人体肾结石上存在微泡的证据

Ultrasound Med Biol. Author manuscript; available in PMC 2021 Jul 1.

Published in final edited form as:

Ultrasound Med Biol. 2020 Jul; 46(7): 1802–1807.

Published online 2020 Apr 1. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2020.02.010

PMCID: PMC7293935

NIHMSID: NIHMS1568700

PMID: 32245546

Evidence of microbubbles on kidney stones in humans

Julianna C. Simon,1,2 James R. Holm,3 Jeffrey Thiel,1 Barbrina Dunmire,1 Bryan W. Cunitz,1 and Michael R. Bailey1

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人体肾结石上存在微泡的证据

彩色多普勒超声闪烁伪影已被证明可以提高超声对肾结石的检测；然而，它只出现在约 60% 的结石上。来自离体的证据肾结石表明闪烁是由稳定在结石表面缝隙中的微泡引起的。然而，尚不清楚这些气泡是否存在于人类的结石。在这里，我们使用研究超声系统来量化高压舱中患有肾结石的人体的闪烁。8 名患有非阻塞性肾结石的受试者在空气中暴露于 4 个绝对大气压 (ATA) 的最大压力下，但在 1.6 ATA 的 10 分钟暂停期间以及当受试者压力降至 1 ATA 时除外。使用配对单向t检验比较每个压力暂停时的平均闪烁功率与基线闪烁，其中p<0.05 被认为是显着的。结果显示，在 7 名受试者中，暴露于 3 和 4 ATA 压力分别显着降低闪烁功率平均 35% 和 39% (p=0.04)；第八名受试者的数据因损坏而被排除在外。这项研究支持了人体肾结石上存在微泡的理论。

关键词：高压，彩色多普勒超声，闪烁伪影，肾结石，缝隙微泡

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介绍

肾结石影响 11 个美国人中的 1 个，并且患病率正在上升（Scales et al. 2012）。X 射线计算机断层扫描 (CT) 是肾结石检测的金标准，因为它具有高灵敏度和特异性，但会使患者暴露于电离辐射。超声波也用于检测结石，但报告的敏感性和特异性低于 CT 并且差异很大（Fowler 等人 2002；Medina 等人 2010；Ray 等人 2010；Smith-Bindman 等人 2014；Ulusan 等人. 2007 ). 彩色多普勒超声闪烁伪影（闪烁）突出显示颜色迅速变化的肾结石，已被证明可以改善超声检查结石的能力（迪尔曼等人。2011；李等人。2001；米特伯格等人。2009 年；拉赫穆尼等人。1996；索伦森等人。2013 年；温克尔等人。2012；伍德和城市 2019 年）。尽管努力优化闪烁以检测肾结石，但只有大约 60% 的结石显示出闪烁伪影（Aytac 和 Hasan 1999；Dillman 等人 2011；Gromov 和 Zykin 2002；Kielar 等人 2012；Korkmaz 等人 2014；Lee等人 2001 年；Masch 等人 2016 年；公园等人。2008 年；索伦森等人。2013 年；图林等人。2007 年；温克尔等人。2012 年）。这激发了对闪烁病因学的研究，假设范围从机器设置和相位抖动到声学现象，例如粗糙表面的反向散射（Alan 等人 2011；Aytac 和 Hasan 1999；Chelfuh 等人 1998；Gao 等人。2012；Kamaya和 Rubin 2003；Rahmouni 等人 1996；Rubaltelli 等人 2000；Shang 等人 2017；Shivaprasad 等人 2016；Tanabe 等人 2014 )。体外证据支持气泡导致这种闪烁伪影的理论，因为闪烁被升高的静水压力抑制（Lu et al. 2013 ; Simon et al. 2018）。这项研究通过在高压舱内对人体进行超声成像，调查了这些气泡是否存在于人体原位结石上。

