Automated volumetric evaluation of intracranial compartments and cerebrospinal fluid distribution on emergency trauma head CT scans to quantify mass effect

BackgroundIntracranial space is divided into three compartments by the falx cerebri and tentorium cerebelli. We assessed whether cerebrospinal fluid (CSF) distribution evaluated by a specifically developed deep-learning neural network (DLNN) could assist in quantifying mass effect.MethodsHead trauma CT scans from a high-volume emergency department between 2018 and 2020 were retrospectively analyzed. Manual segmentations of intracranial compartments and CSF served as the ground truth to develop a DLNN model to automate the segmentation process. Dice Similarity Coefficient (DSC) was used to evaluate the segmentation performance. Supratentorial CSF Ratio was calculated by dividing the volume of CSF on the side with reduced CSF reserve by the volume of CSF on the opposite side.ResultsTwo hundred and seventy-four patients (mean age, 61 years ± 18.6) after traumatic brain injury (TBI) who had an emergency head CT scan were included. The average DSC for training and validation datasets were respectively: 0.782 and 0.765. Lower DSC were observed in the segmentation of CSF, respectively 0.589, 0.615, and 0.572 for the right supratentorial, left supratentorial, and infratentorial CSF regions in the training dataset, and slightly lower values in the validation dataset, respectively 0.567, 0.574, and 0.556. Twenty-two patients (8%) had midline shift exceeding 5 mm, and 24 (8.8%) presented with high/mixed density lesion exceeding >25 ml. Fifty-five patients (20.1%) exhibited mass effect requiring neurosurgical treatment. They had lower supratentorial CSF volume and lower Supratentorial CSF Ratio (both p < 0.001). A Supratentorial CSF Ratio below 60% had a sensitivity of 74.5% and specificity of 87.7% (AUC 0.88, 95%CI 0.82–0.94) in identifying patients that require neurosurgical treatment for mass effect. On the other hand, patients with CSF constituting 10–20% of the intracranial space, with 80–90% of CSF specifically in the supratentorial compartment, and whose Supratentorial CSF Ratio exceeded 80% had minimal risk.ConclusionCSF distribution may be presented as quantifiable ratios that help to predict surgery in patients after TBI. Automated segmentation of intracranial compartments using the DLNN model demonstrates a potential of artificial intelligence in quantifying mass effect. Further validation of the described method is necessary to confirm its efficacy in triaging patients and identifying those who require neurosurgical treatment

Isoprostanes as potential cerebral vasospasm biomarkers

Despite enormous progress in medicine, symptomatic cerebral vasospasm (CVS), remains an unexplained clinical problem, which leaves both physicians and patients helpless and relying on chance, due to the lack of specific marker indicative of imminent danger as well as the lack of specific treatment. In our opinion CVS occurrence depends on dynamic disbalance between free radicals' formation (oxidative stress) and antioxidant activity. Isoprostanes are products of free-radical peroxidation of polyunsaturated fatty acids, and seem to mark a promising path for the research aiming to unravel its possible mechanism. Not only are they the biomarkers of oxidative stress in vivo and in vitro, but also have manifold biological effects (including vasoactive, inflammatory and mitogenic) via activation of the thromboxane A2 receptor (TBXA2R), both in physiological and pathophysiological processes. This review addresses the importance of isoprostanes in CVS in quest of appropriate biomarkers

Ciśnienie śródczaszkowe a mózgowy przepływ krwi

Ciśnienie śródczaszkowe i mózgowy przepływ krwi to jedne z podstawowych pojęć neurofizjologicznych. Znajomość związanych z nimi zagadnień jest warunkiem zrozumienia ważnych procesów patologicznych zachodzących w ośrodkowym układzie nerwowym. W pracy omówiono fizjologię i patofizjologię ciśnienia śródczaszkowego, przepływu mózgowego oraz ich wzajemne relacje, w tym koncepcję krytycznego ciśnienia zamykającego naczynia mózgowe

Ocena czynników ryzyka rekanalizacji embolizowanych pękniętych tętniaków umiejscowionych na tylnej części koła tętniczego Willisa

