BEYOND THICKNESS AND ECHOGENICITY: QUANTITATIVE DIAPHRAGM ULTRASOUND IN CRITICAL ILLNESS

Background: Diaphragm dysfunction is highly prevalent in critically ill patients and is associated with difficult weaning, prolonged intensive care unit (ICU) stay, and increased morbidity and mortality. Although diaphragm ultrasound is routinely used at the bedside, conventional indices such as thickness and thickening fraction provide limited information on muscle tissue quality and may not adequately capture the biological heterogeneity of diaphragmatic injury during critical illness. Study Motivation: To evaluate the feasibility, methodological validity, and added value of radiofrequency (RF)-based quantitative ultrasound (QUS) techniques for assessing diaphragmatic structure and tissue microstructure in critically ill patients undergoing mechanical ventilation. Methods: This prospective observational pilot study was conducted within a large multicenter cohort. Longitudinal diaphragm ultrasound examinations were performed in mechanically ventilated critically ill patients and compared with single acquisitions in healthy volunteers. Conventional diaphragm thickness and thickening fraction were measured using standard M-mode ultrasound. Raw RF data were used to reconstruct RF-derived M-mode images and to implement automated computational algorithms for diaphragm tracking. Tissue microstructure was assessed using H-scan quantitative ultrasound, with Red Pixel Percentage (RPP) used as a surrogate marker of effective scatterer size. Agreement between conventional and RF-derived measurements was evaluated using Intraclass Correlation Coefficients (ICC) and Bland–Altman analysis. Longitudinal changes in macroscopic and microstructural parameters were analyzed over the course of mechanical ventilation. Results: RF-derived M-mode measurements demonstrated excellent agreement with conventional ultrasound for diaphragm thickness (ICC = 0.90), with narrow limits of agreement, supporting the validity of RF-based reconstruction. Automated algorithms were mathematically robust, though their performance in the ICU was influenced by acquisition duration, with longer recordings yielding improved performance. Conventional ultrasound revealed marked heterogeneity in diaphragmatic structural evolution, with patients exhibiting diaphragm thinning, stability, or paradoxical thickening during mechanical ventilation. Exploratory H-scan analysis identified significant differences in diaphragmatic tissue microstructure between critically ill patients and healthy volunteers at enrolment, with patients showing higher RPP values (p = 0.032), consistent with altered scatterer size and organization. Notably, both diaphragm thinning and thickening were associated with progressive microstructural alterations, indicating that macroscopic thickness changes alone do not reliably reflect underlying tissue pathology. Conclusion: RF-based quantitative ultrasound is feasible in critically ill patients and provides reproducible diaphragm measurements comparable to conventional ultrasound while enabling objective tissue microstructure characterization. H-scan QUS reveals biologically relevant diaphragmatic alterations that are not captured by thickness or thickening fraction alone, highlighting the heterogeneity of diaphragm injury during mechanical ventilation. Quantitative ultrasound may represent a valuable non-invasive adjunct for bedside assessment of diaphragmatic structural and functional integrity and for advancing our understanding of Ventilator-Induced Diaphragmatic Dysfunction.

Background: La disfunzione diaframmatica è estremamente prevalente nei pazienti critici ed è associata a svezzamento difficile dal ventilatore, degenza prolungata in terapia intensiva (ICU) e aumento della mortalità. Sebbene l'ecografia del diaframma sia utilizzata routinariamente al letto del paziente, gli indici convenzionali come lo spessore e la frazione di ispessimento (thickening fraction) forniscono informazioni limitate sulla qualità del tessuto muscolare e potrebbero non rilevare adeguatamente l'eterogeneità biologica del danno diaframmatico nel paziente critico. Obiettivi dello studio: Valutare la fattibilità, la validità metodologica e il valore aggiunto delle tecniche di ecografia quantitativa (QUS) basate sulla radiofrequenza (RF) per la valutazione della struttura e della microstruttura tissutale del diaframma in pazienti critici. Metodi: Questo studio pilota osservazionale prospettico è stato condotto all'interno di una vasta coorte multicentrica. Sono stati eseguiti esami ecografici longitudinali del diaframma in pazienti critici ventilati meccanicamente, confrontandoli con acquisizioni singole in volontari sani. Lo spessore e la thickening fraction convenzionali sono stati misurati mediante ecografia standard in M-mode. I dati RF grezzi sono stati utilizzati per ricostruire immagini M-mode derivate da RF e per implementare algoritmi computazionali automatizzati per il tracciamento (tracking) del diaframma. La microstruttura tissutale è stata valutata mediante ecografia quantitativa H-scan, utilizzando la Percentuale di Pixel Rossi (RPP) come marker surrogato della dimensione effettiva dei diffusori (scatterers). L'accordo tra le misurazioni convenzionali e quelle derivate da RF è stato valutato mediante Coefficienti di Correlazione Intraclasse (ICC) e analisi di Bland-Altman. Le variazioni longitudinali dei parametri macroscopici e microstrutturali sono state analizzate durante il corso della ventilazione meccanica. Risultati: Le misurazioni M-mode derivate da RF hanno mostrato un accordo eccellente con l'ecografia convenzionale per lo spessore del diaframma (ICC = 0,90), con limiti di accordo ristretti, supportando la validità della ricostruzione basata su RF. Gli algoritmi automatizzati si sono dimostrati matematicamente robusti, sebbene le loro prestazioni in ICU siano state influenzate dalla durata dell'acquisizione, con registrazioni più lunghe che hanno garantito prestazioni migliori. L'ecografia convenzionale ha rivelato una marcata eterogeneità nell'evoluzione strutturale del diaframma, con pazienti che mostravano assottigliamento, stabilità o ispessimento paradosso del muscolo durante la ventilazione meccanica. L'analisi esplorativa H-scan ha identificato differenze significative nella microstruttura tissutale tra pazienti critici e volontari sani al momento dell'arruolamento, con i pazienti che mostravano valori di RPP più elevati (p = 0,032), coerenti con un'alterazione della dimensione e dell'organizzazione degli scatterers. In particolare, sia l'assottigliamento che l'ispessimento del diaframma sono risultati associati a progressive alterazioni microstrutturali, indicando che le sole variazioni macroscopiche dello spessore non riflettono in modo affidabile la patologia tissutale sottostante. Conclusioni: L'ecografia quantitativa basata su RF è fattibile nei pazienti critici e fornisce misurazioni del diaframma riproducibili e comparabili all'ecografia convenzionale, consentendo al contempo una caratterizzazione oggettiva della microstruttura tissutale. La QUS H-scan rivela alterazioni diaframmatiche biologicamente rilevanti che non vengono catturate dal solo spessore o dalla thickening fraction, evidenziando l'eterogeneità del danno diaframmatico durante la ventilazione meccanica. L'ecografia quantitativa può rappresentare un valido complemento non invasivo per la valutazione al letto del paziente dell'integrità strutturale e funzionale del diaframma