Misurazione dello spessore e della funzione del diaframma mediante ecografia point-of-care

Gli ultrasuoni si riferiscono alle onde sonore oltre i limiti udibili superiori dell'udito umano. Gli ultrasuoni hanno molte applicazioni al di là dell'assistenza sanitaria, la più famosa è probabilmente lo sviluppo del SONAR (sound navigation and ranging) per uso militare nella prima guerra mondiale¹; Gli ultrasuoni sono ora utilizzati di routine nella diagnosi e nella terapia medica. L'ecografia medica o l'ecografia diagnostica utilizza onde sonore ad alta frequenza (>20 kHz) per fornire immagini delle strutture dei tessuti molli all'interno del corpo. Queste onde sonore vengono pulsate a frequenze comprese tra 1 e 20 milioni di cicli/s (megahertz, MHz), che possono essere trasmesse nel corpo per esaminare le strutture anatomiche, come il fegato, il cuore e il muscolo scheletrico. L'ecografia point-of-care sta diventando sempre più una pietra miliare della valutazione e della gestione delle malattie critiche.

La prima applicazione degli ultrasuoni in medicina fu nel 1940 da parte del Dr. Karl Dussik, che tentò di localizzare i tumori cerebrali misurando la trasmissione dei fasci di ultrasuoni attraverso la testa². Con il progredire della tecnologia, sono state sviluppate nuove tecniche, tra cui la modalità di ampiezza (modalità A) e la modalità di luminosità (modalità B)³, seguite dallo sviluppo di scanner bidimensionali nel 1960 ^4,5. Il campo dell'ecografia diagnostica è diventato prezioso nella pratica clinica, poiché evita l'esposizione alle radiazioni ionizzanti e può essere ottenuto al letto del paziente, evitando la necessità di trasporto in ospedale con i rischi associati. L'ecografia è sicura, ben tollerata, affidabile e ripetibile nei pazienti ^6,7.

Il diaframma è una sottile struttura muscolare a forma di cupola che funge da principale pompa respiratoria che guida la ventilazione spontanea negli esseri umani. Il diaframma separa la cavità toracica e addominale ed è composto da tre segmenti separati: il tendine centrale, il diaframma costale e il diaframma crurale (Figura 1). Il tendine centrale del diaframma è una struttura non contrattile che consente il passaggio dei principali vasi sanguigni dalla cavità toracica a quella addominale. Il diaframma costale ha fibre che vanno dalla gabbia toracica o processo xifoideo al tendine centrale. Il diaframma crurale si inserisce nei primi tre vertebrati lombari. Durante l'inspirazione, il diaframma costale si contrae, abbassando la cupola del diaframma ed espandendo la gabbia toracica inferiore. Il diaframma costale sostiene il diaframma crurale nell'abbassamento della cupola ^8,9,10.

L'ecografia transtoracica del diaframma ha guadagnato una crescente attenzione per la sua capacità di monitorare lo spessore del diaframma nella zona di apposizione (Figura 1)11,12,13. Il diaframma è stato visualizzato per la prima volta con gli ultrasuoni nel 1975 da Haber et ^al.14. La contrattilità del diaframma e l'accorciamento muscolare durante l'inspirazione possono essere quantificati utilizzando l'ecografia M-mode per monitorare lo spessore del diaframma (Tdi) e la frazione di ispessimento (TFdi). Questa valutazione della contrattilità fornisce una misura delle prestazioni muscolari del diaframma sotto un dato livello di spinta e sforzo inspiratorio. L'ecografia point-of-care fornisce misure sicure, ripetibili e affidabili della funzione e dell'architettura del diaframma. Nei pazienti ventilati meccanicamente, le variazioni dello spessore del diaframma nel tempo possono essere utilizzate per valutare gli impatti negativi della ventilazione meccanica, compresi gli effetti del miotrauma dovuto all'eccesso di assistenza (atrofia; diminuzione dello spessore di fine espirazione nel tempo) o alla sotto-assistenza (lesione indotta dal carico con conseguente infiammazione, edema; possibilmente rappresentato dall'aumento dello spessore di fine espirazione nel tempo)¹⁵. Questi cambiamenti sono correlati con esiti clinici avversi¹⁶. La misurazione del TFdi durante la respirazione corrente consente una valutazione dell'attività diaframmatica corrente (cioè dello sforzo inspiratorio). La misurazione del TFdi durante uno sforzo inspiratorio massimale (TFdi,max) fornisce una valutazione della forza del diaframma (poiché la capacità di generare forza del diaframma è correlata alla sua capacità di contrarsi e accorciarsi).

