Automated Ultrasonic Measurement of Human Arteries for the Determination of Endothelial Function[1]

Summary

Aim: Brachial artery ultrasonography is used to measure flow-mediated dilatation (FMD) as a marker of endothelial function in patients at risk for atherosclerosis. Major disadvantages are the time-consuming manual readings and the high within- and between-observer variability. The authors hypothesize that the ultrasound-based determination of endothelial function can be simplified and refined by an automated analysis system. Methods and Results: FMD was quantified by a 7.5 MHz linear transducer following 5 minutes of ischemia of the proximal forearm in 8 healthy volunteers on two occasions. Brachial artery diameter was comparatively assessed 1. manually from the video signal and 2. by a PC-based analyzing system. For the manual readings the mean differences for the FMD were 2.5 ± 2.3 % between-reader, 2.0 ± 0.9 % within-reader and 2.1 ± 1.5 % for scans on different days in contrast to 0.8 ± 0.4 (between-reader), 0.8 ± 0.6 (within-reader) and 1.3 ± 0.9 % (day-to-day) for the computerized system. The coefficient of variability for the measurement of arterial diameter was 1.34 % for manual readings and 0.78 % for the automated analysis system. The mean time for manual readings from S-VHS tapes was 35 minutes in contrast to 9 minutes for the PC-based analysis system. Conclusions: The new automated analysis system for the boundary detection of the vascular wall reduces the variability and greatly increases the speed of the measurements to determine endothelial function. In future, these advantages will help to screen larger numbers of individuals for endothelial dysfunction, particularly for follow-up and intervention trials, and to reduce the variability between different laboratories.

Automatisierte Analyse von Ultraschallbildern peripherer Arterien zur Bestimmung der Endothelfunktion

Studienziel: Mittels Duplexsonographie erfolgt die Messung der flussabhängigen Dilatation der A. brachialis (FMD) als Marker der Endothelfunktion bei Patienten mit kardiovaskulären Risikofaktoren. Nachteilig sind der hohe zeitliche Aufwand sowie eine hohe Intra- und Inter-Observervariabilität. Ziel der Studie war es zu klären, ob die duplexsonographische FMD-Bestimmung durch ein PC-gestütztes Analysesystem vereinfacht und verbessert werden kann. Methoden und Resultate: Bei 8 Normalpersonen erfolgte die Bestimmung der FMD an zwei unterschiedlichen Tagen. Die Vermessung des Diameters der A. brachialis erfolgte 1. mittels manueller Auswertung des Videosignals und 2. mit Hilfe eines PC-gestützten Analysesystems. In der manuellen Auswertung betrug die mittlere Inter-Observer-Differenz 2,5 ± 2,3 %, die Intra-Observer-Differenz 2,0 ± 0,9 % und die Tag-zu-Tag-Differenz 2,1 ± 1,5 %. Im Gegensatz zu 0,8 ± 0,4 (Inter-Observer), 0,8 ± 0,6 (Intra-Observer) und 1,3 ± 0,9 % (Tag-zu-Tag) für die computergestützte Auswertung. Der Variationskoeffizient für die Bestimmung des Diameters der A. brachialis betrug 1,34 % für die manuelle und 0,78 % für die computergestützte Auswertung. Die Zeit für die manuelle Auswertung betrug im Mittel 35 min im Gegensatz zu 9 min für die PC-gestützte Auswertung. Schlussfolgerungen: Das automatische, PC-gestützte Analysesystem zur Vermessung von Gefäßdiametern reduziert deutlich die Variabilität und den Zeitaufwand zur Bestimmung der endothel-abhängigen Dilatation der A. brachialis. Die PC-gestützte Auswertung ermöglicht somit zukünftig die Durchführung von Screeninguntersuchungen der Endothelfunktion im klinischen Alltag und klinischen Verlaufsstudien.

Key words:

Brachial artery ultrasound - Peripheral arteries - Endothelial function

Schlüsselwörter:

Endothelfunktion - periphere Arterien - vaskulärer Ultraschall

01 This study was supported by a grant of the Klinische Forschungskommission of the Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (977 2080) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft Ke405 4/1.

