Dynamic Thermal Imaging in the Assessment of Chronic Limb-Threatening Ischemia

Abstract

Krooninen alarajaajaiskemia on vakava, mahdollisesti raajan menetykseen johtava alaraajojen valtimotaudin komplikaatio, jossa verenkierto ja kudoshapettuminen ovat merkittävästi alentuneita. Tila muodostuu tyypillisesti hoitamattoman, tai huonosti hoitotasapainossa olevan perifeerisen valtimosairauden edetessä. Krooninen alaraajaiskemia voi kohdistua yhteen tai useampaan alaraajan suureen valtimoon tai valtimohaaraan. Alaraaja voidaan jakaa valtimorakenteen perusteella useaan eri perfuusioalueeseen, jossa kukin alue saa verenkiertonsa edellämainituista, yksittäisistä valtimoista. Tätä jakoa kutsutaan verisuonikirurgiassa angiosomikonseptiksi. Jako on useasta eri syystä suuntaa antava, mutta siitä huolimatta hyödyllinen kun arvioidaan tietyn kudosalueen ja sitä ruokkivan valtimon tilojen yhteyttä, etenkin kriittisen iskemian tapauksessa.

Tämän työn tavoitteina on tutkia lämpökuvantamisen potentiaalia alaraajaiskemian arvioinnissa ja mahdollisesti sairauden diagnosoinnissa. Työ keskittyy pääasiassa aikariippuvaiseen lämpökuvantamisanalyysiin modulaatiotestien aikana, poiketen perinteisistä, yksittäisiä kuvia arvioivista menetelmistä. Työssä tätä kuvantamistapaa kutsutaan dynaamiseksi lämpökuvantamiseksi.

Työ on jaettu neljään osajulkaisuun, joissa ensimmäisessä keskitytään olemassa olevien dynaamisten menetelmien käyttökelpoisuuteen, sekä uusien analysointimenetelmien kehittämiseen. Vastaavia dynaamisia menetelmiä on tutkittu verraten vähän ja saatavilla olevat analysointityökalut ovat harvassa. Tämän vuoksi ensimmäisessä osajulkaisussa menetelmäkartoitus toteutettiin rakentamalla analysointiohjelmisto, jonka työnkulkuun potentiaaliset menetelmät ovat sisäänrakennettuina. Menetelmiä testataan edelleen kliinisessä ympäristössä, työn toisessa julkaisussa. Julkaisussa luodaan yhteys dynaamisille parametreille sekä kliinisille nilkka- ja varvas- olkavarsipainesuhteiden referenssimittauksille. Työn kolmannessa osajulkaisussa keskitytään kuvantamismenetelmän muihin vaikuttaviin tekijöihin terveessä verrokkiryhmässä. Potentiaalisia vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi tutkittavan ikä, sukupuoli, ylipaino, verenpaine ja lämpösäätelyyn vaikuttavat sairaudet. Näiden lisäksi mittauksiin vaikuttavat ympäristötekijät, kuten vaihtuva ympäristön lämpötila, kuvattavan kohteen emissiivisyys, ilmavirtaukset, hajalämpösäteily sekä ilmankosteus. Neljännessä osatyössä poiketaan hieman kolmessa ensimmäisissä osajulkaisuissa käytetyistä tekniikoista, tutkien ihon lämpötilan ja lähdevaltimoiden yhteyttä simulointimenetelmin. Osatyössä hyödynnetään kolmiulotteisen mallinnuksen, sekä yhdistettyjen fysiikoiden numeerisia ratkaisumenetelmiä suurten valtimoiden virtauksen, valtimo – kudos lämmösiirron, sekä biologisen kudoksen lämpömallinnukseen. Tutkimuksessa kehitetään ja esitellään metodologia sekä työnkulku standardoidun lääketieteellisen kuvantamisdatan muuntamiseksi simulointikelpoiseksi COMSOL- ympäristössä, sekä nostetaan esiin erittäin monimutkaisten geometrioiden konvertointiin liittyviä ongelmakohtia.

Dynaaminen lämpökuvantaminen on lääketieteessä suhteellisen uusi tutkimusmenetelmä, eikä käytössä olevia datan prosessointi- ja analysointimenetelmiä, tai hyväksyttyjä mittausmetodeja ole yleisesti saatavilla. Tämä työ tarjoaa avoimen koodin ympäristön dynaamisen lämpökuvantamisen tutkimuskäyttöön, etenkin lääketieteellisen tekniikan ja verisuonikirurgian alueilla. Työ myös ehdottaa ja implementoi joukon potentiaalisia analysointiparametreja sekä esittelee työnkulun lääketieteellisestä kuvadatasta johdettuihin, yksilöityihin simulointimalleihin. Tekniikka demonstroidaan työssä konseptin todistus -simulointimallin kautta.