Esiste un sostanziale consenso sul protocollo ottimale per l'acquisizione e l'analisi delle misure¹⁷. La competenza nell'imaging ecografico a diaframma comporta una curva di apprendimento moderatamente ripida; È essenziale una formazione approfondita sulla tecnica e sulle sue potenziali insidie. Gli studi hanno dimostrato che la competenza nell'ecografia a diaframma può essere acquisita in un breve periodo di tempo attraverso la formazione a distanza basata sul web¹⁸. Pertanto, questo protocollo è stato ottimizzato per fornire una misurazione coerente dello spessore del diaframma e della frazione di ispessimento che può essere applicata sia a pazienti sani che a pazienti con sospetta patologia respiratoria¹⁹

Gli studi che impiegano questa tecnica hanno ricevuto l'approvazione etica da parte del Research Ethics Board presso l'University Health Network, Toronto, Canada.

1. Valutazione dello spessore del diaframma e della frazione di ispessimento durante la respirazione mareale

1. Identificazione del diaframma
   1. Posizionare il paziente in posizione semisdraiata (30°-45° dal parallelo) sulla schiena. Rimuovere qualsiasi capo di abbigliamento dal lato destro del petto.
      NOTA: Una procedura simile può essere utilizzata per visualizzare l'emidiaframma sinistro; Il lato sinistro è generalmente più difficile da visualizzare e la precisione della misurazione è molto più bassa¹⁹.
   2. Accendere il tablet che alimenta l'ecografo portatile e avviare l'applicazione appropriata (vedere la tabella dei materiali). Avviare un esame muscoloscheletrico con un trasduttore lineare ad alta frequenza (minimo 12 MHz).
      NOTA: Per eseguire questa tecnica è possibile utilizzare qualsiasi sistema a ultrasuoni.
   3. Coprire la punta del trasduttore lineare con una quantità sufficiente di gel per ultrasuoni e assicurarsi che l'ecografo sia in modalità B per il posizionamento. Tenere la sonda racchiudendo la punta della sonda con il pollice e l'indice (Figura 2A).
   4. Palpare la superficie della parete toracica per individuare l'ottavo, il nono o il decimo^{spazio intercostale} destro tra le linee ascellari medie e anteriori, come mostrato nella Figura 1C e nella Figura 2A, e posizionare la sonda nella zona di apposizione (tipicamente intorno all'ottavo spazio intercostale).
   5. Inclinare il trasduttore sul piano sagittale in modo che si trovi interamente tra le costole (Figura 2A) e che nell'immagine non siano visibili artefatti delle costole (Figura 2B). Se nell'immagine viene visualizzata una nervatura, regolare l'angolazione della sonda inclinandola verso l'alto o verso il basso. Se una nervatura è ancora visibile, ruotare la sonda fino a quando non è visibile solo il diaframma. Se la visualizzazione del diaframma continua a essere problematica, far scorrere la sonda verso l'alto o verso il basso in un nuovo spazio intercostale.
   6. Sul monitor ecografico, identificare due linee parallele bianche luminose immediatamente superiori al fegato, che indicano le membrane pleuriche e peritoneali (Figura 2B). Il diaframma costale relativamente ipoecogeno può essere visualizzato tra queste linee.
   7. Regolare la profondità dell'immagine facendo clic sul pulsante di aumento o diminuzione della profondità per ottimizzare le dimensioni del diaframma. Assicurarsi che il diaframma sia centrato sul monitor del display. Ciò garantirà la massima risoluzione delle linee pleuriche e peritoneali dalle strutture circostanti.
   8. Se l'immagine rimane non ottimale (ad esempio, i polmoni o le costole sono visibili nell'immagine o le membrane pleuriche e peritoneali non sono chiaramente visualizzate), regolare la sonda per una migliore visualizzazione spostando la sonda su e giù lungo lo spazio delle costole, avanti e indietro dalla base o ruotandola. Vedere la Tabella 1 per esempi di problemi comuni nell'ecografia transdiaframmatica.
2. Ottimizzazione delle immagini
   1. Una volta che il trasduttore si trova nella posizione corretta, ottimizzare la qualità dell'immagine modificando i seguenti componenti prima della raccolta dei dati.
      NOTA: Su diversi software di ecografi, ci sono differenze di modello e software. In questo software, abbiamo eseguito i seguenti clic sui pulsanti per raggiungere l'obiettivo.
