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中华医学超声杂志（电子版）

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2023 , Vol. 20 >Issue 12: 1287 - 1293

DOI: https://doi.org/10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2023.12.012

基础研究

Sonazoid®超声造影不同参数成像效果的体外研究

  • 覃斯 1 ,
  • 刘一铭 1 ,
  • 周静雯 1 ,
  • 李昀芸 1 ,
  • 刘广健 , 1, †
展开
  • 1.510655　广州，中山大学附属第六医院超声科　广州市黄埔区中六生物医学创新研究院
通信作者：刘广健，Email：

Copy editor: 汪荣

收稿日期: 2023-04-30

  网络出版日期: 2024-03-05

版权

未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计，除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。本刊为电子期刊，以网刊形式出版。
收起

In vitro study of different parameters of contrast-enhanced ultrasound with Sonazoid®

  • Si Qin 1 ,
  • Yiming Liu 1 ,
  • Jingwen Zhou 1 ,
  • Yunyun Li 1 ,
  • Guangjian Liu , 1, †
Expand
  • 1.Department of Medical Ultrasonics, the Sixth Affiliated Hospital, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510655, China
Corresponding author: Liu Guangjian, Email:

Received date: 2023-04-30

  Online published: 2024-03-05

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Fold

摘要

目的

探讨Sonazoid®超声造影（CEUS）在不同造影剂剂量浓度、机械指数（MI）和造影模式下的成像效果。

方法

采用医用超声耦合剂和乳胶软管制备体外模型。Sonazoid®超声造影剂稀释混匀备用。在不同造影模式[振幅调制成像（Gen）和脉冲相位反转成像（Hres1）]下，每一剂量浓度组（0.1、0.15、0.2 ml/L）分别在9个MI值（0.16、0.19、0.22、0.25、0.27、0.33、0.4、0.5及0.7）条件下向乳胶软管内缓慢匀速推注Sonazoid® 24 ml。探头固定扫查切面为乳胶管最大长轴切面。应用时间-强度曲线定量分析不同剂量浓度、不同造影模式及不同MI条件下，管内造影剂的增强强度、衰减程度和微泡增强持续时间。

结果

增强强度在0.15 ml/L组高于0.1 ml/L组[（31.0±5.0）dB vs（28.7±5.0）dB，P<0.001]，而衰减程度差异无统计学意义[1.0（0.3，1.8）dB vs 0.6（0.2，1.4）dB，P=0.064]。Hres1的增强强度及衰减程度大于Gen模式[（33.4±5.4）dB vs（28.9±4.5）dB，P<0.001；1.0（0.4，2.1）dB vs 0.8（0.3，1.7）dB，P=0.027]，与Gen模式相比，Hres1模式微泡增强持续时间更短[（6.9±1.8）s vs（7.5±2.5）s，P=0.003]。Hres1模式下MI=0.25及Gen模式下MI=0.22时可以较好平衡微泡增强持续时间和增强强度。

结论

Sonazoid®-CEUS的临床应用需考虑造影剂剂量浓度、MI、造影模式等因素的影响，以达到理想的成像效果。

关键词： 超声造影; 造影剂; 机械指数; 图像增强; 衰减

本文引用格式

覃斯 , 刘一铭 , 周静雯 , 李昀芸 , 刘广健 . Sonazoid®超声造影不同参数成像效果的体外研究[J]. 中华医学超声杂志（电子版）, 2023 , 20(12) : 1287 -1293 . DOI: 10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2023.12.012

Abstract

Objectives

To investigate the influence of dose, mechanical index (MI), and imaging techniques on contrast-enhanced ultrasound (CEUS) with Sonazoid®.

Methods

In vitro models were prepared utilizing medical ultrasonic couplants and latex hoses. Sonazoid® was diluted and prepared. In each dose group (0.1 ml/L, 0.15 ml/L, and 0.2 ml/L), Sonazoid® (24 ml) was injected slowly and uniformly into the tube at 9 MI values (0.16, 0.19, 0.22, 0.25, 0.27, 0.33, 0.4, 0.5, and 0.7) using different imaging techniques [power modulation imaging (Gen) and pulse inversion imaging (Hres1)]. The probe was fixed to the maximum long-axis section of the latex hose for scanning. Quantitative analysis was performed using time-intensity curves to assess the enhancement, attenuation, and sustained enhancement time of microbubbles in the tube under different doses, MI values, and imaging techniques.

