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Articolo metodologico

Un approccio basato sull'ecografia senza immagini per la valutazione combinata della rigidità arteriosa locale e regionale negli esseri umani

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DOI:

10.3791/69002

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19 dicembre 2025

 ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Madras, 2Healthcare Technology Innovation Centre, IIT Madras, 3Department of Physiology, All India Institute of Medical Sciences, New Delhi

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive una tecnica basata su ultrasuoni senza immagini per valutare simultaneamente sia la rigidità arteriale locale che regionale nell'uomo. La tecnica impiega una sonda a ultrasuoni piezoelettrici a singolo elemento per insonare l'arteria carotide comune e un manico oscillometrico per catturare la forma d'onda dell'impulso femorale e determinare la rigidità arteriosa locale e regionale.

Abstract

La rigidità arteriosa è un indicatore cardinale dell'invecchiamento vascolare, rappresentando l'impatto cumulativo di fattori di stress meccanici e biologici sulla parete dei vasi dovuti all'invecchiamento e a vari fattori di rischio cardiovascolare, che portano a alterazioni nelle proprietà dei materiali e nella meccanica della parete sia delle arterie centrali che periferiche. La rigidità arteriosa è stata identificata come un predittore indipendente della morbilità e mortalità cardiovascolare. In base al fatto che la valutazione della rigidità venga eseguita in una specifica posizione anatomica o su un segmento dell'albero arterioso, le misurazioni della rigidità arteriosa sono ampiamente categorizzate come valutazioni locali e regionali. La misurazione locale prevede la quantificazione delle proprietà della parete arteriosa, inclusa conformità, distensione o modulo elastico, mentre la valutazione regionale si basa sulla misurazione della velocità di propagazione dell'onda d'impulso lungo un segmento arterioso. Qui presentiamo un approccio validato, privo di immagini e basato su ultrasuoni, capace di valutare contemporaneamente sia la rigidità arteriosa locale che regionale negli esseri umani. La tecnica prevede l'insonazione dell'arteria carotide comune utilizzando una sonda a ultrasuoni piezoelettrico a singolo elemento e il tracciamento in tempo reale degli echi provenienti dalle pareti arteriose per catturare la forma d'onda della distensione dell'arteria carotide. Le misure locali della rigidità arteriosa sono derivate dai dati sulla distensione e dalla pressione sanguigna carotide. Un bracciale oscillometrico applicato alla coscia viene utilizzato per acquisire simultaneamente la forma d'onda dell'impulso femorale e calcolare la velocità d'onda dell'impulso carotide-femorale determinando i tempi di viaggio dell'impulso verso i siti carotide e femorale, insieme alle lunghezze del percorso arterioso misurate superficialmente.

Introduzione

La rigidità arteriosa è un indicatore chiave dell'invecchiamento vascolare, riflettendo l'impatto cumulativo di insulti meccanici e biologici associati all'invecchiamento e vari fattori di rischio cardiovascolare sulla parete arteriosa. Dal punto di vista patobiologico, questi cambiamenti comportano la degradazione dell'elastina, la deposizione e la reticolazione di collagene, irrigidimento muscolare liscio e alterazioni della matrice extracellulare della parete arteriosa, rendendola più rigida e meno docile, compromettendo così le funzioni di Windkessel delle grandi arterieelastiche 1,2.

Le conseguenze fisiologiche dell'irrigidimento delle grandi arterie (LAS) sono multifaccettate. Un aumento dell'impedenza caratteristica dell'aorta e del carico sistolico che agisce sul ventricolo sinistro disturba le normali interazioni ventricolari-arterie e favorisce la disfunzione miocardica, la fibrosi miocardica e l'ipertrofia ventricolaresinistra 1,2. Inoltre, la perdita del buffering meccanico attribuibile alla funzione di Winkessel amplifica la pulsatilità di pressione e flusso nella microvascolatura di vari organi bersaglio, inclusi cervello e rene, portando a disfunzioni microvascolari e parenchimatose in questi organivitali 1,2. Questi costrutti fisiopatologici della LAS e delle sue conseguenze sono replicati epidemiologicamente da grandi studi basati sulla popolazione che hanno rivelato in modo inconfutabile l'importanza della rigidità arteriosa come predittore indipendente della morbilità e mortalità cardiovascolare oltre i fattori di rischio cardiovascolari convenzionali 3,4,5,6 . L'accumulo di evidenze a questo riguardo ha aperto la strada all'inclusione della valutazione della rigidità arteriosa nelle linee guida cliniche, se una decisione terapeutica basata sul rischio per abbassare la pressione rimane incerta per individui con BPelevato 7. Questi sviluppi sottolineano l'importanza dell'accesso a strumenti validi e affidabili per la misurazione non invasiva della rigidità arteriosa negli esseri umani, in particolare per la valutazione della salute vascolare e la stratificazione del rischio.

