Querschnittsuntersuchung der Muskelperfusion bei Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit durch nicht-invasive Multispektrale Optoakustische Tomographie

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Günther, Josefine
Editor
Abstract

Abstract Background and objectives Detection of early microcirculatory impairments of the calf muscle in patients with peripheral arterial disease (PAD) is currently lacking in standard diagnostic algorithms. This study investigated the diagnostic accuracy of calf muscle hemoglobin content for staging PAD derived by noninvasive multispectral optoacoustic tomography (MSOT).

Patients and methods In this monocentric, cross-sectional diagnostic trial healthy volunteers (HV) and PAD patients at various clinical stages were recruited in a separated derivation (DC, n=101) and validation cohort (VC, n=96). In the DC, PAD was confirmed in 70 patients and excluded in 31 HV. The affiliated VC (68 PAD patients, 28 HV) aimed to validate the obtained results. All study participants underwent standard routine vascular diagnostics (including Ankle-Brachial-Index and Duplex ultrasound). Angiographic results were used as reference standard to compare MSOT-derived hemoglobin content in the calf muscles before and after walking provocation.

Results MSOT-derived oxygenated hemoglobin (HbO2) was capable to discriminate HV and PAD patients with hemodynamically relevant angiographic stenosis (area under curve [AUC], 0.816 [95% confidence interval: 0.68-0.92], p<0.001). Similar, discrimination between different clinical PAD stages was feasible and more robust after walking provocation (AUC 0.839 [95% confidence interval: 0.729-0.927], p<0.001). Results were validated in the independent VC. While clinical reference testing using Ankle-Brachial-Index missed n=6 diagnoses of critical limb-threatening ischemia, MSOT could stage all patients.

Conclusion MSOT-derived muscle HbO2 was confirmed as a new diagnostic biomarker for detecting hemodynamically and clinically relevant PAD. The imaging approach correctly identified critical diagnoses missed by current clinical standard testing.

Zusammenfassung Hintergrund und Ziele Der sichere Nachweis von kleinsten Veränderungen auf der muskulären Mikrozirkulationsebene könnte zu einer früheren Diagnose der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) führen. Aufgrund der immer noch bestehenden diagnostischen Lücken, insbesondere bei nicht-invasiven Methoden, werden jedoch neue Ansätze in der Diagnostik der pAVK benötigt, welche präzise Messungen auch in tieferem Gewebe wie der Muskulatur ermöglichen und einfach in die ambulante Versorgung zu integrieren sind. Das Ziel dieser Studie war, die diagnostische Genauigkeit der Multispektralen Optoakustischen Tomographie (MSOT) durch Ableitung von Schwellenwerten bei Patienten mit pAVK in verschiedenen Stadien und einer gesunden Kontrollgruppe zu untersuchen. Anschließend wurden die Ergebnisse anhand einer zweiten Kohorte validiert. Die MSOT Befunde wurden mit angiografischen und klinischen Erkrankungsstadien sowie den Befunden aus nichtinvasiven klinischen Untersuchungen (Knöchel-Arm-Index [ABI], farbkodierte Duplexsonographie, Laufbanduntersuchung) korreliert.

Patienten und Methoden Es handelt sich um eine prospektive monozentrische diagnostische Studie, welche in der Gefäßchirurgischen Abteilung des Universitätsklinikums Erlangen durchgeführt wurde. Eingeschlossen wurden an pAVK erkrankte Personen, bei denen eine angiografische Bildgebung erfolgt oder bereits indiziert war, sowie gesunde Freiwillige im Alter von mindestens 45 Jahren mit normalem Befund im ABI und ohne vorbekannte Erkrankung an pAVK, Diabetes mellitus oder chronischer Nierenerkrankung. Von 101 Teilnehmern, die in die Analyse der Ableitungskohorte einbezogen wurden, wurde bei 70 Patienten eine pAVK bestätigt und bei 31 gesunden Teilnehmern ausgeschlossen. Die Verteilung war in der Validierungskohorte vergleichbar, da hier von insgesamt 96 eingeschlossenen Studienteilnehmern eine symptomatische pAVK bei 68 Patienten bestätigt wurde und das Vorliegen der Erkrankung bei 28 gesunden Probanden ausgeschlossen wurde.

Ergebnisse Wir konnten erstmalig die Machbarkeit der Methode systematisch in einem großen Kollektiv von erkrankten und gesunden Studienteilnehmern zeigen. Die Ergebnisse zeigten eine gute Anwendbarkeit von MSOT im untersuchten Kollektiv und eine gute Unterscheidung zwischen kranken und gesunden Studienteilnehmern. Unter Verwendung von MSOT erwies sich das 3 oxygenierte Hämoglobin (HbO2) als der zuverlässigste MSOT-Parameter. MSOT war in der Lage, eine hämodynamisch relevante Stenose in der Angiografie zu bestätigen (Fläche unter der Kurve (AUC) 0,816, Sensitivität 78,6 %, Spezifität 74,2 %). Dies konnte in der Validierungskohorte bestätigt werden. Nach der Perfusionsprovokation durch aktive Gehbelastung wurde eine gute Diskriminierung zwischen verschiedenen klinischen Stadien in Bezug auf HbO2 festgestellt (AUC 0,839, Sensitivität 93,8 %, Spezifität 67,7 %). Darüber hinaus konnte MSOT die kritische Perfusionssituation bei allen Patienten mit mediasklerotischem ABI, bei denen eine chronisch-kritische Extremitätenischämie vorlag, korrekt bestätigen.

Schlussfolgerung In dieser Studie wurde erstmals systematisch die Anwendung der MSOT als neue diagnostische Methode zur Erkennung einer hämodynamisch relevanten pAVK durch Messung des Hämoglobingehaltes der Wadenmuskulatur untersucht. MSOT ermöglicht zum ersten Mal die transkutane Bildgebung der Mikrozirkulation in der Muskulatur als Zielorgan einer chronischen Durchblutungsstörung. Es konnte eine gute Sensitivität und Spezifität für die Unterscheidung von gesunden Kontrollen und Patienten verschiedener angiografischer sowie klinischer Erkrankungsstadien durch die Messung von HbO2 nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse sind für die Zukunft von großer Bedeutung, um Patienten mit pAVK zu identifizieren, die sich der Routinediagnostik entziehen. Die bei der pAVK routinemäßig angewandte Diagnostik kann durch die MSOT in Bezug auf einige derzeitige diagnostische Lücken, wie z. B. der Mediasklerose bei Patienten mit pAVK, sinnvoll ergänzt werden und kann dazu beitragen, eine rein diagnostische Angiografie zu vermeiden.

Citation

Josefine S. Günther, Ferdinand Knieling, Anna P. Träger, Werner Lang, Alexander Meyer, Adrian P. Regensburger, Alexandra L. Wagner, Regina Trollmann, Joachim Woelfle, Daniel Klett, Wolfgang Uter, Michael Uder, Markus F. Neurath, Maximilian J. Waldner, and Ulrich Rother. "Targeting Muscular Hemoglobin Content for Classification of Peripheral Arterial Disease by Noninvasive Multispectral Optoacoustic Tomography." JACC: Cardiovascular Imaging (2023). doi:10.1016/j.jcmg.2022.11.010

DOI
URN
Faculties & Collections