Results

The enhancement in the 0.15 ml/Lgroup was higher than that of the 0.1 ml/L group [(31.0±5.0) dB vs (28.7±5.0) dB, P<0.001], but there was no significant difference in attenuation between them [1.0 (0.3, 1.8) dB vs 0.6 (0.2, 1.4) dB, P=0.064]. The enhancement and attenuation of Hres1 were higher than those of Gen [(33.4±5.4) dB vs (28.9±4.5) dB, P<0.001; 1.0 (0.4, 2.1) dB vs 0.8(0.3, 1.7) dB, P=0.027], and the sustained enhancement time of microbubbles was shorter [(6.9±1.8) s vs (7.5±2.5) s, P=0.003]. The balance between the enhancement and sustained enhancement time of microbubbles was obtained at MI=0.25 in Hres1 and MI=0.22 in Gen, respectively.

Conclusion

The clinical application of CEUS with Sonazoid® should consider the influence of dose, MI, and imaging technique, in order to achieve ideal imaging effects.

Key words： Contrast-enhanced ultrasound; Ultrasound contrast agents; Mechanical index; Image enhancement; Attenuation

超声具有实时动态、经济便捷、安全无辐射等优点，广泛应用于肝脏疾病的诊断和治疗。超声造影（contrast-enhanced ultrasound，CEUS）大大提高了超声在肝脏疾病诊断、指导治疗和随访等方面的应用价值［1］。SonoVue®（Bracco Imaging SpA，Italy）和Sonazoid®（GE Healthcare，Norway）是两种第二代超声造影剂（ultrasound contrast agent，UCA），已在多个国家获准临床用于肝脏CEUS［2］。目前中国普遍使用的超声造影剂以SonoVue®为主，已取得较为成熟的使用经验和较为满意的成像效果［3］。Sonazoid®是由氢化卵磷酰丝氨酸（HEPS）外壳和全氟丁烷（PFB）核心气体组成，之前主要应用于韩国、日本和挪威，近年来在国内上市［4］。临床应用中，Sonazoid®与SonoVue®在注射剂量浓度、机械指数（mechanical index，MI）等方面均有所不同［2］。本研究拟在体外模型中探讨Sonazoid®不同剂量浓度、MI和造影模式下的成像效果，以确定CEUS成像效果最佳的UCA剂量浓度及MI值，为Sonazoid®-CEUS的临床应用提供依据。

材料与方法

一、实验材料

注射用全氟丁烷微泡超声造影剂（Sonazoid®），按照说明书予以2 ml注射用水稀释184 mg冻干粉，轻微振荡使其充分溶解混匀。医用超声耦合剂（广州广工技术开发有限公司）2500 ml/袋（长15 cm，高17 cm，宽5 cm），乳胶软管（内径1.0 cm，外径1.4 cm），将一根乳胶管斜行插入一袋耦合剂中，并予以胶带固定，乳胶管两端各连接一支50 ml灌注器（图1a）。
图1 体外模型实验及时间-强度曲线分析。图a示体外模型的制备，将一条乳胶管斜行插入一袋2500 ml的耦合剂中，并予以胶带固定，乳胶管两端各连接一支50 ml的灌注器，顶端灌注器用于推注造影剂；图b示开始推注造影剂时录制视频直至造影剂微泡完全消失；图c示选择直径0.6 cm的圆形感兴趣区分别置于深度3、5、7、9、11及13 cm的乳胶管中心（空心圆）；在不同深度的管内感兴趣区下方距离1.5~2 cm处放置管外感兴趣区（实心圆），避开耦合剂内气泡强回声区及后方声影区；图d示绘制时间-强度曲线

二、仪器与方法

使用Logiq E9（GE Healthcare，Norway）彩色多普勒超声诊断仪，配备凸阵探头（C1-5）。使用机器内置腹部造影条件，图像深度为15 cm，聚焦点深度为14 cm，增益统一调为0，时间增益补偿按钮全部居中竖直排列，动态范围设为60。探头固定扫查切面为乳胶管最大长轴切面。超声仪器自带两种造影成像模式：振幅调制成像和脉冲相位反转成像，分别命名为“Gen”和“Hres1”，造影中心频率分别为2.5 MHz和5.25 MHz，帧频分别为10帧/s和13帧/s。使用生理盐水将造影剂稀释为3种剂量浓度（0.1、0.15、0.2 ml/L）备用，即设置3个剂量浓度组。机械指数分别取0.16、0.19、0.22、0.25、0.27、0.33、0.4、0.5及0.7共9个MI值。在不同的造影模式下，每一剂量浓度组分别在9个MI值经乳胶管顶端灌注器缓慢匀速推注造影剂24 ml，开始推注时立即启动造影计时器，并录制造影视频直至造影剂微泡完全消失（图1b）。

