Clinical Care

Bedside Ultrasonography in Critical Care: An Essential Extension to the Physical Examination 

Yanick Beaulieu, MD

About the Author

Yanick Beaulieu is a cardiologist and intensivist at the Hôpital du Sacré-Coeur de Montréal, University of Montreal. He is director of the Bedside Ultrasound Curriculum.

Correspondence may be addressed to ybeaulieu@iccuimaging.com.

Ultrasonography has become an invaluable tool in the management of critically ill patients. Its safety and portability provide rapid and detailed information about cardiac anatomy and function and permit anatomic characterization of vascular and other structures at the bedside. This information is vital in the management of hemodynamically unstable patients in the intensive care unit (ICU), as well as in the placement of venous catheters and pleural and intra-abdominal drains. Hand-carried ultrasound devices (HCUs) can provide immediate diagnostic information that cannot be determined by physical examination alone. Their use may prevent complications related to the transfer of critically ill patients to the radiology department.

   “Goal-Directed” Echocardiography

In the critically ill patient with unexplained hemodynamic instability, determination of cardiac function is an integral part of medical management. Echocardiography is of the utmost importance to evaluate left and right ventricular function in this setting as clinical examination and invasive hemodynamic monitoring are not always reliable and are often misleading. Assessment of the pericardial space to rule out the presence of tamponade is also an important indication to perform a focused ultrasonographic bedside cardiac examination. Point-of-care examination will also help to indirectly assess the volume status of the patient by assessing the biventricular dynamics and dimensions and by estimating right atrial pressure (by using inferior vena cava diameter and its respiratory variation).

  Assessment of Central and Peripheral Vessels Central venous catheterization is frequently performed in critically ill patients. Placement of a central venous catheter is not without risk and can be associated with adverse events (arterial puncture, local hematoma, hemothorax, pneumothorax) that are both hazardous to patients and expensive to treat. Complications have been reported in up to 15 to 20% of cases. The use of ultrasound guidance during central venous catheterization has been well demonstrated to reduce the risk of complications, most notably for the internal jugular route. It has also been shown to improve the rapidity of catheter placement, decrease the number of attempts before successful placement, and improve the overall rate of successful placement. Multiple studies have reported the superiority of ultrasound-assisted cannulation of the internal jugular vein in ICU patients compared with the external landmark-guided technique.1–3 Most peripheral and central vessels that are catheterized can usually be imaged by ultrasonography (Figure 1).              The benefits demonstrated for ultrasound guidance have been shown across operators with varying levels of experience in central catheter placement and in patients with both low and high risks of potential complications. The technique is easy to learn and can be self-taught with some practical assistance from radiologists or other experienced sonographers.

 “Goal-Directed” General Ultrasonography: Assessment of Pleural Effusions and Intra-abdominal Fluid Collections Ultrasound examination is useful in the diagnosis and investigation of pleural effusions (Figure 2) as it improves the localization of fluid collections and adjacent structures. It is particularly useful in the investigation of mechanically ventilated patients in whom the risk of pneumothorax and other complications is high. The basic skill required to detect a pleural effusion by ultrasonography can be acquired in a very short period of time.The same diagnostic and therapeutic procedures described above can be applied for intra-abdominal fluid collections. Evaluation for intra-abdominal fluid collection or abscess is restricted to areas that are not impeded by gas-filled structures and include the regions around the liver and gallbladder (Morrison’s pouch), spleen, kidneys and lateral retroperitoneal areas, and pouch of Douglas. As with pleural effusions, intra-abdominal fluid collections can be percutaneously sampled or drained safely at the bedside under real-time ultrasonographic guidance.  

 Performance of Bedside Ultrasonography by the Intensivist  As it is usually not feasible to have a cardiologist or sonographer available on immediate call on a 24-hour basis to perform bedside ultrasonographic examinations in the ICU, it makes sense to have the intensivist perform such studies. Prompt access to information on left ventricular/right ventricular function, volume status, pericardial fluid, and aortic and valvular pathologies can be obtained. Repetitive evaluation allows one to assess the patient’s response to therapy (e.g., fluid, inotropes). The pleural and abdominal cavities can be assessed for free fluid and safely tapped. Finally, it serves as an important learning and teaching tool to better understand the anatomy and function of your critically ill patient. Successful performance of bedside echocardiography by noncardiologist intensivists has been well demonstrated in the literature.4 The safety and utility of bedside ultrasonography by the intensivist for various other purposes in the ICU (central venous cannulation, thoracentesis, paracentesis) have also been well demonstrated. Focused bedside ultrasonography is performed to answer a specific clinical question that will often ultimately lead to an important change in clinical diagnosis or management of a medical/surgical condition.

