Automated Segmentation of Cerebral Vasculature with Aneurysms in 3DRA and TOF-MRA using Geodesic Active Regions: an Evaluation Study

Purpose: To evaluate the suitability of an improved version of an automatic segmentation method based on geodesic active regions (GAR) for segmenting cerebral vasculature with aneurysms from 3D X-ray reconstruc-tion angiography (3DRA) and time of °ight magnetic resonance angiography (TOF-MRA) images available in the clinical routine.Methods: Three aspects of the GAR method have been improved: execution time, robustness to variability in imaging protocols and robustness to variability in image spatial resolutions. The improved GAR was retrospectively evaluated on images from patients containing intracranial aneurysms in the area of the Circle of Willis and imaged with two modalities: 3DRA and TOF-MRA. Images were obtained from two clinical centers, each using di®erent imaging equipment. Evaluation included qualitative and quantitative analyses ofthe segmentation results on 20 images from 10 patients. The gold standard was built from 660 cross-sections (33 per image) of vessels and aneurysms, manually measured by interventional neuroradiologists. GAR has also been compared to an interactive segmentation method: iso-intensity surface extraction (ISE). In addition, since patients had been imaged with the two modalities, we performed an inter-modality agreement analysis with respect to both the manual measurements and each of the two segmentation methods. Results: Both GAR and ISE di®ered from the gold standard within acceptable limits compared to the imaging resolution. GAR (ISE, respectively) had an average accuracy of 0.20 (0.24) mm for 3DRA and 0.27 (0.30) mm for TOF-MRA, and had a repeatability of 0.05 (0.20) mm. Compared to ISE, GAR had a lower qualitative error in the vessel region and a lower quantitative error in the aneurysm region. The repeatabilityof GAR was superior to manual measurements and ISE. The inter-modality agreement was similar between GAR and the manual measurements. Conclusions: The improved GAR method outperformed ISE qualitatively as well as quantitatively and is suitable for segmenting 3DRA and TOF-MRA images from clinical routine.

Morphodynamic analysis of cerebral aneurysm pulsation from time-resolved rotational angiography

This paper presents a technique to estimate and model patient-specific pulsatility of cerebral aneurysms over onecardiac cycle, using 3D rotational X-ray angiography (3DRA) acquisitions. Aneurysm pulsation is modeled as a time varying-spline tensor field representing the deformation applied to a reference volume image, thus producing the instantaneousmorphology at each time point in the cardiac cycle. The estimated deformation is obtained by matching multiple simulated projections of the deforming volume to their corresponding original projections. A weighting scheme is introduced to account for the relevance of each original projection for the selected time point. The wide coverage of the projections, together with the weighting scheme, ensures motion consistency in all directions. The technique has been tested on digital and physical phantoms that are realistic and clinically relevant in terms of geometry, pulsation and imaging conditions. Results from digital phantomexperiments demonstrate that the proposed technique is able to recover subvoxel pulsation with an error lower than 10% of the maximum pulsation in most cases. The experiments with the physical phantom allowed demonstrating the feasibility of pulsation estimation as well as identifying different pulsation regions under clinical conditions.

Mophological analysis of the human vasculature from medical imaging. Application to cerebral and coranary arteries

In this project, we have investigated new ways of modelling and analysis of human vasculature from Medical images. The research was divided in two main areas: cerebral vasculature analysis and coronary arteries modeling. Regarding cerebral vasculature analysis, we have studed cerebral aneurysms, internal carotid and the Circle of Willis (CoW). Aneurysms are abnormal vessel enlargements that can rupture causing important cerebral damages or death. The understanding of this pathology, together with its virtual treatment, and image diagnosis and prognosis, includes identification and detailed measurement of the aneurysms. In this context, we have proposed two automatic aneurysm isolation method, to separate the abnormal part of the vessel from the healthy part, to homogenize and speed-up the processing pipeline usually employed to study this pathology, [Cardenes2011TMI, arrabide2011MedPhys]. The results obtained from both methods have been also compared and validatied in [Cardenes2012MBEC]. A second important task here the analysis of the internal carotid [Bogunovic2011Media] and the automatic labelling of the CoW, Bogunovic2011MICCAI, Bogunovic2012TMI]. The second area of research covers the study of coronary arteries, specially coronary bifurcations because there is where the formation of atherosclerotic plaque is more common, and where the intervention is more challenging. Therefore, we proposed a novel modelling method from Computed Tomography Angiography (CTA) images, combined with Conventional Coronary Angiography (CCA), to obtain realistic vascular models of coronary bifurcations, presented in [Cardenes2011MICCAI], and fully validated including phantom experiments in [Cardene2013MedPhys]. The realistic models obtained from this method are being used to simulate stenting procedures, and to investigate the hemodynamic variables in coronary bifurcations in the works submitted in [Morlachi2012, Chiastra2012]. Additionally, another preliminary work has been done to reconstruct the coronary tree from rotational angiography, and published in [Cardenes2012ISBI].