   2. Nel software dell'ecografo, fare clic sul pulsante di guadagno per modificare la luminosità dell'immagine. Aumentare il guadagno facendo clic sul pulsante di aumento , per rendere l'immagine più luminosa. Al contrario, fare clic sul pulsante di diminuzione per scurire l'immagine. Se il guadagno è troppo basso, le strutture possono essere difficili da accertare. Se il guadagno è troppo alto, possono apparire echi estranei e l'immagine apparirà troppo luminosa.
   3. Se disponibile sull'ecografo, fare clic sul pulsante di messa a fuoco per regolare la messa a fuoco e modificare la qualità dell'immagine. Fare clic sul pulsante di aumento per aumentare la messa a fuoco o sul pulsante di diminuzione per abbassare la messa a fuoco.
3. Acquisizione di immagini
   1. Una volta che il posizionamento e la qualità dell'immagine sono stati ottimizzati, posizionare l'ecografo in modalità M facendo clic sul pulsante della modalità M sul software dell'ecografo.
   2. Una singola linea di scansione verticale apparirà sulla schermata di imaging. Posiziona la linea tra la sezione in cui le linee pleuriche e peritoneali sono più chiare.
      NOTA: Potrebbe esserci una certa variabilità tra i dispositivi a ultrasuoni nell'ottenimento di immagini in modalità M. Assicurarsi che un'area libera in cui vengano visualizzate membrane pleuriche e peritoneali ben definite prima dell'inizio della modalità M. Posizionare la linea di scansione in una posizione in cui le membrane pleuriche e peritoneali siano ben definite durante tutto il ciclo respiratorio e che nessun polmone o costola entri nel campo visivo.
   3. Eseguire la modalità M su un ciclo completo di inspirazione ed espirazione durante la respirazione mareale, quindi fare clic sui pulsanti di congelamento e salvataggio per catturare lo stato attuale e salvare l'immagine. Se disponibile, regolare la velocità di scansione facendo clic sul pulsante della velocità di scansione per regolare la velocità di raccolta per garantire che si ottengano due cicli respiratori. Ripetere questo processo per ottenere un'altra immagine.
   4. Con un pennarello sicuro per la pelle, segnare la posizione della sonda sul corpo del paziente, per garantire che la stessa identica posizione del diaframma venga misurata nel tempo. Ciò è essenziale per mantenere la riproducibilità della misura, poiché lo spessore del diaframma varia sulla sua superficie¹⁹.
   5. Da queste immagini è possibile misurare lo spessore del diaframma (Tdi) e la frazione di ispessimento (TFdi). Se i valori della seconda immagine in modalità M non sono inferiori al 10% della prima immagine, ripetere l'acquisizione dell'immagine in modalità M fino a ottenere due immagini con un insieme di valori entro il 10% l'una dall'altra. Di seguito sono riportati i dettagli sull'analisi delle immagini.
   6. Una volta completato l'esame, fare clic sul pulsante Termina esame sul software a ultrasuoni.
   7. Per esportare i file, fare clic su Esporta immagini e assicurarsi che i file siano esportati in formato DICOM.
   8. Pulire il lato del paziente se è rimasto del gel e igienizzare l'apparecchiatura ad ultrasuoni con apposite salviette disinfettanti.
4. Analisi delle immagini
   1. Aprire i file DICOM necessari nel visualizzatore DICOM MicroDicom o in un software simile.
   2. Fare clic sullo strumento "distanza" (può essere chiamato calibri o linea retta) e tracciare una linea retta dal bordo interno della membrana pleurica al bordo interno della membrana peritoneale alla fine dell'espirazione (Tdi,ee).
   3. Assicurarsi che entrambe le membrane non siano incluse in questa misurazione e che entrambe le estremità della linea retta siano posizionate direttamente (verticalmente) l'una dall'altra in modo che non vi sia differenza di tempo tra i marcatori, che potrebbe aumentare artificialmente la distanza, come da Figura 2B¹⁷.
   4. Registrare questo valore come spessore del diaframma (Tdi,ee).
   5. Ripetere il passaggio 4.2 al picco di inspirazione dello stesso respiro per ottenere lo spessore del diaframma al picco di inspirazione (Tdi,pi).
   6. Se il paziente non sembra respirare e non è evidente alcuna frazione di ispessimento del diaframma durante l'inspirazione, misurare il Tdi,pi in una posizione rappresentativa dello spessore del diaframma durante la fase inspiratoria (in questo caso, sarà approssimativamente lo stesso di Tdi,ee), come si vede nella Figura 3.
   7. Sia Tdi,ee che Tdi,pi devono essere analizzati dallo stesso respiro, come si vede nella Figura 2C, per valutare la frazione di ispessimento del diaframma durante la respirazione corrente (TFdi).
   8. Usando Tdi,pi e Tdi,ee, calcola il TFdi per ogni respiro:
      
