Изобразяване на вибрационната енергия в дихателните пътища (VRI) – нов метод за количествено определяне на функциониращ белодробен паренхим

С успехите в диагностиката и терапията, торакалната медицина на ХХI век е изправена пред проблема на увеличаваща се популация от възрастни пациенти с множество придружаващи заболявания, с повишен риск от следоперативни усложнения и смъртност. Белодробният карцином е водеща причина за ракова смъртност в Европа¹. Справянето с това предизвикателство може да бъде постигнато единствено с оптимизиране на алгоритмите за клинично поведение. Съществуващите в момента подходи, предложени от American College of Chest Physicians (ACCP)², British Thoracic Society (BTS)³ и European Respiratory Society (ERS)/(ЕSTS) European Society of Thoracic Surgeons⁴, прилагат стъпаловиден подход за функционална оценка и най-общо се базират на една FEV₁-центрирана, D_L,CO-потвърдена и VO₂max прецизирана оценка на кандидатите за белодробна резекция^2,3. Важно е да се подчертае, че тези алгоритми за предоперативна оценка не са валидирани, не са сравнявани един с друг или с други съществуващи алгоритми^5-8.

Изчисляването на предвидените постоперативни стойности (PPO) на форсирания експираторен обем за 1 сек. (FEV₁), дифузионния капацитет (D_L,CO) и кислородната консумация (VO₂max) е основен елемент от алгоритмите за предоперативна оценка на пациентите, подлежащи на белодробна резекция. РРО стойностите се изчисляват по следната типова формула:

РРО стойност = предоперативната стойност х
(1 – отстранен белодробен паренхим)^6,9-11.

Съществуващите в момента алгоритми не определят абсолютни индикации за безопасност или прекомерен риск. Ето защо е необходимо да се наблегне на цялостната функционална обработка на пациентите, предвидени за екстензивна торакална интервенция, като се започне от щателно определяне на изходните функционални параметри.

Форсиран експираторен обем за 1 сек (FEV₁)

Изследването на FEV₁ е най-често използваният тест за оценка на риска при пациенти с рак на белия дроб, показани за оперативно лечение. Той дълго време самостоятелно е бил определящият операбилносттa параметър^12,13. За целта FEV₁ може да бъде използван както в абсолютни стойности така, и в проценти от предвидените нормални стойности. Измерването в абсолютни стойности обаче крие риск от отказ на оперативно лечение на възрастни, пациенти с по-нисък ръст и жени, които биха могли да понесат и по-ниски нива на постоперативна белодробна функция. Въпреки основната му роля, в литературата се разкриха и ограниченията на FEV₁ и то до степен на неправилно изключване от хиругрично лечение на пациенти с очевидно гранична пулмонална функция¹⁴ и до неговата невъзможност достоверно да се свърже с крайния хирургичен резултат. Това наложи въвеждането и приемането на допълнителен параметър – дифузионен капацитет на белия дроб за въглероден окис (D_L,CO).

Дифузионен капацитет (D_L,CO)

D_L,CO е предиктор на постоперативните усложнения, включително смърт, продължителност на болничния престой и цена на болничното лечение^15-17. Интересът към дифузионния капацитет като полезен маркер за оперативния риск беше стимулиран от изследването на Ferguson et al¹⁶, който отнесе предоперативния D_L,CO към следоперативните усложнения и смъртност при 237 пациенти. Пациентите са оценявани предоперативно на базата на клинична преценка и спирометрия, но не и според D_L,CO, който също е бил измерван. Авторите установяват, че D_L,CO, изразен в проценти от предвиденото, има по-висока корелация със следоперативната смъртност, отколкото FEV₁%pred  или другите изследвани показатели.

Данните от спирометрията и измерването на D_L,CO трябва да се разглеждат като допълващи се физиологични тестове. Изследвания в последните години показват, че дифузионният капацитет е много важен при предвиждане на постоперативните усложнения, дори и при нормално FEV₁ (80% от предвиденото) и без ХОББ (FEV₁/FVC≥0.7)^{18, 19}. Brunelli установява, че 43% от пациентите с FEV₁ над 80% от предвиденото имат D_L,CO под 80%¹⁷.

Тези изследвания показват, че дифузионния капацитет е силен предиктор на постоперативни усложнения при пациентите, независимо от наличието на ХОББ. D_L,CO трябва да се измерва рутинно по време на предоперативната оценка на пациентите, насочени за белодробна резекция, независимо от нормалните спирометрични показатели, както е препоръчано в алгоритъма на ERS/ESTS⁴ .

