Modelleren en controleren van bloeddoorstroming door actieve koeling van de vingers met als doel het voorkomen van nageltoxiciteit

Maarten D'Haene
Modelleren en controleren van bloeddoorstroming door actieve koeling van de vingers met als doel het voorkomen van nageltoxiciteit Chemotherapie-geïnduceerde nageltoxiciteit is een wijdverspreid fenomeen bij de bestrijding van kanker door middel van chemotherapie. De meest ernstige vorm van nageltoxiciteit is onycholyse, wat de complete afscheuring van de nagelplaat van het nagelbed is.

Modelleren en controleren van bloeddoorstroming door actieve koeling van de vingers met als doel het voorkomen van nageltoxiciteit

Modelleren en controleren van bloeddoorstroming door actieve koeling van de vingers met als doel het voorkomen van nageltoxiciteit

 

Chemotherapie-geïnduceerde nageltoxiciteit is een wijdverspreid fenomeen bij de bestrijding van kanker door middel van chemotherapie. De meest ernstige vorm van nageltoxiciteit is onycholyse, wat de complete afscheuring van de nagelplaat van het nagelbed is. Nageltoxiciteit is vooral gelinkt aan behandelingen die gebruik maken van taxanen, zoals bijvoorbeeld bij de behandeling van borstkanker.

 

Het koelen van de handen en voeten van de patiënt tijdens deze behandelingen reduceert tijdelijk de bloeddoorstroming doorheen de vingers en vermindert de hoeveelheid chemische stoffen die het nagelbed bereiken. Deze studie trachtte de dynamische respons van de huidtemperatuur van de vingers op gecontrolleerde lokale koeling van de vingers  te modelleren. Het uiteindelijke doel was het ontwikkelen van een ‘real-time model-based control system’ die in staat is de bloeddoorstroming doorheen de vingers van de patient te controleren. De ontwikkelde modellen voor huidtemperatuur en bloeddoorstroming zijn gebaseerd op data verkregen uit 65 experimenten uitgevoerd op elf vrouwen tussen 35 en 55 jaar. Tijdens deze experimenten werd een toestel gebruikt ontwikkeld aan de Universiteit Antwerpen dat in staat is de vingers actief en lokaal te koelen.

 

Voor bijna al de testpersonen was een tweede-orde model (R² = 0.9120 ± 0.1178) het meest geschikt om

de huidtemperatuur te modelleren. Dergelijk tweede-orde model heeft volgende vorm:

Image removed.,

waar Image removed. de gemeten output (vingertemperatuur) voorstelt en Image removed. de ‘control input’ (gemiddelde temperatuur van de koelelementen van het onycholysetoestel) is. De parameters a1, a2, b1 en b2 zijn de parameters van zo geschikt mogelijk geselecteerde polynomiaalvergelijkingen in de ‘backward shift operator’ Image removed.. Het ontwikkelde tweede-orde model kon worden gevalideerd in (bijna) alle gevallen voor de wijsvinger door parameter-betrouwbaarheidsintervallen op te stellen, de polen in het complexe z-vlak te bepalen en de auto- en crosscorrelatiefuncties af te leiden. Op basis van de verkregen modellen werd dan een ‘Proportional-Integral-Plus (PIP-)’ controller ontwikkeld. Deze controller werd getest voor een wijde parameter-range van tweede orde-modellen met 2 b-parameters (b1 en b2) en een time-delay van 1. De controller was in staat de gewenste respons nauwkeurig te volgen voor alle geteste modellen, al was de controller enkel stabiel voor een beperkte range van b2-parameters (=limiterende factor), nl.        -0.1518 Image removed.  b1 Image removed.  -0.0394. Dit resultaat illustreert de noodzaak van on-line bepaling van de parameters en de real-time retuning van de controller.

 

Verder werd in deze studie de model parameters van de ontwikkelde modellen vergeleken met elkaar en

met model parameters die werden bepaald uit data van gelijkaardige experimenten met Elasto-Gel®

frozen gloves, welke nu worden gebruikt ter preventie van nageltoxiciteit, in plaats van het onycholyse

toestel. De belangrijkste resultaten hiervan zijn dat er een significant verschil is tussen de a-parameters

van dezelfde vingers van verschillende personen en dat de a-parameters van de handschoen-modellen

globaal gezien significant verschillen van de a-parameters van het onycholyse toestel.