   9. Ottenere una seconda coppia di misurazioni dalla stessa immagine in modalità M (vedere la Figura 2C).
   10. Ripetere i passaggi 1.4.1-1.4.9 sulla seconda immagine in modalità M. A questo punto, sono state ottenute quattro misurazioni di Tdi,ee e quattro misurazioni di TFdi.
   11. Se i valori della seconda immagine in modalità M non sono inferiori al 10% della prima immagine, ripetere l'acquisizione dell'immagine in modalità M fino a ottenere due immagini con un insieme di valori entro il 10% l'una dall'altra.

Figura 1: Panoramica dell'anatomia del diaframma e posizionamento della sonda ecografica. (A) Strutture anatomiche per l'ecografia del diaframma costale. Il diaframma è costituito dal tendine centrale, dal diaframma costale e dal diaframma crurale. (B,C) Per visualizzare il diaframma costale nella zona di apposizione all'ecografia, il paziente viene posto in posizione semisdraiata e si trova l'ottavo, nono o^decimo spazio intercostale. Una sonda ecografica lineare ad alta frequenza (>12 MHz) viene posizionata parallelamente alle costole nello spazio intercostale lungo la linea medioascellare per visualizzare il diaframma costale come sezione trasversale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Spessore del diaframma a ultrasuoni e ispessimento durante la respirazione mareale. (A) La sonda viene posizionata nell'ottavo, nono o^decimo spazio intercostale per visualizzare il diaframma come sezione trasversale. (B) Nell'immagine B-mode, le frecce bianche mostrano le membrane pleuriche e peritoneali iperecogene. (C) L'immagine M-mode proietta la variazione dello spessore del diaframma in un particolare punto nel tempo. Da sinistra a destra, le linee gialle misurano lo spessore del diaframma all'espirazione finale (Tdi,ee) e lo spessore del diaframma al picco di inspirazione (Tdi,pi) del primo respiro, mentre le linee rosse indicano quello del secondo respiro. Lo spessore del diaframma (Tdi,ee) misura 1,20 e 1,25 mm, e TFdi 26% e 23%, rispettivamente, in un soggetto maschio sano. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Problemi comuni nell'ecografia transdiaframmatica Fare clic qui per scaricare questa tabella.

