La presente tesis doctoral tiene como objeto medir la elasticidad de la sustancia blanca y de la sustancia gris en los cerebros neonatales sanos de recién nacidos con distintas edades gestacionales, y cuya hipótesis de trabajo plantea la existencia de una relación entre los valores de normalidad de la elasticidad cerebral y la edad gestacional en el recién nacido.
La valoración de la dureza de los tejidos a través de la palpación manual es una técnica milenaria empleada por el médico durante la exploración del paciente en busca de signos que orienten al diagnóstico de su enfermedad y que a pesar de los avances en la medicina moderna sigue siendo uno de los pilares fundamentales dentro de la semiología, donde conocer la elasticidad de los tejidos aporta una información muy valiosa, y en ocasiones puede ser el único signo de una enfermedad. Así, cada tejido del cuerpo humano posee una determinada elasticidad como propiedad física intrínseca que se altera cuando enferma, relación que se conoce bien desde los inicios de nuestra civilización encontrando referencias a la palpación y dureza de los tejidos tanto en el antiguo Egipto (papiro de Edwin Smith) como en la antigua Grecia. La elastografía actual surge de la necesidad de conseguir un método más objetivo que fuera capaz de acceder a tejidos profundos no palpables manualmente y de distinguir pequeños cambios de elasticidad. En los últimos años ha surgido la elastografía cuantitativa, cuya investigación se ha extendido a múltiples órganos con la intención de aplicarse en distintos escenarios clínicos, para lo cual se precisa disponer de valores normales de referencia, motivo de estudio en este trabajo.
Entre los objetivos específicos se encuentra la validación y estandarización de la técnica de la elastografía cerebral neonatal, confirmar la existencia y el grado de diferencias significativas entre la elasticidad de la sustancia gris del tálamo y aquélla de la sustancia blanca periventricular frontal, correlacionar los valores de elasticidad del tálamo y de la sustancia blanca periventricular frontal con la edad gestacional y con el resto de las variables predictoras recogidas, así como elaborar un mapa de valores de referencia de la elasticidad cerebral medida con ecografía en la población neonatal sana.
Para ello se diseñó un estudio prospectivo con dos fases de reclutamiento. En la 1ª fase se reclutaron neonatos a término procedentes de la maternidad (grupo a término) y en una 2ª fase neonatos pretérmino procedentes de la Unidad de Cuidados Intensivos Neonatales, que a su vez se subdividió en dos subgrupos en función del equipo ecográfico utilizado (subgrupo pretérmino S-2000 y subgrupo pretérmino SEQUOIA). Además de la finalidad general de construir un mapa de referencia valores normales con los datos obtenidos de la elastografía, la 1ª fase se centró en la estandarización de la técnica y en un estudio intra-observador, y en la 2ª fase se realizó un estudio inter-observador e inter-equipo.
Se aplicaron criterios de exclusión que asegurasen el reclutamiento de neonatos sanos en la maternidad, y en la Unidad de Cuidados Intensivos se reclutaron neonatos sin patología del neuroeje o cardiovascular ni infecciones sistémicas que pudiesen influir en la elasticidad cerebral.
A todos los neonatos se le realizó el mismo protocolo de imagen que incluía una ecografía en modo B estándar, un Doppler cerebral de la arteria pericallosa y una elastografía centrada en 2 áreas anatómicas, el tálamo, como representante la sustancia gris y la corona radiata frontal como representante de la sustancia blanca, obteniendo información bilateral. El método utilizado para la medición de la elasticidad está basado en la lectura de las ondas transversales tras la excitación del tejido diana mediante un pulso acústico focalizado, en concreto la técnica 2D-SWE.
El interés clínico de esta investigación se centra en el periodo neonatal donde existen diversas situaciones y enfermedades en las que se espera existan cambios en las propiedades físicas del parénquima cerebral del neonato y donde la elastografía cuantitativa puede jugar un papel relevante como herramienta de diagnóstico y monitorización. Un ejemplo de estas necesidades es la hidrocefalia, donde el especialista debe identificar a los neonatos que desarrollan una hipertensión intracraneal y determinar la idoneidad temporal para colocar la válvula de derivación ventricular. Una correcta decisión evita daños al parénquima cerebral, tanto los producidos por el propio intervencionismo de la monitorización y/o derivación ventricular como los secundarios a la hipertensión intracraneal inadvertida mantenida en el tiempo. La utilización de la elastografía como técnica diagnóstica incruenta podría cambiar de forma sustancial el manejo de los neonatos con hidrocefalia. La cuantificación de la elasticidad del parénquima cerebral se postularía así como un buen biomarcador de la hipertensión intracraneal. Otras utilidades potenciales de la elastografía cuantitativa podrían ser su utilización como marcador pronóstico del neurodesarrollo en recién nacidos pretérmino con estudios de RM negativos o no concluyentes, en traumatismos craneoencefálicos, en situaciones hipóxico-isquémicas y, en general, en todos aquellos escenarios donde se esperen cambios en la mielinización, en el estado neuronal y en la proliferación glial como elementos condicionantes de los cambios en la elasticidad cerebral. La elastografía ecográfica ha demostrado algunos de estos cambios en la investigación experimental, siendo muy limitada en neonatos humanos donde no ha sido hasta 2015 cuando se publicó el primer artículo de elastografía cuantitativa cerebral, existiendo hasta la actualidad pocas publicaciones a este respecto y sólo dos de ellas incluyen neonatos pretérmino, existiendo una amplia disparidad en los protocolos de imagen utilizados y las áreas anatómicas exploradas, lo que refuerza la necesidad de estandarizar mejor la técnica para futuros estudios.