 

Tenslotte werd een mechanistisch model ontwikkeld dat, op basis van ‘a priori’ kennis van het systeem,

het verloop van de huidtemperatuur aan de vingertip tijdens koeling modelleert. Dit model bevestigt de

hypothese dat initieel de temperatuur van de vingertip daalt en vasoconstrictie optreedt. Na verloop van

tijd treedt ‘Cold-Induced VasoDilation’ op. Dit gaat vrijwel onmiddelijk gepaard met een stijging van de

vingertip-temperatuur. Ook werd een mechanistisch model van de opwarming door conductie en

convectie van de Elasto-Gel® frozen glove opgesteld. Hier werd uit bepaald dat conductie langs de tafel

initieel de voornaamste reden van warmteverlies is.

 

Hoewel in bovenbeschreven onderzoek veelbelovende resultaten werden behaald met betrekking tot zowel het begrijpen van onderliggende fenomenen bij het afkoelen van vingers als nieuwe methodes om door middel van gecontroleerde koeling nageltoxiciteit te voorkomen, dient worden benadrukt dat verder onderzoek absoluut noodzakelijk is. Zo is onder andere onderzoek vereist op meer heterogeen samengestelde testgroepen en dient de bloeddoorstroming bij dergelijke testen op een meer reproduceerbare en gecontroleerde manier gemeten te worden. Dergelijke onderzoeken kunnen bijdragen tot een betere consistentie in de time-delays en het aantal b-parameters in de tweede orde modellen aangezien in bovenvermeld onderzoek geen eenduidige conclusies konden worden getrokken hieromtrent. Deze factoren zijn echter belangrijk voor de ontwikkeling van een accuraat reagerende en stabiele controller voor het onycholyse-toestel. Verder loont het ook de moeite om de kost met betrekking tot reactiesnelheid en de accuraatheid van parameterschatting bij de toepassing van een eerste-orde model te onderzoeken. Dergelijk eerste-orde model is eenvoudiger implementeerbaar in het algoritme van de controller en vermindert het risico op parameterschommelingen. Tenslotte is het ook noodzakelijk de conclusies getrokken uit de ontwikkeling van het mechanistisch model te toetsen aan onderzoeken uitgevoerd op levende organismen, zoals het effect van lokale koeling op bloeddoorstroming in de vingers door middel van tracer technieken bestuderen.

 

 

 

 

Bibliografie

 Bibliography

BREED, W. P. M., VAN DEN HURK, C. J. G., PEERBOOMS, M., “Presentation, impact and prevention of chemotherapy

induced hair-loss: scalp cooling potentials and limitations” in: Expert Rev. Dermatol. 2011 (6) nr. 1, pp. 109-125 

BRIERS, J. D., WEBSTER, S., Laser speckle contrast analysis (LASCA): “A nonscanning, full field technique for monitoring  capillary blood flow” in: Journal of Biomedical Optics 1996 (1), pp. 174-179. 

CAN, G., AYDINER, A., CAVDAR, I., “Taxane-induced nail changes: Predictors and efficacy of the use of frozen gloves and socks in the prevention of nail toxicity” in: European Journal of Oncology Nursing 2012 (16) nr. 3, pp. 270-275 

CIASTKO A.R., “Onychomadesis and Kawasaki disease”, in: CMAJ, 2002 (16), pp. 1069

 DAANEN, H. A. M., “Finger cold-induced vasodilation: a review” in: Eur. J. Appl. Physiol. 2003 (89), pp. 411 – 426 

DAANEN, H. A. M. “Cold-induced vasodilation”. European Journal of Applied Physiology 2009 (105) nr 4 , pp. 663-664 

DAANEN, H. A. M., Layden, J.D., “Reply to A. D. Flouris and S. S. Cheung reply letter regarding "cold-induced vasodilation" ”. European Journal of Applied Physiology 2010 (108) nr 1, pp. 215-216 

