title: Examination of Calf Muscle Reperfusion via Multispectral Optoacoustic Tomography in Patients with Intermittent Claudication after Exercise
title: Untersuchung der Reperfusion der Wadenmuskulatur durch Multispektrale Optoakustische Tomographie bei Patienten mit Claudicatio intermittens nach Belastung
Creators: name: Kempf, Julius
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: MSOT, Multispectral Optoacoustic Tomography, PAD, Peripheral Artery Disease, Peripheral Arterial Disease, Optoacoustic Imaging
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 610 Medizin und Gesundheit

description: Background and Goals Multispectral Optoacoustic Tomography (MSOT) is a promising tool that might possibly be established in diagnostic algorithms for peripheral artery disease (PAD). Goal of the study described in this work was to more closely examine the PAD patient group of intermittent claudication (IC) patients by scanning the calf muscles of healthy volunteers and IC patients at rest and after an exhausting muscle exercise. A suitable exercise of repeated heel raises up to pain occurring in the calf muscle should yield an as good as possible differentiability between the two groups. Of special interest was the effect that the exercise had on the hemoglobinassociated MSOT parameters over time. The development over time of the recovery of the hemoglobin contents in the exercised muscle should be observed via MSOT and recorded as reperfusion profiles. Characteristic differences in the reperfusion profiles between healthy volunteers and IC patients should be outlined and if possible an optimal measurement time interval for the differentiation between healthy volunteers and IC patients should be determined. Patients, Material and Methods The study described in this work was executed as a monocentric, crosssectional diagnostic study. Adults with PAD in the clinical stage of intermittent claudication (IC) and healthy volunteers aged 50 years or older were recruited. Included were 102 total participants (50 IC patients [male: 34, female: 16] and 52 healthy volunteers [male: 22, female: 30]). All participants underwent noninvasive routine vascular diagnostics (palpation of pulses, anklebrachial index, colorcoded duplex sonography), MSOT measurements of the calf muscle of the (more severely affected) leg (at rest and repeatedly over ten minutes after a heel raise exercise) and a standardized 6Minute Walking Test. The measured postexercise MSOT parameters were averaged over time intervals of 100 seconds and used to plot cumulative reperfusion profiles over time. Results The results showed a good applicability of the method, particularly of the heel raise exercise as a proper stimulus to improve the differentiability between healthy volunteers and IC patients. Characteristic changes in the hemoglobinassociated MSOT parameters could be determined (HbO2: oxygenated hemoglobin; Hb: deoxygenated hemoglobin; sO2: oxygen saturation). While the slightly increased total hemoglobin content remained stable and without differences between the two groups over time, healthy volunteers rose in HbO2 (and sO2) after the exercise, while IC patients rose in Hb (and dropped in sO2) after the exercise. All three parameters yielded very good differentiabilities. Characteristic reperfusion profiles could be determined between the two participant groups. The optimal time interval to do the MSOT scans was determined to lie between 150 seconds and 250 seconds after the end of the exercise. In an ROC analysis, absolute HbO2 values after exercise yielded AUCs of 0.93 (YoudenIndex 0.746, sensitivity 84.6%, specificity 90.0%), absolute Hb values after exercise yielded AUCs of 0.82 (YoudenIndex 0.588, sensitivity 80.0%, specificity 78.8%) and absolute sO2 values yielded AUCs of 0.97 (YoudenIndex 0.941, sensitivity 98.1%, specificity 96.0%) (all in the time interval between 150 seconds and 250 seconds after the end of the exercise). Conclusion and Discussion MSOT scanning of the calf muscle after muscle exercise is a suitable method to differentiate between healthy individuals and IC patients with very high differentiabilities of sensitivities/specificities of up to 98.1%/96.0% (sO2 postexercise). A simple heel raise exercise up until the occurrence of pain in the calf muscle is a suitable provocation for this purpose. The time interval between 150 seconds and 250 seconds after the end of the muscle exercise is most suitable for the MSOT scans to yield the best differentiability. These findings are of great importance for possible future multicenter trials to establish MSOT in the PAD diagnostic algorithm.