Se obtuvieron satisfactoriamente datos de la elasticidad cerebral de un total de 104 neonatos (que representan el 96% de los neonatos reclutados a término y el 82% de los neonatos reclutados pretérmino) con un amplio abanico de edades gestacionales (comprendidas entre 24 y 41 semanas, 55 neonatos a término y 49 neonatos pretérmino) que incluyen un total de 1890 mediciones de elasticidad de tálamo y 1702 mediciones de elasticidad de la sustancia blanca periventricular frontal.
El análisis estadístico se llevó a cabo utilizando el paquete estadístico R 3.5.1 (R Core Team, 2018), y las librerías lme4 (v1.1-17) y clickR (v0.4.05). Para cada uno de los grupos y subgrupos los datos clínicos se resumieron incluyendo las medias, la desviación estándar, la mediana y el primer y tercer cuartil para las variables continuas y como frecuencias relativas y absolutas en el caso de variables categóricas. Se ajustaron modelos de regresión lineal mixtos para estudiar la asociación entre las distintas variables predictoras y los valores de nuestras variables respuesta (elasticidad de la sustancia blanca y tálamo). Para controlar la no independencia de las observaciones ya que tenemos medidas de elasticidad repetidas para cada individuo los modelos se ampliaron introduciendo al individuo como factor aleatorio. Mediante análisis de Bland-Altman se ha determinado el consenso intra-observador e inter-observador de las medidas repetidas. En el estudio inter-equipo y para la comparación de los resultados entre distintos equipos ecográficos se han ajustado los grupos por edad gestacional y sexo. Por último, se juntaron todos los casos realizados con el mismo equipo (S-2000) donde quedaban representadas todas las semanas gestacionales, obteniendo predicciones de la elasticidad del tálamo y de la sustancia blanca ajustadas por edad gestacional con estimación de los respectivos intervalos de confianza en vistas a construir un mapa o patrón de referencia.
En la estadística descriptiva se constata que los parámetros demográficos y físicos de nuestra serie están dentro del rango de la normalidad acorde a sus edades gestacionales en todos los grupos y subgrupos, en relación con muestras de neonatos sanos.
De los resultados obtenidos cabe destacar:
- Las diferencias medias entre el tálamo y la sustancia blanca en el grupo a término son de 0.428 m/s con un IC95% [0.451 - 0.406] y una p <0.001, en el subgrupo pretérmino S-2000 de 0.225 m/s con un IC95% [0.194 - 0.254] y una p < 0.001, no alcanzando a encontrar diferencias reseñables (-0.006 m/s) ni estadísticamente significativas (p=0,795) en el subgrupo pretérmino SEQUOIA.
- En los modelos de regresión lineal mixto no se observaron asociaciones significativas con ninguna de las variables predictoras en el análisis independiente de cada grupo, excepto con el lado izquierdo de -0.085 m/s con una p=0.003 en el subgrupo pretérmino S-2000, y destacar una asociación casi significativa de la edad cronológica de -0.108 m/s con una p=0.051 en el grupo a término.
- Dentro del estudio de reproducibilidad se obtuvieron en el estudio intra-observador diferencias medias de la elasticidad del tálamo de 0.079 m/s, IC95% [-0.562; 0.721] y de la sustancia blanca de -0.175 m/s, IC95% [-0.515; 0.480], y en el estudio inter-observador unas diferencias medias de la elasticidad del tálamo de -0.0138 m/s, IC95% [-0.611; 0.5834] y de la sustancia blanca de -0.017 m/s, IC95% [-0.809; 0.775].
