Renal Blood Flow Quantification in Pigs Using Contrast-Enhanced Ultrasound: An Ex Vivo Study

Zusammenfassung

Ziel: Ziel der Studie war die Bewertung einer neuen Methode zur Quantifizierung des renalen Blutflusses mittels kontrastverstärktem Ultraschall (CEUS) in einem Ex-vivo-Schweinenierenmodell. Material und Methoden: Nach Genehmigung durch die entsprechende Ethikkommission wurden 4 Schweinenieren explantiert und mit Celsior® Liquid (Imtix Sangstat, Lyon, Frankreich) mit verschiedenen Flussraten (30, 50, 70 and 90 ml/min) in einem Ex-vivo-Phantom perfundiert. 50 %ige SonoVue® Lösung (Bracco, Mailland, Italien) wurde mit einer Rate von 0,5 ml/min in die Arterie infundiert. CEUS wurde mit einem Aplio Gerät (Toshiba, Nasu, Japan) mit Breitbandlinearsonde und gepulster Subtraktionstechnik durchgeführt. Insgesamt wurden 152 Destruktion-Reperfusionssequenzen aufgezeichnet und für die weitere Auswertung gespeichert. Drei verschiedene ROIs wurden in den Bereich des anterioren bzw. posterioren renalen Kortex und die Segmentarterie gesetzt. Die Messung der Signalintensität erfolgte in linearen Einheiten und Perfusionsparameter wurden automatisch mit einer geeigneten Software extrahiert. Kurvenglättung erfolgte anhand einer monoexponenzialen Funktion, in die ein zeitlicher Verzögerungsfaktor inkorporiert war. Dies erlaubte die Messung des lokalen Blutflusses innerhalb der jeweiligen ROI (als „kontrastverstärkter Blutfluss” (CEBF) bezeichnet). Die mittlere arterielle Signalintensität wurde aus 10 Einzelbildern, die vor der Destruktionsphase aufgenommen wurden, gemittelt. Der normalisierte CEBF (nCEBF) wurde als Ratio aus CEBF und der mittleren arteriellen Signalintensität errechnet. CEBF und nCEBF wurden mit dem realen Blutfluss entsprechend der Flussrate der Pumpe verglichen. Ergebnisse: Der CEBF korrelierte mit dem realen Blutfluss nur in der posterioren kortikalen ROI (R² = 0,45, p = 0,05). Die Normalisierung mithilfe arterieller Signale verbesserte die CEBF Korrelation zum echten Blutfluss: nCEBF war mit dem realen Blutfluss in allen ROIs positiv korreliert (R² = 0,94, p < 0,0001) und die Korrelation erhöhte sich sowohl in der anterioren als auch in der posterioren kortikalen ROI (R² = 0, 93, p = 0,0004; und R ² = 0, 90, p = 0,0005). Trotzdem zeigte sich ein signifikanter nierenabhängiger Effekt in der anterioren kortikalen ROI (p = 0,0003), nicht aber in der posterioren kortikalen ROI (p = 0,087). Schlussfolgerung: Die Normalisierung mittels arterieller Signale erhöhte die Messgenauigkeit des mit CEUS gemessenen Blutflusses signifikant.

Abstract

Purpose: The aim of the study was to evaluate a new method for the quantification of renal blood flow using contrast-enhanced ultrasound (CEUS) in an ex vivo pig kidney model. Material and Methods: After approval by the animal ethics committee, 4 pig kidneys were explanted and perfused with Celsior® liquid (Imtix Sangstat, Lyon, France) at different flow rates (30, 50, 70 and 90 ml/min) in an ex vivo phantom. A 50 % diluted solution of SonoVue® (Bracco, Milano, Italy) was infused in the artery at 0.5 ml/min. CEUS was performed with an Aplio system (Toshiba, Nasu, Japan) using a broadband linear transducer and pulse subtraction imaging. A total of 152 destruction-reperfusion sequences were acquired and cine loops were digitally stored for further quantification. Three different ROIs were placed upon the anterior, posterior cortex and segmental artery. Signal intensity measurements were performed in linear units and perfusion parameters were automatically extracted using dedicated software. Curve fitting was performed using a monoexponential model in which a time delay parameter was introduced. This fit allowed the assessment of the local blood flow into the region of interest (called ”contrast-enhanced blood flow” (CEBF)). The artery mean signal intensity was averaged from the ten frames prior to the destruction phase. The normalized CEBF (nCEBF) was calculated as the ratio between CEBF and the mean arterial signal intensity. The CEBF and nCEBF were compared to the true blood flow indicated by the pump flow rate. Results: The CEBF was correlated to the true blood flow only for the posterior cortical ROI (R^{2 =} 0.45, p = 0.05). The normalization using arterial signals improved CEBF correlation to true blood flow: nCEBF became correlated to the true blood flow when considering all ROIs (R² = 0.94, p < 0.0001) and correlation was improved for both anterior and posterior cortical ROIs (R² = 0, 93, p = 0.0004; R ² = 0, 90, p = 0.0005, respectively). However, a significant kidney-dependent effect was observed for the anterior cortical ROI (p = 0.017) but not for the posterior cortical ROI (p = 0.89). Conclusion: Normalization using arterial signals significantly improved the estimation of blood flow calculated with CEUS.

Key words

ultrasound - animal investigations - microbubbles

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