三、图像分析

使用超声仪器内置时间-强度曲线（time-intensity curve，TIC）分析软件分析造影视频。选择直径0.6 cm的圆形感兴趣区（region of interest，ROI），分别置于深度3、5、7、9、11及13 cm的乳胶管中心，绘制TIC曲线（图1c，1d），记录每个深度到达时间（arrival time，AT）、初始强度（basic intensity，BI）、达峰时间（time to peak，TTP）及峰值强度（peak intensity，PI），管内不同深度的增强强度为（ΔI内=PI-BI），取平均值作为该造影条件的增强强度。在管内不同深度的ROI下方距离1.5~2 cm处放置管外ROI，避开耦合剂内气泡强回声区及后方声影区，分别记录在管内不同深度的AT及TTP时，相应的管外ROI的强度（IAT及Ip），其差值（ΔI外=Ip-IAT）反映管内增强达到峰值强度时后方远场的衰减程度，取平均值作为该造影条件的衰减程度。记录管内深度13 cm位置的TTP及下降达平台强度的时间（descending time，DT），其差值（ΔT=DT-TTP）反映造影剂微泡增强持续时间。

四、统计学分析

采用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析，ΔI内、ΔT均为满足正态分布的计量资料，以表示；ΔI外为不满足正态分布的计量资料，以M（P25，P75）表示。按剂量浓度（0.1、0.15、0.2 ml/L）分组，ΔI内、ΔT的组间比较先采用随机区组设计方差分析进行总体比较，再采用配对t检验进行两两比较；ΔI外的组间比较先采用Friedman的统计检验进行总体比较，再采用配对Wilcoxon符号秩检验进行两两比较，以P<0.017为差异有统计学意义。按造影模式（Gen和Hres1）分组，ΔI内、ΔT的组间比较采用配对t检验，ΔI外的组间比较采用配对Wilcoxon符号秩检验，以P<0.05为差异有统计学意义。计算Pearson相关系数分析微泡增强持续时间与MI的相关性：>0.8~1.0为极强相关，>0.6~0.8为强相关，>0.4~0.6为中等程度相关，>0.2~0.4为弱相关，≤0.2为极弱相关或无相关。按不同MI值分组，相同造影模式下ΔI内的组间比较先采用方差分析进行总体比较，再采用Games-Howell检验进行两两比较，以P<0.05为差异有统计学意义。

结果

一、不同剂量浓度组增强强度及衰减程度的比较

根据造影模式和MI值可分为18个组，在同一造影模式和MI值的情况下比较不同剂量浓度组的增强强度和衰减程度。随着UCA剂量浓度的增加，增强强度及衰减程度均出现不同程度的增加（图2）。不同剂量浓度组的总体平均增强强度差异有统计学意义（F=24.303，P<0.001）。经两两比较，UCA剂量浓度为0.2 ml/L时增强强度最高，明显高于0.15 ml/L组［（33.7±5.3）dB vs（31.0±5.0）dB，P<0.001］及0.1 ml/L组［（33.7±5.3）dB vs（28.7±5.0）dB，P<0.001］。不同剂量浓度组的衰减程度差异也有统计学意义（x2=20.019，P<0.001）。经两两比较，UCA剂量浓度为0.15 ml/L时衰减程度明显低于0.2 ml/L组［1.0（0.3，1.8）dB vs 1.3（0.5，2.2）dB，P=0.011］，而与0.1 ml/L组差异无统计学意义［1.0（0.3，1.8）dB vs 0.6（0.2，1.4）dB，P=0.064］（图3）。
图2 相同造影模式和MI条件下，不同剂量浓度组的平均增强强度和衰减程度。图a为振幅调制成像（Gen模式），图b为脉冲相位反转成像（Hres1模式）

注：MI为机械指数；Gen为振幅调制成像；Hres1为脉冲相位反转成像

图3 不同剂量浓度组的增强强度和衰减程度比较。图a为增强强度比较，图b为衰减程度比较

注：*P<0.017；**P<0.001

二、不同造影模式下增强强度、衰减程度及微泡增强持续时间的比较

根据剂量浓度和MI值可分为27个组，在同一剂量浓度和MI值的情况下比较不同造影模式组的增强强度和衰减程度。Hres1的增强强度和衰减程度均较Gen模式有不同程度的增加（图4）。Hres1的总体增强强度明显高于Gen模式［（33.4±5.4）dB vs（28.9±4.5）dB，P<0.001］，与之相应的是Hres1的衰减程度较Gen模式明显［1.0（0.4，2.1）dB vs 0.8（0.3，1.7）dB，P=0.027］，而Gen模式的微泡增强持续时间明显长于Hres1模式［（7.5±2.5）s vs（6.9±1.8）s，P=0.003］（图5）。
图4 相同剂量浓度和MI值下，不同造影模式组的平均增强强度和衰减程度。图a 为0.1 ml/L剂量浓度，图b为0.15 ml/L剂量浓度，图c为0.2 ml/L剂量浓度