Gli approcci convenzionali per quantificare la rigidità arteriosa sono a duepunti: 2,8: (1) registrare le variazioni pulsatili nel diametro e nella pressione arteriosa in una posizione specifica dell'albero arterioso per calcolare la distensione arteriosa o altri indici come misura 'locale' della rigidità arteriosa, (2) misurare la velocità di propagazione dell'impulso arterioso tra due punti dell'albero arterioso per determinare la velocità dell'onda dell'impulso (PWV) come misura regionale dell'arteria rigidità. Teoricamente, il PWV è inversamente correlato alla radice quadrata della distensione, come stabilito dall'equazione di Bramwell-Hill, che dimostra la concorrenza fisiologica tra le due misure più ampie della rigiditàarteriosa 8. La quantificazione del PWV delle grandi arterie centrali richiede l'uso di sensori dedicati, inclusi tonometri, per registrare in modo non invasivo le forme d'onda dell'impulso arterioso provenienti da due punti accessibili nell'albero arterioso. Il PWV carotide-femorale, la misura standard di riferimento della rigidità delle grandi artie, viene calcolato utilizzando forme d'onda dell'impulso arterioso catturate sequencialmente o simultaneamente dalle arterie carotidee e femoralecomuni 2,8.

La quantificazione delle misure locali della rigidità arteriosa spesso richiede l'uso di modalità di imaging, tra cui ecografia o risonanza magnetica, e richiede un post-processing esaustivo delle sequenze per estrarre dati di diametro e area per il calcolo degli indici di rigidità 8,9. Le misure della rigidità arteriosa locale, quando catturate dalle posizioni barosensibili dell'albero arterioso, possono anche fornire informazioni fisiologiche fondamentali sul guadagno meccanico dell'arco riflesso barorecettore, una via cruciale per l'omeostasi cardiovascolare a breve termine, spesso alterata nei disturbi neurologici emetabolici 10,11. Oltre agli indici di rigidità, le tecniche di imaging Doppler e vettoriale basate su ultrasuoni forniscono misure quantitative della velocità del flusso sanguigno, della portata di flusso e dello stress da taglio della parete, che aiutano a caratterizzare gli ambienti emodinamici locali rilevanti per l'aterosclerosi e il rimodellamentovascolare 12,13. Analogamente, la risonanza magnetica a contrasto di fase e la risonanza magnetica a flusso 4D producono flusso sanguigno volumetrico, gradienti di pressione, stress da taglio della parete, schemi di flusso turbolento, vorticità e velocità dell'onda dell'impulso aortico, offrendo una caratterizzazione completa e non invasiva dell'emodinamica che integra le misurazioni della rigidità della paretearteriosa 14,15. Recentemente, sono state sviluppate tecnologie di pressione sanguigna (BP) senza manciale, basate sulla fotopletismografia (PPG), per stimare la pressione locale o regionale e la velocità delle onde dell'impulso dalle forme d'onda periferichedell'impulso 16,17. Questi sistemi tipicamente derivano la pressione da un'analisi del tempo di transito dell'impulso o delle onde dell'impulso basate su PPG, talvolta in combinazione con ECG o PPG multi-sito, e possono monitorare i cambiamenti battito dopo battito della rigidità arteriosa locale e dell'emodinamica in un fattore di forma indossabile o basato susmartphone 16,17,18.

Presentiamo qui una tecnica basata su ultrasuoni validata, priva di immagini, per valutare simultaneamente sia la rigidità arteriale locale che regionale negli esseriumani 9,19,20. Il metodo impiega una sonda a ultrasuoni piezoelettrici a singolo elemento per insonare l'arteria carotide comune, catturando segnali eco in tempo reale dalle pareti arteriose per generare la forma d'onda di distensione dell'arteria carotide. La rigidità arteriosa locale viene quantificata utilizzando i dati sulla distensione in combinazione con la pressione arteriosa. Per valutare la rigidità arteriosa regionale, viene applicato un bracciale oscillometrico sulla coscia per catturare la forma d'onda dell'impulso femorale in modo non invasivo. La velocità dell'onda d'onda dell'impulso carotide-femorale (cf-PWV) viene poi calcolata misurando il ritardo di arrivo dell'impulso tra i siti femorale e carotide, insieme alle lunghezze del percorso arterioso misurate superficialmente.

