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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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). Il sonazoide non è approvato dalla FDA per alcuna applicazione clinica negli Stati Uniti, motivo per cui era necessario un IND. Altri UCA con approvazione FDA¹ possono essere utilizzati off-label a discrezione del medico curante se ritenuti potenzialmente clinicamente utili.

NOTA: Il protocollo completo e il piano di analisi statistica sono disponibili all'indirizzo https:// clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02489045. Numero di registrazione della versione di prova: NCT # 02489045.

1. Preparazione del soggetto

1. Rivedere le allergie o le intolleranze ai farmaci note del soggetto, in particolare qualsiasi allergia nota all'UCA utilizzata.
2. Escludere i soggetti con condizioni cardiopolmonari instabili o che sono generalmente instabili dal punto di vista medico.
3. Mettere il soggetto su una barella in posizione supina.
4. Posizionare una cannula di calibro 18 - 22 in una vena del braccio destro o sinistro del soggetto per l'infusione di UCA.
5. Assicurarsi che i servizi di emergenza (ad esempio, un carrello per incidenti) siano disponibili all'interno dell'ospedale in caso di reazioni avverse acute.
   NOTA: GLI UCA sono molto sicuri con gravi reazioni di tipo anafilattoide riportate ad un tasso inferiore allo 0,01%. ²⁰

2. Preparazione UCA (specifica per Sonazoid)

1. Preparare tre (3) flaconcini con 48 μL di microbolle (6 ml) per ciascun soggetto riassumendo secondo le istruzioni del produttore. L'UCA viene fornito come polvere secca entro flaconcini sigillati da 10 ml. Lo spazio di testa dei flaconcini contiene perfluorobutano.
   1. Perforare il tappo del flaconcino di UCA con un chemiospike.
   2. Rimuovere il cappuccio protettivo dalla porta della siringa del chemospike e aggiungere 2 ml di acqua sterile.
   3. Con la siringa che rimane attaccata al chemiospike, agitare immediatamente il prodotto per 1 minuto per garantire un prodotto omogeneo.
   4. Aspirare il prodotto nella siringa e reiniettare nuovamente il prodotto nel flaconcino. Questo per evitare la diluizione del prodotto a causa del volume dello spazio morto nel chemiospike.
   5. Rimuovere la siringa dalla porta della siringa e ricollegare il cappuccio protettivo. La concentrazione dell'UCA ricostituito è di 8 μL di microbolle/ml.
   6. Ripetere la procedura di ricostituzione per gli altri 2 flaconcini.
2. Utilizzare soluzione salina (soluzione allo 0,9% di NaCl) per riempire i tubi di collegamento prima di essere collegati a un rubinetto di arresto a 3 vie. Il rubinetto di arresto sarà quindi collegato al tubo di prolunga che conduce alla cannula.
3. Aspirare tutti e tre (3) i flaconcini di UCA sospesi in una siringa da 10 mL, inserirla in una pompa a siringa allo stesso livello o sotto il paziente e collegarla direttamente al rubinetto.
4. Dopo l'ecografia iniziale e dopo l'apertura del rubinetto, infondere la soluzione di NaCl ad una velocità di 120 ml/ora e co-infondere Sonazoid ad una velocità di 0,024 μL per kg di peso corporeo al minuto (velocità di infusione in sospensione di 0,18 ml/kg/ora).
   NOTA: Questa velocità di infusione è stata selezionata sulla base delle precedenti esperienze del nostro gruppo con infusione di Sonazoid in soggetti con ipertensione portale sottoposti a SHAPE^13,14,21. L'esatta procedura di risospensione e il metodo di infusione variano a seconda dell'UCA utilizzato.

3. Ecografia iniziale

1. Accendere uno scanner a ultrasuoni (ad esempio, Logiq E10, versione R2) e selezionare la sonda curvilinea C1-6-D.
2. Selezionare un preset addominale sullo scanner a ultrasuoni e utilizzare un array curvi-lineare (in genere con una larghezza di banda di 1-6 o 2-8 MHz) per acquisire immagini in scala di grigi sia del portale che di una vena epatica nello stesso piano di imaging e a profondità simili (Figura 1). Questo è generalmente meglio ottenuto attraverso un approccio subcostiero.
3. Ottimizzare le immagini in base alla buona pratica clinica e fare attenzione a selezionare la regione della vena epatica lontano dalla vena cava inferiore per evitare l'influenza del flusso retrogrado.