- Dentro del análisis de los valores de referencia normales se ofrecen intervalos de confianza para cada semana gestacional entre la 24 y la 41. Adicionalmente se obtienen curvas gráficas de la elasticidad en función de la edad gestacional que sugieren una asociación significativa por lo que se decide realizar un nuevo modelo de regresión lineal mixta para la variable predictora de la edad gestacional juntando esta vez todos los neonatos realizados con el equipo S-2000, donde se obtiene, a diferencia de los análisis de los grupos por separado, una asociación significativa de la edad gestacional con la variable respuesta de la elasticidad del tálamo que se estima en -0.022 m/s, IC95% [-0.029-0.015], con una p<0.001, no obteniendo sin embargo correlación significativa con la elasticidad de la sustancia blanca con un resultado de 0.005 m/s, IC95% [-0.002 – 0.012], y una p =0.175.
Señalar como limitaciones principales del estudio el número limitado de neonatos en el rango inferior de edades gestacionales así como en el subgrupo pretérmino SEQUOIA que limita la interpretación y disminuye el poder estadístico de los resultados en estos ámbitos. También mencionar la dificultad a pesar de los criterios estrictos de exclusión de garantizar el reclutamiento de pacientes estrictamente “sanos” en las Unidades de Cuidados Intensivos, así como un probable fenómeno de anisotropía como limitación técnica por la localización anatómica seleccionada de la sustancia blanca periventricular frontal que probablemente haya sobreestimado el valor de la elasticidad en la sustancia blanca.
Los resultados de esta Tesis Doctoral difieren de los ofrecidos por otros autores pero observando también importantes discrepancias entre ellos, probablemente debidas, o al menos en parte, al uso de diferentes métodos elastográficos y, sobre todo, al uso de distintos protocolos de imagen (con diferente selección de áreas anatómicas y planos de adquisición, diferentes sondas, ROIs de distintos tamaños y formas, y criterios de calidad dispares en la validación de mediciones y elastogramas).
Como líneas de futuro, para cubrir las debilidades de este estudio y poder afianzar y dar mayor robustez a los rangos de normalidad de la elasticidad cerebral se sugiere que, además del protocolo de imagen empleado en nuestro estudio, se añada un plano ortogonal (para descartar la posible influencia de la elección del plano de adquisición), se recoja en detalle las características de los diversos ROI utilizados, indicando su profundidad (para descartar una posible infraestimación de la elasticidad por atenuación) y su localización en el caso de la sustancia blanca (para comparar las mediciones dentro y fuera del área hiperecogénica y confirmar en su caso la sospecha de una sobreestimación de las mediciones por fenómeno de anisotropía). Por último, debería incluirse la medición adicional de la sustancia blanca en la región parieto-occipital para confirmar o descartar variaciones de elasticidad de la sustancia blanca en función de la localización anatómica. Asimismo, se debería ampliar el número de exploraciones a neonatos de edades gestacionales bajas e incluir un estudio inter-equipo donde necesariamente se les realizara a los mismos pacientes la misma exploración con los dos equipos a comparar siempre con la menor separación posible de tiempo entre ambas observaciones. Aseguradas las líneas de investigación que den robustez a los valores de normalidad, se podrían plantear estudios sobre diversas patologías para observar los cambios acontecidos en la elasticidad cerebral en cada uno de los escenarios clínicos que se plantee. Se sugiere valorar la aplicabilidad clínica de la sonoelastografía al estudio de las hidrocefalias por encontrar un beneficio importante en el manejo de los pacientes monitorizando a los pacientes con hidrocefalias segundarias a una hemorragia de la matriz germinal de manera que se les realice seguimiento periódico, ante un cambios clínico importante o antes y después de un drenaje ventricular, comparando los valores de elasticidad del tálamo y sustancia blanca con el índice de resistencia dinámico (actualmente el mejor marcador por imagen) y con los valores de la presión intracraneal antes y después del drenaje como patrón de referencia.
Podemos concluir que:
- La sonoelastografía cuantitativa aplicada al tejido cerebral neonatal es una técnica factible en neonatos, además de reproducible, con resultados muy satisfactorios tanto en los estudios intra-observador como inter-observador.
- Se ha propuesto un protocolo de imagen que permite la comparación entre estudios y pacientes, imprescindible para poder avanzar en el conocimiento de esta técnica.
- Se ha confirmado la existencia de diferencias significativas entre la elasticidad del tálamo y de la sustancia blanca y la relación entre los valores normales de la elasticidad del tálamo y la edad gestacional, sin poder establecerse esta relación para la sustancia blanca frontal.
- Y por último que se han definido los rangos de normalidad para la población neonatal sana de los valores de elasticidad del tálamo y de la sustancia blancas para cada una de las semanas gestacionales entre la 24 y la 41, construyendo por primera vez un mapa de elasticidad cerebral neonatal ajustado por edad gestacional.Under the hypothesis of a relation may exist between normal values of neonatal cerebral elasticity and gestational age the principal objective is to measure grey and white matter cerebral elasticity in neonates with different gestational age.