  Hand-Carried Ultrasonography: A Revolution in ICU Care The traditional physical examination is often significantly limited in the diagnosis of cardiopulmonary pathology. These diagnostic shortcomings are exaggerated in acutely ill ICU patients. HCUs are a new generation of portable ultrasound machines that are light weight (2.7–4.5 kg), battery powered, and much less expensive than the sophisticated high-end machines. Despite initial criticism of this technology, the tremendous potential of HCUs to provide point-of-care diagnostic information has been clearly recognized.5–8 They are especially powerful when used as an adjunct to the physical examination (Figure 3).            An examination using an HCU is usually “directed” toward a specific clinical question and is in general significantly shorter in duration (less than 6 minutes in some studies) than one using traditional echocardiography. The disadvantage of such directed examinations with hand-carried devices is that they are not as comprehensive and can potentially miss some findings compared with traditional echocardiographic examinations. However, the HCU devices should not be compared with the yield or quality of the high-end machines. The HCU should be viewed as an extension to the physical examination. The imaging modes and capabilities of currently available HCU machines vary with color Doppler (true Doppler vs power Doppler), spectral Doppler, harmonics, and the capacity to output video and store images. Results from studies suggest that the accuracy of HCUs with respect to two-dimensional imaging remains very good in the critically ill patient when compared with standard ultrasound machines but that information derived from HCU color Doppler imaging should be interpreted cautiously in this patient population.             The value of the HCU in the ICU extends beyond the cardiovascular examination in that it allows for the safe performance of bedside procedures that have traditionally been performed “blindly.” An HCU device will reduce complications associated with central venous cannulation and should be considered the standard of care when performing such hazardous procedures as thoracentesis in mechanically ventilated patients, paracentesis, and pericardiocentesis.  

Conclusion Bedside ultrasonography has become an indispensable tool in the management of critically ill patients for the rapid assessment of cardiac function, for placement of central and peripheral venous catheters, and for assessment and drainage of pleural and intra-abdominal fluid collections. The new generation of portable, battery-powered, inexpensive, hand-carried ultrasound devices is ideally suited for use by the intensivist at the bedside. The safety and utility of bedside ultrasonography performed by adequately trained intensivists have now been well demonstrated. The importance of adequate training and subsequent maintenance of competence cannot be overemphasized as inappropriate use or misapplication could potentially temper the acceptance of this technology. HCU training for intensivists and emergency room physicians should seek to provide rapid answers to clinical questions that may profoundly affect medical and surgical management decisions. Training in echocardiography and general ultrasonography should be incorporated in the critical care fellowship as part of the training program. The utility of HCU at the bedside of the critically ill patient can no longer be denied.

References

1. Hind D, Calvert N, McWilliams R, et al. Ultrasonic locating devices for central venous cannulation: meta-analysis. BMJ 2003;327:361–8.
2. Milling TJ, Rose J, Briggs WM, et al. Randomized, controlled clinical trial of point-of-care limited ultrasonography assistance of central venous cannulation: The Third Sonography Outcomes Assessment Program (SOAP-3) Trial. Crit Care Med 2005;33:1764–9.
3. Making health care safer: a critical analysis of patient safety practices. 2001. Available at www.ahrq.gov/clinic/ptsafety/.
4. Manasia AR, Nagaraj HM, Kodali RB, et al. Feasibility and potential clinical utility of goal-directed transthoracic echocardiography performed by noncardiologist intensivists using a small hand-carried device (SonoHeart) in critically ill patients. J Cardiothor Vasc Anesth 2005;19:155–9.
5. Spevack DM, Spevack DM, Tunick PA, et al. Hand carried echocardiography in the critical care setting. Echocardiography 2003;20:455–61.
6. Vignon P, Chastagner C, Francois B, et al. Diagnostic ability of hand-held echocardiography in ventilated critically ill patients. Crit Care 2003;7:R84–91.
7. Beaulieu Y, Marik P. Bedside ultrasonography in the ICU – part 1. Chest 2005;128:881–95.
8. Beaulieu Y, Marik P. Bedside ultrasonography in the ICU – part 2. Chest 2005;128:1766–81. 