最近，假设肾结石表面的裂缝中存在稳定的微米级和更小的气泡，可能会导致闪烁（Lu et al. 2013 ; Simon et al. 2018）。假设是气泡是可压缩的，并且会响应超声脉冲而振荡，使得来自下一个脉冲的反向散射不同，从而导致随机彩色多普勒响应（闪烁）。由于结石周围的气泡在 B 型超声上不“可见”，因此预计它们小于一微米。为了检验这一理论，Lu 等人表明暴露于 128 个大气压（约 13 MPa）的固定压力增加可消除离体闪烁当压力恢复到环境水平时，人类肾结石和闪烁恢复（Lu et al. 2013）。西蒙等人然后表明，显着降低或消除离体结石的闪烁功率（定义为多普勒功率或多普勒信号的幅度，与闪烁信号相关）的高压阈值是可变的，范围为 3-100 ATA（Simon 等人. 2018 年）。根据气泡的大小和/或数量等因素，可能需要或多或少的压力来完全消除信号。或者，当使用高振幅稀疏（或负）声脉冲在石头上生长可见气泡时，可以增强闪烁功率（Simon et al. 2018）。闪烁的能量会随着手术植入结石的猪所激发的气体浓度而变化，这一事实可能进一步支持气泡是肾结石闪烁的来源（Simon et al. 2018）。然而，在所有离体研究中，通过将它们从身体中取出，石头都暴露在空气中。目前尚不清楚是什么原因导致患者的结石闪烁。

八名患有非阻塞性肾结石的人类受试者被暴露在两次高压暴露中，间隔至少 24 小时。第一次曝光是为了看看受试者是否可以忍受这种曝光，而随后的曝光包括在房间里的一名有资格的超声医师持续监测闪烁功率（图。1）。使用研究超声系统，因为它允许定制多普勒发射合奏和收集原始数据以量化闪烁功率。受试者和超声医师接受了如图所示的压力曲线图 2呼吸空气时，除了在 1.6 ATA 的 10 分钟暂停期间，当他们呼吸纯氧时压力降至 1 ATA，以尽量减少减压病的风险。在测试压力范围内比较受试者的平均多普勒功率。

图1。 人体高压研究实验安排。

超声医师与超声换能器和受试者在高压舱内，并通过舱壁上的窗口观察超声图像。由于腔室内的电子设备存在火灾风险，超声系统仍留在腔室外。超声医师和研究人员通过耳机进行交流。同时记录超声图像和压力表的视频。

图 2。 理想高压曲线图。

在增加压力之前记录了大约 5 分钟的基线闪烁。在大约 20 分钟内将腔室中的压力增加到最大 4 ATA，并根据需要暂停，以使受试者平衡他或她的中耳的压力。3 ATA 和 4 ATA 的压力暂停分别约为 3 分钟。压力在大约 20 分钟内下降，包括在 1.6 ATA 时暂停 10 分钟，此时受试者呼吸纯氧（灰色阴影）直到压力恢复到 1 ATA。当受试者呼吸空气时，房间恢复到 1 ATA 后，又记录了大约 5 分钟的闪烁。

材料和方法

这项研究得到了弗吉尼亚梅森医学中心机构审查委员会的批准，并按照相关指南和规定进行。招募了九名患有已知肾结石的人类受试者参加这项研究，其中八人完成了研究。作为筛选过程的一部分，受试者被超声成像以确认彩色多普勒超声闪烁伪影（闪烁）的存在。受试者还填写了一份简短的病史问卷，并由高压医学医师进行了体检，以排除任何可能增加参与研究的不良副作用风险的药物或先前存在的疾病。在获得知情同意后，受试者进行了高压练习，他们暴露在与实际研究计划相同的压力分布下，但没有超声成像。在练习高压暴露后至少 24 小时，受试者接受了第二次高压研究暴露，其中经过认证的超声医师在腔内压力发生变化时用超声波对肾结石进行成像。

两次高压暴露都是在 10 分钟内快速增加 3 个绝对大气压 (ATA) 的气压开始的（其中 1 个 ATA 等于正常大气压）。随后是大约 3 分钟的暂停以监测稳定压力下的闪烁，然后在 5 分钟内将腔室压力进一步增加到 4 ATA。受试者可以随时请求暂停增加压力，以帮助平衡中耳压力；然而，高压协议要求在加压开始后 25 分钟内开始降低腔室压力。然后在 5 分钟内将腔室压力降至 1.6 ATA，此时，受试者和房间内的其他人员通过面罩给予 100% 氧气 10 分钟，以降低减压病的风险（保持在美国海军表无减压限制范围内）。随着室内压力降低至大气压（1 ATA），受试者继续呼吸氧气 5 分钟。