Максимална кислородна консумация (VO₂ max)

Следващата стъпка за вземане на решението за операбилността на пациентите с белодробен карцином е изследването на VO₂max и/или на неговите РРО стойности. Функционалният капацитет (VO₂max) по време на симптом лимитиран тест с натоварване, е признат предиктор за постоперативни усложнения, включително ранна и късна смъртност^20-29. Метаанализ на съществуващите проучвания показва, че пациентите без усложнения имат сигнификантно по-високи нива на VO₂max (със средно 3 ml/kg/min или съответно 8%)³⁰ .

За коректно изчисляване на предвидените постоперативни стойности (РРО) на разгледаните функционални параметри, трябва да има механизъм за надеждно предвиждане на функциониращия белодробен паренхим. Все още, обаче, липсва консенсус за най-подходящия метод за количествено определяне на функциониращия белодробен паренхим.

Методи за количествено определяне на белодробния паренхим

До момента съществуваха само четири утвърдени начина за оценка на относителния функционален дял на белодробния паренхим, подлежащ на резекция (и по този начин за калкулиране на PPO стойности):

• Анатомична калкулация

Анатомичната калкулация на РРО стойности е най-старата до момента техника за предвиждане на регионалната белодробна функция. През 1932 г. Jacobaeus et al.³¹ са първите, които опитват, чрез въвеждането на бронхоспирометрията, да анализират функционално левия и десния бял дроб по отделно. Методът търпи много подобрения до 1970 година, след което е изоставен за сметка на сцинтиграфските методи¹¹. Интересът към анатомичната калкулация се завръща в средата на деветдесетте и е трайно възстановен като приемлив предиктор на пострезекционната функция^32-34. Тези калкулации могат да бъдат базирани на броя на сегментите, които ще бъдат отстранени^32,33, или по същия начин на броя на субсегментите³⁵. Допълнително уточняване може да се получи при разграничаване на обтурирани и необтурирани сегменти, като изключените сегменти не се калкулират^34,35. Анатомичната калкулация е по-малко точна за предвиждане на РРО функция след пулмонектомия (r = 0.47–0.59 за FEV1) отколкото за лобектомия (r = 0.87–0.89 за FEV₁). Пациентите, нуждаещи се от по-прецизна оценка, трябва да се изследват с една от следващите техники.

• Радионуклидно перфузионно сканиране

Историята на радионуклидното перфузионно сканиране започва през петдесетте години на XX век с първото описание на радиоспирометрията за регионален анализ на вентилацията³⁶. През 1972, Kristersson et al.³⁷ използват ¹³³Xe за точно предвиждане на функционалната загуба след пулмонектомия и лобектомия. В основополагащо изследване 1974 г. Olsen et al.³⁸ показват точно предвиждане на функционалната загуба на FEV₁ три месеца след пулмонектомия, като използват разделно перфузионно сканиране с ⁹⁹Tc макроагрегат. Много автори в последствие потвърждават приложимостта на перфузионното сканиране за оценяване на вентилаторната функция. Радионуклидното перфузионно сканиране в момента е златен стандарт за предвиждане на постоперативната белодробна функция. Изследване на Bolliger et al.³⁴ показва висока корелация на предвидените и измерените постоперативно показатели за FEV₁ (r = 0.92), FVC (r = 0.90), D_L,CO (r = 0.85) и VO₂max (r = 0.85). Това изследване показва по-добра корелация на данните в сравнение с другите техники, независимо от обема на резекцията и степента на ХОББ³⁴. Beccaria et al.³³ установяват подобни отношения между предвидените и измерените показатели. Предвижданията на постоперативната белодробна функция са по-добри за лобектомия в дясно, отколкото в ляво. Методът системно подценява постоперативния FEV₁, особено когато предоперативните стойности са ниски³⁹.

