Este estudo apresenta a aplicação da imagem vascular Doppler ultrarrápida para monitoramento fisiológico durante a cirurgia medular humana.
Artigo de método
Este estudo apresenta a aplicação da imagem vascular Doppler ultrarrápida para monitoramento fisiológico durante a cirurgia medular humana.
O monitoramento dos parâmetros fisiológicos é essencial para avaliar a condição do paciente durante os cenários intraoperatórios. Informações hemodinâmicas, como pressão arterial e frequência cardíaca, podem ser derivadas de sinais de ultrassom Doppler, refletindo a função vascular e indicando riscos patológicos em tempo real. Comparado à oscilometria, ressonância magnética (RM), Doppler convencional e métodos piezoelétricos, o Doppler ultrarrápido fornece resolução temporal superior e alta sensibilidade para pequenos vasos. Neste estudo, é descrita uma aplicação intraoperatória de Doppler ultrarrápido na medula espinhal de um paciente com malformação de Chiari. O pós-processamento dos dados gerou imagens de power Doppler da vasculatura da medula espinhal e parâmetros fisiológicos, incluindo mapeamento detalhado do índice de resistividade (IR) e índice de pulsatilidade (IP). Tanto o IR quanto o IP apresentaram reduções significativas após a intervenção cirúrgica (média do IR: 0,47 → 0,32; Média do IP: 0,63 → 0,39; p < 0,001), com tendências consistentes observadas nas medianas, indicando melhora da hemodinâmica medular. A avaliação das alterações nos parâmetros de PI/IR usando esse método pode oferecer uma compreensão mais ampla da progressão da doença e da eficácia do tratamento, potencialmente orientando estratégias cirúrgicas e abordagens terapêuticas.
A dinâmica da pressão arterial, como um importante indicador fisiológico intraoperatório, fornece uma orientação valiosa para a estratégia cirúrgica e garante a segurança operacional1. As ondas de pulso, geradas pela contração e relaxamento periódicos do coração, propagam-se através do sistema vascular arterial a partir da aorta na forma de ondas de pressão2. Essas ondas podem ser consideradas como uma manifestação direta da função cardiovascular, oferecendo informações críticas para a compreensão da dinâmica da pressão arterial e da hemodinâmica geral3. Na prática clínica, as ondas de pulso são amplamente utilizadas para avaliação contínua do estado hemodinâmico4.
Como estação de retransmissão e centro reflexo dentro do sistema nervoso central, a medula espinhal desempenha um papel fundamental na transmissão de informações motoras e sensoriais. A estabilidade de seu suprimento sanguíneo é crucial para manter e restaurar a função neurológica6. O sinal do fluxo sanguíneo pulsátil da medula espinhal está intimamente associado à onda de pulso, contendo informações sobre elasticidade vascular e hemodinâmica, refletindo assim as alterações fisiológicas e patológicas da medula espinhal. O monitoramento desses sinais enfrenta desafios consideráveis devido ao pequeno tamanho da medula espinhal, à intrincada arquitetura vascular7 e aos padrões complexos de fluxo sanguíneo8, que complicam a avaliação eficaz das ondas de pulso da medula espinhal.
Várias técnicas para avaliar as ondas de pulso têm sido propostas. O método de análise oscilométrica é fácil de operar e fornece medições rápidas. No entanto, a acurácia dos resultados pode ser influenciada por fatores como artefatos, postura do paciente e tamanho e posicionamento adequados do manguito 9,10. Alguns sensores de biossinal piezoelétricos, como sensores de pulso piezoelétricos, podem detectar ondas de pulso com eficiência, mas sua precisão pode ser comprometida por vibrações mecânicas ou flutuações de temperatura; enquanto isso, sensores ópticos como a fotopletismografia (PPG) são suscetíveis a artefatos ambientais de luz e movimento11. Além disso, essas técnicas só podem capturar sinais de ondas de pulso localizadas e não têm a capacidade de fornecer informações de imagem da estrutura observada simultaneamente12.