研究超声系统（V-1 型，Verasonics，Inc.，Kirkland，WA，USA）和成像换能器（P4-2，Philips Ultrasound，由 Ultra Solutions，Ontario，CA 翻新）用于监测闪烁。使用 9 脉冲多普勒合奏，其中每个脉冲由 2.5 MHz 的 3 个周期组成，声压为 2 MPa 正峰值和 1.5 MPa 负峰值（在水中）。由于本研究的结石深度介于 5 到 9 cm 之间，因此这些对应于 0.9–1.3 MPa 正峰值和 0.7–1 MPa 负峰值的降额压力（使用 FDA 标准衰减因子 0.3 dB/cm/MHz）。超声系统位于腔室外部（因为有火灾的危险），换能器线穿过腔室外壳以使换能器位于腔室内。超声医师能够通过腔室侧面的窗口查看超声监视器。高压人员、超声医师和超声研究人员通过耳机连接，以传达超声成像设置所需的任何变化或室内压力变化的暂停。用超声波扫描受试者，直到使用标准成像技术定位肾结石。定位后，要求超声医师在整个呼吸周期和整个研究期间将结石保持在视野中。受试者的肾结石成像 3-5 分钟，然后增加腔室中的压力以建立基线闪烁水平。随着腔室压力的增加和减少，结石的成像继续进行。回到大气压（1 ATA）后，

实时成像速率为 15 帧/秒，但同相和正交相位 (IQ) 多普勒数据以每秒 1 帧的速度从超声系统中保存，选择的捕获速率不会降低显示速率，同时获得足够的数据. 多普勒功率用于量化保存的 IQ 多普勒数据中的闪烁水平，该数据记录多普勒信号的实部和虚部，从中可以提取幅度（即多普勒功率）或相位（即多普勒速度） . 还为每个受试者记录了超声图像、腔室内温度和腔室内压力的视频。IQ 数据经过二次过滤并以图像格式显示。然后，等人（西蒙等人 2017）。选择 ROI 的大小以完全包含石头（有一些背景）并且对于所有受试者都是相同的。多普勒信号的功率在包含石头的 ROI 上求和；来自不包括石头的两个背景 ROI 的多普勒功率被平均并从石头 ROI 中减去，以产生闪烁功率的帧到帧图。通过减去背景多普勒信号，受试者变异性降低。由于受试者和超声检查者的移动使得在整个研究过程中难以将结石保持在视野中，因此当结石连续 10 秒以上离开视野时（通过通过超声图像的视频）被删除。异常值，或来自超声检查者或受试者突然运动的运动伪影导致间歇性，超过平均基线闪烁功率 10 倍且不受结石位置限制的高多普勒功率大闪烁也被排除在分析之外。一名受试者被排除在分析之外，因为 IQ 和视频数据自始至终都被伪影破坏且难以辨认。

平均闪烁功率，（定义为石头上的多普勒功率的平均值减去平均背景多普勒功率）是在压力增加之前（即基线）计算每个受试者的，并且在 3 ATA，4 ATA、1.6 ATA，以及在返回 1 ATA 时。使用配对单向学生t检验（Microsoft Excel，Redmond，WA，USA）将每次压力暂停时的平均闪烁功率与基线功率进行比较，p值小于 0.05 被认为是显着的。每次暂停的时间因受试者而异，这在分析中没有解释。本研究中收集的去识别化数据将根据通讯作者的要求共享。