DATTA, A. K., (2002), Biological and Bioenvironmental Heat and Mass Transfer, CRC Press 

DE ALMEIDA, S.M., OSTERNACK, T.M., “Images in clinical medicine. Melanonychia striata” in The New England journal of medicine, 2011, (364) nr. 11, pp.e22 

FARLEX, I. 2014, denervation hypersensitivity. Retrieved op 12 5, 2014, van The Free Dictionary: http://medicaldictionary.thefreedictionary.com/denervation+hypersensiti… 

FERLAY, J., et al., “Cancer incidence and mortality patterns in Europe: Estimates for 40 countries in 2012” in: European Journal of Cancer 2013 (49) nr. 6, pp. 1374-1403 

FLOURIS, A. D. WESTWOOD, D. A., MEKJAVIC, I. B., CHEUNG, S. S., “Effect of body temperature on cold induced vasodilation”, Eur. J. Appl. Physiol. 2008 (104), pp. 491–499 

FLOURIS, A. D., CHEUNG, S. S., “Influence of thermal balance on cold-induced vasodilation” in: Journal of Applied Physiology 2009 (106) nr. 4, pp. 1264-1271 

FOX, R. H., WYATT H. T., “cold-induced vasodilatation in various areas of the body surface of man”, in: The Journal of physiology, 1962 (162), 99.289-297 

GHETTI, E., PIRACCINI, B. M., TOSTI, A., “Onycholysis and subungual haemorrhages secondary to systemic chemotherapy (paclitaxel)” in: J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 2003 (17) nr. 4, pp. 459-460 80 

GILBAR, P., HAIN, A., PEEREBOOM, V., “Nail toxicity induced by Cancer Chemotherapy” in: J. Oncol. Pharm. Practice 2009 (15) nr. 3, pp. 143-155 

GILBERT, S., 2014, Taxanes - Mechanism of Action. Retrieved op April 2014, 08, van Toxipedia.org: http://www.toxipedia.org/display/toxipedia/Taxanes+-+Mechanism+of+Action 

HAYASHI, T., et al, “Phase II Clinical Study of Protection of Nail Change and Skin Toxicity by Using a Frozen Glove in Japanese Patients with Early Breast Cancer Treated by Docetaxel and Cyclophosphamide” in: J. of Cancer Research 2009 (69), pp. 1916-1930   

HINDS, G., THOMAS, V. D., “Malignancy and Cancer Treatment-Related Hair and Nail changes” in: Dermatol. Clin. 2008 (26) nr. 1, pp.59-68 

HOFFMAN, R. G., WITTMERS, L. E., “Cold vasodilatation, pain and acclimatization in arctic explorers” in: Journal of Wilderness Medicine 1990 (1), pp. 225-234 

HOLMES, K. 2015, Thermal Properties. Retrieved op 11 25, 2014, van Electro-Thermal Bioinstrumentation Laboratory: http://users.ece.utexas.edu/~valvano/research/Thermal.pdf 

HONG, Junshik et al., “Nail Toxicity after Treatment with Docetaxel: A Prospective Analysis in Patients with Advanced Non small Cell Lung Cancer” in: Jpn J. Clin. Oncol. 2007 (37) nr. 6, pp. 424–428 

HOWSTUFFWORKS, I. D., 2014, How Blood Works. Retrieved op 10 22, 2014, van How Stuff Works: http://health.howstuffworks.com/human-body/systems/circulatory/blood2.h… 

HUSSAIN, S. et al., “Onycholysis as a complication of systemic chemotherapy: Report of five cases associated with prolonged weekly paclitaxel therapy and review of the literature” in: Cancer 2000 (88) nr. 10, pp. 2367-2371 

INSTITUTE, N. C., 2006, Common Terminology Criteria for Adverse Events v3.0 (CTCAE) , Retrieved 10 22, 2014, from National Cancer Institute: http://ctep.cancer.gov/protocolDevelopment/electronic_applications/docs… 

ISHIGURO, H., et al. “Degree of freezing does not affect efficacy of frozen gloves for prevention of docetaxel-induced nail toxicity in breast cancer patients” in: Support Care Cancer 2012 (20) nr. 9, pp. 2017-2024 