• Белодробното количествено СТ сканиране

Белодробното количествено СТ сканиране се превърна в изключително популярен метод, благодарение на неговата висока информативност и факта, че повечето пациенти, насочени за белодробна резекция, имат предоперативна СТ на гръден кош. В началото на деветдесетте години на ХХ век Wu et al.⁴⁰въведоха, а по-късно усъвършенстваха тази методика вследствие техническото развитие на компютърната томография⁴¹. Извършва се мултидетекторна компютърна томография без използване на контрастно вещество, дебелина на среза и стъпка 10 мм при пълна инспирация. С използването на стандартен софтуеър в режим на 3D реконструкция се измерва общият функционален белодробен обем (TFLV) (Фиг. 1). По същия начин се измерва и обемът на паренхима, който ще бъде отстранен – регионален функционален белодробен обем (RFLV). Предвидената постоперативна функция, базирана на СТ, корелира добре със следоперативните измервания. Wu et al.⁴⁰ установяват статистически значима корелация с постоперативните стойности РРО FEV₁ (r = 0.93) и РРО FVC (r = 0.86), независимо от обема на резекцията. Това се потвърждава и от изследванията на други автори^34,41,42. При сравняване на различните методи за оценка на регионалната функция Yoshimoto et al. не установяват разлика в точността за предвиждане на РРО функция между СТ и перфузионната сцинтиграфия, като двата метода сигнификантно превъзхождат субсегментния метод⁴³. Bolliger et al.³⁴ и Wu et al.⁴¹ също показаха, че предвижданията на постоперативните FEV₁ и FVC на базата на количествен СТ са съпоставими с радионуклидното изследване. В допълнение и двете изследвания установяват, че СТ е по-точна в предвиждане на функционалната загуба след лобектомия (r=0.90), отколкото при пулмонектомия (r=0.88).

Фиг. 1. Количествен СТ при пациент с централен белодробен карцином вдясно. Областта, изобразена в зелено, показва белодробен паренхим с плътност -900 и -500 HU. а) сагитален срез; b) фронтален срез; c) аксиален срез; d) 3D образ след виртуална лобектомия (по Yoshimoto et al.43)

• Динамичен перфузионен MRI

Триизмерният динамичен перфузионен MRI е метод с добре изяснени възможности за оценка на регионалната белодробна перфузия при животински модели, здрави доброволци и пациенти със съдови заболявания на белия дроб^42,44-48.

До скоро съществуваха само две проучвания, оценяващи ролята на тази технология, за оценка на постоперативната белодробна функция. През 2007 г. Ohno et al. публикуваха голямо проспективно изследване, което утвърди динамичния перфузионен MRI като точен предик­тор на пострезекционните спирометрични показатели. Изследването на Ohno et al.⁴⁴ е едно от най-големите в полето на предвидената следоперативна белодробна функция. Те сравняват възможностите на динамичния перфузионен MRI да предвижда постоперативния FEV₁ с тези на CT и перфузионната сцинтиграфия. Действителният постоперативен FEV₁ е имал по-силна корелация с РРО FEV₁, предвидени с перфузионен MRI (r=0.87) и количествен CT (r=0.88), отколкото с постоперативния FEV₁, получен с перфузионната сцинтиграфия (r=0.83). Авторите на изследването правят заключението, че динамичният перфузионен MRI е бил по-точен в предвиждането на постоперативната белодробна функция от перфузионната сцинтиграфия и вероятно толкова точен, колкото количественото СТ сканиране.

В края на 1990-те години бе описан нов метод за оценка на регионалната белодробна функция. Изобразяване на вибрационната енергия  в дихателните пътища (Vibration Response Imaging – VRI) показа предварителни резултати, които корелират с регионалната вентилация (r=0.70) и перфузия (r=0.65), сравнени със стандартните перфузионно и вентилаторно радионуклидно сканиране. Валидирането на тази техника с проспективни проучвания може да я направи привлекателна алтернатива поради нейната неинвазивност, лесно изпълнение и ниска цена. Няколко проучвания в последните години показват възможностите на този метод за точно предвиждане на постоперативния FEV₁.

Изобразяване на вибрационната енергия в дихателните пътища (VRI)

В основата на метода за изобразяване на вибрационната енергия стоят физични феномени на разпостранение на звука в разнородна среда. За да създаде актуален образ на белия дроб, VRI системата записва енергията, генерирана от вибрациите по време както на инспираторната, така и на ескпираторната фаза на дихателния цикъл. Когато въздухът в големите и средни дихателни пътища достигне критична скорост, той причинява  турболенция⁴⁹. Предизвиканите вибрации се влияят от структурните и функционални характеристики на белия дроб и се различават по честота, интензитет, място и време. Получената от турболенцията и вибрациите звукова енергия се предава по гръдната стена до кожата^49,50.