Among the specific objectives are the validation and standardization of the neonatal brain elastography technique, to confirm the existence and degree of significant differences between the elasticity of the gray matter of the thalamus and that of the frontal periventricular white matter, to correlate the elasticity values of the thalamus and frontal periventricular white matter with gestational age and with the rest of the predictor variables collected, as well as to elaborate a map of reference values of brain elasticity measured with ultrasound in the healthy neonatal population.
For this purpose, a prospective study was designed with two recruitment phases. In the first phase, term neonates were recruited from the maternity ward (term group) and in the second phase, preterm neonates were recruited from the Neonatal Intensive Care Unit (NICU).
Exclusion criteria were applied to ensure the recruitment of healthy neonates in the maternity ward, and in the Intensive Care Unit, neonates were recruited without neuro-axis or cardiovascular pathology or systemic infections that could influence brain elasticity.
All neonates underwent the same imaging protocol that included standard B-mode ultrasound, cerebral Doppler of the pericallosal artery and elastography focused on 2 anatomical areas, the thalamus representing the gray matter and the frontal corona radiata representing the white matter, obtaining bilateral information. The method used for the measurement of elasticity is based on the reading of transverse waves after excitation of the target tissue by means of a focused acoustic pulse, specifically the 2D-SWE technique.
The clinical interest of this research is focused on the neonatal period where there are several situations and diseases in which changes in the physical properties of the neonatal brain parenchyma are expected and where quantitative elastography can play a relevant role as a diagnostic and monitoring tool.
Brain elasticity data were successfully obtained from a total of 104 neonates (representing 96% of neonates recruited at term and 82% of neonates recruited preterm) with a wide range of gestational ages (ranging from 24 to 41 weeks, 55 term neonates and 49 preterm neonates) including a total of 1890 thalamus elasticity measurements and 1702 frontal periventricular white matter elasticity measurements.
Of the results obtained, the following are noteworthy:
- The mean differences between thalamus and white matter in the term group are 0.428 m/s with a 95%CI [0.451 - 0.406] and a p<0.001, in the preterm S-2000 subgroup of 0. 225 m/s with a 95%CI [0.194 - 0.254] and a p < 0.001, with no significant differences (-0.006 m/s) and no statistically significant differences (p=0.795) in the preterm SEQUOIA subgroup.
- In the linear mixed regression models, no significant associations were observed with any of the predictor variables in the independent analysis of each group, except with the left side of -0.085 m/s with a p=0.003 in the preterm S-2000 subgroup, and to highlight an almost significant association of the chronological age of -0.108 m/s with a p=0.051 in the term group.
- Within the reproducibility study, mean differences were obtained in the intra-observer study for thalamus elasticity of 0.079 m/s, 95%CI [-0.562; 0.721] and white matter elasticity of -0. 175 m/s, 95%CI [-0.515; 0.480], and in the inter-observer study mean differences in the elasticity of the thalamus of -0.0138 m/s, 95%CI [-0.611; 0.5834] and of the white matter of -0.017 m/s, 95%CI [-0.809; 0.775].
- Within the analysis of normal reference values, confidence intervals are provided for each gestational week between 24 and 41 weeks.
The main limitations of the study are the limited number of neonates in the lower gestational age range as well as in the preterm SEQUOIA subgroup, which limits the interpretation and reduces the statistical power of the results, as well as a probable anisotropy phenomenon as a technical limitation due to the selected anatomical location of the frontal periventricular white matter, which probably overestimated the value of elasticity in the white matter.
The results of this Doctoral Thesis differ from those offered by other authors but we also observe important discrepancies between them, probably due, or at least in part, to the use of different elastographic methods and, above all, to the use of different imaging protocols (with different selection of anatomical areas and acquisition planes, different probes, ROIs of different sizes and shapes, and disparate quality criteria in the validation of measurements and elastograms).
We can conclude that:
- Quantitative sonoelastography applied to neonatal brain tissue is a feasible technique in neonates, as well as reproducible, with very satisfactory results in both intra-observer and inter-observer studies.
- An imaging protocol has been proposed that allows comparison between studies and patients, which is essential to advance in the knowledge of this technique.
- The existence of significant differences between the elasticity of the thalamus and the white matter and the relationship between normal values of thalamus elasticity and gestational age have been confirmed, without being able to establish this relationship for the frontal white matter.
- Finally, the normality ranges have been defined for the healthy neonatal population for the values of thalamus and white matter elasticity for each of the gestational weeks between 24 and 41, constructing for the first time a map of neonatal brain elasticity adjusted for gestational age
