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。
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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
- 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。
- 排除心肺疾病不稳定或通常医学不稳定的受试者。
- 将受试者仰卧放在担架上。
- 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。
- 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）
- 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。
- 用化学尖刺穿UCA小瓶的塞子。
- 从化学尖峰的注射器端口取下保护帽，并加入2mL无菌水。
- 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。
- 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。
- 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。
- 对其他2个小瓶重复复溶程序。
- 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。
- 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。
- 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SHAPE13，14，21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
- 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。
- 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。
- 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
- 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 。
- 以 2.5 MHz 的发射频率执行 SHI，并在 1.25 MHz 处获得接收信号。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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）。
- 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
- 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”。
- 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。
- 确保在分析窗口中选择dB作为迹线上Y轴的单位。
- 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。
- 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。
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Representative 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显示了有和没有CSPH的受试者中的SHAPE图像示例。主要的视觉差异是CSPH受试者肝静脉中存在明显的次谐波信号（图3B），而在另一种情况下不存在（图3A）。定量的相对压力估计可以通过放置在肝静脉和门静脉中的ROI的平均次谐波信号之间的差异（即SHAPE梯度）来计算。然而，在迄今为止研究的大约10%的案例中，次谐波信号太接近扫描仪的本底噪声，必须丢弃。这可能是由于对比度增强不足。此外，有些患者出现门静脉高压的临床和实验室体征，但 HVPG 值正常或为零。这可以归因于许多解剖学和/或血管变化，例如一个受试者的门静脉和肝静脉之间有瘘管，导致游离压力和楔形压力之间没有差异，因此SHAPE诊断不正确（图4）。
我们在45名接受经颈静脉肝活检（以HVPG测量值为参考标准）的患者中进行了首次人体SHAPE试点研究，结果显示CSPH（即HVPG≥10 mmHg）受试者的门静脉和肝静脉之间的SHAPE梯度明显高于HVPG较低的受试者（1.37±0.59 dB vs. -1.68 ± 0.27 dB， p < 0.001）。13
最近，我们在一项大型多中心临床试验中扩展了使用SHAPE进行门静脉压力估计的概念。使用改进的Logiq 9系统对两个地点的178名受试者的研究结果确定了SHAPE诊断CSPH的效用，灵敏度为91%（95%置信区间：88-93%），特异性为82%（95%置信区间：75-85%）。14诊断CSPH受试者的总体准确率为95%（95%置信区间（CI）：89-99%），这些受试者的SHAPE梯度高于HVPG较低的受试者（0.27±2.13 dB vs -5.34±3.29 dB;p < 0.001），表明SHAPE可能确实是诊断门静脉高压症的有用工具14。同样，诊断所有门静脉高压（即HVPG≥5mmHg）受试者的敏感性和特异性分别为71%和80%。
图 1：用于 SHAPE 启动的灰度肝脏图像示例。 箭头表示门静脉 （PV） 和肝静脉 （HV）。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：用于 SHAPE 优化的校准曲线。 （A） 次谐波幅度（以 dB 为单位）作为声学输出功率（单位 %）的函数，显示特征 S 曲线行为。（B） 用于输出功率选择的 S 曲线的导数（箭头表示所选峰值，因此表示功率）。 请点击此处查看此图的大图。
图 3：双成像，B模式（黑白）和次谐波成像（金色）分别位于每个图像的左侧和右侧。 （A） HVPG 值正常 （3 mmHg） 的患者，门静脉 （PV） 有明亮的次谐波信号，肝静脉 （HV） 信号不足。（B）一名患有CSPH且HVPG为15 mmHg的患者在门静脉和肝静脉中均表现出相当大的次谐波信号。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：肝静脉间有瘘管的受试者的 SHAPE 研究不成功。 这种解剖学变化导致HVPG为0 mmHg，即使梯度压力（称为自由压力和楔形压力18，19）均为39 mmHg（即差异为0 mmHg），而SHAPE梯度为-15.33 dB。请点击此处查看此图的大图。
| UCA | 制造者 | 次谐波信号降低 （dB） | 线性回归 （r2） |
| 定性 | Lantheus Medical Imaging， N Billerica， MA， USA | 11.0 ± 0.3 | 0.98 |
| 左旋主义者 | 先灵集团，德国柏林 | 9.6 ± 0.2 | 0.98 |
| Lumason aka SonoVue | 布拉科， 米兰， 意大利 | 1.0 ± 1.3 | 0.20 |
| 奥蒂森 | GE医疗，美国新泽西州普林斯顿 | 10.1 ± 0.2 | 0.97 |
| 声纳样 | GE医疗，挪威奥斯陆 | 13.3 ± 0.2 | 0.99 |
表 1：商用 UCA 对约 185 mmHg 压力增加的次谐波响应（和相关）。
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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研究的受试者之间，年龄，体重指数，成像深度或肝脏状态没有差异。
在该协议中，SHAPE突出显示的UCA是Sonazoid，但可以使用许多商业UCA（参见表1）。11，13，14，15，16 与SHAPE一起使用的任何给定UCA所需的输液设置和微气泡浓度应根据特定制造商的建议进行调整。
虽然这通常不是用户可以访问的参数，但使用脉冲整形来最大限度地产生次谐波微气泡信号对于成功的SHAPE程序非常重要。对于Logiq系列扫描仪，带有Sonazoid的高斯窗口二项式滤波方波似乎是最佳的21，但这依赖于扫描仪和UCA。17 对于BK Ultrasound 的 SonixTABLET 扫描仪，可以使用方波和啁啾脉冲（使用不同的 UCA）。17 除上述系统外，目前唯一配备SHI和SHAPE的其他商用超声扫描仪来自迈瑞。
该方案侧重于确定慢性肝病患者的门静脉高压作为临床应用。一个主要原因是现有的非侵入性技术，例如使用CT，MRI或超声成像，是间接和定性的，结果相当复杂。19 无创超声测量，如肝硬度弹性成像，是定量技术，可以识别CSPH高风险患者;特别是当与脾脏大小和血小板计数的测量相结合时。据报道，CSPH的初始诊断准确率为90-94%，但这些方法不够精确，无法跟踪HVPG的治疗减少。19 临床评分系统的改善、血清肝功能检查的正常化或腹水和静脉曲张的减少定性提示门静脉高压的改善。18 然而，与SHAPE不同的是，这些措施都没有提供门户压力的定量衡量标准。因此，唯一临床接受的量化门静脉压力的方法是通过有创压力导管测量的HVPG。
同样，SHAPE算法可以提供患者心率估计误差小于3 mmHg。16 心脏病学中不存在SHAPE的定量，无创替代方案。然而，这是一个具有挑战性的应用，因为需要绝对的实时压力估计。16，17 对用于监测间质液压力的 3D SHAPE 作为乳腺癌对新辅助治疗反应的衡量标准的研究表明，在治疗完成 10% 时（即一个化疗周期后），肿瘤和周围正常组织之间的 SHAPE 梯度可以区分应答者和部分/无应答者（3.23 ± 1.41 dB vs. -0.88 ± 1.46 dB; p = 0.001）。15 世界各地的研究人员正在研究其他临床领域，例如非侵入性估计膀胱或大脑中的压力，以证明SHAPE技术的广泛适用性。
总之，该SHAPE协议结合了市售UCA，超声扫描仪和校准的SHI，以提供实时，无创的定量压力估计，从而满足迄今为止尚未满足的重大临床需求。
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Disclosures
Forsberg，Gupta，Wallace和Eisenbrey博士正在申请SHAPE技术的专利。华莱士博士是通用电气的员工。
Acknowledgments
这项工作部分得到了美国陆军医学研究材料司令部W81XWH-08-1-0503和W81XWH-12-1-0066的支持，AHA授予No0655441U和15SDG25740015以及NIH R21 HL081892，R21 HL130899，R21 HL089175，RC1 DK087365，R01 DK098526，R01 DK118964，R01 CA140338，R01 CA234428，Lantheus Medical Imaging和GE Healthcare，挪威奥斯陆。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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