description: Hintergründe und Ziele Die Multispektrale Optoakustische Tomographie (MSOT) ist ein vielversprechendes bildgebendes Verfahren, das möglicherweise Eingang in die Diagnostikalgorithmen der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) finden könnte. Ziel der in dieser Arbeit beschriebenen Studie war es, die pAVK-Patientengruppe der Patienten mit Claudicatio intermittens (CI) genauer zu untersuchen. Es wurden die Wadenmuskeln von CI-Patienten und gesunden Freiwilligen mittels MSOT untersucht, in Ruhe und nach einer erschöpfenden Muskelbelastung. Ein wiederholtes Heben in den Zehenballenstand bis zum Auftreten von Schmerzen im Wadenmuskel sollte für eine möglichst gute Unterscheidbarkeit zwischen den beiden Gruppen sorgen. Insbesondere sollte der Effekt der Muskelbelastung auf die Hämoglobinassoziierten MSOT-Parameter über die Zeit von zehn Minuten nach Belastungsende untersucht und aufgezeichnet werden. Die Entwicklung der Hämoglobingehalte im Muskel nach Belastung sollte mittels MSOT beobachtet und als Reperfusionsprofile aufgezeichnet werden. Es sollten charakteristische Unterschiede in den Reperfusionsprofilen zwischen gesunden Probanden und CI-Patienten aufgezeigt und ein optimales Zeitintervall nach Belastungsende für die Unterscheidung zwischen gesunden Probanden und CI-Patienten bestimmt werden. Patienten, Material und Untersuchungsmethoden Die in dieser Arbeit beschriebene Studie wurde als monozentrische diagnostische Querschnittsstudie durchgeführt. Es wurden Erwachsene mit pAVK im klinischen Stadium der Claudicatio intermittens (CI) und gesunde Probanden im Alter von 50 Jahren oder älter rekrutiert. Eingeschlossen wurden insgesamt 102 Teilnehmer (50 CI-Patienten [männlich: 34, weiblich: 16] und 52 gesunde Probanden [männlich: 22, weiblich: 30]). Alle Teilnehmer durchliefen eine nichtinvasive Routine-Gefäßdiagnostik (Palpation der Pulse, Knöchel-Arm-Index, farbkodierte Duplex-Sonographie), MSOT-Messungen des Wadenmuskels des (stärker betroffenen) Beins (in Ruhe und wiederholt über zehn Minuten nach der Muskelbelastung durch wiederholte Zehenballenstände) und einen standardisierten 6-Minuten-Gehtest. Die nach der Belastung gemessenen MSOT-Parameter wurden über Zeitintervalle von 100 Sekunden gemittelt und als kumulative Reperfusionsprofile über die Zeit dargestellt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Ergebnisse zeigten eine gute Anwendbarkeit der Methode. Insbesondere erwiesen sich die wiederholten Zehenballenstände als geeigneter Stimulus zur Verbesserung der Unterscheidbarkeit zwischen gesunden Freiwilligen und CI-Patienten. Es konnten charakteristische Veränderungen in den Hämoglobinassoziierten MSOT-Parametern festgestellt werden (HbO2: oxygeniertes Hämoglobin; Hb: deoxygeniertes Hämoglobin; sO2: Sauerstoffsättigung). Während sich der nach Belastung leicht erhöhte Gesamthämoglobingehalt als im Verlauf stabil und ohne Unterschiede zwischen den beiden Gruppen darstellte, stieg bei den gesunden Probanden der HbO2Wert (und der sO2-Wert) nach der Übung an, während bei den CI-Patienten der Hb-Wert anstieg (und der sO2-Wert sank). Alle drei Parameter ergaben sehr gute Unterscheidbarkeiten. Es konnten charakteristische Reperfusionsprofile zwischen den beiden Teilnehmergruppen ermittelt werden. Das optimale Zeitintervall für die Durchführung der MSOT-Scans lag zwischen 150 Sekunden und 250 Sekunden nach Ende der Muskelbelastung. In einer ROC-Analyse ergaben die absoluten HbO2Werte nach der Belastung AUCs von 0,93 (Youden-Index 0.746, Sensitivität 84,6%, Spezifität 90,0%), die absoluten Hb-Werte nach der Belastung AUCs von 0,82 (Youden-Index 0.588, Sensitivität 80,0%, Spezifität 78,8%) und die absoluten sO2Werte AUCs von 0,97 (YoudenIndex 0,941, Sensitivität 98,1%, Spezifität 96,0%) (alle im Zeitintervall zwischen 150 Sekunden und 250 Sekunden nach Ende der Belastung). Schlussfolgerungen und Diskussion MSOT-Messungen des Wadenmuskels nach Muskelbelastung sind eine gut geeignete Methode zur Unterscheidung zwischen gesunden Personen und CI-Patienten, mit sehr hohen Unterscheidbarkeiten (Sensitivität/Spezifität von bis zu 98,1%/96,0%). Eine einfache Muskelbelastung durch wiederholte Zehenballenstände bis zum Auftreten von Schmerzen im Wadenmuskel ist eine geeignete Provokationsübung, um diese Unterscheidbarkeit zu erreichen. Das Zeitintervall zwischen 150 Sekunden und 250 Sekunden nach dem Ende der Muskelbelastung ermöglicht die größten Unterscheidbarkeiten. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für mögliche zukünftige multizentrische Studien zur Etablierung von MSOT im Diagnosealgorithmus der pAVK.