Earlybird: A new approach to vascular assessment

Abstract

The aim of the thesis was to explore and identify possible clinical applications within vascular health for a novel, high-sensitivity, ultrasound Doppler system (earlybird). The unit was developed by Professor Hans Torp, at the Department of Circulation and Imaging, NTNU. Earlybird consists of an ultrasound probe with a relatively large area, scanner, and a customized user interface. The device is designed to monitor peripheral blood flow simultaneously and continuous in a depth down to 40 mm. It allows easy placement over vessel structures of interest. The Earlybird project is part of a larger innovation and commercialization process of the underlying ultrasound technology, which includes other clinical applications. In a proof-of-concept study (study I, paper I), it was demonstrated that earlybird correlates well with laser Doppler flowmetry and pulsed-wave Doppler to assess microcirculatory function in healthy subjects 3. This study validates earlybird’s ability to assess peripheral blood circulation. The second study (study II, paper II and III) includes an innovational treatment-device (FlowOx™) for patients with peripheral arterial disease. A proportion of patients with intermittent claudication, are not able to participate in exercise programs due to lack of motivation or comorbidity. FlowOx™ incorporates intermittent negative pressure (INP) to increase peripheral blood circulation. In a randomized sham-controlled trial, patients with intermittent claudication were treated for 12 weeks with either 40 mmHg or 10 mmHg INP. A mean treatment effect of increase in pain-free walking distance of 50 meters was found, in favor of the 40 mmHg INP treatment group (paper II) 4. Earlybird-recordings were used to explore secondary outcomes (paper III). An immediate increase in blood flow velocities was observed during the INP treatment. Analyses of flowmotion characteristics of endothelial, sympathetic, and myogenic activity, showed a difference in change of myogenic activity between the groups after 12 weeks of treatment with INP. This finding suggests an involvement of vascular smooth muscle cells of the arterioles, and it may contribute to the understanding of the mechanism of action of INP. The ability of earlybird to monitor and assess blood flow velocities, was confirmed in patients with peripheral arterial disease. In a pilot study (study III, congress abstract I) blood flow velocities were monitored during an endovascular procedure. Earlybird detects changes in blood flow velocities in real-time. Earlybird could be a valuable tool for periprocedural decision making, to guide the clinician in what extent to revascularize a limb 5. Further studies are needed to determine hemodynamic properties that can be associated with clinical endpoints. Although controversial, the surveillance of volume flow rate (VFR) in arteriovenous fistulas (AVF) for hemodialysis could increase their patency. Earlybird’s ability to be a potential future tool for surveillance of VFR in AVFs was evaluated in an experimental and clinical setting (study IV, paper IV). VFR-measurements were automatically derived from earlybird’s flow velocity recordings, and was compared to duplex ultrasound, and calibrated VFR. Earlybird was found to be a feasible tool for evaluating VFR in AVFs, with a strong correlation and good agreement between the methods used 6. Further development, especially to overcome the limitations with angle dependency, may increase user-friendliness and further improve the accuracy. Earlybird could be a potential valuable tool for surveillance of VFR. FlowOx™ is a promising device, supplementary to standard care of peripheral arterial disease. Earlybird has been demonstrated to be a feasible device to assess blood flow in healthy individuals, as well as in patients with a range of clinical challenges within the broad segment of vascular disease. Earlybird could be a future tool for clinical decision making during endovascular treatment and a future promising tool for surveillance of hemodialytic vascular access. Further technical and software development of earlybird, may increase user-friendliness and allow for a wide range of clinical applications.

