Bayesian neural network approach for determining the risk of re-intervention after endovascular aortic aneurysm repair

This article proposes a Bayesian neural network approach to determine the risk of re-intervention after endovascular aortic aneurysm repair surgery. The target of proposed technique is to determine which patients have high chance to re-intervention (high-risk patients) and which are not (low-risk patients) after 5 years of the surgery. Two censored datasets relating to the clinical conditions of aortic aneurysms have been collected from two different vascular centers in the United Kingdom. A Bayesian network was first employed to solve the censoring issue in the datasets. Then, a back propagation neural network model was built using the uncensored data of the first center to predict re-intervention on the second center and classify the patients into high-risk and low-risk groups. Kaplan-Meier curves were plotted for each group of patients separately to show whether there is a significant difference between the two risk groups. Finally, the logrank test was applied to determine whether the neural network model was capable of predicting and distinguishing between the two risk groups. The results show that the Bayesian network used for uncensoring the data has improved the performance of the neural networks that were built for the two centers separately. More importantly, the neural network that was trained with uncensored data of the first center was able to predict and discriminate between groups of low risk and high risk of re-intervention after 5 years of endovascular aortic aneurysm surgery at center 2 (p = 0.0037 in the logrank test).

An artificial neural network stratifies the risks of reintervention and mortality after endovascular aneurysm repair:a retrospective observational study

Background Lifelong surveillance after endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysms (AAA) is considered mandatory to detect potentially life-threatening endograft complications. A minority of patients require reintervention but cannot be predictively identified by existing methods. This study aimed to improve the prediction of endograft complications and mortality, through the application of machine-learning techniques. Methods Patients undergoing EVAR at 2 centres were studied from 2004-2010. Pre-operative aneurysm morphology was quantified and endograft complications were recorded up to 5 years following surgery. An artificial neural networks (ANN) approach was used to predict whether patients would be at low- or high-risk of endograft complications (aortic/limb) or mortality. Centre 1 data were used for training and centre 2 data for validation. ANN performance was assessed by Kaplan-Meier analysis to compare the incidence of aortic complications, limb complications, and mortality; in patients predicted to be low-risk, versus those predicted to be high-risk. Results 761 patients aged 75 +/- 7 years underwent EVAR. Mean follow-up was 36+/- 20 months. An ANN was created from morphological features including angulation/length/areas/diameters/ volume/tortuosity of the aneurysm neck/sac/iliac segments. ANN models predicted endograft complications and mortality with excellent discrimination between a low-risk and high-risk group. In external validation, the 5-year rates of freedom from aortic complications, limb complications and mortality were 95.9% vs 67.9%; 99.3% vs 92.0%; and 87.9% vs 79.3% respectively (p0.001) Conclusion This study presents ANN models that stratify the 5-year risk of endograft complications or mortality using routinely available pre-operative data.

Influence of Outlet Boundary Conditions on Cerebrovascular Aneurysm Hemodynamics

Computational fluid dynamic (CFD) studies of blood flow in cerebrovascular aneurysms have potential to improve patient treatment planning by enabling clinicians and engineers to model patient-specific geometries and compute predictors and risks prior to neurovascular intervention. However, the use of patient-specific computational models in clinical settings is unfeasible due to their complexity, computationally intensive and time-consuming nature. An important factor contributing to this challenge is the choice of outlet boundary conditions, which often involves a trade-off between physiological accuracy, patient-specificity, simplicity and speed. In this study, we analyze how resistance and impedance outlet boundary conditions affect blood flow velocities, wall shear stresses and pressure distributions in a patient-specific model of a cerebrovascular aneurysm. We also use geometrical manipulation techniques to obtain a model of the patient’s vasculature prior to aneurysm development, and study how forces and stresses may have been involved in the initiation of aneurysm growth. Our CFD results show that the nature of the prescribed outlet boundary conditions is not as important as the relative distributions of blood flow through each outlet branch. As long as the appropriate parameters are chosen to keep these flow distributions consistent with physiology, resistance boundary conditions, which are simpler, easier to use and more practical than their impedance counterparts, are sufficient to study aneurysm pathophysiology, since they predict very similar wall shear stresses, time-averaged wall shear stresses, time-averaged pressures, and blood flow patterns and velocities. The only situations where the use of impedance boundary conditions should be prioritized is if pressure waveforms are being analyzed, or if local pressure distributions are being evaluated at specific time points, especially at peak systole, where the use of resistance boundary conditions leads to unnaturally large pressure pulses. In addition, we show that in this specific patient, the region of the blood vessel where the neck of the aneurysm developed was subject to abnormally high wall shear stresses, and that regions surrounding blebs on the aneurysmal surface were subject to low, oscillatory wall shear stresses. Computational models using resistance outlet boundary conditions may be suitable to study patient-specific aneurysm progression in a clinical setting, although several other challenges must be addressed before these tools can be applied clinically.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Ulnar artery aneurysm: case report and review of the literature

Aim. We report a case of ulnar and palmar arch artery aneurysm in a 77 years old man without history of any occupational or recreational trauma, vasculitis, infections or congenital anatomic abnormalities. We also performed a computed search of literature in PUBMED using the keywords “ulnar artery aneurysm” and “palmar arch aneurysm”. Case report. A 77 years old male patient was admitted to hospital with a pulsing mass at distal right ulnar artery and deep palmar arch; at ultrasound and CT examination a saccular aneurysm of 35 millimeters at right ulnar artery and a 15 millimeters dilatation at deep palmar arch were detected. He was asymptomatic for distal embolization and pain. In local anesthesia ulnar artery and deep palmar arch dilatations were resected. Reconstruction of vessels was performed through an end-to-end microvascular repair. Histological examination confirmed the absence of vasculitis and collagenopaties. In postoperative period there were no clinical signs of peripheral ischemia, Allen’s test and ultrasound examination were normal. At follow-up of six months, the patient was still asymptomatic with a normal Allen test, no signs of distal digital ischemia and patency of treated vessel with normal flow at duplex ultrasound. Conclusion. True spontaneous aneurysms of ulnar artery and palmar arch are rare and can be successfully treated with resection and microvascular reconstruction.

