Automated detection and classification of brain injury lesions on structural magnetic resonance imaging

El daño cerebral adquirido (DCA) es un problema social y sanitario grave, de magnitud creciente y de una gran complejidad diagnóstica y terapéutica. Su elevada incidencia, junto con el aumento de la supervivencia de los pacientes, una vez superada la fase aguda, lo convierten también en un problema de alta prevalencia. En concreto, según la Organización Mundial de la Salud (OMS) el DCA estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad en el año 2020. La neurorrehabilitación permite mejorar el déficit tanto cognitivo como funcional y aumentar la autonomía de las personas con DCA. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma donde se puedan diseñar tratamientos que sean intensivos, personalizados, monitorizados y basados en la evidencia. Ya que son estas cuatro características las que aseguran que los tratamientos son eficaces. A diferencia de la mayor parte de las disciplinas médicas, no existen asociaciones de síntomas y signos de la alteración cognitiva que faciliten la orientación terapéutica. Actualmente, los tratamientos de neurorrehabilitación se diseñan en base a los resultados obtenidos en una batería de evaluación neuropsicológica que evalúa el nivel de afectación de cada una de las funciones cognitivas (memoria, atención, funciones ejecutivas, etc.). La línea de investigación en la que se enmarca este trabajo de investigación pretende diseñar y desarrollar un perfil cognitivo basado no sólo en el resultado obtenido en esa batería de test, sino también en información teórica que engloba tanto estructuras anatómicas como relaciones funcionales e información anatómica obtenida de los estudios de imagen. De esta forma, el perfil cognitivo utilizado para diseñar los tratamientos integra información personalizada y basada en la evidencia. Las técnicas de neuroimagen representan una herramienta fundamental en la identificación de lesiones para la generación de estos perfiles cognitivos. La aproximación clásica utilizada en la identificación de lesiones consiste en delinear manualmente regiones anatómicas cerebrales. Esta aproximación presenta diversos problemas relacionados con inconsistencias de criterio entre distintos clínicos, reproducibilidad y tiempo. Por tanto, la automatización de este procedimiento es fundamental para asegurar una extracción objetiva de información. La delineación automática de regiones anatómicas se realiza mediante el registro tanto contra atlas como contra otros estudios de imagen de distintos sujetos. Sin embargo, los cambios patológicos asociados al DCA están siempre asociados a anormalidades de intensidad y/o cambios en la localización de las estructuras. Este hecho provoca que los algoritmos de registro tradicionales basados en intensidad no funcionen correctamente y requieran la intervención del clínico para seleccionar ciertos puntos (que en esta tesis hemos denominado puntos singulares). Además estos algoritmos tampoco permiten que se produzcan deformaciones grandes deslocalizadas. Hecho que también puede ocurrir ante la presencia de lesiones provocadas por un accidente cerebrovascular (ACV) o un traumatismo craneoencefálico (TCE). Esta tesis se centra en el diseño, desarrollo e implementación de una metodología para la detección automática de estructuras lesionadas que integra algoritmos cuyo objetivo principal es generar resultados que puedan ser reproducibles y objetivos. Esta metodología se divide en cuatro etapas: pre-procesado, identificación de puntos singulares, registro y detección de lesiones. Los trabajos y resultados alcanzados en esta tesis son los siguientes: Pre-procesado. En esta primera etapa el objetivo es homogeneizar todos los datos de entrada con el objetivo de poder extraer conclusiones válidas de los resultados obtenidos. Esta etapa, por tanto, tiene un gran impacto en los resultados finales. Se compone de tres operaciones: eliminación del cráneo, normalización en intensidad y normalización espacial. Identificación de puntos singulares. El objetivo de esta etapa es automatizar la identificación de puntos anatómicos (puntos singulares). Esta etapa equivale a la identificación manual de puntos anatómicos por parte del clínico, permitiendo: identificar un mayor número de puntos lo que se traduce en mayor información; eliminar el factor asociado a la variabilidad inter-sujeto, por tanto, los resultados son reproducibles y objetivos; y elimina el tiempo invertido en el marcado manual de puntos. Este trabajo de investigación propone un algoritmo de identificación de puntos singulares (descriptor) basado en una solución multi-detector y que contiene información multi-paramétrica: espacial y asociada a la intensidad. Este algoritmo ha sido contrastado con otros algoritmos similares encontrados en el estado del arte. Registro. En esta etapa se pretenden poner en concordancia espacial dos estudios de imagen de sujetos/pacientes distintos. El algoritmo propuesto en este trabajo de investigación está basado en descriptores y su principal objetivo es el cálculo de un campo vectorial que permita introducir deformaciones deslocalizadas en la imagen (en distintas regiones de la imagen) y tan grandes como indique el vector de deformación asociado. El algoritmo propuesto ha sido comparado con otros algoritmos de registro utilizados en aplicaciones de neuroimagen que se utilizan con estudios de sujetos control. Los resultados obtenidos son prometedores y representan un nuevo contexto para la identificación automática de estructuras. Identificación de lesiones. En esta última etapa se identifican aquellas estructuras cuyas características asociadas a la localización espacial y al área o volumen han sido modificadas con respecto a una situación de normalidad. Para ello se realiza un estudio estadístico del atlas que se vaya a utilizar y se establecen los parámetros estadísticos de normalidad asociados a la localización y al área. En función de las estructuras delineadas en el atlas, se podrán identificar más o menos estructuras anatómicas, siendo nuestra metodología independiente del atlas seleccionado. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la identificación automática de lesiones utilizando estudios de imagen médica estructural, concretamente estudios de resonancia magnética. Basándose en estos cimientos, se han abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la mejora en la detección de lesiones. ABSTRACT Brain injury constitutes a serious social and health problem of increasing magnitude and of great diagnostic and therapeutic complexity. Its high incidence and survival rate, after the initial critical phases, makes it a prevalent problem that needs to be addressed. In particular, according to the World Health Organization (WHO), brain injury will be among the 10 most common causes of disability by 2020. Neurorehabilitation improves both cognitive and functional deficits and increases the autonomy of brain injury patients. The incorporation of new technologies to the neurorehabilitation tries to reach a new paradigm focused on designing intensive, personalized, monitored and evidence-based treatments. Since these four characteristics ensure the effectivity of treatments. Contrary to most medical disciplines, it is not possible to link symptoms and cognitive disorder syndromes, to assist the therapist. Currently, neurorehabilitation treatments are planned considering the results obtained from a neuropsychological assessment battery, which evaluates the functional impairment of each cognitive function (memory, attention, executive functions, etc.). The research line, on which this PhD falls under, aims to design and develop a cognitive profile based not only on the results obtained in the assessment battery, but also on theoretical information that includes both anatomical structures and functional relationships and anatomical information obtained from medical imaging studies, such as magnetic resonance. Therefore, the cognitive profile used to design these treatments integrates information personalized and evidence-based. Neuroimaging techniques represent an essential tool to identify lesions and generate this type of cognitive dysfunctional profiles. Manual delineation of brain anatomical regions is the classical approach to identify brain anatomical regions. Manual approaches present several problems related to inconsistencies across different clinicians, time and repeatability. Automated delineation is done by registering brains to one another or to a template. However, when imaging studies contain lesions, there are several intensity abnormalities and location alterations that reduce the performance of most of the registration algorithms based on intensity parameters. Thus, specialists may have to manually interact with imaging studies to select landmarks (called singular points in this PhD) or identify regions of interest. These two solutions have the same inconvenient than manual approaches, mentioned before. Moreover, these registration algorithms do not allow large and distributed deformations. This type of deformations may also appear when a stroke or a traumatic brain injury (TBI) occur. This PhD is focused on the design, development and implementation of a new methodology to automatically identify lesions in anatomical structures. This methodology integrates algorithms whose main objective is to generate objective and reproducible results. It is divided into four stages: pre-processing, singular points identification, registration and lesion detection. Pre-processing stage. In this first stage, the aim is to standardize all input data in order to be able to draw valid conclusions from the results. Therefore, this stage has a direct impact on the final results. It consists of three steps: skull-stripping, spatial and intensity normalization. Singular points identification. This stage aims to automatize the identification of anatomical points (singular points). It involves the manual identification of anatomical points by the clinician. This automatic identification allows to identify a greater number of points which results in more information; to remove the factor associated to inter-subject variability and thus, the results are reproducible and objective; and to eliminate the time spent on manual marking. This PhD proposed an algorithm to automatically identify singular points (descriptor) based on a multi-detector approach. This algorithm contains multi-parametric (spatial and intensity) information. This algorithm has been compared with other similar algorithms found on the state of the art. Registration. The goal of this stage is to put in spatial correspondence two imaging studies of different subjects/patients. The algorithm proposed in this PhD is based on descriptors. Its main objective is to compute a vector field to introduce distributed deformations (changes in different imaging regions), as large as the deformation vector indicates. The proposed algorithm has been compared with other registration algorithms used on different neuroimaging applications which are used with control subjects. The obtained results are promising and they represent a new context for the automatic identification of anatomical structures. Lesion identification. This final stage aims to identify those anatomical structures whose characteristics associated to spatial location and area or volume has been modified with respect to a normal state. A statistical study of the atlas to be used is performed to establish which are the statistical parameters associated to the normal state. The anatomical structures that may be identified depend on the selected anatomical structures identified on the atlas. The proposed methodology is independent from the selected atlas. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the automatic identification of lesions based on structural medical imaging studies (resonance magnetic studies). Based on these foundations, new research fields to improve the automatic identification of lesions in brain injury can be proposed.