2. Valutazione della frazione massima di ispessimento del diaframma

NOTA: La frazione massima di ispessimento del diaframma può essere valutata durante la stessa sessione sperimentale dello spessore del diaframma.

1. Acquisizione di immagini
   1. Utilizzando la stessa metodologia descritta sopra, identificare il diaframma utilizzando l'ecografia B-mode e ottimizzare di conseguenza.
   2. Nei pazienti ventilati meccanicamente, assicurarsi che vi sia un'adeguata spinta respiratoria per la valutazione funzionale del diaframma misurando la pressione di occlusione delle vie aeree (P_0,1) sul ventilatore. Il P_0.1 deve essere di almeno 2 cm H₂O per procedere. Se è inferiore a 2 cm H₂O, prendere in considerazione la riduzione della sedazione o del supporto ventilatorio per aumentare l'impulso respiratorio prima dell'ecografia.
   3. Una volta che l'impulso respiratorio è adeguato nei pazienti ventilati meccanicamente, ridurre il supporto ventilatorio a un livello minimo (ad esempio, ventilazione di supporto a pressione (PSV): 0 cm H₂O; pressione positiva di fine espirazione (PEEP): 0 cm H₂O; livelli modesti di PSV o PEEP possono essere mantenuti se necessario per lo scambio gassoso) per aumentare temporaneamente la contrattilità diaframmatica.
      NOTA: La rimozione del supporto ventilatorio aumenta la spinta respiratoria e lo sforzo per facilitare la valutazione della funzione del diaframma.
2. Posizionare l'ecografo in modalità M facendo clic sul pulsante della modalità M .
3. Durante l'esecuzione in modalità M, istruire il partecipante a eseguire uno sforzo inspiratorio volitivo massimale contro una via aerea non occlusa (cioè una manovra di capacità inspiratoria), istruendo il partecipante a "fare un grande respiro" se possibile.
   1. Se il paziente non è in grado di seguire i comandi per compiere il massimo sforzo inspiratorio, applicare una breve manovra di occlusione delle vie aeree (manovra di Marini)²⁰ per un massimo di 20 secondi per stimolare l'aumento dello sforzo respiratorio. Quindi, rilasciare l'occlusione e misurare il TFdi,max dopo aver rilasciato l'occlusione.
4. Blocca la registrazione e salva l'immagine.
5. Ripetere i passaggi 2.1-2.4 altre due volte per ottenere un totale di tre immagini M-mode per l'analisi, o fino a quando l'ecografista non è sicuro che il paziente abbia compiuto il massimo sforzo volontario.
6. Esporta le immagini in modalità M in formato DICOM per un'attenta analisi offline in cieco.
7. Strofinare il lato del paziente per pulire eventuali residui di gel e sanificare l'apparecchiatura ad ultrasuoni con apposite salviette disinfettanti.
8. Analisi delle immagini
   1. Aprire i file DICOM necessari nel visualizzatore DICOM MicroDicom o in un software simile.
   2. Fare clic sullo strumento di distanza (può essere chiamato calibri o linea retta) e tracciare una linea retta dal bordo interno della membrana pleurica al bordo interno della membrana peritoneale all'espirazione finale (Tdi,ee) e al picco di inspirazione (Tdi,pi) durante una prova inspiratoria massimale, come si vede nella Figura 3B.
   3. Assicurarsi che tutte le misurazioni escludano le membrane pleuriche e peritoneali e che entrambe le estremità della linea retta siano posizionate direttamente (verticalmente) l'una dall'altra, in modo che non vi sia differenza di tempo.
   4. TFdi,max per ogni respiro viene calcolato come:
      