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Protocollo

I protocolli di studio sono stati approvati dal Comitato Etico dell'Istituto, All India Institute of Medical Sciences, Nuova Delhi (IEC-477/17.06.2022, RP-04/2022). È stato ottenuto il consenso informato scritto da tutti i partecipanti che si sono offerti volontari per lo studio. I consumabili e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Componenti e connessioni delle apparecchiature

NOTA: L'impianto di misurazione consiste nel dispositivo ARTSENS Plus PWV (dispositivo di misurazione della rigidità arteriale senza immagini), due manette gonfiabili (brachiale e femorale), un tubo per tubo, un trasduttore a ultrasuoni in modalità A, un cavo micro-USB, un metro a nastro e un adattatore di ricarica. Le interfacce disponibili sul dispositivo sono mostrate nella Figura 1. I seguenti passaggi devono essere seguiti per preparare il dispositivo alle misurazioni:

  1. Collega l'alimentatore alla porta di alimentazione del dispositivo e collega l'altra estremità a una presa di corrente alternata. Questo passaggio può essere omesso se il dispositivo dispone di una batteria di backup adeguata.
  2. Assicurarsi che il computer host sia alimentato durante il funzionamento per evitare qualsiasi interruzione nell'elaborazione o nella comunicazione.
  3. Collega il tubo al portabraccio del dispositivo di misurazione della rigidità arteriosa senza immagini finché un suono di "clic" non conferma il blocco sicuro.
  4. Attacca il bracciale (brachiale o femorale) all'altra estremità del tubo del tubo, a seconda della misura desiderata. Il connettore utilizza un meccanismo twist-to-lock.
  5. Collega il cavo micro-USB al dispositivo e l'altra estremità al computer ospite. Si consiglia un collegamento diretto. Se l'host non dispone di porte USB Type-A, utilizza un hub USB 2.0 alimentato per garantire un trasferimento dati stabile.

2. Preparazione alla valutazione

NOTA: Per iniziare una nuova misurazione, avvia l'applicazione software dedicata per eseguire il dispositivo di misurazione della rigidità arteriale senza immagini (versione software: V1.0) sul computer host e segui questi passaggi:

  1. Seleziona NUOVO PAZIENTE dalla Home Page per avviare una nuova sessione di test.
  2. Inserisci le informazioni sul paziente e procedi alla pagina Preparazione alla Valutazione cliccando sul pulsante Freccia Destra in basso a destra della pagina. Se qualche campo obbligatorio è incompleto o contiene voci non valide, il software mostrerà un messaggio di errore in basso sullo schermo.
  3. Istruire il soggetto a riposare in posizione supina per almeno 5 minuti prima della misurazione.
  4. Posizionare rispettivamente le cuffie brachiale e femorale sul braccio sinistro e sulla coscia sinistra, assicurandosi che siano strette ma non eccessivamente strette.
  5. Collega il tubo al bracciale brachiale. Assicurati che la connessione sia sicura senza perdite d'aria. Un messaggio di errore apparirà durante i passaggi successivi se viene rilevata perdita o posizionamento improprio del polsetto.
  6. Clicca su Misura Valori per registrare automaticamente le pressioni arteriali sistoliche, diastoliche e medie, insieme alla frequenza cardiaca.
  7. Inserisci i dati antropometrici se disponibili.
  8. Palpare il lato sinistro del collo per localizzare il polso carotidee.
  9. Misurare e inserire (in millimetri) le seguenti lunghezze di percorso arterioso (come mostrato nella Figura 2):
    1. Distanza dal sito dell'arteria carotide alla tacca sternale
    2. Distanza dalla tacca sternale fino alla sommità del bracciale
    3. Distanza dal sito dell'arteria femorale fino alla sommità della cuffia della coscia
      NOTA: Queste distanze sono illustrate nell'interfaccia software per facilitare un'inserimento accurata. La distanza non dovrebbe basarsi sul contatto con il paziente, dove i singoli contorni del corpo possono aumentare erroneamente la distanza PWV in base alla propria struttura anatomica esterna individuale. Inoltre, moltiplica le misurazioni in centimetri per 10 per convertirle in millimetri e inserire le distanze nel software.
  10. Scollega il bracciale dal tubo e collegalo al bracciale della coscia.
  11. Naviga alla schermata successiva per iniziare le misurazioni della rigidità vascolare cliccando sul pulsante Freccia Destra in basso a destra della pagina. Il software verifica la connettività di sonde e cuff. Il bracciale si gonfia e si sgonfia come parte di un controllo automatico prima di procedere allo schermo Misurazioni.

