Bestimmung des renalen Blutflusses in Makro- und Mikrozirkulation mittels Pulse Inversion Imaging

Zusammenfassung

Ziel: In der vorliegenden Studie sollte untersucht werden, ob Pulse Inversion Imaging (PI) bei hoher und niedriger Schallausgangsleistung die Analyse des renalen Blutflusses in Makro- und Mikrozirkulation erlaubt. Methoden: Die Ultraschallregistrierungen wurden an einem Nierenperfusionsphantom durchgeführt. Während kontinuierlicher Infusion (0,03 ml/min) des Ultraschallkontrastmittels Optison wurde, nach ultraschallinduzierter Zerstörung des Kontrastmittels, die Wiederanflutungskinetik (Negativ-Bolus-Kinetik) im intermittierenden PI bei hoher Schallausgangsleistung (MI: 1,3; durch Steigerung der Triggerintervalle) und im Real-Time PI bei niedriger Schallausgangsleistung (MI: 0,09) bestimmt. Der Fluss in der Nierenarterie wurde zwischen 15 und 65 ml/min variiert. Regions of Interest wurden in den größeren Gefäßen des Marks sowie in der kortikalen Mikrostrombahn platziert, um die Negativ-Bolus-Kinetik in der Makro- und Mikrostrombahn zu untersuchen. Mittels des mathematischen Modells y = A(1-e^-ßt) wurde ein nichtlineares Kurvenfitting durchgeführt, in dem Parameter A das Blutvolumen und Parameter β die Wiederanflutungsgeschwindigkeit beschreibt. Ergebnisse: Wiederanflutungskinetiken konnten in allen analysierten Nierensegmenten registriert werden. Sowohl im intermittierenden (Kortex: R = 0.97; Medulla: R = 0.98) als auch im Real-Time PI (Kortex: R = 0.99; Medulla: R = 0.96) bestand eine lineare Korrelation zwischen A × β und dem Fluss in der Nierenarterie. Schlussfolgerung: Kontrastverstärkte intermittierende und Real-Time PI-Technik erlaubt die Quantifizierung des Blutflusses in unterschiedlichen Gefäßkompartimenten der Niere.

Abstract

Purpose: To evaluate whether real-time and intermittent pulse inversion technology (PI) allows the analysis of blood flow in renal macro- and microcirculation. Materials and Methods: The experiments were performed in a kidney perfusion phantom as an experimental model for the assessment of contrast replenishment in vascular regions of high flow velocity (medulla) and low flow velocity (cortex). During continuous infusion (0.03 ml/min) of Optison, contrast replenishment kinetics were assessed with intermittent PI at high emission power (MI: 1.3, with increasing trigger intervals) and with real-time PI at low emission power (MI: 0.09) at variable renal arterial blood flow (15 - 65 ml/min), using an HDI-5000 ultrasound unit (Philips Medical Systems). Regions of interest were placed in the major arteries of the medulla and the renal cortex to obtain replenishment curves of the macro- and microcirculation. Non-linear curve fitting was performed using the mathematical model y = A (1-e^{-β t}) with A as the parameter describing blood volume and β as the parameter describing the speed of contrast replenishment. Results: Replenishment curves could be obtained in all analyzed renal segments. For intermittent and real-time PI a strong linear correlation was found between renal arterial blood flow and A*β (intermittent PI: cortex: R = 0.97; medulla: R = 0.98; real-time PI: cortex: R = 0.99; medulla: R = 0.96). The differences between the slopes of the regression lines (cortex: high power vs. low power, p = 0.844; medulla: high power vs. low power, p = 0.444) were not significant. Conclusion: Intermittent and real-time PI allows the assessment of renal blood flow in different vessel compartments.