注：Gen为振幅调制成像；Hres1为脉冲相位反转成像；MI为机械指数

图5 不同造影模式下增强强度、衰减程度和微泡增强持续时间比较。图a为增强强度比较，图b为衰减程度比较，图c为微泡增强持续时间比较

注：Gen为振幅调制成像；Hres1为脉冲相位反转成像；*P<0.05；**P<0.001

三、不同MI条件下增强强度及微泡增强持续时间的比较

微泡增强持续时间随着MI增高而缩短，二者表现出极强的相关性，Pearson相关系数为-0.82（P<0.001，图6）。在0.15 ml/L剂量浓度组（前述结果表明0.15 ml/L的剂量浓度可获得增强强度与衰减程度的较好平衡），不同造影模式下，不同MI组的增强强度有明显差异（P<0.001）。在Hres1模式下，MI=0.25时增强强度最高，明显高于MI=0.16组（P<0.001）、MI=0.19组（P=0.001）及MI=0.22组（P=0.036），而与MI>0.25的各组比较差异无统计学意义（P>0.05），因此，在Hres1模式下，MI=0.25可获得较好的造影成像效果。在Gen模式下，MI=0.33时增强强度最高，明显高于MI=0.16组（P<0.001）、MI=0.19组（P=0.026），而与MI≥0.22的各组比较差异均无统计学意义（P>0.05，表1）。考虑到高MI值对微泡的破坏，MI将选择增强强度无明显差异的最低值，即在Gen模式下，MI=0.22可获得较好的造影成像效果。
图6 微泡增强持续时间与机械指数相关性分析散点图
表1 脉冲相位反转成像（Hres1模式）和振幅调制成像（Gen模式）不同机械指数下的增强强度变化（，dB）
造影模式 MI=0.16 MI=0.19 MI=0.22 MI=0.25 MI=0.27 MI=0.33 MI=0.4 MI=0.5 MI=0.7 F值 P值
Hres1模式 29.8±4.5a 32.5±2.6a 32.5±4.6a 35.8±3.4 33.9±3.8 34.7±4.0 34.9±4.5 34.4±4.6 31.7±9.2 4.9 <0.001
Gen模式 25.5±4.0b 27.3±3.6b 28.0±5.1 27.6±4.3 28.9±5.1 30.8±4.4 30.0±4.1 30.0±4.7 27.0±6.9 4.2 <0.001

注：Gen为振幅调制成像；Hres1为脉冲相位反转成像；MI为机械指数；Hres1模式下，与MI=0.25相比，aP<0.05；Gen模式下，与MI=0.33相比，bP<0.05（方差齐性检验P=0.006，两两比较采用Games-Howell检验）

