The role of contemporary imaging modalities in characterizing chronic total occlusions of peripheral arteries and assessing their endovascular therapy

Abstract

Chronic Total Occlusions (CTOs) of peripheral arteries are defined as complete blockages of blood flow that have been present for at least three months. These occlusions are characterized by heavy plaque buildup that hardens and calcifies over time. CTOs commonly occur in coronary and peripheral arteries, leading to severe clinical manifestations such as chest pain or claudication, limb ischemia and even amputation, respectively. These lesions are complex forms of Peripheral Artery Disease (PAD) that are particularly difficult to manage due to their dense and calcified nature which may often complicate or prevent successful revascularization using standard endovascular procedures. The inability to effectively visualize and characterize the occlusion usually leads to endovascular treatment complications or failure. Imaging techniques are crucial for managing CTOs, with Computed Tomography Angiography (CTA) and Magnetic Resonance Angiography (MRA) playing key roles in treatment planning. These modalities, however, have limitations in providing detailed insights into lesion characteristics, particularly in differentiating between various plaque components essential for selecting optimal therapeutic strategies. Moreover, anatomical classification systems like Trans-Atlantic Inter-Society Consensus Document (TASC), Global Limb Anatomic Staging System (GLASS), and CTO plaque cap morphology (CTOP), while useful, do not consistently offer precise information on lesion characteristics or reliably predict treatment outcomes. There is a significant gap in both current imaging capabilities and classification systems, underscoring the urgent need for advanced imaging solutions. These solutions must provide more accurate and comprehensive assessments of CTO composition to enhance treatment planning and clinical results. The aim of this PhD was to evaluate the efficacy of novel imaging techniques such as Dual-Energy Computed Tomography (DECT) in accurately characterizing the composition of CTOs, while simultaneously developing a predictive model based on lesion morphological characteristics and demographic characteristics. This approach could potentially enhance treatment planning by providing a more precise and personalized assessment, improving clinical outcomes for patients with PAD. DECT has proven to be a valuable tool in the study conducted for this PhD, demonstrating its ability to differentiate between calcified and non-calcified plaque components through its quantitative analysis capabilities. The research utilized specific DECT metrics such as the Effective Atomic Number (Zeff) and the Dual-Energy Index (DEI), derived from pre-procedural DECT-CTO examinations. The findings indicated that higher values of Zeff and DEI, which signify denser and harder plaques, are associated with increased procedural complexity and duration. This hypothesis was thoroughly investigated and confirmed by strong correlations between DECT values and various procedural characteristics, including the difficulty of crossing the lesion, the procedural time required, and the use of specialized materials for CTOs. These insights highlight DECT's potential to significantly enhance the planning and execution of endovascular interventions for Chronic Total Occlusions. Furthermore, in the context of this study a novel predictive model (EVACROSS-CTO) specifically developed to enhance the planning of endovascular treatments for CTOs. This scoring system was crafted by analyzing pre-procedural CTA data alongside demographic and clinical characteristics. The development process involved a comprehensive examination of CTA images to extract detailed morphological features of the CTOs, such as length, calcification extent, and location. These features, combined with patient-specific data such as age, history of diabetes, and endovascular treatment outcome, were used to create a multivariable logistic regression model. The resulting score from this model provided a numerical value that predicts the procedural difficulty and potential success of endovascular treatments. The score's effectiveness was validated through a series of retrospective studies, comparing its predictive accuracy against actual procedural outcomes. This validation confirmed that higher EVACROSS-CTO scores correlate with increased procedural challenges and complexity, aiding clinicians in better preparing for and potentially modifying their intervention strategies based on the predicted difficulty level. This study contributes to the field of vascular medicine by enhancing the understanding and management of CTOs in peripheral arteries. By integrating advanced imaging techniques like DECT and developing the predictive EVACROSS-CTO score, the research offers valuable tools for clinicians to more accurately assess and plan endovascular treatments. These advancements could potentially reduce procedural complications, tailor interventions to individual patient profiles, and ultimately improve outcomes for patients suffering from this severe form of PAD. Looking forward, the methodologies developed in this study set a foundation for future research to further refine imaging and predictive capabilities, potentially incorporating artificial intelligence to analyze imaging data and predict treatment outcomes with even greater accuracy. This progressive approach to diagnosing and treating CTOs could pave the way for more personalized, effective, and minimally invasive therapies, transforming patient care.