VRI системата изгражда функционален образ на белия дроб, като записва енергията по време на дихателния цикъл. Вибрациите се улавят от пиезоелектрични сензори. Сигналите от сензорите се пренасят до компютърно устройство и се обработват със специален софтуер (Фиг. 2). Регистрираната енергия първоначално се записва като аналогов сигнал, който впоследствие претърпява аналогово-цифрово преобразуване. След това специален алгоритъм го подава към честотно ограничаващ филтър (100-250 Hz), който изрязва шумове с по-голяма или по-малка честота (сърце, мускули).

Фиг. 2. Принцип на работа на VRI система

Фиг. 3. Регистриращата част (две матрици пиезоелектрични сензори) на апарата се прикрепва чрез вакуум към гърба на пациента

Четиридесет активни пиезоелектлични контактни сензора с честотен диапазон 50-400 Hz са подредени в две колони и са прикрепени на гърба от двете страни на гръбначния стълб (Фиг. 3). Те регистрират и записват вибрационната енергия по време на 12 секунден период на спокойно дишане. Лявата и дясна матрица от сензори е закрепена за гърба чрез силиконови чашки посредством компютърно контролиран нискостепенен вакуум. По този начин се осигурява постъпване на сигналите от всички белодробни сегменти с характеристика на вибрациите от областта, намираща се непосредствено под тях (Фиг. 4).

Тези характеристики са: интензитет, локализация и времетраене. Сигналът след това се подлага на серия от трансформации, за да се представи накрая под формата на няколко неподвижни изображения (кадри). Всеки кадър може да се изобрази с 256 нива на сивото, в зависимост от интензивността на вибрациите (Фиг. 5). Възможно е софтуерно сливане на изображенията до получаване на динамичен образ, възпроизвеждащ движението на въздуха в белите дробове по време на целия дихателен цикъл.

Фиг. 5. Динамични получени образи се представят в нива на сивото

Неотменна част от VRI е и т.нар. амплитудна графика на вибрационната енергия. Чрез нея средната вибрационна енергия от двата бели дроба се представя като функция на времето. Комбинирана с динамичния образ, тази графика показва фазата на дихателния цикъл, в която се намира съответния кадър. Амплитудната графика осигурява допълнителна информация за състоянието на пациента (дихателна честота, отношение инсп./експ. фаза). Не на последно място графиката на вибрационната енергия осигурява критерии за качествен контрол на записа (изразена бифазност на кривата, достатъчен брой дихателни цикли и т.н.).

Изследването (записът) се извършва в тихо помещение. В реални условия е невъзможно извършването на запис, елиминиращ всички околни шумове. Те се филтрират от софтуера, а артефактите могат да бъдат маркирани и изключени от анализа.

Образите, получени в хода на VRI изследването, са релативни. В различните кадри непрекъснато тече процес на рекалибриране на нивата на сивото в зависимост от най-високата и най-ниската вибрационна енергия. Изображенията се нормализират, като най-силният вибрационен сигнал се представя с най-тъмен цвят (черно) и заема по-голяма площ от изображението,  а най-слабият е съответно най-светъл (светло сиво до бяло) и заема по-малка площ.

Отделните характеристики на дихателния цикъл могат да бъдат представени в няколко различни модалности. Например, кадърът с максимална енергия (Maximum Energy Frame – MEF)  представлява запис от върха на инспирацията, когато вибрационната енергия в дихателните пътища достига своя максимум. Чрез дан­ните за  регионалното разпределение на вибрационната енергия в белите дробове може да се предостави количествена информация (Quantitative Lung Data - QLD) за функциониращия белодробен паренхим. Освен това, има възможност за представянето й като процент за всеки лоб на двата бели дроба. Количественото определяне (QLD) на белодробния паренхим се основава на общата вибрационна енергия, събрана от всички сензори през целия период на записа. QLD корелира силно с вентилацията. Представянето на данните за QLD до голяма степен напомня на начина на представяне на резултатите от белодробна сцинтиграфия (Фиг. 6).