4. Imaging SHI e SHAPE

1. Attivare la modalità di imaging del contrasto SHI in modalità dual display (ad esempio, eseguendo contemporaneamente la modalità B e SHI in tempo reale) utilizzando il pulsante del pannello a sfioramento Contrasto subarmonico e attivare la modalità Contrasto. Quindi selezionare SUBH-AM sul comando rotante.
   1. Eseguire SHI a una frequenza di trasmissione di 2,5 MHz e ottenere i segnali ricevuti a 1,25 MHz.
   2. Utilizzare il pulse-shaping per massimizzare la generazione di segnali di microbolle subarmoniche, come un'onda quadra filtrata binomiale a finestra gaussiana con ^Sonazoid,21 ma questo dipende dallo scanner e dall'UCA. ¹⁷
      NOTA: la scelta della frequenza di imaging e della forma dell'impulso potrebbe non essere disponibile per gli utenti finali.
2. Confermare la pervietà del portale e della vena epatica, nonché la presenza di microbolle, che possono richiedere fino a 1-2 minuti dall'inizio dell'infusione.
3. Attivare il codice di ottimizzazione automatizzata SHAPE per ottimizzare SHAPE compensando la profondità e l'attenuazione variabili. ^22,23 Selezionare Analisi TIC sul pannello a sfioramento seguito da F6 e quindi dal pulsante k.
4. L'algoritmo di ottimizzazione SHAPE acquisirà dati subarmonici per ogni livello di uscita acustica. Una volta completata l'acquisizione dei dati, posizionare un ROI sulla vena porta nella finestra del campione di contrasto (in alto a sinistra nella schermata Analisi TIC).
   1. Tracciare i dati subarmonici medi all'interno del ROI in funzione della resa acustica e adattare una curva logistica ai dati. Selezionare il punto di flesso di questa curva (o piuttosto il picco nella curva di derivata mostrata sotto) come potenza ottimizzata, poiché questo è stato dimostrato essere il punto di maggiore sensibilità SHAPE. ^22,23 Una di queste curve è mostrata nella figura 2.
5. Regolare la potenza di uscita acustica al valore identificato al punto 4.4.1, che garantirà la massima variazione delle ampiezze subarmoniche in funzione della pressione ambiente (cioè massimizzando la sensibilità di SHAPE).
6. Acquisire dati subarmonici dalle microbolle (cioè SHAPE) in segmenti di 5-15 s durante l'infusione della sospensione UCA (Figura 3).

5. Trattamento dei dati SHAPE

1. Una volta acquisito il cine-loop SHI ottimizzato (passo 5.6) selezionare "Analisi TIC" sul pannello a sfioramento.
   1. Assicurati che "Motion Tracking" sia attivato sul pannello a sfioramento, che regola la posizione del ROI per ogni fotogramma per compensare qualsiasi respiro o altro movimento.
   2. Assicuratevi che dB sia selezionato come unità per l'asse Y sulle tracce nella finestra di analisi.
2. Nella finestra del campione di contrasto (in alto a sinistra sullo schermo) selezionare ROI identici (le regioni ellittiche sono predefinite) all'interno delle vene epatiche e porta. Nella finestra di analisi (a destra) il segnale subarmonico (in dB) all'interno di ciascun recipiente viene mediato su tutti i frame in una larghezza di banda di 0,5 MHz intorno a 1,25 MHz.
3. Calcolare il gradiente finale SHAPE (in dB) come differenza nel segnale subarmonico medio tra il ROI della vena epatica e quella della vena porta. Sulla base degli studi attuali, il punto operativo ottimale per identificare il CSPH è -0,11 dB e l'equazione di regressione lineare è HVPG = 0,81 x SHAPE + 9,43. ¹⁴ È importante notare che questo limite e questa equazione dipendono sia dallo scanner che dall'UCA.

Results

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 (<...

Discussion

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 uno...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Siringa da 2 mL	Becton Dickinson	309637	Utilizzata per la ricostituzione di Sonazoid
Siringa riempita di soluzione fisiologica da 10 mL	Becton Dickinson	306545	Utilizzata per la linea di lavaggio per verificare l'accesso IV
Sacca salina da 500 mL	Baxter Healthcare Corp	2131323	Utilizzata per la co-infusione con Sonazoid
C1-6-D curvi-linear proble	GE Healthcare	H40472LT	Utilizzato per imaging del fegato
Chemoprotect Spike	Codan USA	C355	Chemospike utilizzato per la ricostituzione Sonazoid
Discofix C Blue	B. Braun Medical Inc	16494C	Rubinetto a 3 vie
Intrafix Safeset 180 cm	B. Braun Medical Inc	4063000	Tubo per infusione
Scanner a ultrasuoni Logiq E10	GE Healthcare	H4928US	Utilizzato per l'ecografia convenzionale e per la siringa SHI e SHAPE
Luer lock da 10 mL	Becton Dickinson	300912	Per l'infusione della
pompa a siringa Sonazoid Medfusion 3500	Smiths Medical	3500-500	Utilizzato per l'infusione di Sonazoid a 0,18 mL/kg/ora
Tubo Perfusor-leitung 150 mm	B. Braun Medical Inc	8722960	Linea di prolunga che consente il collegamento della siringa alla flebo del paziente accedere al
software SHI/SHAPE	imaging specifico	H4920CI	GE Healthcare
infusione Sigma Spectrum Baxter	Healthcare Corp	35700BAX	Pompa utilizzata per la co-infusione di soluzione salina a 120 mL/ora
Sonazoid	GE Healthcare		Agente di contrasto a ultrasuoni a base di microbolle riempito di gas
acqua sterile, 2 mL	B. Braun Medical Inc		Utilizzato per la ricostituzione del
gel per ultrasuoni	Cardinal Health	USG-250BT	Utilizzato per il contatto tra la sonda e
il paziente Cannula Venflon IV 22GA	Becton Dickinson	393202	Ago per cannula per ottenere l'accesso IV