Device and method to facilitate crossing of chronic total occlusions via the transmission of mechanical waves in a guidewire

Abstract

Abstract : Peripheral Arterial Disease (PAD) and Coronary Heart Disease (CHD) a ects million of people over the world. Chronic Total Occlusions (CTO) are a prevalent and problematic condition in cardiovascular medicine. CTOs can be found in the lower extremities of patients with PAD, and in the coronary arteries of patients with CHD. CTOs are de ned as totally occluded arterial segments that have remained occluded for an extended period. This may cause angina in the case of a coronary CTO, or claudication possibly leading to limb amputation in the case of a peripheral CTO. The principal causes associated with the failure of a CTO angioplasty are the presence of calci cation, severe tortuosity, blunt proximal cap morphology, CTO length and prior failed attempt. The lack of a simple, e ective and safe angioplasty CTO crossing device has led to this research project. The main goal of this thesis was to design, develop and build a device to facilitate crossing of CTOs via the transmission of mechanical waves in a guidewire. The secondary goals were to evaluate the preliminary safety and e cacy of such device. The proposed CTO crossing system has two main components: (i) the shock wave generator (console) and (ii) the active guidewire. Inside the console generator, piezoelectric transducers are used to convert ampli ed electric signals into mechanical waves. These waves are further ampli ed as they are traveling in the parabolic re ector and dispersive waveguide. A connector is used to mechanically join the console generator with the active guidewire. The active guidewire design, construction and method of use are similar to conventional guidewire with the di erence that it can transmit mechanical waves. These mechanical waves create a micro-jackhammer e ect at the distal tip of the active guidewire and uid motion that are believed to enhance its crossing ability. In addition, the proposed CTO crossing system avoids heat accumulation at the tip of the active guidewire and can di erentiate tissues based on their elasticity. Di erent experiments were proposed to evaluate the preliminary safety and e cacy performance of the CTO crossing system. The safety pro le of the technology was evaluated by looking at the endothelial cell response when exposed to the active guidewire with mechanical energy delivery. An in-vivo study on healthy pigs was also used to evaluate the technical handling of the active guidewire. In addition, safety was assessed by looking at adverse events during the procedure and histology analysis of the treated arteries. E cacy was evaluated by measuring the output pressure in water near the distal tip of the active guidewire. Crossing ability was also assessed on the bench using surrogate materials and ex-vivo CTO specimens. Promising safety and e cacy results were demonstrated and motivated to continue the development of this unique technology.

Les maladies vasculaires périphériques et coronariennes touchent des millions de personnes dans le monde. Les occlusions totales chroniques (CTO), qui représentent un blocage complet des artères, sont l'une des conséquences de ces maladies cardiovasculaires. Une CTO peut être observée dans les jambes et dans les artères coronaires. Une CTO située dans les coronaires peut causer l'angine de poitrine tandis qu'une CTO périphérique peut causer une claudication pouvant conduire jusqu'à une amputation du membre inférieur. Les principales causes menant à un échec d'une procédure de recanalisation percutanée d'une CTO sont la présence de calcification, une tortuosité sévère des artères, la présence d'un cap proximal convexe, la longueur de l'occlusion ainsi qu'un échec précédent. L'absence d'un appareil simple, efficace et sécuritaire pour la recanalisation percutanée d'une CTO a motivé les présents travaux de recherche. L'objectif principal des travaux de recherche présentés ici consiste à concevoir, développer et fabriquer un appareil facilitant la recanalisation des occlusions totales chroniques via la transmission d'ondes mécaniques dans un l guide. Les objectifs secondaires consistent à évaluer les résultats préliminaires liés à l'e cacité et la sécurité d'un tel appareil. L'appareil proposé a deux principales composantes : (i) le générateur d'ondes de choc (ou console) et (ii) le fil guide actif. La console utilise des transducteurs piézoélectriques pour convertir les signaux électriques des amplificateurs en ondes mécaniques. Ces ondes sont ensuite amplifiées en se propageant dans le ré ecteur parabolique et le guide dispersif. Un mécanisme de connexion est ajouté à la console pour faciliter la transmission des ondes mécaniques vers le fil guide actif. Le design et la construction du fil guide actif sont similaires à ceux des fils guides conventionnels. Les ondes mécaniques transmises le long du fil guide actif créent un effet marteau piqueur et un mouvement de fluide devant le fil qui favorisent ces performances. De plus, le système proposé ne génère aucune chaleur au bout du fil et a la capacité de différencier les tissus en fonction de leur élasticité. Plusieurs expériences ont été proposées afin d'évaluer les performances préliminaires de l'appareil de recanalisation. Le profil de sécurité de la technologie a été évalué en analysant la réponse des cellules de l'endothélium suite à une exposition au fil guide actif et à l'énergie des ondes mécaniques. Une étude animale sur des cochons sains a aussi été conduite a n d'évaluer les effets adverses associés à l'appareil et d'analyser les artères coronariennes traitées avec le fil guide actif. L'efficacité de l'appareil a été évaluée en mesurant la pression dans l'eau tout près du bout du fil guide actif. Des tests ont aussi été effectués afin d'évaluer les performances de recanalisation de l'appareil sur des matériaux analogues aux calcifications vasculaires et sur des vraies CTOs ex-vivo. Des résultats prometteurs ont été obtenus tant d'un point de vue de l'efficacité que de la sécurité de l'appareil.