Como uma poderosa modalidade de imagem, a ressonância magnética (RM) oferece uma medida de resolução espacial relativamente alta das paredes arteriais da medula espinhal, mas é cara e tem acessibilidade limitada13. A tomografia computadorizada (TC) proporciona tempos de varredura mais rápidos e maior disponibilidade, mas emite radiação ionizante, o que restringe seu uso para avaliações repetidas14. O ultrassom Doppler convencional permite a avaliação em tempo real da dinâmica do fluxo sanguíneo por meio de dois modos de imagem complementares: Doppler colorido e Doppler de onda de pulso (PWD). O Doppler colorido fornece uma visão geral qualitativa das velocidades de fluxo em todo o campo de visão, digitalizando o meio linha por linha, mas sofre de baixas taxas de quadros e baixa sensibilidade a fluxos lentos ou profundos. O PWD oferece informações temporais quantitativas sobre as formas de onda do fluxo sanguíneo, mas é limitado a uma única região de interesse definida pelo usuário. Como resultado, é aplicável para hemodinâmica forte em artérias e veias e quantifica formas de onda de pulso instantâneas dentro de um pequeno campo de visão15. O ultrassom com contraste melhora a visualização do fluxo sanguíneo por meio do uso de agentes de microbolhas; no entanto, a necessidade de injeção de contraste levanta preocupações de segurança em ambientes intraoperatórios, tornando-a menos adequada para avaliação em tempo real da pulsatilidade vascular16. As técnicas de imagem fotoacústica e óptica fornecem alto contraste e resolução espacial para imagens vasculares, particularmente em tecidos superficiais. No entanto, sua forte dependência do acesso óptico limita significativamente sua aplicabilidade a estruturas profundas, como a medula espinhal17.
Nos últimos anos, a ultrassonografia ultrarrápida avançou rapidamente com grande potencial em imagensvasculares 18. Ao contrário da varredura de feixe focalizado tradicional, o Doppler ultrarrápido usa técnicas de ondas planas compostas multiangulares, que aumentam a sensibilidade da imagem de ultrassom em cerca de 50 vezes e melhoram muito a detecção de pequenos vasos 15,19,20. Um espectro Doppler completo pode ser obtido para cada pixel da imagem, facilitando a aquisição de informações abrangentes sobre a velocidade e direção do fluxo sanguíneo21. Isso pode ser usado para estimar índices vasculares, como índice de resistividade (IR) e índice de pulsatilidade (IP) em toda a área de imagem. Notavelmente, em 2014, Demene et al.22 aplicaram a tecnologia Doppler ultrarrápida à imagem do fluxo sanguíneo cerebral neonatal, apresentando um mapa de distribuição detalhado do IR vascular cerebral em neonatos. Esse avanço fornece uma nova ferramenta para entender os mecanismos de autorregulação do fluxo sanguíneo cerebral e a patogênese de doenças relacionadas em bebês prematuros e a termo. Em 2020, Bourquin et al.23,24 propuseram a microscopia de localização por ultrassom dinâmico (DULM) baseada na tecnologia de ultrassom ultrarrápido para obter medições in vivo da microcirculação pulsátil no cérebro de roedores e estenderam essa técnica para imagens tridimensionais, oferecendo uma nova dimensão para análise quantitativa.
Em relação à imagem vascular da medula espinhal, em 2021, Zang et al.25 obtiveram imagens microvasculares da medula espinhal sem agentes de contraste usando Doppler ultrarrápido, com resolução de imagem comparável ao comprimento de onda transmitido. Sui et al.26. empregou um método de amostragem aleatória baseado em análise robusta de componentes principais (RPCA) para obter imagens Doppler ultrarrápidas rápidas e de alta relação sinal-ruído da microcirculação no cérebro e na medula espinhal. Pezet et al.27 observaram reconstrução vascular após lesão medular crônica. Em 2022, Yu et al.28 alcançaram microscopia ultrassônica ultrarrápida de localização ultrarrápida de super-resolução da microcirculação da medula espinhal em ratos com base em RPCA, com resolução de imagem atingindo 13-16 μm, significativamente menor que o comprimento de onda de 100 μm. Outros estudos envolveram observação contínua e análise quantitativa da microcirculação na penumbra medular após lesão medular29. Em 2023, Yan et al.30 utilizaram Doppler vetorial de ultrassom ultrarrápido para realizar imagens vetorizadas do fluxo sanguíneo de pequenos vasos em tumores da medula espinhal humana e avaliaram a segurança relacionada à sequência em detalhes com base em parâmetros de sequência experimental. Em 2024, Agyeman et al.31 realizaram a primeira ultrassonografia funcional da medula espinhal em humanos, que demonstrou a integração das respostas funcionais da medula espinhal à estimulação elétrica. Khaing et al.32 validaram a correlação entre os indicadores de imagem de perfusão e a gravidade da lesão em ratos e humanos após lesão medular traumática aguda. No entanto, a detecção e análise de índices hemodinâmicos em ondas de pulso da medula espinhal ainda carecem de maior investigação.