Dynamic estimation of three-dimensional cerebrovascular deformation from rotational angiography

Purpose: The objective of this study is to investigate the feasibility of detecting and quantifying 3D cerebrovascular wall motion from a single 3D rotational x-ray angiography (3DRA) acquisition within a clinically acceptable time and computing from the estimated motion field for the further biomechanical modeling of the cerebrovascular wall. Methods: The whole motion cycle of the cerebral vasculature is modeled using a 4D B-spline transformation, which is estimated from a 4D to 2D + t image registration framework. The registration is performed by optimizing a single similarity metric between the entire 2D + t measured projection sequence and the corresponding forward projections of the deformed volume at their exact time instants. The joint use of two acceleration strategies, together with their implementation on graphics processing units, is also proposed so as to reach computation times close to clinical requirements. For further characterizing vessel wall properties, an approximation of the wall thickness changes is obtained through a strain calculation. Results: Evaluation on in silico and in vitro pulsating phantom aneurysms demonstrated an accurate estimation of wall motion curves. In general, the error was below 10% of the maximum pulsation, even in the situation when substantial inhomogeneous intensity pattern was present. Experiments on in vivo data provided realistic aneurysm and vessel wall motion estimates, whereas in regions where motion was neither visible nor anatomically possible, no motion was detected. The use of the acceleration strategies enabled completing the estimation process for one entire cycle in 5-10 min without degrading the overall performance. The strain map extracted from our motion estimation provided a realistic deformation measure of the vessel wall. Conclusions: The authors' technique has demonstrated that it can provide accurate and robust 4D estimates of cerebrovascular wall motion within a clinically acceptable time, although it has to be applied to a larger patient population prior to possible wide application to routine endovascular procedures. In particular, for the first time, this feasibility study has shown that in vivo cerebrovascular motion can be obtained intraprocedurally from a 3DRA acquisition. Results have also shown the potential of performing strain analysis using this imaging modality, thus making possible for the future modeling of biomechanical properties of the vascular wall.

Modelo de caracterización cerebral del área anorrectal mediante técnicas de neuroimagen para su utilización posterior en pacientes con incontinecia fecal

Resumen: La incontinencia fecal es una patología con importantes implicaciones sociosanitarias, con un tratamiento complejo y no siempre satisfactorio, especialmente la incontinencia fecal idiopática. El sistema nervioso central regula los procesos de continencia y defecación. Los estudios de neuroimagen han demostrado ser útiles para caracterizar las áreas cerebrales que controlan el área anorrectal. A partir de un grupo de voluntarias sanas, se ha creado un modelo de caracterización de estas áreas cerebrales anorrectales, que podrá ser utilizado posteriormente para compararlo con un grupo de pacientes con incontinencia fecal idiopática, estudiando posibles diferencias y posibles opciones terapéuticas.

RACE (Rapid Arterial oCclusion Evaluation): Diseño y validación prehospitalaria de una escala neurológica para la predicción de una oclusión arterial proximal en los pacientes con un ictus isquémico agudo de la circulación cerebral anterior

La Rapid Arterial oCclusion Evaluation és una escala neurològica prehospitalària que prediu la presència d’una oclusió arterial proximal (OAP) en els pacients amb un ictus isquèmic agut de la circulació cerebral anterior (IIACCA). Fou dissenyada valorant retrospectivament a 654 pacients amb un IIACCA, seleccionant la combinació dels ítems de la National Institutes of Health Stroke Scale que mostraven una major associació amb la presència d’una OAP: parèsia facial, parèsia braquial, parèsia crural, desviació oculocefàlica y agnòsia/afàsia. Fou validada valorant prospectivament a 93 activacions del Codi Ictus, mostrant una sensibilitat del 88% y una especificitat del 65% per una puntuació ≥ 4.