Χρόνια Ολική Απόφραξη (CTO) των περιφερικών αρτηριών ορίζεται η πλήρης διακοπή της αιματικής ροής για διάστημα μεγαλύτερο των τριών μηνών. Ιδιαιτερότητα αυτών των αποφράξεων αποτελεί η μεγάλη συσσώρευση αθηρωματικού φορτίου το οποίο σκληραίνει και επασβεστώνεται με την πάροδο του χρόνου. Οι εν λόγω αλλοιώσεις μπορούν να εντοπιστούν τόσο στα στεφανιαία αγγεία όσο και στις περιφερικές αρτηρίες. Συχνά σχετίζονται με ανάπτυξη κλινικών συμβαμάτων όπως το θωρακικό άλγος στην πρώτη περίπτωση, καθώς και η διαλείπουσα χωλότητα και η κρίσιμη ισχαιμία που μπορεί να οδηγήσει έως και στον ακρωτηριασμό στην περίπτωση των περιφερικών αποφράξεων. Οι CTOs αποτελούν την πιο σύνθετη μορφή Περιφερικής Αρτηριακής Νόσου (ΠΑΝ) οι οποίες είναι συχνά δύσκολο να αντιμετωπιστούν με τη χρήση των ενδαγγειακών τεχνικών λόγω της πυκνής και αποτιτανωμένης σύνθεσής τους που εμποδίζει την επιτυχή επαναγγείωση. Η αδυναμία λεπτομερούς απεικόνισης και χαρακτηρισμού της σύνθεσης του σώματος της απόφραξης με συμβατικές τεχνικές όπως η Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία οδηγεί συχνά σε επιπλοκές και αποτυχία της ενδαγγειακής επέμβασης. Ο ρόλος των σύγχρονων απεικονιστικών τεχνικών είναι καίριος για την αποτελεσματική διαχείριση των Χρόνιων Ολικών Αποφράξεων, με την Αξονική Αγγειογραφία (CTA) και την Μαγνητική Αγγειογραφία (MRA) να αποτελούν δύο χρήσιμες αναίμακτες τεχνικές για τον σχεδιασμό της θεραπευτικής παρέμβασης. Αν και αυτές οι απεικονιστικές μέθοδοι είναι χρήσιμες, έχουν περιορισμούς στην παροχή λεπτομερών πληροφοριών που αφορούν στα χαρακτηριστικά των αποφράξεων, ιδιαίτερα στη διάκριση των διαφόρων συστατικών της αθηρωματικής πλάκας, η γνώση των οποίων είναι χρήσιμη για την επιλογή των βέλτιστων θεραπευτικών στρατηγικών. Επιπλέον, τα συστήματα ανατομικής ταξινόμησης, όπως το Trans-Atlantic Inter-Society Consensus Document (TASC), το Global Limb Anatomic Staging System (GLASS) και η κατηγοριοποίηση της μορφολογίας των άκρων της απόφραξης (CTOP), αν και χρήσιμα, δεν παρέχουν πάντα ακριβείς πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά των βλαβών ή δεν προβλέπουν αξιόπιστα τα θεραπευτικά αποτελέσματα. Υπάρχει ένα σημαντικό κενό τόσο στις υπάρχουσες απεικονιστικές δυνατότητες όσο και στα συστήματα ταξινόμησης, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για καινούργιες και πιο αποτελεσματικές λύσεις. Αυτές θα πρέπει να παρέχουν ακριβέστερες και πιο λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση και τα χαρακτηριστικά των CTOs, ώστε να βελτιώσουμε τον σχεδιασμό της θεραπευτικής αντιμετώπισης και τα κλινικά αποτελέσματα.Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των νέων απεικονιστικών τεχνικών όπως η Υπολογιστική Τομογραφία Διπλής Ενέργειας (DECT) στον ακριβή χαρακτηρισμό της σύνθεσης των CTOs. Παράλληλος στόχος ήταν η δημιουργία ενός προγνωστικού μοντέλου βασισμένο στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των αποφράξεων καθώς και σε άλλα χαρακτηριστικά των ασθενών. Οι μέθοδοι αυτές θα μπορούσαν ενδεχομένως να συμβάλλουν στον αποτελεσματικότερο προεγχειρητικό σχεδιασμό παρέχοντας μια πιο ακριβή και εξατομικευμένη αξιολόγηση και βελτιώνοντας τα κλινικά αποτελέσματα για τους ασθενείς με ΠΑΝ. Η DECT αποδείχθηκε χρήσιμο εργαλείο στη μελέτη, δείχνοντας την ικανότητά της να διακρίνει μεταξύ ασβεστοποιημένων και μη ασβεστοποιημένων συστατικών της πλάκας μέσω των ποσοτικών δυνατοτήτων ανάλυσης. Στην έρευνα χρησιμοποιήσαμε παραμέτρους όπως