Perfil neuropsicológico de niños con dislalias: alteraciones mnésicas y atencionales

En este estudio se pretende investigar el funcionamiento neuropsicológico de niños con dislalias. 34 niños con dislalia múltiple (distorsión o sustitución articulatoria de tres fonemas: /r/, /l/ y /s/) y exploración neurológica normal fueron comparados con 28 niños sin problemas del habla. El perfil neuropsicológico se estima mediante la Escala de Inteligencia Wechsler para Niños-Revisada (WISC-R) y la Batería Neuropsicológica Luria-DNI. Los resultados indican que los niños dislálicos presentan: a) un perfil mnésico globalmente deteriorado respecto al grupo de referencia aunque están preservado la memoria remota y la memoria de formas; b) alteraciones en cinestesia y estereognosia; c) problemas atencionales. Estos resultados indican que los niños dislálicos presentan problemas mnésicos y atencionales similares a los manifestados por niños con problemas de lenguaje secundarios a daño cerebral o afectaciones orgánicas o psicolingüísticas importantes. Debemos considerar este perfil neuropsicológico deteriorado en la orientación neurológica y psicoeducativa de estos niños

Reflexiones sobre la neurotoxicidad inducida por opioides en el contexto de una anestesia general en población pediátrica

Introducción: Desde el año 2000 vienen apareciendo en distintas publicaciones científicas los resultados de numerosos estudios experimentales realizados en animales, evaluando el impacto neurotóxico que sobre sus cerebros tenía la exposición a combinaciones de anestésicos de uso habitual. Se constata que la exposición en periodo de máxima sinaptogénesis conlleva una apoptosis neural diseminada. Comienzan entonces a preocuparse los anestesiólogos que trabajan con niños, pues quizás ese daño neuronal también pudiera acontecer a la población pediátrica. Así, son varios los estudios que están en marcha desde hace años valorando el desarrollo neurocognitivo de cohortes de niños que se sometieron a anestesias generales en edades tempranas de sus vidas. En este sentido, la necesidad de medir un daño cerebral agudo nos anima a utilizar marcadores que han demostrado su asociación con dicho deterioro cerebral en diferentes situaciones clínicas como la hipoxia perinatal, la parada cardiorrespiratoria o el traumatismo craneoencefálico. Objetivos: Planteamos este trabajo con el objetivo de determinar si la proteína S100B podría comportarse como un biomarcador de daño cerebral agudo postanestésico y si pudiéramos establecer asociación entre la elevación de este marcador en sangre y alguno de los fármacos anestésicos utilizados habitualmente. Metodología: Determinación sanguínea de la proteína S100B en 76 pacientes pediátricos intervenidos de hipertrofia amigdalar bajo anestesia general, antes y después de la cirugía. Conclusión: Tras analizar los resultados podemos concluir que existe una elevación estadísticamente significativa entre los niveles de proteína S100B antes y después de la exposición anestésica. En segundo lugar, podemos establecer una correlación positiva, también con significación estadística, entre el fentanilo administrado y la elevación de dicha proteína al final del acto anestésico.

Asfixia perinatal y proteína S100B

La asfixia perinatal es la principal causa de muerte en la primera semana de vida la nivel mundial, los niños que sufren esta complicación y sobreviven pueden presentar trastornos neurológicos de diferente nivel de compromiso que inciden en su desarrollo personal y social. Las cifras de muerte por este problema de salud han disminuido de manera importante, sin embargo en el reporte de la Organización Mundial de Salud (OPS) del 2010, la asfixia perinatal es causa del 29% de muertes infantiles en los países de América Latina y el Caribe 2. Es necesario conocer además la extensión del daño neurológico que sufren estos niños, con este fin se desarrolló un estudio piloto en el Hospital Universitario Mayor Mederi de Bogotá, en el cual se determinó la concentración de un marcador metabólico de daño cerebral, la proteína S100B en suero de 60 recién nacidos sanos, con el objetivo de analizar la asociación del mismo con el peso al nacer, la edad gestacional y el diagnóstico. Los resultados no mostraron diferencias significativas entre este marcador y las variables analizadas que puede asociarse al pequeño número de pacientes, sin embargo han sentado las bases para el desarrollo de un estudio que incluya varios hospitales de Bogotá y sobre todo la determinación del mismo en recién nacidos con diagnóstico de hipoxia en el período perinatal, lo cual aportará información del grado de la alteración que puedan tener a nivel cerebral y contribuya al mejor manejo evolutivo con la aplicación de medidas de intervención en estadios tempranos de la vida.

Caracterización del daño morfológico en el área ca1 del hipocampo y deterioro funcional secundario a isquemia cerebral global en ratas envejecidas.