3. Misurazione della rigidità vascolare

  1. Applica una goccia di gel per ultrasuoni sul trasduttore in modalità A.
  2. Posizionare la sonda sul punto in cui si sentono le pulsazioni carotide (vedi Figura 3).
  3. Assicurati che la schermata di misurazione mostri il seguente feedback:
    1. Forma d'onda RF: Assicurati che mostri il segnale grezzo dell'eco ecografico dall'arteria carotide ( Figura 4, colonna destra).
    2. Barre di qualità del segnale: Indicano la qualità dei segnali eco per la parete vicina (NW) e la parete lontana (FW) dell'arteria. Questi sono situati proprio sotto la forma d'onda RF.
    3. Barra dei progressi: Assicurati che indichi i progressi mentre vengono registrati i cicli cardiaci validi.
    4. Forme d'onda a impulsi: Mostrano forme d'onda di impulso di distensione carotide e pressione femorale.
  4. Sposta e orienta la sonda per localizzare l'arteria carotide (vedi Figura 4) utilizzando il display RF.
    NOTA: La corretta posizione viene confermata quando due modelli di eco verticalmente allineati (corrispondenti alle pareti vicine e lontane dell'arteria) mostrano un movimento di fase opposta.
  5. Assicurati che la rilevazione dell'arteria sia indicata visivamente da una coppia di cursori che delimitano le pareti dell'arteria.
    NOTA: Il mantell femorale si gonfia automaticamente durante questo processo. Un cambiamento del colore della forma d'onda da rosso a blu indica un adeguato gonfiamento delle cuffie. Una volta che la sonda è mantenuta stabilmente, appaiono sia le forme d'onda carotide che quelle femorali. Questi segnali sono di natura quasi periodica.
  6. Registra le forme d'onda per una durata definita dall'utente, indicata dalla barra di avanzamento del riempimento. L'impostazione predefinita richiede almeno 10 cicli cardiaci di alta qualità sia per l'arterie carotide che per quella femorale.
    NOTA: Dopo l'acquisizione con successo di dati validi, la barra di avanzamento raggiunge il suo massimo e viene visualizzata la pagina Risultati. Il numero di cicli necessari per i risultati, e di conseguenza la durata della registrazione, è configurabile dall'operatore.

4. Ottenimento delle uscite dei dispositivi

  1. Controlla l'elenco delle misure dirette:
    1. Pressione brachiale (SBP, DBP, MAP) tramite oscillometria.
    2. Forma d'onda dell'impulso del diametro carotide e valori assoluti (sistolice, diastolica, distensione di picco) tramite ecografia.
    3. Forma d'onda dell'impulso di pressione femorale tramite il trasduttore del braccino.
    4. Il tempo di transito dell'impulso carotide-femorale (cf-PTT) misurato direttamente dal ritardo temporale tra le forme d'onda carotide e femorale acquisite, senza conversione in un'onda di pressione stimata.
  2. Controlla l'elenco delle misure derivate:
    1. La pressione sanguigna centrale (PS, PD) deriva dalla pressione brachiale e dalle forme d'onda del diametro carotide. (Si ottiene calibrando la forma d'onda del diametro usando una relazione fondamentale non lineare pressione-diametro, assumendo pressioni diastoliche e medie costanti attraverso l'albero arterioso21,22.)
    2. Indici di rigidità carotidea: indice di rigidità (β), modulo elastico (Ep) e compliance arteriosa (AC) valutati utilizzando le misurazioni dirette come mostrato nella Tabella 1.
    3. Velocità d'onda dell'impulso carotide-femorale (cf-PWV), la metrica di rigidità regionale di riferimento d'oro valutata utilizzando le misurazioni dirette mostrate nella Tabella 1.