   5. Registrare il valore più alto di almeno tre tentativi coerenti come TFdi,max.

Figura 3: Esempi di frazione minima e massima di ispessimento del diaframma. (A) Lo spessore del diaframma ecografico (Tdi) e la frazione di ispessimento (TFdi) sono stati misurati in presenza di una contrazione diaframmatica minima. Se necessario, regolare la velocità di scansione; due respiri vengono utilizzati per valutare la TFdi. In assenza di un chiaro picco di spessore inspiratorio, la tempistica dello sforzo inspiratorio viene determinata clinicamente al letto del paziente. Il TFdi qui è calcolato come 11%, ma verrebbe calcolato in media su altri due respiri (per un totale di quattro respiri catturati in due immagini). (B) La frazione massima di ispessimento del diaframma misurata durante gli sforzi inspiratori massimali (TFdi,max) viene stimolata insegnando il paziente a compiere sforzi volontari massimali, o seguendo un errore di Marini se il paziente non è in grado di essere allenato e c'è un P_0,1 >2 cm H₂O. TFdi,max è qui calcolato come 208%, tuttavia il valore più grande ottenuto dopo diversi (almeno tre) tentativi verrebbe registrato come TFdi,max. Ci sono differenze pronunciate in TFdi e Tdi durante un'inspirazione massima (B) rispetto a uno sforzo inspiratorio minimo (A). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Seguendo questo protocollo, lo spessore del diaframma e la frazione di ispessimento possono essere misurati come mezzi non invasivi e riproducibili per valutare la struttura e la funzione del diaframma. Le misurazioni possono essere effettuate al letto del paziente e salvate per l'analisi offline in cieco. Queste misure possono essere ottenute ripetutamente nel tempo per valutare i cambiamenti nella struttura e nella funzione del diaframma longitudinalmente.

Negli adulti sani, lo spessore del diaframma a riposo di fine espirazione può variare da 1,5 mm a 5,0 mm, a seconda dell'altezza, del sesso e della posizione della sonda21. Negli adulti sani che respirano a riposo, il TFdi corrente varia in genere tra il 15% e il 30%. Durante gli sforzi inspiratori massimali, TFdi,max varia tipicamente tra il 30% e il 130,21,22. Il TFdi massimo <20% è diagnostico per la grave disfunzione del diaframma13,21. La Tabella 2 riassume lo spessore del diaframma sano e critico e la frazione di ispessimento.

Tabella 2: Valori di riferimento per lo spessore del diaframma e la frazione di ispessimento 11,13,19,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Nei pazienti critici sottoposti a ventilazione meccanica invasiva, lo spessore basale del diaframma misurato all'inizio dell'insufficienza respiratoria è correlato all'esito clinico (una Tdi basale più elevata predice una minore mortalità e una liberazione più rapida dalla ventilazione meccanica). In questi pazienti, la successiva evoluzione della Tdi nel tempo varia ampiamente da un paziente all'altro. Circa il 40%-50% dei pazienti sviluppa atrofia (una diminuzione della Tdi rispetto al basale di oltre il 10%) entro la prima settimana di ventilazione meccanica15. Un piccolo sottogruppo di pazienti mostra un rapido aumento precoce della Tdi superiore al 10% del basale, probabilmente indicativo di lesioni, infiammazioni o edemi muscolari (ma non di ipertrofia muscolare, poiché l'ipertrofia richiede settimane per verificarsi). TFdi,max <30% prevede un rischio più elevato di mancato svezzamento dalla ventilazione meccanica23.

Nell'esempio mostrato nella Figura 2A, lo spessore del diaframma nel primo respiro (in giallo) era di 1,20 mm all'espirazione finale e di 1,51 mm al picco di inspirazione. La frazione di ispessimento può quindi essere calcolata utilizzando la formula sottostante ed espressa in percentuale.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.