Microdiálisis cerebral de alta resolución: Estudio del perfil funcional y estructural de las membranas de 100 kDa

La microdiàlisi és una tècnica de neuromonitoratge que permet el mostreig continu del contingut molecular i iònic de l’espai intersticial cerebral. Aquesta tècnica es basa en la implantació d’un catèter en el parènquima cerebral humà de manera mínimament invasiva. Actualment, la microdiàlisi s’ha implantat de manera rutinària en moltes unitats de cures intensives pel neuromonitoratge de pacients amb lesions cerebrals agudes. No obstant, l’estudi in vivo del perfil temporal del proteoma en aquestes lesions i la correcta avaluació de la concentració de les molècules d’interès en el líquid extracel•lular cerebral requereix la determinació prèvia in vitro del percentatge de recuperació relativa de les proteïnes d’estudi.

Trastorns respiratoris del son i infart cerebral agut: Mecanismes patogènics, prevalença, evolució i rellevància pronòstica

Estudi prospectiu en 41 pacients amb ictus agut mitjançant poligrafia respiratòria i repetició als 3 mesos (29) per avaluar el paper de la SAHS en l’ictus agut i la relació amb les CPEs. En fase estable va disminuir significativament l’IAH total i la prevalença de SAHS greu, sense relació amb el pronòstic. L’estudi de la SAHS en l’ictus agut pot sobreestimar la prevalença de SAHS greu, dada rellevant front la decisió d’iniciar tractament amb CPAP. Les CPEs mostren un pic als 7 dies post-ictus i els pacients SAHS presenten uns valors basals menors, possible reflex de la seva disfunció endotelial.

Benefici de la Simvastatina en el tractament trombolític combinat de l’ictus en models d’ isquèmia cerebral en rata

L’ictus és un dels reptes sanitaris més importants al nostre país ja que l’únic tractament disponible és l’administració de trombolítics durant les 4,5 primeres hores i menys d’un 10% dels pacients poden beneficiar-se’n. Publicacions anteriors han demostrat que el tractament de l’ictus amb estatines pot reduir l’extensió del teixit infartat i millorar la funció neurològica, per això proposem fer un estudi experimental usant un model d’isquèmia en rata, que evidenciï si el tractament combinat de Simvastatina i rt-PA incrementa el benefici obtingut únicament amb fàrmacs trombolítics i avaluï la seva seguretat quan s’administra durant la fase aguda (transformacions hemorràgiques i incidència d’infeccions).

¿Som realment diferents els homes i les dones? Anàlisi de les diferències entre ambdós sexes en pacients amb malaltia vascular cerebral.

Es recullen les dades dels pacients amb ictus agut (isquèmic i hemorràgic) que ingressen al nostre servei i es comparen les dades epidemiològiques, clíniques i de pronòstic de dones i homes. En l'anàlisi comparatiu s’objectiven diferències en quant als factors de risc entre ambdós sexes. I es troben factors independents de mal pronòstic en els pacients amb un ictus isquèmic: l'antecedent de cardiopatia isquèmica, l’escala de rankin previ i l'escala canadenca a l'ingrés. En l'anàlisi de regressió logística es troben factors independents de mal pronòstic en els pacients amb una hemorràgia cerebral l'edat i l'escala canadenca a l'ingrés.

Aportaciones al Conocimiento sobre las Medidas Normales del Sistema Ventricular Cerebral Humano mediante Tomografía Computerizada

Hem fet un estudi retrospectiu de TC cranials de 511 adults sans, amb estudis considerats dins de la normalitat, i una anàlisi morfomètric del sistema ventricular i del còrtex cerebral. Hem distribuït els pacients per grups d'edat i sexe, i obtingut uns paràmetres estadístics per a cada un d'aquests grups. L'anàlisi va revelar uns valors sense diferències significatives quant al sexe, però apreciem una clara tendència a l'augment del diàmetre dels ventricles laterals i del tercer ventricle, en relació amb l'edat. La resta de paràmetres estudiats, no van presentar variacions importants.

Implicación de la cocaína en la patología vascular cerebral

Revisió retrospectiva de pacients menors de 50 anys ingressats en el servei de Neurologia amb patologia cerebrovascular aguda des de gener 2006 fins desembre 2009, amb l'objectiu principal de descriure la implicació de la cocaïna en la patologia vascular cerebral en pacients joves. Es comparen 18 pacients amb nivells de cocaïna positius a l'ingrés i 79 pacients amb nivells negatius. De tots ells, es recullen diferents variables que defineixen el perfil de risc vascular, característiques clínico-topogràfiques de l'ictus i morbimortalitat associada als mateixos; finalment es realitza una anàlisi estadística de les dues poblacions.

