Vergleich von hyperspektraler Bildgebung und Mikro-Doppler-Sonografie zum Perfusionsmonitoring mikrovaskulärer Transplantate in einem in-vivo Kleintier-Modell¹

Philipp Becker ^{a, b, 2}, Sebastian Blatt ^{b, 2}, Andreas Pabst ^{a, b}, Diana Heimes ^b, Bilal Al-Nawas ^b,
Peer W. Kämmerer ^{b, 2}, Daniel G. E. Thiem ^{b, 2}

¹ Die vorliegende Arbeit wurde bereits im Journal of Clinical Medicine publiziert:

^a Bundeswehrzentralkrankenhaus Koblenz, Klinik VII – Mund-, Kiefer- und plastische Gesichtschirurgie

^b Universitätsmedizin Mainz, Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Plastische Operationen

Einleitung

Mikrovaskuläre Transplantate sind ein Standardverfahren der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, um Gewebedefekte nach Unfall- und Explosionsverletzungen, Tumoroperationen oder Verbrennungen funktionell und ästhetisch zu rekonstruieren. Für Weichteilrekonstruktionen stehen z. B. der Radialis-Lappen oder der anterolaterale Oberschenkel-Lappen zur Verfügung. Wenn eine knöcherne Rekonstruktion erforderlich ist, kann ein Fibula-, Scapula- oder mikrovaskuläres Beckenkamm-Transplantat verwendet werden, wobei abhängig von der Art des mikrovaskulären Transplantats Erfolgsraten von über 95 % erreicht werden [1][9][17][19][25].

Trotz der hohen Erfolgswahrscheinlichkeit treten regelmäßig Komplikationen auf, die zu einem komplettem Transplantatverlust führen können [27]. Dabei ist die venöse Insuffizienz die häufigste Komplikation. Arterielle Perfusionsstörungen hingegen sind aufgrund der schlechteren Revisions-Prognose die häufigste Ursache für einen Transplantatverlust [18][29]. Ein engmaschiges Monitoring ist obligat, um Perfusionsprobleme frühestmöglich zu erkennen und intervenieren zu können, bevor irreversible Schäden am Transplantat auftreten [24]. Zu diesem Zweck wurden Monitoring-Methoden, wie z. B. verschiedene Doppler-Verfahren, Nahinfrarotspektroskopie, Mikrodialyse oder Gewebeoxymetrie, etabliert,

wobei die klinische Beurteilung immer noch der Goldstandard des Transplantatmonitorings ist [3][8][10].

Ein wesentlicher Nachteil der klinischen Beurteilung ist die Untersucherabhängigkeit, die objektive klinische Kriterien nur bedingt erfassen kann. Daneben ist Expertise des Untersuchers erforderlich, um eine geeignete Aussage über den Transplantatstatus treffen zu können. Erfahrene Spezialisten stehen im Rahmen des postoperativen Transplantatmonitorings nicht uneingeschränkt zur Verfügung, wodurch valide, gerätebasierte Monitoring-Methoden den weniger erfahrenen Untersucher bei der Interpretation des klinischen Transplantatstatus unterstützen können [25]. Ein seit Jahrzehnten angewandtes Verfahren ist das Monitoring mit der implantierbaren Mikro-Doppler-Sonografie (Cook-Swartz-Doppler) [23]. Mithilfe eines Cook-Swartz-Dopplers kann im Vergleich zur klinischen Beurteilung eine höhere Erfolgsrate bei mikrovaskulären Transplantaten erzielt werden. Eine mögliche Limitation kann in einer höheren Rate falsch-positiver Ergebnisse gesehen werden, was zu unnötigen Revisionsoperationen führen kann [4][6]. Zusätzlich ist die Methode invasiv.