Tutkimuksen kliinisessä pilottiosuudessa todettiin keskinkertaisesta - korkea negatiivinen lineaarinen korrelaatio kylmästimulaatiosta seuranneen lämpötilan palautumisen aikavakion, sekä kliinisten referenssimittausten välillä. Kolmannessa osajulkaisussa lämpötilan palautumisen aikavakio todettiin edelleen itsenäiseksi muuttujaksi suhteessa suurimpaan osaan edellämainituista, koehenkilöihin liittyvistä muista vaikuttavista tekijöistä, mukaanlukien verenpaine, painoindeksi ja biologinen suku- puoli. Koehenkilön iällä todettiin kuitenkin merkittävä positiivinen korrelaatio mediaalisten angiosomien aikavakioiden kanssa. Tutkimusten II-III perusteella voidaan myös todeta, että absoluuttinen lämpötila ei ole välttämättä yksittäin diagnostisesti merkittävä mittari alaraajan valtimosairauksia sairastavien potilaiden diagnosointiin, tai sairauden tilan arviointiin. Matalan taajuuden lämpötilamuutosten tehoanalyysissa todettiin potilasryhmillä alentunut tehosisältö endoteeli- ja hermostoperäisiä vaihteluita kuvaavien taajuuksien tiheysfunktioissa, verrattuna terveisiin verrokkeihin. Poikkeama todettiin kuitenkin vain yhdessä testivaiheessa. Lisäksi tutkimuksessa toisena modulaatiomenetelmänä käytetyn hydrostaattisen modulaation ei todettu vahvistavan tai tuovan esiin patofysiologisista poikkeamista mahdollisesti johtuvia lämpötilamuutoksia.

Tutkimuksessa nostetaan esiin ympäristön olosuhteiden merkittävä vaikutus mittaustuloksiin, sekä yksilöiden välisen luonnollisen vaihtelun merkitys menetelmän kelpoisuuteen mitata pieniä lämpötilamuutoksia. Kyseisten häiriötekijöiden kompensointi, tai vähintäänkin arviointi, ovat tärkeimpiä huomioitavia tekijöitä tulevaisuuden tutkimustyössä. Tämän lisäksi, käytetyn kuvantamisvälineistön tekninen tarkkuus ja herkkyys eivät välttämättä ole riittäviä erottelemaan sairauden eri vaiheiden aiheuttamia vähäisiä muutoksia lämpötilajakaumissa. Dynaamisen lämpökuvantamisen todellinen kliininen hyöty ja alaraajavaltimosairauksien diagnostinen merkitys on edelleen epäselvää, eikä työssä esitettyjen menetelmien toimivuutta voida osoittaa aukottomasti ilman lisätutkimuksia.

Chronic limb-threatening ischemia (CLTI) is a serious medical complication, where the blood perfusion and tissue oxygen delivery are substantially impaired for the affected lower limb. The condition is typically formed as an advanced stage of un- treated peripheral arterial disease and usually affects one or more of the main lower limb arteries or main artery branches. The lower limb can be divided into distinct perfusion areas according to the arterial tree anatomy, known as the angiosome concept, where each anatomical area is sourced mainly by a single source artery. This coarse, yet useful division provides means for non-invasive assessment of the source artery state, corresponding to spatially segmented skin locations. This work is based on four publications, Studies I-IV, which investigate the utility of thermal imaging in the diagnostics of vascular conditions and especially, for CLTI. The work focuses mainly on spatiotemporal analysis during thermal and hydrostatic modulation. In this work, the method is referred to as dynamic thermal imaging, an extension of the traditional steady-state measurements.

Dynamic thermal imaging is a relatively new technique in clinical research, thus currently lacking standardized research tools or methodology. The first and second parts of this work focus on developing and testing potential tools and such method- ologies for dynamic thermal imaging, establishing a connection between thermal modulation tests and current clinical parameters for CLTI diagnostics. Study III proceeds with the methodology and dynamic parameters, introduced in Studies I and II, and applies them to healthy individuals to find the dependency between the thermal recovery time constant and subject-specific confounding factors. Such factors are age, blood pressure, body-mass index, and sex. Study IV presents a blood flow-thermal multiphysics simulation model for the lower limb, based on clinical imaging data, aiming toward individualized simulation models. The study also suggests a method- ology for converting the clinical imaging data to a simulation-compatible form.

The clinical pilot in Study II found a moderate to high linear correlation between the recovery time constant, and ankle-brachial and toe-brachial indices, currently used in the clinical assessment. The thermal recovery time constant was found to be relatively independent from most of the confounding factors, excluding patient age with respect to the observed recovery, especially in the medial angiosomes. The data also suggests that absolute temperatures, frequently used as an indication for PAD or CLTI, might be a poor diagnostic metric due to the altering thermal expression through the development of the disease and high inter-individual variation. The spectral analysis results indicated decreased endothelial and neurogenic spectral band powers for CLTI and claudication patients when compared to healthy individuals. Although, the statistical significance cannot be properly assessed from the pilot data. Additionally, the hydrostatic modulation test did not induce detectable thermal changes, nor showed any correlation with the clinical reference measurements nor with the clinical status in any test parameters, including the spectral band power analysis. The observed inter-individual thermal variation depends on various factors, for which at least age and extensive clinical background should be accounted for in future research. Additionally, environmental factors such as ambient temperature and humidity should be strictly controlled. The true usefulness of thermal and dynamic thermal imaging for diagnostic purposes remains uncertain and requires further research and validation.