The role of microRNA 21 in the development of in-stent restenosis

Coronary heart disease is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Percutaneous coronary intervention (PCI) has become the most widely used method of coronary artery revascularisation. The use of stents to hold open atherosclerosis induced arterial narrowing has significantly reduced elastic recoil and acute vessel occlusion following balloon angioplasty. However, bare metal stents have been associated with in-stent restenosis attributed to vascular smooth muscle cell (VSMC) hyperplasia and excessive neointimal formation. The resultant luminal renarrowing may manifest clinically with the return of symptoms such as chest pain or shortness of breath. The development of drug eluting stents has significantly reduced the incidence of in-stent restenosis (ISR). Unfortunately the antiproliferative medications used not only inhibit VSMC proliferation but also re-endothelialisation of the stented vessel. In addition, the drug impregnated polymer coating has been associated with a chronic inflammatory response within the vessel wall predisposing patients to stent thrombosis. Thus the identification of novel therapies which promote vessel healing without excessive proliferative or inflammatory response may improve long term outcome and reduce the need for repeated revascularisation. MicroRNAs (miRs) are short (18-25 nucleotide) non-coding RNAs acting to regulate gene expression. By binding to the 3’untranslated region of mRNA they act to fine tune gene expression either by mRNA degradation or translational repression. Originally identified in coordinating tissue development microRNAs have also been shown to play important roles coordinating the inflammatory response and in numerous cardiovascular diseases. MiR-21 has been identified in human atherosclerotic plaques, arteriosclerosis obliterans and abdominal aortic aneurysms. In addition, its up regulation has been documented in preclinical models of vascular injury. This study sought to identify the role of miR-21 in the development of ISR. Utilising a small animal model of stenting and in vitro techniques, we sought to investigate its influence upon VSMC and immune cell response following stenting. 19 The refinement of a murine stenting model within the Baker laboratory and the electrochemical dissolution of the metal stent from within harvested vascular tissues significantly improved the ability to perform detailed histological analysis. In addition, identification of miRNAs using in situ hybridisation was achieved for the first time within stented tissue. Neointimal formation and ISR was significantly reduced in mice in which miR-21 had been genetically deleted. In addition, neointimal composition was found to be altered in miR-21 KO mice with reductions in VSMC and elastin content demonstrated. Importantly, no difference in re-endothelialisation was observed. In vitro analysis demonstrated that VSMCs from miR-21 KO mice had both reduced proliferative and migratory capacity following platelet derived growth factor stimulation. Molecular analysis revealed that these differences may, at least in part, be due to de-repression of programmed cell death 4 (PDCD4). PDCD4 is a known miR-21 target within VSMCs implicated in the suppression of proliferation and promotion of apoptosis. Unfortunately, initial attempts at antimiR mediated knockdown of miR-21 in vivo, failed to produce a similar change in the suppression of ISR. Furthermore, a significant alteration in macrophage polarisation state within the neointima of miR-21 WT and KO mice was noted. Immunohistochemical staining revealed a preponderance of anti-inflammatory M2 macrophages in KO mice. Analysis of bone marrow derived macrophages from miR-21 KO mice demonstrated an increased level of the peroxisome proliferation activating receptor-γ (PPARγ) which facilitates M2 polarisation. Importantly, significant alterations in numerous pro-inflammatory cytokines, which also have mitogenic effects, were also found following genetic deletion of miR-21. In Summary, this is the first study to look at miRs in the development of ISR. MiR-21 plays an important role in the development of ISR by influencing the proliferative response of VSMCs and modulating the immune response following stent deployment. Further attempts to modulate miR-21 expression following PCI may reduce ISR and the need for repeat revascularisation while also reducing the risk of stent thrombosis.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Kawasaki Disease and Peripheral Gangrene in Infancy

Introduction: Early diagnosis and treatment of Kawasaki disease as the most common cause of acquired heart disease in childhood, may significantly improve the prognosis. Diagnosing infantile Kawasaki (younger than a year) is difficult because of obscure symptoms; at the same time they are at the higher risk of coronary abnormalities. Case Presentation: We report three infants with prolonged (more than 5 days) fever and peripheral gangrene without any other clinical manifestations of Kawasaki disease. Kawasaki was diagnosed due to dilation of coronary artery and other aortic branches, thrombocytosis, and rising of ESR and CRP. All patients were treated with high dose aspirin, IVIG and pulse therapy with methylprednisolone. Additionally, cytotoxic drugs or infliximab were used for two of them because of severe aneurysms in the aortic branches. All 3 patients received aspirin with anti-platelet aggregation dose and 2 patients heparin as an anti-coagulant agent for longtime. After adequate treatment, peripheral gangrene, arterial dilations and aneurysms improved, but during 12 months follow-up coronary aneurysms did not improve completely. Conclusions: Peripheral gangrene must be regarded as an important sign of infantile Kawasaki disease early treatment of which can prevent severe permanent coronary involvements and sequels.