Durch die ständige Weiterentwicklung von Monitoring-Methoden wird versucht, den Limitationen der bereits etablierten Monitoring-Methoden entgegenzuwirken. Die hyperspektrale Bildgebung ist dabei ein kontaktloses bildgebendes Verfahren für medizinische Anwendungen, das für die Messung der Gewebeperfusion und Sauerstoffversorgung entwickelt wurde und so bereits zur Beurteilung unterschiedlicher Krankheitsbilder wie Verbrennungen, Ulzera, Wundanalysen und auch beim Transplantatmonitoring zur Anwendung kommt [2][13][14][21][30]. Die hyperspektrale Bildgebung basiert auf der Auswertung von Spektren elektromagnetischer Wellenstrahlung im sichtbaren- und Nahinfrarotbereich, die von einzelnen Gewebemolekülen remittiert werden. Charakteristische Absorptionsspektren von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin lassen eine Berechnung hämoglobinbasierter Parameter zu, die eine Aussage über die aktuelle Gewebeperfusion liefern. Die hyperspektrale Bildgebung kann als untersucherunabhängiges, nicht-invasives und nicht-ionisierendes Verfahren als eine Monitoring-Methode für die intra- und postoperative Beurteilung mikrovaskulärer Transplantate dienen [5][7][25].

Bisher gibt es keine Studie, die die hyperspektrale Bildgebung quantitativ mit einer anderen gerätebasierten Methode zum Monitoring mikrovaskulärer Transplantate prä-, intra- und postoperativ in einem standardisierten Modell verglichen hat. In dieser Arbeit sollen absolute Messparameter der hyperspektralen Bildgebung mit absoluten Messparametern der Mikro-Doppler-Sonografie verglichen und korreliert werden. Das Ziel dieser Studie ist es, die hyperspektrale Bildgebung (HSI) im Vergleich zur Mikro-Doppler-Sonografie (MDS) zum Perfusionsmonitoring mikrovaskulärer Transplantate in einem in-­vivo-Kleintiermodell an Ratten zu evaluieren.

Material und Methoden

Sprague-Dawley-Ratten (N = 20, männlich, ± 12 Wochen alt, mit einem Gewicht zwischen 300 und 500 g) wurden unter Standardbedingungen gehalten. Der Umgang mit den Tieren, die Haltung und die Versuchsdurchführung entsprachen den Vorgaben des Deutschen Tierschutzgesetzes und den ARRIVE (Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments) Guidelines (National Centre for the Replacement, Refinement and Reduction of Animals in Research, London, Großbritannien). Die Versuche wurden von der zuständigen Behörde (Landesuntersuchungsamt, Referat 23, Koblenz) genehmigt (G 19–1-078). Zur Analgesie erfolgte eine intraperitoneale Injektion von Buprenorphin (0,1 mg/kg Körpergewicht) 30 min vor der Operation, zur Anästhesieeinleitung (Isofluran 3–4 %) und -aufrechterhaltung (Isofluran 1–2 %) eine Isofluran-Inhalationsnarkose.

Bei den Tieren wurden bilateral adipokutane Leistenlappen präpariert (medial-lateral 3 cm und kaudal-cranial 4 cm, Abbildungen 1und 2) [22]. Nach Hautinzision wurden A. und V. femoralis und A. sowie die V. epigastrica superficialis aufgesucht und davon ausgehend ein an diesen Gefäßen gestieltes Transplantat präpariert, das über die A. und V. epigastrica superficialis ausschließlich aus der A. femoralis gespeist wird. Die A. femoralis wurde auf der rechten Seite durchtrennt und mittels mikrovaskulärer Naht (10–0) re-anastomosiert. Im gleichen Zeitraum wurde die A. femoralis der linken Seite ausschließlich abgeklemmt.

Abb. 1: Klinischer Situs nach Transplantatpräparation und Anastomosierung der A. femoralis mittels mikrovaskulärer Naht. * zeigt die Hautinsel des Leistenlappens, der gelbe Pfeil den Gefäßstil aus A. und V. epigastrica superficialis, der weiße Pfeil die A. und der schwarze Pfeil die V. femoralis. Für detailliertere Informationen zu den Modellen siehe Wallmichrath et al. [28].

Abb. 2: Versuchsaufbau (erstellt mit bioRender.com)

Die Transplantate und die Anastomosen wurden vor, während und nach der Ischämie alle 10 min für einen Nachbeobachtungszeitraum von insgesamt 60 min mit der hyperspektralen Bildgebung und der Mikro-Doppler-Sonografie gemonitort. Die Transplantate der linken Seite dienten dabei als Kontrollen.