Key words

Pulse inversion - renal blood flow - ultrasound contrast agent - ultrasound

Literatur

• 1 Agrawal D I, Sanjay M, Nanda N C, Trutta C, Agrawal G, Thakur A, Jamil F, Taylor G W, Becher H. Harmonic power Doppler contrast echocardiography preliminary experimental results.  Echocardiography. 1997;  14 (02) 631-635
• 2 Albrecht T, Blomley M J, Heckemann R A, Cosgrove D O, Jayaram V, Butler-Barnes J, Eckersley R J, Hoffmann C W, Bauer A. Stimulierte akustische Emission mit dem Ultraschall-Kontrastmittel Levovist: Ein klinisch nutzbarer Kontrasteffekt mit leberspezifischen Eigenschaften.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 (02) 61-67
• 3 Becher H, Tiemann K, Schlief R, Lüderitz B, Nanda N C. Harmonic power Doppler Echocardiography - preliminary clinical results.  Echocardiography. 1997;  14 (02) 637-642
• 4 Beissert M, Jenett M, Keberle M, Kessler C, Klein D, Beer M, Hahn D. Vergleich von Contrast Harmonic Imaging im B-Mode mit stimulierter akustischer Emission, konventionellem B-Mode US und Spiral-CT in der Detektion fokaler Leberläsionen.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 (02) 361-366
• 5 Bude R O, Rubin J M, Adler R S. Power versus conventional color Doppler sonography: comparison in the depiction of normal intrarenal vasculature.  Radiology. 1994;  192 (02) 777-780
• 6 Burns P N. Harmonic imaging with ultrasound contrast agents.  Clin Radiol. 1996;  51 (02) 50-55
• 7 Chang P H, Shung K K, Wu S, Levene H B. Second harmonic imaging and harmonic Doppler measurements with albunex.  IEEE Trans Ferroelect. 1995;  42 (02) 1020-1027
• 8 Schwarz K Q, Chen X, Steinmetz S, Phillips D. Harmonic imaging with Levovist.  J Am Soc Echocardiogr. 1997;  10 (02) 1-10
• 9 Skyba D M, Camarano G, Goodman N C, Price R J, Skalak T C, Kaul S. Hemodynamic characteristics, myocardial kinetics and microvascular rheology of FS-069, a second-generation echocardiographic contrast agent capable of producing myocardial opacification from a venous injection.  J Am Coll Cardiol. 1996;  28 (02) 1292-1300
• 10 Villanueva F S, Kaul S. Assessment of myocardial perfusion in coronary artery disease using myocardial contrast echocardiography.  Coron Artery Dis. 1995;  6 (02) 18-28
• 11 Wei K, Jayaweera A R, Firoozan S, Linka A, Skyba D M, Kaul S. Quantification of myocardial blood flow with ultrasound-induced destruction of microbubbles administered as a constant venous infusion.  Circulation. 1998;  97 (02) 473-483
• 12 Burns P N, Wilson S R, Simpson D H. Pulse inversion imaging of liver blood flow: improved method for characterizing focal masses with microbubble contrast.  Invest Radiol. 2000;  35 (02) 58-71
• 13 Hohmann J, Skrok J, Puls R, Albrecht T. Charakterisierung fokaler Leberläsionen mit kontrastmittelgestütztem “low MI real time” Ultraschall und SonoVue.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 (02) 835-843
• 14 Tiemann K, Lohmeier S, Kuntz S, Köster J, Pohl C, Burns P N, Porter T R, Nanda N C, Lüderitz B, Becher H. Real-time contrast echo assessment of myocardial perfusion at low emission power: first experimental and clinical results using Power Pulse Inversion Imaging.  Echocardiography. 1999;  16 (02) 799-809
• 15 Schlosser T, Pohl C, Goenechea J, Ehlgen A, Veltmann C, Lohmaier S, Köster J, Bimmel D, Kuntz-Hehner S, Becher H, Tiemann K. Feasibility of the flash-replenishment concept in renal tissue: Which parameters affect the assessment of the contrast replenishment?.  Ultrasound Med Biol. 2001;  27 (02) 937-944
• 16 Jadvar H, Strauss H W, Segall G M. SPECT and PET in the evaluation of coronary artery disease.  Radiographics. 1999;  19 (02) 915-926
• 17 Beanlands R. Positron emission tomography in cardiovascular disease.  Can J Cardiol. 1996;  12 (02) 875-883
• 18 Bentley M D, Lerman L O, Hoffman E A, Fiksen-Olsen M J, Ritman E L, Romero J C. Measurement of renal perfusion and blood flow with fast computed tomography.  Circ Res. 1994;  74 (02) 945-951
• 19 Mor-Avi V, Caiani E G, Collins K A, Korcarz C E, Bednarz J E, Lang R M. Combined assessment of myocardial perfusion and regional left ventricular function by analysis of contrast-enhanced power modulation images.  Circulation. 2001;  104 (02) 352-357
• 20 Murthy T H, Li P, Locvicchio E, Baisch C, Dairywala I, Armstrong W F, Vannan M. Real-time myocardial blood flow imaging in normal human beings with the use of myocardial contrast echocardiography.  J Am Soc Echocardiogr. 2001;  14 (02) 698-705
• 21 Villanueva F S, Gertz E W, Csikari M, Pulido G, Fisher D, Sklenar J. Detection of coronary artery stenosis with power Doppler imaging.  Circulation. 2001;  103 (02) 2624-2630
• 22 Tiemann K, Veltmann C, Ghanem A, Lohmaier S, Bruce M, Kuntz-Hehner S, Pohl C, Ehlgen A, Schlosser T, Omran H, Becher H. The impact of emission power on the destruction of echo contrast agents and on the origin of tissue harmonic signals using power pulse-inversion imaging.  Ultrasound Med Biol. 2001;  27 (02) 1525-1533
• 23 Podell S, Burrascano C, Gaal M, Golec B, Maniquis J, Mehlhaff P. Physical and biochemical stability of Optison, an injectable ultrasound contrast agent.  Biotechnol Appl Biochem. 1999;  30 (02) 213-223
• 24 Harvey C, Lynch M, Blomley M, Cosgrove D, Warrens A. Quantification of real time perfusion with the microbubble Optison using PPI mode in renal transplants.  Eur Radiol. 2001;  11 103