Figure 1. Ultrasound imaging of the right internal jugular (IJ) vein (upper row) reveals a vein of relatively small calibre compared with that on the left side (lower row). Moreover, the right IJ vein lies directly over the right carotid artery, making it a high-risk anatomy if a catheter is to be inserted. In this case, cannulation of the left IJ vein would clearly be the best choice. Using ultrasonography to identify the dominant IJ vein prior to insertion of a central catheter is a simple, noninvasive, and rapid technique. IJ vein asymmetry can be seen in up to 60% of patients and can sometimes be significant.Identifying such asymmetry will likely result in a shorter and safer procedure. 

Figure 2. Detection, quantification, and characterization of a pleural effusion will often be difficult on a decubitus chest radiograph (upper left). Ultrasound examination of the pleural space has proven to be of high value for diagnosis of effusion (upper right). The pleural fluid is usually hypoechogenic and appears black (lower right). The surrounding solid structures (soft tissue, diaphragm) and organs (lung, liver, heart, spleen) are visualized as structures with a different degree of echogenicity around the effusion. Once the effusion has been well assessed, one must determine the feasibility of safely doing a thoracentesis. 

Figure 3. HCUs are a new generation of portable ultrasound machines that are light weight (2.7–4.5 kg), battery powered, and much less expensive than the sophisticated high-end machines. Their small size is a tremendous advantage in the acute care environment as space is often significantly limited, as shown in this picture of an ICU patient on mechanical ventilation.

Soins cliniques

Échographie dirigée aux soins intensifs : un complément essentiel à l’examen physique 

Yanick Beaulieu, M.D.

 Au sujet de l’auteur

Yanick Beaulieu est cardiologue et intensiviste à l’Hôpital du Sacré-Cœur de Montréal, Université de Montréal. Il est directeur du Programme d’Échographie « dirigée » au Soins Intensifs. Toute correspondance peut être envoyée à l’adresse suivante : ybeaulieu@iccuimaging.com

L’échographie dite « dirigée » est devenue un outil irremplaçable dans la prise en charge des patients gravement atteints. Sa sécurité et sa portabilité fournissent de l’information détaillée au sujet de l’anatomie et la fonction du cœur et permettent une caractérisation anatomique des structures vasculaires ou autres au chevet du patient. Cette information est indispensable au traitement de patients dont l’état est instable sur le plan hémodynamique à l’unité des soins intensifs (USI), ainsi qu’à l’installation de cathéters veineux et de drains pleuraux et intra-abdominaux. Les appareils à ultrasons portatifs peuvent fournir des données diagnostiques immédiates au chevet du patient, données qui ne seraient pas révélées par un examen physique seul. Leur utilisation directement au chevet du malade peut aider à prévenir les complications liées à la mobilisation des patients gravement malades au service de radiologie.

Échocardiographie « dirigée »  

Chez le patient gravement atteint dont l’état est instable, l’évaluation de la fonction cardiaque est une partie intégrante du traitement médical. L’échocardiographie est d’une importance primordiale pour évaluer la fonction ventriculaire puisque l’examen clinique et la surveillance hémodynamique invasive ne sont pas toujours fiables et peuvent souvent induire en erreur. L’évaluation de l’espace péricardique pour éliminer la présence de tamponnade cardiaque est également une indication importante. L’examen « dirigé » aidera à évaluer indirectement le volume circulant en évaluant la dynamique et la dimension des deux ventricules et la pression de l’oreillette droite (en utilisant le diamètre de la veine cave inférieure et sa variation respiratoire).

Évaluation des vaisseaux centraux et périphériques 

On effectue souvent l’installation d’un cathéter veineux central chez les patients gravement atteints. Cette méthode n’est pas sans risque et peut comporter certains événements indésirables (perforation artérielle, hématome, hémothorax, pneumothorax) qui sont dangereux pour les patients et onéreux à traiter. Des complications ont été rapportées dans 15 à 20 % des cas. Il a été démontré que l’échoguidage durant l’installation d’un cathéter veineux central réduisait le risque de complications notamment par voie jugulaire, améliorait la rapidité de l’installation et taux de réussite au premier essai en général. Plusieurs études ont rapporté la supériorité de la cannulation assistée par ultrasons de la veine jugulaire interne chez les patients à l’unité des soins intensifs en comparaison avec la technique externe de repère anatomique1-3. La plupart des vaisseaux périphériques et centraux dans lesquels on insère un cathéter peuvent habituellement être vus par échographie (Figure 1).

Les avantages de l’échoguidage ont été démontrés par des opérateurs ayant divers niveaux d’expérience dans l’installation d’un cathéter central chez des patients courant un risque faible ou élevé de complications possibles. La technique est facile à maîtriser et l’opérateur peut l’apprendre par lui-même avec l’aide pratique de radiologistes ou d’autres technologues expérimentés spécialisés en échographie.   