References

• 1 Moncada S, Higgs A. The L-arginine-nitric oxide pathway.  N Engl J Med. 1993;  329 2002-2012
• 2 Celermajer D S, Sorensen K E, Bull C, Robinson J, Deanfield J E. Endothelium-dependent dilation in the systemic arteries of asymptomatic subjects relates to coronary risk factors and their interaction.  J Am Coll Cardiol. 1994;  24 1468-1474
• 3 Celermajer D S, Sorensen K E, Gooch V M, Spiegelthaler D J, Miller O I, Sullivan I D, et al. Non-invasive detection of endothelial dysfunction in children and adults at risk of atherosclerosis.  Lancet. 1992;  340 1111-1115
• 4 Enderle M D, Balletshofer B M, Schmülling R M, Häring H U, Pfohl M. Early detection of atherosclerosis in type 2 diabetic patients using high resolution ultrasound.  Ultraschall in Med. 1998;  19 16-21
• 5 Drexler H. Endothelial dysfunction: clinical implications.  Prog Cardiovasc Dis. 1997;  39 (4) 287-423
• 6 Lüscher T. The Endothelium and Cardiovascular Disease - A Complex Relation.  N Engl J Med. 1994;  330 1081-1083
• 7 Schröder S, Enderle M D, Meisner C, Baumbach A, Herdeg C, Oberhoff M, Ossen R, Pfohl M, Karsch K R. Assessment of endothelial function by ultrasound as a screening test for coronary artery disease.  Dtsch med Wschr. 1999;  124 886-890
• 8 Liebermann E H, Gerhard M D, Uehata A, Selwyn A P, Ganz P, Yeung A C, et al. Flow-induced vasodilatation of the human brachial artery is impaired in patients < 40 years with coronary artery disease.  Am J Cardiol. 1996;  78 1210-1214
• 9 Schächinger V, Britten M, Zeiher A M. Prognostic impact of coronary vasodilator dysfunction on adverse long-term outcome of coronary heart disease.  Circulation. 2000;  101 1899-1906
• 10 Celermajer D S. Noninvasive detection of atherosclerosis.  N Engl J Med. 1998;  339 (27) 2014-2015
• 11 Hardie K L, Kinlay S, Hardy D B, Wlodarczyk J, Silberberg J S, Fletcher P J. Reproducibility of brachial ultrasonography and flow-mediated dilatation (FMD) for assessing endothelial function.  Aust NZ J Med. 1997;  27 649-652
• 12 Celermajer D S. Testing endothelial function using ultrasound.  J Cardiovasc Pharmacol. 1998;  32 (Suppl 3) S 29-S 32
• 13 Liang W, Browning R, Lauer R M, Sonka M. Automated analysis of brachial ultrasound time series.  Proc SPIE. 1998;  3337 108-118
• 14 Sorensen K E, Celermajer D S, Spiegelthaler D J, Georgakopoulos D, Robinson J, Thomas O, et al. Non-invasive measurement of human endothelium dependent arterial response: accuracy and reproducibility.  Br Heart J. 1995;  74 247-253
• 15 Corretti M, Plotnik G D, Vogel R A. Technical aspects of evaluating brachial artery vasodilatation using high-frequency ultrasound.  Am J Physiol. 1995;  268 H 1397-H 1404
• 16 Celermajer D S, Sorensen K E, Georgakopoulos D, Bull C, Thomas O, Robinson J, et al. Cigarette smoking is associated with dose-related and potentially reversible impairment of endothelium-dependent dilation in healthy young adults.  Circulation. 1993;  88 2149-2155
• 17 Enderle M D, Schröder S, Ossen R, Meissner C, Baumbach A, Hearing H U, Karsch K R, Pfohl M. Comparison of peripheral endothelial function and intima media thickness in patients with suspected coronary artery disease.  Heart. 1998;  80 (4) 349-354
• 18 Wilmink H W, Banga J D, Hijmering M, Erkelenz W D, Stroes E S, Rabelink T J. Effect of angiotensin-converting enzyme inhibition and angiotensin II type 1 receptor antagonism on postprandial endothelial function.  JACC. 1999;  34 (1) 140-145
• 19 Anderson T J, Elstein E, Haber H, Charbonneau F. Comparative study of ACE-inhibition, angiotensin II antagonism, and calcium channelblockade on flow-mediated vasodilation in patients with coronary disease (BANFF study).  JACC. 2000;  35 (1) 60-66

01 This study was supported by a grant of the Klinische Forschungskommission of the Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (977 2080) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft Ke405 4/1.