Gewebesauerstoffsättigung (StO₂), NIR Perfusion Index (NPI), Hämoglobin- (THI) und Wasserverteilung (TWI) wurden mithilfe der hyperspektralen Bildgebung im Bereich der Hautinsel des Transplantats gemessen, während das arterielle Mikro-Doppler-Signal direkt distal der Anastomose abgeleitet wurde (Abbildungen 2 und 3).

Abb. 3: Klinische Fotos (A) und Messungen der HSI (B) und MDS (C) während des Versuchsablaufs zu den Zeitpunkten t0, t1, t2, t3, t4

Ergebnisse

Nach Durchtrennen bzw. Abklemmen der A. femoralis (t2) waren die Messwerte der HSI und MDS signifikant reduziert und stiegen nach Reperfusion wieder auf Ausgangsniveau an (p < 0.05). Bei suffizienter und vollständig unterbrochener Perfusion korrelierten die Ergebnisse beider Verfahren.Insgesamt nahmen die hyperspektralen Mikrozirkulationsparameter StO₂ und NPI von 40 min nach Reperfusion (t7) bis einschließlich t9 signifikant (p < 0.05) ab. Es gab keine entsprechenden Änderungen in den verschiedenen Mikro-Doppler-Parametern (maximale und mittlere Doppler-Frequenz, RI und PI) von t7 bis t9 (Abbildung 4).

Abb. 4: Vergleich von hyperspektraler HSI und MDS:

Ab dem Zeitpunkt t7 gab die HSI eine signifikant reduzierte Perfusion an, während die MDS keine Veränderungen des Flusssignals im Vergleich zum Reperfusionswert anzeigte.

Diskussion

Das Ziel dieser Arbeit war der Vergleich der hyperspektralen Bildgebung mit der Mikro-Doppler-Sonografie zum Perfusionsmonitoring mikrovaskulär anastomosierter Leistenlappen in einem in-vivo-Kleintiermodell an Ratten. Das „rat groin flap“-Modell wurde 1967 von Strauch und Murray entwickelt [22]. Die Versuchsdurchführung ist mit einer eher geringen Belastung der Tiere verbunden und wurde in zahlreichen Hämodynamik-Studien untersucht [15][16][28]. Das an A. und V. epigastrica superficialis gestielte, spindelförmige, adipokutane Transplantat wird ausschließlich über die A. femoralis gespeist. Bereits 1986 wurde die Möglichkeit der perioperativen Beurteilung von Anastomosen mikrovaskulärer Transplantate mithilfe der Mikro-Doppler-Sonografie anhand dieses Tiermodells nachgewiesen [20]. Ein Vorteil besteht darin, dass die Perfusionsunterbrechung der A. femoralis mit einer vollständigen Perfusionsunterbrechung des Leistenlappens einhergeht, was in dieser Arbeit sowohl durch die hyperspektrale Bildgebung als auch durch die Mikro-Doppler-Sonografie bestätigt werden konnte.

Insgesamt konnten die Ergebnisse zeigen, dass die hyperspektrale Bildgebung zum Perfusionsmonitoring geeignet sein kann und der etablierten Methode der Mikro-Doppler-Sonografie nicht unterlegen zu sein scheint. Bei suffizienter und vollständig unterbrochener Perfusion korrelierten die Ergebnisse beider Verfahren. Sowohl die Perfusionsunterbrechung (t2) als auch die Reperfusion nach Anastomosierung im Bereich der zuführenden A. femoralis wurde von der hyperspektralen Bildgebung im Bereich der Hautinsel nahezu verzögerungsfrei und ausnahmslos detektiert, was auf eine hohe Messpräzision der Methode hinweist. Die Evaluation anhand der mikro-doppler-sonografischen Messungen, der Vergleich zwischen Test- und Kontrollseite, die Verlaufsbeurteilung der Perfusionswerte zu den einzelnen Messzeitpunkten deuten auf einen möglichen Einsatz der hyperspektralen Bildgebung zur Beurteilung der Anastomosenqualität hin. Nach 40 min Nachbeobachtungszeit nahm die mit der hyperspektralen Bildgebung bestimmte durchschnittliche Transplantatperfusion, vermutlich aufgrund einer allgemeinen Reduktion der hämodynamischen Kreislaufsituation, ab. Hierbei konnte ein signifikanter Abfall der Gewebesauerstoffsättigung (StO₂; p<0.005) und des NIR Perfusion Index (NPI; p<0.005) im Vergleich zum Reperfusionswert festgestellt werden. Das Mikro-Doppler-Signal blieb unverändert und zeigte keine Reduktion der Durchblutung an.