Échographie général dirigée : évaluation de l’espace pleural et abdominal pour la présence de liquide libre             

L’imagerie ultrasonore est utile au diagnostic et à l’investigation d’épanchement pleural (Figure 2)  car elle facilite la localisation de fluides et des structures adjacentes.  Elle est particulièrement utile dans l’investigation de patients sous respirateur chez lesquels le risque de pneumothorax et d’autres complications est élevé. L’expérience requise pour détecter un épanchement pleural par échographie peut être acquise assez rapidement.

Le même diagnostic et les procédures thérapeutiques décrites ci-dessus peuvent s’appliquer à la collecte de liquide de la cavité abdominale. L’évaluation de la collecte de liquide libre dans la cavité abdominale ou de l’abcès est restreinte aux régions qui ne sont pas entravées par des structures remplies de gaz et comprennent les régions avoisinantes du foie et de la vésicule biliaire, de la rate, des reins et des régions rétropéritonéales latérales et du cul-de-sac vagino-rectal. Comme pour l’épanchement pleural, la collection liquidienne peut être ponctionné  par voie percutanée ou drainé en toute sécurité au chevet du patient par échoguidage en temps réel.

Échographie portative effectuée par l’intensiviste  

Comme il n’est pas possible d’avoir un cardiologue ou un technologue spécialisé en échographie sur place 24 heures sur 24 pour effectuer l’échographie au chevet du patient aux soins intensifs, il est donc approprié de confier la tâche au médecin intensiviste. Il est possible d’accéder rapidement à des données sur la fonction ventriculaire, sur l’état volémique, sur le péricarde, et sur les pathologies aortique et valvulaire. L’évaluation répétitive permet d’évaluer la réponse du patient au traitement (p. ex. fluides, inotropes). Les cavités pleurale et abdominale peuvent être évaluées pour déterminer la présence de liquide libre dans l’abdomen et permettre de retirer ce liquide. Finalement, l’échographie sert d’outil d’apprentissage et d’enseignement utile pour mieux comprendre l’anatomie et la fonction du patient gravement atteint.

Il a été démontré dans la littérature que l’échographie dirigée peut être effectuée avec succès par des intensivistes qui ne sont pas cardiologues4. La sécurité et l’utilité de l’échographie dirigée effectuée par l’intensiviste pour d’autres raisons dans l’unité des soins intensifs (cannulation veineuse centrale, thoracentèse, paracentèse) ont également été démontrées. L’échographie dirigée permet donc de répondre à une question clinique spécifique qui souvent mène à un changement important du diagnostic clinique et/ou du traitement d’une condition médicale ou chirurgicale.

Échographie portative : une révolution à l’USI  

L’examen physique traditionnel est souvent limité pour le diagnostic de diverses affections cardioplumonaires. Ces lacunes diagnostiques sont exagérées chez les patients gravement malades aux soins intensifs. Les nouveaux systèmes portatifs d’échographie sont légers (2,7 – 4,5 kg), alimentés par piles, et beaucoup moins chers que les appareils de haute gamme. Malgré les critiques initiales qui ont été formulées au sujet de cette technologie, le potentiel formidable qu’a l’échographie portative est maintenant bien reconnu. La grande valeur de l’échographie dirigée, effectué à l’aide d’une machine portative, réside surout en son utilisation à titre de complément à l’examen physique (Figure 3).

Un examen utilisant l’échographie dirigée pour répondre à une question clinique spécifique est généralement plus court en durée (moins de 6 minutes dans certaines études) que l’échocardiographie traditionnelle. L’inconvénient potentiel de tels examens dirigés, c’est qu’ils peuvent ne pas être assez détaillés et donc ne pas révéler certaines anomalies en comparaison avec les examens traditionnels. Toutefois, les appareils portatifs ne devraient pas être comparés au rendement ni à la qualité des appareils de haute gamme. Ils devraient plutôt être vus comme un complément de l’examen physique. La qualité d’imagerie et la capacité des appareils portatifs actuels varient selon le type de machine utilisée. Les résultats des études démontrent que la précision des appareils portatifs en ce qui concerne l’imagerie bidimensionnelle demeure très bonne chez le patient gravement atteint lorsqu’ils sont comparés aux ultrasons standard mais que l’information en mode Doppler devrait être interprétée avec prudence chez cette population.