JAYANTHY, A. K., SUJATHA, N., RAMASUBBA REDDY, M., “Measuring blood flow: techniques and applications – a review” in: IJRRAS 2011 (6) nr. 2, pp. 203 – 216 

JIYUAN. T., YEOH G., LIU C. (2008), Computational fluid dynamics: a practical approach,. Amsterdam Butterworth Heinemann 

KANKERREGISTER, S. (SD), Retrieved op May 08, 2015, van Belgian Cancer Registry: http://www.kankerregister.be/ 

KRAMER K, SCHULZE W, “Die Kältedilatation der Hautgefäβe”. Pflügers Arch 1948 (250), pp. 141–170,  

LEWIS, T., “Observations upon the reactions of the vessels of the human skin to cold” in: Heart 1930 (15), pp. 177- 208 

LOSSIUS, K., ERIKSEN, M., WALLØE, L., “Fluctuations in blood flow to acral skin in humans: connection with heart rate and blood pressure variability” in: J. Physiol. 1993 (460), pp. 641–655 

LÜFTNER, D. et al., “Dose-intensified weekly paclitaxel induces multiple nail disorders” in: Annals of Oncology 1998 (9), pp. 1139-1140

LUIJKX T., 2013, Phase contrast imaging. retrieved 4 28, 2015, van Radiopaedia.org - a collaborative radiology resource: https://who.is/whois/radiopaedia.org 

MCCARTHY, A. L., SHABAN, R. Z., GILLESPIE, K., VICK, J., “Cryotherapy for docetaxel-induced hand and nail toxicity: randomised control trial” in: Support Care Cancer 2014 (22) nr. 5, pp. 1375-1383 

MINISINI, A. M. et al., “Taxane-induced nail changes: incidence, clinical presentation and outcome” in: Annals of Oncology 2003 (14), pp. 333-337 

MINUTILLI, E. et al., “Paclitaxel-induced nail changes: possible role of its vehicle (Cremophor EL)” in: Eur. J. Dermatol. 2006 (16) nr. 6, pp. 693-694  

NICOLAÏ, B., Biofluidics – Leuven, KULeuven, Division of Mechatronics, Biostatistics and Sensors (MeBioS), 2014 

O’BRIEN, C., “Reproducibility of the cold-induced vasodilation response in the human finger” in: J. Appl. Physiol. 2005 (98) nr. 4, pp. 1334-1340 

PANAGIOTAKOPOULOS, D., CUPITT, J.M., “Beau’s lines”, in: Anaesthesia, 2000 (55) nr.9, pp.936 

PEDREGAL D.J., T. C. (2007). System Identification, Time Series Analysis and Forecasting. The Captain Toolbox. Lancaster: Centre for Research on Environmental Systems and Statistics (CRES), Lancaster University. 

PIRACCINI, Bianca Maria, ALESSANDRINI, Aurora, “Drug-related nail diseases” in: Clinics in Dermatology 2013 (31) nr. 5, pp. 618-626 

PIRACCINI, B.M., IORIZZO, M., STARACE, M., TOSTI, A., “Drug-induced Nail Diseases” in: Dermatol Clin. 2006 (24) nr. 3, pp. 387-391 

PRIESTMAN, T., Cancer Chemotherapy in Clinical Practice, Springer, London, 2008 of Dordrecht, 2012 

PRODUCTS, A., 2014,Retrieved op 12 5, 2014, van Elastogel: http://www.elastogel.com/ 

PUERS, R., Biomedical Measurements and Stimulation, Syllabus KULeuven, 2013

SAKURAI, M., et al., “Multi-center phase II study of a frozen glove to prevent docetaxel-induced onycholysis and cutaneous toxicity for the breast cancer patients” in: J. of Cancer research 2009 (69), pp. 1916-1930 

SCOTTE, F., et al., “Multicenter study of a Frozen Glove to Prevent Docetaxel-Induced Onycholysis and Cutaneous Toxicity of the Hand” in: Journal of Clinical Oncology 2005 (23) nr. 19, pp. 4424–4429 

SENDOWSKI, I., SAVOUREY, G., BESNARD, Y., BITTEL, J., “Cold induced vasodilatation and cardiovascular responses in humans during cold water immersion of various upper limb areas”, in: Eur. J. Appl. Physiol. 1997 (75), pp. 471–477 

SMITH, J. (2007). introduction to digital filters. Stanford: Center for Computer Research in Music and Acoustics (CCRMA), Stanford University. 