5. Configurazione del dispositivo per misurazioni affidabili

  1. Impostazioni di misurazione:
    1. Imposta la frequenza del trasduttore a 10 MHz.
      NOTA: È supportato anche un trasduttore a 5 MHz e può essere selezionato nelle impostazioni di base.
    2. Imposta la frequenza di campionamento del segnale dell'ultrasuono a 80 MHz.
    3. Imposta il frame rate dell'ultrasuono a 250 Hz.
    4. Imposta la frequenza di campionamento dell'onda d'impulso a pressione femorale a 250 Hz.
    5. Applica un filtro Golay con 20 punti laterali per il levigamento del segnale.
    6. Imposta il punto di regolazione della pressione di gonfiaggio della cuffia a 10 mmHg sotto il DBP del paziente.
  2. Gestione delle sonde:
    1. Consulta la Figura 3 per identificare la regione ideale per la palpazione e il posizionamento del trasduttore.
    2. Palpa l'area indicata per individuare il polso carotide più forte e garantire la qualità ottimale del segnale.
    3. Applica una pressione delicata e costante per mantenere il contatto con la sonda. Evita di applicare una pressione eccessiva, poiché ciò può distorcere il segnale e causare disagio al paziente.
    4. Se necessario, appoggia il polso dell'operatore su una superficie di supporto per migliorare la stabilità.
  3. Posizionamento dei polsini:
    1. Avvolgi il bracciale intorno a metà coscia, assicurandoti che il tubo esci verso il basso.
    2. Posiziona il Velcro wrap sopra la parte interna della coscia.
    3. Assicurati che il polsino sia ben aderente tenendo un'estremità saldamente sopra la coscia e avvolgendo in senso orario con l'altra mano.
    4. Verifica che il tubo non sia intrappolato sotto il tessuto del polsino.

6. Utilizzo della GUI software per il feedback di misurazione in tempo reale

  1. Osserva il display della forma d'onda RF. Inizialmente non strutturate, due tracce di eco con movimento opposto appariranno nel terzo superiore del display una volta localizzata l'arteria.
  2. Monitorare le barre di qualità del segnale adiacenti alla forma d'onda RF. Punta a un livello di riempimento superiore al 50% (indicato dalle barre che passano dal bianco al verde).
  3. Utilizzare lo stato visualizzato della sonda, lo stato della cuffia, il colore della forma d'onda della pressione femorale e altre diagnostiche del sistema per guidare l'acquisizione.
  4. Assicurati che il computer host sia configurato correttamente.
  5. Mantenere il computer host collegato a una presa di corrente per tutta la durata della procedura di misurazione per prevenire il throttling delle prestazioni che può influire negativamente sull'acquisizione dati e sulla comunicazione USB.

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Risultati

La Figura 4 presenta registrazioni ecografiche rappresentative, illustrando sia segnali di buona qualità che di scarsa qualità derivanti rispettivamente da un orientamento corretto e errato della sonda. Una pagina dei risultati campioni è mostrata nella Figura 5, che indica le metriche misurate di rigidità e pressione sanguigna. (Si noti che la pagina è carica di risultati a scopo illustrativo). Per la misurazione individuale de...

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Discussione

Il metodo descritto consente la valutazione simultanea sia della rigidità arteriosa locale che regionale negli esseri umani utilizzando un unico esame basato su ultrasuoni, senza immagini. Questo approccio integra una sonda a ultrasuoni piezoelettrici a singolo elemento per catturare le forme d'onda del diametro dell'arteria carotide per la valutazione locale della rigidità e un braccio per registrare la forma d'onda dell'impulso femorale per determinare la velocità d'onda dell'onda dell...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.

Ringraziamenti

Gli autori riconoscono i finanziamenti istituzionali forniti dal Healthcare Technology Innovation Centre dell'IIT Madras e dall'All India Institute of Medical Sciences di Nuova Delhi, per aver supportato lo sviluppo di questa tecnologia e la produzione e pubblicazione di questo lavoro.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Unità ARTSENS PlusVascRisk LLCAP020201001Dimensioni: 240 mm x 170 mm x 60 mm, peso: ~1Kg
Adattatore di alimentazione ACVascRisk LLCAP0202010052 MOPP Classe II, 9V - 3.3A, 36W
Cavo USBVascRisk LLCAP0202010091 x cavo Micro USB a USB tipo A; Lunghezza: 1m
Polletto alla cosciaVascRisk LLCAP020201002Dimensioni adulte e standard
Manciale brachialeVascRisk LLCAP0203020021Dimensioni adulte e standard
TubolaVascRisk LLCAP0202010041 tubo da 1/8"; Lunghezza: 1,5 m
Sonda trasduttore a ultrasuoniVascRisk LLCAP0202010081 x Sonda a ultrasuoni piezoazionali a elemento singolo
MetroVascRisk LLCAP0202010101 x 150cm, con risoluzione 1mm
Computer hostPreferenza dell'utenteRequisiti minimi: processore Intel i5, 8GB di RAM, Microsoft Windows 10 e superiori, 1 porta USB2.0 x
Unità softwareVascRisk LLCAP020202056file di installazione ISO; < 1 GB

Riferimenti

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