La valeur de l’échographie portative aux soins intensifs va au-delà de son rôle à titre de complément à l’examen physique puisque cette dernière permet aussi d’effectuer en toute sécurité les procédures au chevet du patient qui ont traditionnellement été effectuées « à l’aveuglette ». Un appareil portatif réduira les complications associées à l’installation d’un cathéter veineux central et devrait être considéré comme le « gold standard » lorsqu’il s’agit d’effectuer des interventions présentant un risque potentiel,  comme la thoracentèse chez les patients sous respirateur, la paracentèse et la ponction péricardique.

Conclusion

L’échographie au chevet est devenue un outil indispensable dans le traitement des patients gravement atteints pour l’évaluation rapide de la fonction cardiaque, l’installation de cathéters veineux centraux et périphériques et pour évaluer les cavités cavités pleurale et abdominale pour la présence de liquide libre. La nouvelle génération d’appareils portatifs, alimentés par piles et abordables conviennent parfaitement aux médecins intensivistes au chevet du patient. Il a été démontré que l’échographie dirigée effectuée par des médecins intensivistes expérimentés était sécuritaire et utile.

On ne saurait trop souligner l’importance d’une formation adéquate et du maintien des compétences puisque l’utilisation inadéquate pourrait empêcher l’acceptation de cette technologie. La formation des médecins intensivistes et des urgentologues devrait chercher à fournir des réponses rapides aux questions cliniques qui peuvent affecter profondément les décisions diagnostiques et thérapeutiques. La formation en échographie « dirigée » devrait être incorporée au programme de  spécialisation en soins intensifs. L’utilisation de l’échographie dirigée au chevet du patient gravement atteint ne peut plus être dénigrée.

Références

1. Hind D, Calvert N, McWilliams R, et al. Ultrasonic locating devices for central venous cannulation: meta-analysis. BMJ 2003;327:361–8.
2. Milling TJ, Rose J, Briggs WM, et al. Randomized, controlled clinical trial of point-of-care limited ultrasonography assistance of central venous cannulation: The Third Sonography Outcomes Assessment Program (SOAP-3) Trial. Crit Care Med 2005;33:1764–9.
3. Making health care safer: a critical analysis of patient safety practices. 2001. Available at www.ahrq.gov/clinic/ptsafety/.
4. Manasia AR, Nagaraj HM, Kodali RB, et al. Feasibility and potential clinical utility of goal-directed transthoracic echocardiography performed by noncardiologist intensivists using a small hand-carried device (SonoHeart) in critically ill patients. J Cardiothor Vasc Anesth 2005;19:155–9.
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6. Vignon P, Chastagner C, Francois B, et al. Diagnostic ability of hand-held echocardiography in ventilated critically ill patients. Crit Care 2003;7:R84–91.
7. Beaulieu Y, Marik P. Bedside ultrasonography in the ICU – part 1. Chest 2005;128:881–95.
8. Beaulieu Y, Marik P. Bedside ultrasonography in the ICU – part 2. Chest 2005;128:1766–81

Figure 1. Échographie de la veine jugulaire interne droite (rangée supérieure) révèlant une veine de calibre relativement petit en comparaison avec le côté gauche (rangée inférieure). De plus, la veine jugulaire interne droite repose directement sur l’artère carotide droite, augmentant les risques si un cathéter devait être installé. Dans ce cas, la cannulation de la veine jugulaire interne gauche serait un meilleur choix. Utiliser l’échographie pour identifier la veine jugulaire interne dominante avant l’insertion d’un cathéter central est une technique simple, non invasive et rapide. L’asymétrie de la veine interne jugulaire peut être observée chez près de 60 % des patients à l’USI  et peut parfois être significative. L’identification d’une telle asymétrie permettra une intervention plus courte et plus sécuritaire.

Figure 2. La détection, la quantification et la caractérisation d’un épanchement pleural sur le rayon-x pulmonaire peut souvent s’avérer difficile chez le patients de soins intensifs (A). L’échographie de l’espace pleural est très utile dans le diagnostic d’un épanchement (B). Le liquide pleural est habituellement hypoéchogène et apparaît en noir (C). Les structures avoisinantes (tissu mou, diaphragme) et les organes (poumons, foie, coeur, rate, rein) apparaissent comme des structures ayant un degré différent d’échogenèse autour de l’épanchement. Une fois que l’épanchement a été bien évalué, on doit déterminer s’il est possible d’effectuer une thoracentèse en toute sécurité.

Figure 3. Les nouveaux systèmes portatifs d’échographie sont légers (2,7 – 4,5 kg), alimentés par piles et beaucoup moins chers que les appareils de haute gamme. Leur petite taille est un avantage important aux soins intensifs car  l’espace est souvent limité comme on le voit sur la photo d’un patient sous respirateur à l’unité des soins intensifs.