Microdiàlisis cerebral aplicada a l'estudi del metabolisme energètic i a la resposta neuroinflamatòria dels pacients amb traumatisme cranioencefàlic

La tècnica de la microdiàlisis cerebral (MDC) és un instrument que proporciona informació rellevant en la monitorització del metabolisme cerebral en els pacients neurocrítics. El lactat i l’índex lactat-piruvat (ILP) són dos marcadors utilitzats per a la detecció de la hipòxia cerebral en pacients que han patit un traumatisme cranioencefàlic (TCE). Aquests dos marcadors poden estar anormalment elevats en circumstàncies que no cursen amb hipòxia tissular. Per una altra banda la recent aparició dels catèters de MDC amb porus de major mida denominats d’”alta resolució”, permet ampliar el rang de molècules que es poden detectar en el dialitzat. Objectius: 1) descriure les característiques del metabolisme energètic cerebral que s’observa en la fase aguda dels pacients que han patit un TCE en base als dos indicadors del metabolisme anaeròbic: lactat i ILP, i 2) determinar la recuperació relativa (RR) de les molècules implicades en la resposta neuroinflamatòria: de IL-1β, IL- 6, IL-8 i IL-10. Material i mètodes: Es van seleccionar 46 pacients d’una cohort de pacients amb TCE moderat o greu ingressats a la Unitat de Cures Intensives de l’Hospital Universitari de la Vall d’Hebron i monitoritzats amb MDC. Es van analitzar els nivells de lactat i ILP i es va correlacionar amb els nivells de PtiO2. Es van realitzar experiments in vitro per estudiar la recuperació de les membranes de 100 KDa per tal de poder interpretar posteriorment els nivells reals de les molècules estudiades en l’espai extracel•lular del teixit cerebral. Resultats: La concordança entre el lactat i l’índex LP per a determinar episodis de disfunció metabòlica va ser dèbil (índex de kappa = 0,36, IC 95%: 0,34-0,39). Més del 80% dels casos en què el lactat i l’índex LP es trobaven incrementats, els valors de la PtiO2 es van trobar dins els rangs de normalitat (PtiO2&15mmHg). La recuperació de les citoquines a través de la membrana de microdiàlisis va ser menor de l’esperat tenint en compte la mida dels porus de la membrana. Conclusions: el lactat i l’índex LP elevats va ser una troballa freqüent després d’un TCE i no es va relacionar, en la majoria de casos, amb episodis d’hipòxia tissular. Per un altra part la mida del porus de la membrana no és l’únic paràmetre indicador de la RR de macromolècules.

Historia natural de la oclusión aguda de gran arteria de la circulación cerebral anterior: serie clínica de 120 pacientes.

: Para estudiar la historia natural del ictus isquémico por oclusión de gran vaso de la circulación anterior se seleccionó una muestra prospectiva de pacientes con ictus agudo que no recibieron terapias de reperfusión en los que se confirmó una oclusión de gran vaso de la circulación anterior mediante Dúplex transcraneal. El 74% de los pacientes tuvo mal pronóstico. Los pacientes con oclusión de la a.carótida interna terminal y de la a.cerebral media proximal tuvieron peor pronóstico funcional y mayor porcentaje de mortalidad a los tres meses que los pacientes con oclusión de la a.cerebral media distal.

Aterosclerosis cérvico-cerebral subclínica: evaluación del índice REGICOR, el grosor íntima-media y el índice tobillo-brazo en la detección de sujetos en riesgo en la población

La aterosclerosis cérvico-cerebral es una de las principales causas de ictus isquémico, y por tanto, de morbimortalidad en nuestro medio. La detección de la misma en su fase asintomática mediante instrumentos como la función REGICOR, el grosor íntima-media y el índice tobillo-brazo podría mejorar las estrategias de prevención primaria. Comprobamos que, en nuestra cohorte de 933 sujetos sin antecedentes cardiovasculares, los tres factores (REGICOR≥10, GIM≥0.9, ITB≤ 0.9) se asociaron de forma independiente con la presencia de aterosclerosis cérvico-cerebral y de cualquier localización (extracraneal-intracraneal-combinada). La utilización conjunta de REGICOR e ITB podría facilitar el diagnóstico precoz de la aterosclerosis cérvico-cerebral subclínica.