Wprowadzenie: Tętniaki umiejscowione na tylnej części koła tętniczego Willisa są częstą przyczyną krwawienia podpajęczynówkowego (ang. aneurysmal subarachnoid haemorrhag;e - aSAH) i stanowią około 30% wszystkich tętniaków wewnątrzczaszkowych. Ze względu na duże ryzyko operacyjne, chorzy z tętniakami tylnego kręgu są kierowani na leczenie wewnątrznaczyniowe. Embolizacja, czyli upakowanie tętniaka spiralami, jest obarczona dużym ryzykiemą niedogodnością, jaką jakim jest wystąpienie rekanalizacji i powstanie tętniaka nawrotowego. W pracy przeprowadziliśmy analizę parametrów morfometrycznych tętniaków tylnego kręgu w celu znalezienia markera radiologicznego zwiastującego wystąpienia rekanalizacji. Materiał i metody: Analizie retrospektywnej poddano dane kliniczne dwudziestu czterech24 pacjentów z tętniakami tylnego kręgu, którzy leczeni byli na drodze klasycznej embolizacji. Pomiary morfometryczne wykonano na modelach 3D tętniaka otrzymywanych za pomocą przedoperacyjnego badania angio-CT nn. mózgowych. Wielkość i objętość tętniaka mierzono na podstawie obrazów otrzymanych w cyfrowej angiografii subtrakcyjnej. Skuteczność początkowego leczenia endowaskularnego określono wizualnie przy użyciu zmodyfikowanej skali Raymond Roy, po embolizacji i podczas kontrolnej angiografii. Rekanalizację diagnozowano, obserwując wypełnienie tętniaka podczas badania. Analizę statystyczną przeprowadzono stosując oprogramowanie Statistica 13.1 Wyniki: Stwierdzono, że największy wymiar tętniaka prostopadły do jego szyi, był istotnie związany z rekanalizacją (12,12 ± 5,13 mm vs. 7,41 ± 3,97 mm, p = 0,039), i pozostał istotny po uwzględnieniu efektu wieku, płci i lokalizacji tętniaka (OR = 1,26 , 95% CI: 1,01-1,60, p = 0,047). Wykazaliśmy również, że największy wymiar tętniaka prostopadły do jego szyi jest dobrym klasyfikatorem umożliwiającym różnicowanie pomiędzy zrekanalizowanymi a niezrekanalizowanymi tętniakami tylnego kręgu (AUC = 0,755, 95% CI: 0,521-–0,989, p = 0,033)

Predictors of recanalization after endovascular treatment of posterior circulation aneurysms

Introduction. Posterior circulation aneurysms account for approximately 30% of all intracranial aneurysms, and their rupture often causes aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH). Because surgical treatment of posterior circulation aneurysms is difficult, endovascular treatment is commonly indicated. However, simple coil embolization is associated with a high rate of recanalization. Our goal was to investigate morphometric aneurysmal features assessed on pre-embolization computed tomography angiography (CTA) as predictors of recanalization in patients with posterior circulation aneurysms. Material and Methods. We retrospectively analyzed data of 24 patients who underwent coil embolization due to rupture of saccular posterior circulation aneurysms. The morphometric features of aneurysms were measured based on pre-embolization 3D-CTA-aneurysm models, and aneurysmal size and volume were measured on digital subtraction angiography (DSA) images. The effectiveness of initial endovascular treatment was determined visually with the modified Raymond Roy classification directly after embolization and on follow-up DSAs. Recanalization was diagnosed when, compared to the primary embolization aneurysm appearance, compaction and filling of the aneurysm occurred. Statistical analysis was performed with Statistica 13.1 software. Results. Higher maximal aneurysm height perpendicular to the aneurysmal neck was associated with a greater aneurysm recanalization risk (12.12±5.13mm vs. 7.41±3.97mm, p=0.039), and this relationship remained significant after adjustment for patient’s age, sex and aneurysm localization (OR=1.26, 95%CI: 1.01-1.60, p=0.047). Maximal aneurysm height perpendicular to the aneurysmal neck distinguished well between recanalized and non-recanalized aneurysms (AUC=0.755, 95%CI: 0.521- 0.989, p=0.033). Conclusions. Predictors of aneurysm recanalization can help choose best endovascular treatment strategies, which could reduce complication rates

Inwazyjne monitorowanie niedokrwienia mózgu u chorych po urazach czaszkowo-mózgowych

Monitorowanie wtórnego niedokrwienia mózgu rozpoczyna się we wczesnym okresie po urazie czaszkowo-mózgowym (TBI, traumatic brain injury). Najczęściej stosowaną procedurą jest stały, przyłóżkowy pomiar ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Inne możliwości to monitorowanie saturacji krwi żylnej w opuszce żyły szyjnej wewnętrznej, prężności tlenu w mózgu, ocena regionalnego przepływu krwi w mózgowiu oraz mikrodializy. Obecnie brakuje dowodów świadczących o przewadze jednej z opisanych metod; co więcej, nie ma bezspornych dowodów ich przydatności klinicznej. Istnieją jedynie dowody klasy III, według których zaleca się monitorowanie saturacji krwi żylnej w opuszce żyły szyjnej wewnętrznej i prężności tlenu w mózgu podczas głębokiej hiperwentylacji, tj. w przypadkach, w których prężność CO2 jest mniejsza niż 20–25 mm Hg. W pracy omówiono metody inwazyjnej oceny wtórnego niedokrwienia mózgu u chorych po TBI

