线性回归方程为HVPG = 0.81 x SHAPE + 9.43。¹⁴ 需要注意的是，这个截止值和方程都取决于扫描仪和UCA。

Results

与所有超声影像学检查一样，肝脏 SHAPE 的首要考虑因素是获得目标区域的最佳基线灰度图像，并确保（使用多普勒成像）不存在肝内门静脉分流或其他血管异常。在用于诊断门静脉高压的肝脏成像的情况下，关键是在同一深度上可视化门静脉和肝静脉，以尽量减少衰减的影响（图1）。

尽管UCA浓度不被认为是SHAPE程序¹⁰，²³中的关键因素^，但仍建议注入UCA以尽量减少所有变异性来源。UCA应根据制造商的具体说明进行重组和输注（最好通过20或22号针²⁴）。一旦达到平衡增强，应激活优化算法并选择门静脉中的ROI，这将产生如图2所示的曲线。一旦选择了最佳声学输出功率，就可以获取校准的SHI数据（即SHAPE）。

图3

Discussion

长期以来，无创、准确测量人体内压力一直是一个重要但难以捉摸的临床目标。这里介绍的SHAPE测量协议实现了这一目标。SHAPE程序最关键的组成部分是优化算法，因为在最佳声功率输出下未获得的次谐波数据与静水压力的相关性较差。¹⁷，^22，23 在Logiq 9扫描仪上实现的该软件的初始版本容易在S曲线的导数中显示多个峰值（参见图2B），因此难以正确选择输出功率。13，¹⁴ 但是^，随着 Logiq E10 扫描仪运动校正的改进，此问题已得到一定缓解。²³ 此外，目前实施的SHAPE算法的故障率约为10%，其中次谐波信噪比太低，无法计算可靠的压力估计。¹⁴ 在成功和失败的SHAPE研究的受试者...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
2 mL 注射器	Becton Dickinson	309637	用于重构 Sonazoid
10 mL 盐水填充注射器	Becton Dickinson	306545	用于冲洗管路以验证静脉通路
500 mL 生理盐水袋	Baxter Healthcare Corp	2131323	用于与 Sonazoid
C1-6-D 曲线线性柱	GE Healthcare	H40472LT	用于肝脏成像
Chemoprotect Spike	Codan USA	C355	用于重组 Sonazoid
Discofix C Blue	B. Braun Medical Inc	16494C	三通旋塞阀
Intrafix Safeset 180 cm	B. Braun Medical Inc	4063000	输液管
Logiq E10 超声扫描仪	GE Healthcare	H4928US	用于常规超声成像以及 SHI 和 SHAPE
鲁尔锁 10 mL 注射器	Becton Dickinson	300912	用于输注 Sonazoid
Medfusion 3500 注射泵	Smiths Medical	3500-500	用于以 0.18 mL/kg/h 的速度输注 Sonazoid
灌注管 150 mm	B. Braun Medical Inc	8722960	延长线，使注射器能够连接到患者的静脉注射访问
SHI/SHAPE 软件	GE Healthcare	H4920CI	造影剂特异性成像软件
Sigma Spectrum 输液系统	Baxter Healthcare Corp	35700BAX	用于以 120 mL/h 混合输注盐水的泵
Sonazoid	GE Healthcare		微泡超声造影剂
无菌水，2 mL	B. Braun Medical Inc		用于重构 Sonazoid
超声凝胶	Cardinal Health	USG-250BT	用于探头和患者之间的接触
Venflon IV 插管 22GA	Becton Dickinson	393202	获得 IV 通路的插管针