结果

汇总来自 7 名受试者的数据（来自第 8 名的数据在整个过程中被伪影破坏且难以辨认），我们发现与基线相比，3 ATA 和 4 ATA 的闪烁功率显着降低（图 3）。当压力降低到 1.6 ATA 时，受试者暴露在纯氧中时，与基线相比，闪烁功率平均增加了 12%，这没有统计学意义。回到大气压后，闪烁功率与基线没有统计学差异。这些结果提供了第一个证据，表明稳定的微泡可能存在于人体原位肾结石上，这是通过彩色多普勒超声闪烁伪影间接检测到的。

图 3 7 名受试者的标准化、平均闪烁功率总结：

使用配对的单向学生 t 检验，发现闪烁功率与 3 ATA 和 4 ATA 的基线相比显着降低，如星号所示（两者的p = 0.04）。当压力降低到 1.6 ATA 并且受试者呼吸纯氧时，闪烁功率增加，但没有统计学意义。回到 1 ATA 后，与基线相比，闪烁略有减少，但没有统计学意义（p= 0.07)。归一化闪烁功率上的误差条显示加/减一个标准偏差。底部的四个成像面板显示每个压力点的超声图像闪烁的一帧。图像中的石头是白色的，闪烁的是机器添加到石头上的颜色波动马赛克，使石头很容易识别。在 3 ATA 和 4 ATA 压力下，中间两幅图像的色斑大小和亮度（即在减小的动态范围内显示的闪烁功率）比外侧两幅图像基线要小。

讨论

这项研究有几个局限性。样本量小；然而，来自所有受试者的大量数据和 7 名受试者中有 6 名显示出压力闪烁能力显着下降，只有 1 名受试者显示压力闪烁能力略有增加。大型数据集还提供了从超声检查者和受试者的运动引入的闪烁功率变化的一些平均值。作为压力变化的直接后果，高压舱中的温度从 56°F 变为 110°F。目前尚不清楚温度对闪烁的影响，但我们预计体内石头的温度没有变化。当压力恢复到基线时，尚不清楚呼吸氧气如何影响闪烁功率。这里，在受试者以 1.6 ATA 呼吸氧气时和受试者在压力进一步降低到环境条件后呼吸空气时，闪烁功率没有统计学上的变化。在改变呼吸气体之前测量闪烁功率和压力之间的显着影响。

虽然尚不清楚气泡是如何在结石上或结石中产生的，但这些结果支持微米级或更小的气泡可能存在于人体内的肾结石上或肾结石内。此处施加的声压低于导致微米级气泡惯性空化所需的 Blake 阈值，因此，大多数气泡保留在结石上，随着静水压力的变化而大小和振荡幅度发生变化。稳定的缝隙气泡理论也与先前的数据一致，这些数据表明石头的表面粗糙度与闪烁的存在之间存在相关性，因为更粗糙的表面会为气泡的形成提供更多的缝隙（Rahmouni 等人 1996；Chelfouh 等人1998 年；卡玛亚和鲁宾 2003 年；艾伦等人。2011；西蒙等人。2018 年）。除了这些结果的基本生物学意义之外，肾结石上存在稳定气泡的证据可以通过闪烁或新型成像技术优化肾结石检测，并成为肾结石治疗的天然目标。此外，闪烁可以在身体的其他部位发现，包括一些动脉粥样硬化斑块 ( Campbell et al. 2004 )、乳房微钙化 ( Tsujimoto 2014 ) 和胆结石 ( Kim et al. 2010 ))，提出了关于这些地点是否存在稳定微泡的问题，如果存在，这些气泡是否有助于改进诊断和干预措施的发展。特定的超声成像协议已经调整为对血液中注入的微泡造影剂进行成像，也可以在这些部位检测天然存在的微泡。已知在冲击波碎石术期间尿液中会出现气泡，即使没有结石存在 ( Bailey et al. 2005) 以及由于快速减压而在血管和关节中的作用，但长期以来，关于身体如何为这些气泡生成或稳定细胞核一直是一个研究课题。一种理论是，小到足以通过肺部进入血液的微尘或天然微观颗粒可以支持裂缝内的稳定气泡（Leighton 1994），类似于肾结石的理论。虽然这项研究的结果直接适用于肾结石，但在改进诊断和治疗的发展潜力以及证明人体内可以存在稳定气泡的基础科学方面，其意义是深远的。

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