ο Ενεργός Ατομικός Αριθμός (Zeff) και ο Δείκτης Διπλής Ενέργειας (DEI), που προέκυψαν από τις προεγχειρητικές εξετάσεις DECT των ασθενών που συμπεριελήφθησαν στη μελέτη. Τα ευρήματα έδειξαν ότι υψηλότερες τιμές Zeff και DEI, υποδεικνύουν πιο πυκνές και σκληρές αποφράξεις, ενώ συνδέονται με αυξημένη επεμβατική δυσκολία και αυξημένη διάρκεια επέμβασης. Αυτή η υπόθεση διερευνήθηκε διεξοδικά και επιβεβαιώθηκε από ισχυρές συσχετίσεις μεταξύ των παραμέτρων Zeff/DEI και της δυσκολίας διέλευσης του οδηγού σύρματος δια της απόφραξης, αλλά και του χρόνου που απαιτήθηκε για να επιτευχθεί ο καθετηριασμός της βλάβης. Παράλληλα οι παράμετροι αυτές συσχετίστηκαν και με την ανάγκη χρήσης εξειδικευμένων υλικών για CTOs. Επιπλέον, στο πλαίσιο αυτής της μελέτης, αναπτύχθηκε ένα νέο προγνωστικό μοντέλο (EVACROSS-CTO) εξειδικευμένο για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό των ενδαγγειακών θεραπειών σε αρτηριακές αποφράξεις της επιπολής μηριαίας αρτηρίας και της ιγνυακής αρτηρίας. Αυτό το σύστημα βαθμολόγησης αναπτύχθηκε αναλύοντας δεδομένα από προεγχειρητικές CTA συνδυάζοντάς τα με δημογραφικά και κλινικά χαρακτηριστικά. Η διαδικασία περιελάβανε εξέταση των εικόνων CTA από δύο ιατρούς και τη λεπτομερή διερεύνηση των μορφολογικών χαρακτηριστικών των αποφράξεων, όπως το μήκος, το φορτίο ασβεστίου και την εντόπιση. Αυτά τα χαρακτηριστικά, σε συνδυασμό με δεδομένα όπως η ηλικία των ασθενών, το ιστορικό διαβήτη και το αποτέλεσμα της ενδαγγειακής θεραπείας, χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία ενός πολυμεταβλητού λογιστικού μοντέλου. Η βαθμολογία που προέκυψε από αυτό το μοντέλο παρείχε μια αριθμητική τιμή που προέβλεπε τη δυσκολία της διαδικασίας και την πιθανή επιτυχία των ενδαγγειακών θεραπειών. Η αποτελεσματικότητα του μοντέλου επιβεβαιώθηκε συγκρίνοντας την προγνωστική του ακρίβεια με τα πραγματικά αποτελέσματα περιστατικών που μελετήθηκαν αναδρομικά. Έτσι επιβεβαιώθηκε πως υψηλότερες τιμές EVACROSS-CTO συσχετίζονται με αυξημένη δυσκολία της ενδαγγειακής επέμβασης και πιθανότητα αποτυχίας, βοηθώντας τους κλινικούς γιατρούς να προετοιμαστούν καλύτερα και να τροποποιήσουν ενδεχομένως τις παρεμβάσεις τους με βάση το προβλεπόμενο επίπεδο δυσκολίας. Αυτή η μελέτη συμβάλλει σημαντικά στην αντιμετώπιση των χρόνιων ολικών αποφράξεων, ενισχύοντας την κατανόηση μας και βοηθώντας στον θεραπευτικό σχεδιασμό. Με την ενσωμάτωση προηγμένων απεικονιστικών τεχνικών όπως η DECT και την ανάπτυξη του προγνωστικού μοντέλου EVACROSS-CTO, προσφέρονται πολύτιμα εργαλεία στους κλινικούς γιατρούς για να αξιολογήσουν και να σχεδιάσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις ενδαγγειακές θεραπείες. Αυτές οι μέθοδοι δίνουν τη δυνατότητα μείωσης των επιπλοκών ενώ μας βοηθούν να προσαρμόσουμε τις παρεμβάσεις στα ατομικά χαρακτηριστικά του κάθε ασθενή και τελικά να βελτιώσουμε την αποτελεσματικότητα των θεραπειών μας. Ευελπιστούμε πως στο μέλλον, οι μέθοδοι αυτές θα αποτελέσουν τα θεμέλια για έρευνα η οποία θα συνεχίσει να βελτιώνει τις απεικονιστικές και προγνωστικές δυνατότητές τους, ενδεχομένως με την ενσωμάτωση της τεχνητής νοημοσύνης για ταχύτερη και ακριβέστερη ανάλυση των απεικονιστικών δεδομένων, αλλά και για την πιο αξιόπιστη πρόβλεψη των αποτελεσμάτων της ενδαγγειακή θεραπείας. Αυτή η προσέγγιση στη διάγνωση και θεραπεία των CTOs θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για πιο εξατομικευμένη, αποτελεσματική και ελάχιστα επεμβατική αντιμετώπιση.