A malformação de Chiari representa um distúrbio significativo e prevalente que afeta a medula espinhal. Induz alterações dinâmicas na compressão do líquido cefalorraquidiano e da medula espinhal, interrompendo o fluxo sanguíneo da medula espinhal e a regulação vascular, o que pode resultar em drenagem venosa anormal33, aumento da resistência vascular34 e potencial isquemia da medula espinhal35. A observação das ondas de pulso da medula espinhal facilita uma compreensão mais profunda das alterações hemodinâmicas da medula espinhal, oferecendo informações valiosas para o diagnóstico e tratamento da malformação de Chiari e outros distúrbios da medula espinhal36.
Este estudo apresenta um protocolo abrangente para a utilização de imagens vasculares Doppler ultrarrápidas para monitorar intraoperatório parâmetros fisiológicos da medula espinhal em humanos, com foco específico em sua aplicação em um paciente com malformação de Chiari. Este método permite a aquisição em tempo real de dados Doppler ultrarrápidos de alta taxa de quadros durante a exposição da medula espinhal, seguido de pós-processamento para gerar mapas em pixels de RI e PI.
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Este estudo envolveu seres humanos e todos os procedimentos foram conduzidos de acordo com protocolos aprovados pelo Comitê de Ética em Pesquisa Humana do Hospital Huashan afiliado à Universidade Fudan (2021-065). O consentimento informado foi obtido de todos os participantes. A implementação foi destinada exclusivamente para fins de pesquisa preliminar e validação, não para diagnóstico clínico. Os índices de segurança relevantes recomendados pela FDA foram avaliados para garantir a conformidade com os padrões de segurança estabelecidos. Os pacientes incluídos neste estudo foram diagnosticados com malformação de Chiari. Os critérios de inclusão, exclusão e retirada para os participantes são fornecidos no Arquivo Suplementar 1. Os reagentes e equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação do instrumento
2. Preparação da sequência de ultrassom
3. Posicionamento da sonda
4. Aquisição de dados
5. Análise do sinal do fluxo sanguíneo pulsátil da medula espinhal antes da terapia (Figura 2)
complexos em fase/quadratura (IQ). Calcule a intensidade média do sinal em cada pixel para obter a imagem Doppler de potência PW (x,z) (Equação 1)15. Nt é o número de quadros adquiridos.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)6. Gerenciamento do paciente e segurança dos protocolos de imagem
7. Aquisição e análise do sinal do fluxo sanguíneo pulsátil da medula espinhal após a terapia
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O Doppler ultrarrápido oferece alta sensibilidade, permitindo imagens de alta resolução temporal da rede de vasculatura da medula espinhal. Comparado ao Doppler colorido, o power Doppler oferece uma relação sinal-ruído (SNR) mais alta42. Uma faixa de limiar apropriada foi usada para o filtro espaço-temporal baseado em SVD, permitindo a identificação de sinais de fluxo sanguíneo válidos e a imagem da direção do fluxo sanguíneo. A Figura 3E,F apresenta ...
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Neste estudo, a imagem Doppler ultrarrápida foi empregada no intraoperatório para extrair o fluxo sanguíneo da medula espinhal humana. A análise espectral e o cálculo do IR e IP foram posteriormente realizados nos sinais de fluxo sanguíneo, fornecendo imagens de power Doppler da vasculatura da medula espinhal e mapas correspondentes de IR e IP do paciente com malformação de Chiari. No contexto da ultrassonografia ultrarrápida, os vasos pequenos referem-se a vasos com diâmetros da ordem d...
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Os autores declaram que não têm conflitos de interesse financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China (nº 2023YFC2410900), Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (nº 12274093) e Programa Internacional de Cooperação em Ciência e Tecnologia de Xangai (Concessão nº 23490713500).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| MATLAB R2022b | Obras de Matemática | N/A | Para pós-processamento de dados |
| Microscópio | ZEISS | PENTERO 8O0 S | Para observação microscópica intraoperatória |
| Sistema de ultrassom programável | Verasonics | Vantagem 256 | Para imagens de ultrassom de vasos espinhais |
| Braço robótico | Esculap | RT060R | Para fixar a sonda |
| Transdutores de matriz linear de alta frequência de cristal único | Verasonics | L22-14vX | Para imagens de ultrassom de vasos espinhais |
| Gel de ultrassom | Diversão do bebê | Tipo M | Elimine o espaço de ar entre a sonda e a superfície de contato |
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