Norsk sammendrag Formålet med doktorgradsarbeidet var å utforske mulige kliniske bruksområder innenfor karhelse for et nyutviklet, høy-sensitivt, ultralyd Doppler system (earlybird). Enheten er utviklet ved Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU, ved professor Hans Torp. Earlybird består av ulike ultralydprober med et relativt stort areal, en skanner og et tilpasset brukergrensesnitt. Egenskapene gjør den enkel å plassere over karstrukturer av interesse. Earlybird-prosjektet er del av en større innovasjon- og kommersialiserings-prosess av den underliggende ultralyd-teknologien, som omfatter andre kliniske bruksområder. I studie I ble earlybird sammenlignet med laser og pulset Doppler. Friske personer ble utsatt for ulike fysiologiske tester som igangsetter en vasomotorisk respons. Det ble funnet en god overenstemmelse mellom de ulike målemetodene (artikkel I). Earlybird virker til å kunne fange opp endringer i perifer blodgjennomstrømning hos friske personer. I studie II, inkluderte man en behandlingsmetode som tar i bruk intermitterende undertrykk (FlowOx™) for å behandle pasienter med redusert blodgjennomstrømning til beina. En del av pasientene med anstrengelsesutløste gangsmerter er ikke i stand til å delta i anbefalte treningsprogram, og det er derfor interessant å vurdere ikkeinvasive behandlingsmetoder. I denne randomiserte studien var 63 pasienter tilgjengelige for vurdering etter endt oppfølgingstid. Det ble funnet at pasienter som ble behandlet i 12 uker med 40 mmHg intermitterende undertrykk hadde 50 meter gjennomsnittlig økning i smertefri gangdistanse, sammenlignet med de som ble behandlet med 10 mmHg (artikkel II). For å vurdere sekundære utfall av studien (artikkel III) ble målinger av blodstrømshastigheter, målt med earlybird, gjennomført før og etter den 12-ukers lange behandlingsperioden. Man fikk gode og pålitelige målinger av blodgjennomstrømningen. Dette viser at earlybird også kan måle endring i blodsirkulasjon hos pasienter med perifer arteriell sykdom. Målingen ble brukt til å analysere effekter på blodstrømmen, forårsaket av behandling med intermitterende undertrykk. Det ble bekreftet at intermitterende undertrykksbehandling gir en umiddelbar økning i blodstrømshastigheten. Det kan også virke som om den positive effekten sett ved behandling med FlowOx™, delvis kan forklares av økt aktivitet av glattmuskulatur i karveggen tilsvarende arteriolene. Blodstrømshastigheter ble overvåket i sanntid med earlybird i det aktuelle beinet som gjennomgikk endovaskulær behandling (studie III, kongress abstrakt I). Først etter ballong-dilatasjon av en stent, plassert i en bekkenokklusjon, får man en økning i blodstrøm. Earlybird kan være et nyttig verktøy for peroperativ klinisk beslutningsstøtte. Imidlertid er det nødvendig med flere studier for å vurdere hvilke hemodynamiske parametere og terskelverdier som kan forutsi kliniske endepunkter. I studie IV har man vist at earlybird kan være et fremtidig verktøy til å måle blodstrøm i arteriovenøse fistler til bruk for hemodialyse (artikkel IV). Selv om det er vist at overvåkning av arteriovenøse fistler kan redusere tromboseringsraten, diskuteres nytteverdien av slike overvåkningsregimer. Det er foreslått at analyse av blodstrømstrender kan være nyttige. Den største begrensningen til earlybird vil være at den ikke tillater vinkelkorrigering av blodstrømshastigheten. Videreutvikling av earlybird, spesielt med tanke på å gjøre den vinkeluavhengig, vil kunne øke brukervennligheten og forbedre nøyaktigheten. Earlybird har vist seg å kunne måle og overvåke perifer blodsirkulasjon. Earlybird kan være et potensielt fremtidig verktøy for klinisk beslutningsstøtte under endovaskulære behandling og for overvåkning av arteriovenøse fistler brukt som tilgang til hemodialyse. Ytterligere utvikling av den underliggende teknologien og programvare vil kunne øke brukervennligheten og medføre tilpasning av earlybird til et bredt spekter av kliniske bruksområder.