Obrzęk mózgu u chorych po urazach czaszkowo-mózgowych

Pourazowy obrzęk mózgu jest jedną z najczęstszych przyczyn wzmożonego ciśnienia śródczaszkowego oraz wtórnego niedokrwienia mózgu u chorych po ciężkim urazie czaszkowo-mózgowym (TBI, traumatic brain injury). Wyróżnia się obrzęk cytotoksyczny, czyli dotyczący komórek, i naczyniopochodny, będący następstwem zaburzeń w przepuszczalności bariery krew–mózg (BBB, blood–brain barrier), w wyniku których woda gromadzi się w przestrzeni pozakomórkowej. Czynnościowo i anatomiczne zmiany w BBB spowodowane niedokrwieniem dzieli się na trzy etapy: jonowy, obrzęk naczynioruchowy i tak zwaną konwersję krwotoczną (prowadzącą do powstania ogniska krwotocznego, często występującą w letalnym TBI). Szybkie wdrożenie leczenia przeciwobrzękowego po urazie czaszkowo-mózgowym ma zasadnicze znaczenie dla rokowania, zwiększając szanse przeżycia chorych

Porous Media Computational Fluid Dynamics and the Role of the First Coil in the Embolization of Ruptured Intracranial Aneurysms

Background: The objective of our project was to identify a late recanalization predictor in ruptured intracranial aneurysms treated with coil embolization. This goal was achieved by means of a statistical analysis followed by a computational fluid dynamics (CFD) with porous media modelling approach. Porous media CFD simulated the hemodynamics within the aneurysmal dome after coiling. Methods: Firstly, a retrospective single center analysis of 66 aneurysmal subarachnoid hemorrhage patients was conducted. The authors assessed morphometric parameters, packing density, first coil volume packing density (1st VPD) and recanalization rate on digital subtraction angiograms (DSA). The effectiveness of initial endovascular treatment was visually determined using the modified Raymond–Roy classification directly after the embolization and in a 6- and 12-month follow-up DSA. In the next step, a comparison between porous media CFD analyses and our statistical results was performed. A geometry used during numerical simulations based on a patient-specific anatomy, where the aneurysm dome was modelled as a separate, porous domain. To evaluate hemodynamic changes, CFD was utilized for a control case (without any porosity) and for a wide range of porosities that resembled 1–30% of VPD. Numerical analyses were performed in Ansys CFX solver. Results: A multivariate analysis showed that 1st VPD affected the late recanalization rate (p < 0.001). Its value was significantly greater in all patients without recanalization (p < 0.001). Receiver operating characteristic curves governed by the univariate analysis showed that the model for late recanalization prediction based on 1st VPD (AUC 0.94 (95%CI: 0.86–1.00) is the most important predictor of late recanalization (p < 0.001). A cut-off point of 10.56% (sensitivity—0.722; specificity—0.979) was confirmed as optimal in a computational fluid dynamics analysis. The CFD results indicate that pressure at the aneurysm wall and residual flow volume (blood volume with mean fluid velocity > 0.01 m/s) within the aneurysmal dome tended to asymptotically decrease when VPD exceeded 10%. Conclusions: High 1st VPD decreases the late recanalization rate in ruptured intracranial aneurysms treated with coil embolization (according to our statistical results > 10.56%). We present an easy intraoperatively calculable predictor which has the potential to be used in clinical practice as a tip to improve clinical outcomes

Image_1_Automated volumetric evaluation of intracranial compartments and cerebrospinal fluid distribution on emergency trauma head CT scans to quantify mass effect.TIF

BackgroundIntracranial space is divided into three compartments by the falx cerebri and tentorium cerebelli. We assessed whether cerebrospinal fluid (CSF) distribution evaluated by a specifically developed deep-learning neural network (DLNN) could assist in quantifying mass effect.MethodsHead trauma CT scans from a high-volume emergency department between 2018 and 2020 were retrospectively analyzed. Manual segmentations of intracranial compartments and CSF served as the ground truth to develop a DLNN model to automate the segmentation process. Dice Similarity Coefficient (DSC) was used to evaluate the segmentation performance. Supratentorial CSF Ratio was calculated by dividing the volume of CSF on the side with reduced CSF reserve by the volume of CSF on the opposite side.ResultsTwo hundred and seventy-four patients (mean age, 61 years ± 18.6) after traumatic brain injury (TBI) who had an emergency head CT scan were included. The average DSC for training and validation datasets were respectively: 0.782 and 0.765. Lower DSC were observed in the segmentation of CSF, respectively 0.589, 0.615, and 0.572 for the right supratentorial, left supratentorial, and infratentorial CSF regions in the training dataset, and slightly lower values in the validation dataset, respectively 0.567, 0.574, and 0.556. Twenty-two patients (8%) had midline shift exceeding 5 mm, and 24 (8.8%) presented with high/mixed density lesion exceeding >25 ml. Fifty-five patients (20.1%) exhibited mass effect requiring neurosurgical treatment. They had lower supratentorial CSF volume and lower Supratentorial CSF Ratio (both p ConclusionCSF distribution may be presented as quantifiable ratios that help to predict surgery in patients after TBI. Automated segmentation of intracranial compartments using the DLNN model demonstrates a potential of artificial intelligence in quantifying mass effect. Further validation of the described method is necessary to confirm its efficacy in triaging patients and identifying those who require neurosurgical treatment.</p