Фиг. 6. Представяне на динамичен образ и кореспондиращото му QLD измерване (за сравнение е дадена и лицевата рентгенография на същата пациентка)

Количественото определяне на паренхима (QLD) показва нормално разпределение на вибрационната енергия със средни стойности от 55% ± 6% за левия и 45% ± 6% за десния бял дроб. Вероятните обяснения за това са по-късият и сключващ по-остър ъгъл ляв главен бронх и по-дорзалното разположение на големите бронхи в ляво (поради вентрално разположеното сърце). Повечето от лицата, при които липсват тези характерни черти са пушачи или имат анамнеза за тютюнопушене. В сравнение с непушачите при тях  по-често се наблюдава неравномерно разпределение на вибрационната енергия и асиметрия между двата бели дроба.

Осъществяването на безпроблемен запис е възможно при 96% от пациентите. При останалите (4%) може да се касае за невъзможност за създаване на достатъчен вакуум за закрепване на сензорите (1%), интензивно окосмяване на гърба (1%), твърде учестено дишане (1%) и движение на раменете по време на запис (1%).

Компютърно изчисляване на РРО стойности (O-Plan)

След получаването на три технически приемливи записа те се пренасят в специална програма, наречена O-Plan. След това изследващият избира максимален брой дихателни цикли с добро качество, които се използват за изчисляването на общите количествени белодробни данни (QLD) за всеки запис. Програмата изчислява общите QLD и стандартно отклонение (SD). Стандартното отклонение се използва за потвърждаване на достоверността на данните. Стойност на SD под 5.4 е избрана за приемлива граница. След въвеждането на предоперативните  функционални параметри (FEV₁, D_L,CO) се избира мястото и обема на резекцията, като се маркират съответните белодробни сегменти на схемата. (Фиг. 7). За изчисление се използват познатите формули^2,3,51.

Фиг. 7. Представяне на резултатите от изчисляването на РРО стойности на базата на VRI при пациент на 64 г. (собствени данни)

Фиг. 7. Представяне на резултатите от изчисляването на РРО стойности на базата на VRI при пациент на 64 г. (собствени данни)

Клинично валидизиране на VRI

През 2006 година Dellinger⁵² публикува първите резултати от използването на VRI за количествена оценка на здрави индивиди и пациенти с различна патология. Авторите потвърждават тезата си, че изобразяването на вибрационната енергия (VRI) може да покаже количественото разпределиние на дихателната функция. С това се поставя началото на приложението на VRI за изучаване на различна белодробна патология. В област­та на предвиждането на РРО FEV₁, DL_CO, VO_{2 max} все още има единични проучвания.

Morice⁵³ сравнява VRI и ¹³³Xe-V/Q сцинтиграфия. Установява се добра корелация между двата метода при предвиждането на РРО FEV₁ (r=0.74) и РРО D_L,CO (r=0.79)._. Не се установява статистически значима разлика (p> 0.05) между средните стойности на параметрите, изчислени по всеки от методите. В изследване с подобен дизайн Detterbeck⁵⁴отчита висока корелация между предвижданията, базирани на VRI и перфузионната сцинтиграфия (r=0.96 за РРО FEV₁% и 0.90 за РРО D_LCO%). Altin⁵⁵ изследва корелация между VRIxp O-plan и перфузионната сцинтиграфия при изчисляването на % предвиден РРО FEV₁ (% pred) (r=0,9376) и РРО FEV₁ (L) (r=0,9629).

Eberhardt⁵⁶ докладва постоперативно измерени стойности на FEV₁ от 68,4±17,5% и 1,78±0,44 L, сравнени с 65,9±17,5% и 1,72±0,49 L за РРО стойности, предвидени с VRI. VRI предвиждането показа добра корелация с действително измерените след резекция функционални белодробни показатели (r=0.80 и r=0.83 за FEV₁ %pred и  FEV₁ (L). Подобни резултати публикува и Jimenez⁵⁷ през 2010 г. – FEV₁ (%pred) (r = 0.877) и FEV₁ (l) (r = 0.865)

Beretta⁵⁸ сравнява VRI с анатомичната калкулация и СТ. В заключение и трите метода показват добра точност в предвиждането на постоперативния FEV₁ (L) на 60-ия и 215-ия ден. Установява се подценяване на постоперативните резултати, особено при пациенти с нисък предоперативен FEV₁ и най-силно изразен при ХОББ. По отношение на D_L,COи трите техники показват умерена надеждност.

Перспективи

За съжаление, по време на поставяне на диагнозата само 20-30% от пациентите с белодробен рак са операбилни^59-62.Затова значението на факторите от страна на пациента е също толкова голямо, колкото и на факторите, свързани със заболяването (Фиг. 8).