讨论

影响CEUS成像效果的因素很多，如UCA剂量浓度、造影成像软件计算方式、发射声波频率、MI、增益、深度、动态范围、聚焦点位置等［5］。随着现代超声仪器智能化、自动化调节的发展，影响CEUS成像效果的主要因素为UCA剂量浓度、发射声波频率和MI等［6］。本研究使用体外模型，固定增益、深度、动态范围、聚焦点位置等参数，探讨Sonazoid®剂量浓度、造影模式和MI三大关键参数对CEUS成像效果的影响。该模型简便易行，便于在新型造影剂和造影新技术临床应用前快速了解不同造影参数对成像的影响。
UCA微泡产生的背向散射与超声回波信号的衰减相互关联，并都与UCA剂量浓度有关。在低剂量浓度下，背向散射强度随UCA剂量浓度的增加而增加；在高剂量浓度下，衰减起主要作用［5］。对健康受试者行肝脏CEUS发现增强强度随着UCA剂量浓度的增加而增加，但到达一定剂量浓度后增强强度开始衰减，TIC显示PI、平均渡越时间和曲线下面积随剂量浓度的增加而增大，但存在饱和现象［7］。随着UCA剂量浓度的增加，观察区域近场的微泡增多，其产生的声衰减将显著影响远场微泡的谐波信号，降低后方声场的造影效果［5］。UCA的理想剂量浓度是既兼顾了增强强度，又没有引起UCA的饱和及衰减。本研究中，中等剂量浓度（0.15 ml/L）的UCA能更好地平衡增强强度和衰减程度的关系。UCA经外周静脉注射后迅速通过肺循环进入人体血液循环。正常成年人的血液总量约相当于体重的8%，则0.15 ml/L按照体重换算相当于0.012 ml/kg，低于Sonazoid®药品说明推荐的剂量浓度（0.015 ml/kg）。因此，在满足临床需要的前提下，适当减少UCA剂量浓度，有可能获得更好的造影效果，并降低造影剂的不良反应［7-8］。
微泡在声场中与超声波相互作用，形成共振。振幅调制成像利用多个脉冲间的振幅关系提取微泡的非线性散射信息。该成像方法是先发射一个较低振幅的脉冲，用以估测扫描区的线性响应，然后发射一个较高振幅的脉冲，用以激发同一扫描区的非线性响应；在接收后，根据高低脉冲间的振幅比例将低幅回波信号从高幅回波信号中减去，以较彻底地消除组织的线性基波信号，显示微泡的非线性反应。脉冲相位反转成像则是利用多个脉冲间的相位关系提取微泡的非线性散射信息。该成像技术的核心为探头发射和接受两个宽频超声脉冲信号，第二个发射脉冲信号与第一个发射脉冲信号相反。组织在脉冲的正压期和负压期产生的组织基波信号由于相位相反，叠加为零而受到抑制；而微泡在脉冲的正负压期间产生很强的谐波信号，相位并非反向，信号叠加后得以保留和显示。本研究使用超声仪器的振幅调制成像造影中心频率为2~3.5 MHz，低频成像，信噪比高，穿透力好；脉冲相位反转造影中心频率为4.75~5.25 MHz，高频成像，分辨率高，增强强度亦高于振幅调制成像。而脉冲相位反转成像（Hres1模式）使用的帧频高于振幅调制成像（Gen模式）（13帧/s vs 10帧/s），这使得微泡破坏更多而更快消退。我们在临床应用中观察到，振幅调制成像的信噪比高，均衡性好，有利于观察肝内局灶性病变血管期的增强方式，而脉冲相位反转成像的分辨率高，更利于在血管后期筛查微小的肝转移瘤（与周围肝组织相比，肝转移瘤在血管后期表现为“黑洞样”低增强［1］）。
当声场声压由低到高变化时，微泡大小及其振动方式随之变化［5］，依次发出线性回波、非线性回波直至破裂［9］。与SonoVue®一样，Sonazoid®-CEUS也是提取UCA共振产生的非线性谐波信号。研究已证实Sonazoid®需要使用比SonoVue®更高的MI，这可能与其更高的微泡浓度和更稳定的外壳结构有关［2］。指南推荐Sonazoid®用于肝脏CEUS的MI为0.2~0.3［4］。一项体外实验发现，在大多数情况下，超声仪器默认的MI值设置是次优的，在临床实际应用中，有必要适当增加MI值以提高CEUS成像效果［10］。本研究亦获得类似的结论，振幅调制成像（Gen模式）较适宜的MI值为0.22，脉冲相位反转成像（Hres1模式）较适宜的MI值为0.25，均高于超声仪器默认设置的MI值（0.2），并且脉冲相位反转成像（Hres1模式）适宜的MI值高于振幅调制成像（Gen模式），这与两种造影模式发射声波的频率差异有关（5.25 MHz vs 2.5 MHz）。另有研究报道，与低MI（0.21~0.23）相比，使用高MI（0.7~1.2）造影模式在检测正常肝实质中的Sonazoid®微泡以及检测血管后期灌注缺损的肝细胞癌方面具有更高的敏感度［11］。但同时也应注意到过高的MI会加速微泡的破坏，缩短成像时间，并可导致微泡相关机械效应、热效应及生物学效应逐步加重［9， 12］。
本研究尚存在以下不足：研究使用的是体外模型，具有其固有的局限性，由于生物体的复杂性限制了体外模型实验结果在临床实际应用中的推广，具体的成像参数需要在临床实际应用中根据患者的检查条件、病灶的位置和灰阶超声特征等灵活选择和调节。由于体内不同组织声阻抗差异的影响，不同造影模式下不同深度的成像比较还有待进一步体内实验研究。
综上所述，Sonazoid®-CEUS的临床应用需考虑UCA剂量浓度、MI、造影模式等因素的影响。振幅调制成像与脉冲相位反转成像各有优势，可根据不同的临床应用场景灵活选择。本研究探讨体外模型Sonazoid®-CEUS成像效果最佳的UCA剂量浓度及MI值设置，或可为临床实际应用提供依据，以获得理想的成像效果。

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