Daraus könnte geschlussfolgert werden, dass die hyperspektrale Bildgebung geeignet sein könnte, Perfusionsstörungen sehr früh und möglicherweise sogar früher als etablierte Methoden zu detektieren. Andererseits unterscheiden sich die Messstellen der beiden Verfahren. Die hyperspektralen Messungen wurden an der Hautinsel des Transplantats im Bereich des kapillären Gebiets durchgeführt, wohingegen das Mikro-Doppler-Signal direkt distal der Anastomose an einer großen Arterie abgeleitet wurde. Geht man davon aus, dass eine allgemeine Kreislaufdepression der Tiere die Perfusionsreduktion ab dem Zeitpunkt t7 verursacht hat, könnte durch eine Kreislaufzentralisation bereits eine periphere Vasokonstriktion aufgetreten sein, die sich zu dem Zeitpunkt im Endstromgebiet, aber nicht an der A. femoralis manifestiert hatte.

Fazit

Mittlerweile befindet sich die hyperspektrale Bildgebung bereits im klinischen Einsatz. Eine systematische Übersichtsarbeit beurteilte die hyperspektrale Bildgebung im Vergleich zur Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) in Bezug auf die Detektion von Transplantatversagen. Hierbei konnte keine Überlegenheit einer der beiden Monitoring-Methoden festgestellt werden [12]. In zwei prospektiven klinischen Studien konnte gezeigt werden, dass die hyperspektrale Bildgebung Perfusionsstörungen früher identifizieren kann als eine rein klinische Beurteilung des Transplantats beziehungsweise eine klinische Beurteilung, die durch die periphere Gefäßdoppler-Sonografie ergänzt wird [11][26]. Dennoch bleibt die klinische Beurteilung der Goldstandard des Monitorings mikrovaskulärer Transplantate, denn schlussendlich entscheidet der geschulte klinische Blick des erfahrenen Behandlers über die Notwendigkeit eines Transplantat-Revisionseingriffs. Das Verfahren der hyperspektralen Bildgebung kann hier als Ergänzung dienen, die bei der Diagnose eines Perfusionsproblems und bei der Entscheidungsfindung für oder gegen eine chirurgische Intervention unterstützend wirkt, eine gewisse Objektivität schafft und daneben eine stichhaltige Dokumentation ermöglicht. Damit kann das Transplantatmonitoring mit der hyperspektralen Bildgebung die Erfolgswahrscheinlichkeit mikrovaskulärer Transplantate möglicherweise weiter erhöhen.

Die Teilnehmenden am Wettbewerb um den Heinz-Gern­groß-Förderpreis 2023 (von links): Oberstabsarzt Dr. Daniel Schwanke, Leutnant (SanOA) Julian Ermtraud, Stabsarzt Dr. Philipp Becker, Leutnant (SanOA) Fabian Springer, Oberstabsarzt Dr. Marcel Ebeling, Stabsarzt Dr. Dustin Hädrich, Oberstabsarzt Oberstabsarzt Dr. Benny Kölbel, Generalarzt a. D. Prof. Dr. Horst Peter Becker. Nicht auf dem Bild ist Oberstabsarzt Dr. Justine Schoch, die vom EInsatz in Litauen per Video (Zoom) zugeschaltet wurde.

Literatur

Für die Verfasser

Stabsarzt Dr. Philipp Becker

Bundeswehrzentralkrankenhaus Koblenz

Klinik VII – Mund-, Kiefer- und plastische Gesichts­chirurgie,

Rübenacher Straße 170, 56072 Koblenz

E-Mail: becker-ph@web.de

Becker P, Blatt S, Pabst A, Heimes D, Al-Nawas B, Kämmerer PW, Thiem DGE: Comparison of Hyperspectral Imaging and Microvascular Doppler for Perfusion Monitoring of Free Flaps in an In Vivo Rodent Model. (J Clin Med. 2022; 11: 4134)

Die Ergebnisse dieser Studie sind Teil der zahnmedizinischen Promotionsarbeit des Erstautors Dr. med. Philipp Becker.

² Diese Autoren haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.