SPAZZAPAN, Simon et al., “Nail Toxicity related to weekly Taxanes: An important issue requiring a change in Common Toxicity Criteria Grading?” in: Journal of Clinical Oncology 2002 nog onvolledig 

STECKEL, J. et al., “A research Platform using Active Local Cooling directed at Minimizing the Blood Flow in Human Fingers” in: Proceedings of the 7th International Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare and Workshops 2013, pp. 81 – 84 

KISHNER, S. M. M., CONSUELO, T. L., 2013, Brachial Plexus Anatomy . Retrieved op 10 30, 2014, van Medscape: http://emedicine.medscape.com/article/1877731-overview 

SWENSON, K., BELL, E.M., NISSEN, J., “Nail Toxicity Associated With Paclitaxel Treatment for Ovarian Cancer” in: Oncology Nursing Forum 2014 (40), pp. 17-19  

TANAKA, M., “Experimental studies on human reaction to cold. Differences in the vascular hunting reaction to cold according to sex, season, and environmental temperature” in: Bull. Tokyo Med. Dent. Univ. 1971 (18), pp. 269–280 

THE MATHWORKS, I. 2009, ANOVA1. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/anova1.html#inputarg_y 

THE MATHWORKS, I. 2009, jbtest. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/jbtest.html 

THE MATHWORKS, I. 2009, multcompare. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/multcompare.html#inputarg_stats 

THE MATHWORKS, I. 2009, Multiple Comparisons. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/multiple-comparisons.html 

THE MATHWORKS, I. 2009, One-Way ANOVA. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/one-way-anova.html   

THE MATHWORKS, I. 2009, qqplot. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/qqplot.html 

THE MATHWORKS, I. 2009, ttest2. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/ttest2.html#btrkaaw 

THE MATHWORKS, I. 2009, One-Way ANOVA. Retrieved op April 2015, 5, van MathWorks: http://www.mathworks.com/help/stats/one-way-anova.html 

TOSTI, A., DANIEL, R., PIRACCINI, B. M., IORIZZO, M., Color atlas of nails, Springer, Berlin Heidelberg,2010 

UNIVERSITY OF MICHIGAN, I., 2014, Introduction: Root Locus Controller Design. Retrieved op 04 2015, 14, van Control tutorials for Matlab and Simulink: http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?aux=Home 

VERWEIJ, J., CLAVEL, M., CHEVALIER, B., “Paclitaxel (Taxol™) and Docetaxel (Taxotere™): Not simply two of a kind” in: Annals of Oncology 1994 (5) nr. 6, pp. 495-505 

WASNER, G., et al., “Docetaxel-induced nail changes - a neurogenic mechanism: a case report” in: J. Neurooncol. 2002 (58) nr. 2, pp. 167-174 

WEBSTER, J.G., Medical Instrumentation – Application and Design, John Wiley and Sons, 4th Rev. ed., 2009 

WILDIERS, H., PARIDAENS, R., “Taxanes in elderly breast cancer patients” in: Cancer Treat Rev. 2004 (30) nr. 4, pp. 333-342 

WINTHER, D.,  SAUNTE, D.M., KNAP, M., “Nail changes due to docetaxel - a neglected side effect and nuisance for the patient” in: Supportive Care In Cancer, 2007 (15), pp.1191-1197  

Youssef A., Exadaktylos, V., Özcan S. E., Berckmans, S. (2011). Proportional-Integral-Plus (PIP) Control System for Individual Thermal Zones in a Small Ventilated Space. ASHRAE Transactions. 

Zarandi, M. (2000). Steady and pulsatile flow in curved vessels. California: California Institute of Technology.

Universiteit of Hogeschool
Human Health Engineering
Publicatiejaar
2015
Share this on: