Este estudio presenta la aplicación de imágenes vasculares Doppler ultrarrápidas para el monitoreo fisiológico durante la cirugía de la médula espinal humana.
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Artículo de método
Este estudio presenta la aplicación de imágenes vasculares Doppler ultrarrápidas para el monitoreo fisiológico durante la cirugía de la médula espinal humana.
La monitorización de los parámetros fisiológicos es esencial para evaluar el estado del paciente durante los escenarios intraoperatorios. La información hemodinámica, como la presión arterial y la frecuencia cardíaca, se puede derivar de las señales Doppler de ultrasonido, que reflejan la función vascular e indican los riesgos patológicos en tiempo real. En comparación con la oscilometría, la resonancia magnética (RM), el Doppler convencional y los métodos piezoeléctricos, el Doppler ultrarrápido proporciona una resolución temporal superior y una alta sensibilidad para los vasos pequeños. En este estudio, se describe una aplicación intraoperatoria de imágenes Doppler ultrarrápidas en la médula espinal de un paciente con malformación de Chiari. El posprocesamiento de los datos generó imágenes Doppler de potencia de la vasculatura de la médula espinal y los parámetros fisiológicos, incluido el mapeo detallado del índice de resistividad (RI) y el índice de pulsatilidad (PI). Tanto la IR como la IP mostraron reducciones significativas después de la intervención quirúrgica (media de IR: 0,47 → 0,32; Media PI: 0,63 → 0,39; p < 0,001), con tendencias consistentes observadas en las medianas, lo que indica una mejora de la hemodinámica de la médula espinal. La evaluación de los cambios en los parámetros de IP / RI utilizando este método puede ofrecer una comprensión más amplia de la progresión de la enfermedad y la eficacia del tratamiento, lo que podría guiar las estrategias quirúrgicas y los enfoques terapéuticos.
La dinámica de la presión arterial, como un importante indicador fisiológico intraoperatorio, proporciona una valiosa orientación para la estrategia quirúrgica y garantiza la seguridad operativa1. Las ondas de pulso, generadas por la contracción y relajación periódicas del corazón, se propagan a través del sistema vascular arterial desde la aorta como ondas de presión2. Estas ondas pueden considerarse como una manifestación directa de la función cardiovascular, ofreciendo información crítica para comprender la dinámica de la presión arterial y la hemodinámica general3. En la práctica clínica, las ondas de pulso se utilizan ampliamente para la evaluación continua del estado hemodinámico4.
Como estación de relevo y centro reflejo dentro del sistema nervioso central, la médula espinal juega un papel fundamental en la transmisión de información motora y sensorial. La estabilidad de su suministro de sangre es crucial para mantener y restaurar la función neurológica6. La señal de flujo sanguíneo pulsátil de la médula espinal está estrechamente asociada con la onda del pulso, que contiene información sobre la elasticidad vascular y la hemodinámica, lo que refleja los cambios fisiológicos y patológicos de la médula espinal. El monitoreo de estas señales enfrenta desafíos considerables debido al pequeño tamaño de la médula espinal, la intrincada arquitectura vascular7 y los complejos patrones de flujo sanguíneo8, que complican la evaluación efectiva de las ondas de pulso de la médula espinal.
Se han propuesto varias técnicas para evaluar las ondas de pulso. El método de análisis oscilométrico es fácil de operar y proporciona mediciones rápidas. Sin embargo, la precisión de los resultados puede verse influenciada por factores como los artefactos, la postura del paciente y el tamaño y la ubicación adecuados del manguito 9,10. Algunos sensores de bioseñales piezoeléctricos, como los sensores de pulso piezoeléctricos, pueden detectar de manera eficiente las ondas de pulso, pero su precisión puede verse comprometida por vibraciones mecánicas o fluctuaciones de temperatura; mientras tanto, los sensores ópticos como la fotopletismografía (PPG) son susceptibles a la luz ambiental y a los artefactos de movimiento11. Además, estas técnicas solo pueden capturar señales de ondas de pulso localizadas y carecen de la capacidad de proporcionar información de imágenes de la estructura observada simultáneamente12.
Como una poderosa modalidad de imagen, la resonancia magnética (RM) ofrece una medición de resolución espacial relativamente alta de las paredes arteriales de la médula espinal, pero es costosa y tiene una accesibilidad limitada13. La tomografía computarizada (TC) proporciona tiempos de exploración más rápidos y una mayor disponibilidad, pero emite radiación ionizante, lo que restringe su uso para evaluaciones repetidas14. El ultrasonido Doppler convencional permite la evaluación en tiempo real de la dinámica del flujo sanguíneo a través de dos modos de imagen complementarios: Doppler color y Doppler de onda de pulso (PWD). El Doppler color proporciona una visión general cualitativa de las velocidades de flujo en todo el campo de visión escaneando el medio línea por línea, pero sufre de bajas velocidades de fotogramas y poca sensibilidad a flujos lentos o profundos. PWD ofrece información temporal cuantitativa sobre las formas de onda del flujo sanguíneo, pero se limita a una sola región de interés definida por el usuario. Como resultado, es aplicable para hemodinámica fuerte en arterias y venas y cuantifica formas de onda de pulso instantáneas dentro de un pequeño campo de visión15. El ultrasonido mejorado con contraste mejora la visualización del flujo sanguíneo mediante el uso de agentes de microburbujas; sin embargo, el requisito de inyección de contraste plantea preocupaciones de seguridad en entornos intraoperatorios, lo que lo hace menos adecuado para la evaluación en tiempo real de la pulsatilidad vascular16. Las técnicas de imagen fotoacústica y óptica proporcionan un alto contraste y resolución espacial para imágenes vasculares, particularmente en tejidos superficiales. Sin embargo, su fuerte dependencia del acceso óptico limita significativamente su aplicabilidad a estructuras profundas como la médula espinal17.
En los últimos años, la ecografía ultrarrápida ha avanzado rápidamente con un gran potencial en la imagen vascular18. A diferencia de la exploración de haz enfocado tradicional, el Doppler ultrarrápido utiliza técnicas de onda plana compuesta de múltiples ángulos, que mejoran la sensibilidad de las imágenes de ultrasonido en aproximadamente 50 veces y mejoran en gran medida la detección de vasos pequeños 15,19,20. Se puede obtener un espectro Doppler completo para cada píxel de la imagen, lo que facilita la adquisición de información completa sobre la velocidad y dirección del flujo sanguíneo21. Esto se puede utilizar para estimar índices vasculares como el índice de resistividad (RI) y el índice de pulsatilidad (PI) en toda el área de imágenes. En particular, en 2014, Demene et al.22 aplicaron la tecnología Doppler ultrarrápida a las imágenes del flujo sanguíneo cerebral neonatal, presentando un mapa de distribución detallado de la RI vascular cerebral en neonatos. Este avance proporciona una nueva herramienta para comprender los mecanismos de autorregulación del flujo sanguíneo cerebral y la patogénesis de enfermedades relacionadas en recién nacidos prematuros y a término. En 2020, Bourquin et al.23,24 propusieron la microscopía dinámica de localización por ultrasonidos (DULM) basada en tecnología de ultrasonidos ultrarrápidos para lograr mediciones in vivo de la microcirculación pulsátil en el cerebro de los roedores y extendieron esta técnica a la imagen tridimensional, ofreciendo una nueva dimensión para el análisis cuantitativo.
Hacia la imagen vascular de la médula espinal, en 2021, Zang et al.25 lograron imágenes microvasculares de la médula espinal sin agentes de contraste utilizando Doppler ultrarrápido, con una resolución de imagen comparable a la longitud de onda transmitida. Sui et al.26. empleó un método de muestreo aleatorio basado en un análisis robusto de componentes principales (RPCA) para lograr imágenes Doppler ultrarrápidas rápidas y de alta relación señal-ruido de la microcirculación en el cerebro y la médula espinal. Pezet et al.27 observaron reconstrucción vascular después de una lesión crónica de la médula espinal. En 2022, Yu et al.28 lograron una microscopía ultrarrápida de localización por ultrasonido de superresolución de la microcirculación de la médula espinal en ratas basada en RPCA, con una resolución de imagen que alcanza los 13-16 μm, significativamente más pequeña que la longitud de onda de 100 μm. Otros estudios incluyeron observación continua y análisis cuantitativo de la microcirculación en la penumbra de la médula espinal después de una lesión de la médula espinal29. En 2023, Yan et al.30 utilizaron Doppler de vectores de ultrasonido ultrarrápido para realizar imágenes vectorizadas del flujo sanguíneo de vasos pequeños en tumores de la médula espinal humana y evaluaron la seguridad relacionada con la secuencia en detalle en función de los parámetros de secuencia experimentales. En 2024, Agyeman et al.31 realizaron la primera ecografía funcional de la médula espinal en humanos, que demostró la integración de las respuestas funcionales de la médula espinal a la estimulación eléctrica. Khaing et al.32 validaron la correlación entre los indicadores de imágenes de perfusión y la gravedad de la lesión tanto en ratas como en humanos después de una lesión traumática aguda de la médula espinal. Sin embargo, la detección y el análisis de los índices hemodinámicos en las ondas de pulso de la médula espinal aún requieren más investigación.
La malformación de Chiari representa un trastorno significativo y prevalente que afecta la médula espinal. Induce alteraciones dinámicas en el líquido cefalorraquídeo y la compresión de la médula espinal, interrumpiendo el flujo sanguíneo de la médula espinal y la regulación vascular, lo que puede resultar en drenaje venoso anormal33, aumento de la resistencia vascular34 y posible isquemia de la médula espinal35. La observación de las ondas de pulso de la médula espinal facilita una comprensión más profunda de los cambios hemodinámicos de la médula espinal, ofreciendo información valiosa para diagnosticar y tratar la malformación de Chiari y otros trastornos de la médula espinal36.
Este estudio presenta un protocolo integral para utilizar imágenes vasculares Doppler ultrarrápidas para monitorear intraoperatoriamente los parámetros fisiológicos de la médula espinal en humanos, con un enfoque específico en su aplicación en un paciente con malformación de Chiari. Este método permite la adquisición en tiempo real de datos Doppler ultrarrápidos de alta velocidad de fotogramas durante la exposición de la médula espinal, seguido de un posprocesamiento para generar mapas de píxeles de RI y PI.
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Este estudio involucró sujetos humanos y todos los procedimientos se llevaron a cabo de acuerdo con los protocolos aprobados por el Comité de Ética de Investigación Humana, Hospital Huashan afiliado a la Universidad de Fudan (2021-065). Se obtuvo el consentimiento informado de todos los participantes. La implementación estaba destinada únicamente a fines de investigación preliminar y validación, no para el diagnóstico clínico. Se evaluaron los índices de seguridad relevantes recomendados por la FDA para garantizar el cumplimiento de los estándares de seguridad establecidos. Los pacientes incluidos en este estudio fueron diagnosticados con malformación de Chiari. Los criterios de inclusión, exclusión y retiro de los participantes se proporcionan en el Archivo complementario 1. Los reactivos y equipos utilizados se enumeran en la Tabla de materiales.
1. Preparación del instrumento
2. Preparación de la secuencia de ultrasonido
3. Posicionamiento de la sonda
4. Adquisición de datos
5. Análisis de la señal de flujo sanguíneo pulsátil de la médula espinal antes de la terapia (Figura 2)
complejas en fase/cuadratura (IQ). Calcule la intensidad media de la señal en cada píxel para obtener la potencia de la imagen Doppler PW (x,z) (Ecuación 1)15. Nt es el número de fotogramas adquiridos.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)6. Manejo del paciente y seguridad de los protocolos de imagen
7. Adquisición y análisis de la señal de flujo sanguíneo pulsátil de la médula espinal después de la terapia
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El Doppler ultrarrápido ofrece una alta sensibilidad, lo que permite obtener imágenes de alta resolución temporal de la red de vasculatura de la médula espinal. En comparación con el Doppler color, el Doppler de potencia ofrece una mayor relación señal-ruido (SNR)42. Se utilizó un rango de umbral apropiado para el filtro espaciotemporal basado en SVD, lo que permitió la identificación de señales de flujo sanguíneo válidas y la obtención de imágenes de la dirección del flujo sanguíneo.
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En este estudio, se emplearon imágenes Doppler ultrarrápidas intraoperatorias para extraer el flujo sanguíneo de la médula espinal humana. Posteriormente, se realizó un análisis espectral y un cálculo de los RI y PI de las señales de flujo sanguíneo, proporcionando imágenes Doppler de potencia de la vasculatura de la médula espinal y los correspondientes mapas RI y PI del paciente con malformación de Chiari. En el contexto de la ecografía ultrarrápida, los vasos pequeños se refieren a va...
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Los autores declaran que no tienen conflictos de intereses financieros en competencia.
Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (No. 2023YFC2410900), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 12274093) y el Programa Internacional de Cooperación en Ciencia y Tecnología de Shanghai (Subvención No. 23490713500).
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| MATLAB Referencia R2022b | MathWorks | N/A | Para el procesamiento posterior de datos |
| Microscopio | ZEISS | PENTERO 8O0 S | Para observación microscópica intraoperatoria |
| Sistema de ultrasonido programable | Verosónica | Ventaja 256 | Para imágenes de ultrasonido de los vasos espinales |
| Brazo robótico | Aesculap | RT060R | Para fijar la sonda |
| Transductores monocristalinos de matriz lineal de alta frecuencia | Verosónica | L22-14vX | Para imágenes de ultrasonido de los vasos espinales |
| Gel de ultrasonido | Diversión para bebés | Tipo M | Eliminar el espacio de aire entre la sonda y la superficie de contacto |
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