Tesis (Doctor en Medicina) UANL, 2014.

Daño neurológico detectado por RM difusión y variaciones en el estado neurocognitivo tras implante de TAVI vs. RVA en pacientes con similar perfil de riesgo:) Datos preliminares

El presente trabajo muestra los datos preliminares de una estudio de cohortes prospectivo unicéntrico que pretende comparar el daño neurológico asociado a dos intervenciones cardiacas para el tratamiento de la estenosis aórtica severa. Concretamente se analiza la aparición de lesiones isquémica agudas cerebrales detectadas por RM tras los dos procedimientos y su posible asociación con alteraciones del estado neurocognitivo en la evolución. La presentación actual solo muestra los datos preliminares de los resultados de la RM cerebral. En el apartado métodos se describe también como se realizó la valoración del estado neurocognitivo, no obstante, los resultados de estas valoraciones y su posible correlación con las lesiones en la RM cerebral aún no estan analizados y por lo tanto no se presentan.

El cuidado de niños con parálisis cerebral : experiencias de las enfermeras de una clínica privada del distrito de Chiclayo, 2015

Tesis de pregrado

Clinical efficacy and safety of edaravone therapy in acute cerebral haemorrhage

Purpose: To evaluate the clinical efficacy and safety of edaravone in the treatment of acute cerebral haemorrhage (ACH). Methods: This study recruited 120 patients who developed ACH. The patients were divided into control and treatment groups with 60 patients per group. The control group underwent conventional treatment and the treatment group also received intravenous edaravone. The volumes of cerebral edema and cerebral hematoma, high-sensitivity C-reactive protein (hs-CRP) and interleukin-6 (IL-6) levels, and Chinese Stroke Scale (CSS) score before and after treatment were compared between the two groups. Results: The respective cerebral edema volumes of the control and treatment groups decreased from 20.99 ± 12.09 and 21.80 ± 12.01 mL on day 0 to 11.23 ± 6.34 and 12.11 ± 5.98 mL at day 7 and 4.69 ± 4.03 and 4.64 ± 3.9 mL on day 14 (P < 0.05). The respective cerebral hematoma volumes of the control and treatment groups decreased from 18.98 ± 12.04 and 18.97 ± 12.07 mL on day 0 to 12.34 ± 6.57 and 11.89 ± 4.01 mL at day 7 and 9.49 ± 3.95 and 9.52 ± 3.96 mL on day 14. Compared with pretreatment, hs-CRP and IL-6 levels and CSS score of the two groups decreased significantly following treatment (p < 0.05); the differences in the cerebral edema and hematoma volumes of the two groups on days 7 and 14 were not significant (p > 0.05). The hs-CRP and IL-6 levels and CSS scores of the treatment group decreased appreciably (p < 0.05), while the incidence of adverse reactions in the treatment and control groups was 16.67 and 13.33 %, respectively, but the difference was not significant (p > 0.05). Conclusion: Edaravone shows remarkable clinical efficacy and safety with no obvious adverse reactions in the treatment of ACH. Therefore, its use is recommended.

Cerebral Cortex Involvement In Machado-joseph Disease.

Machado-Joseph disease (MJD/SCA3) is the most frequent spinocerebellar ataxia, characterized by brainstem, basal ganglia and cerebellar damage. Few magnetic resonance imaging based studies have investigated damage in the cerebral cortex. The objective was to determine whether patients with MJD/SCA3 have cerebral cortex atrophy, to identify regions more susceptible to damage and to look for the clinical and neuropsychological correlates of such lesions. Forty-nine patients with MJD/SCA3 (mean age 47.7 ± 13.0 years, 27 men) and 49 matched healthy controls were enrolled. All subjects underwent magnetic resonance imaging scans in a 3 T device, and three-dimensional T1 images were used for volumetric analyses. Measurement of cortical thickness and volume was performed using the FreeSurfer software. Groups were compared using ancova with age, gender and estimated intracranial volume as covariates, and a general linear model was used to assess correlations between atrophy and clinical variables. Mean CAG expansion, Scale for Assessment and Rating of Ataxia (SARA) score and age at onset were 72.1 ± 4.2, 14.7 ± 7.3 and 37.5 ± 12.5 years, respectively. The main findings were (i) bilateral paracentral cortex atrophy, as well as the caudal middle frontal gyrus, superior and transverse temporal gyri, and lateral occipital cortex in the left hemisphere and supramarginal gyrus in the right hemisphere; (ii) volumetric reduction of basal ganglia and hippocampi; (iii) a significant correlation between SARA and brainstem and precentral gyrus atrophy. Furthermore, some of the affected cortical regions showed significant correlations with neuropsychological data. Patients with MJD/SCA3 have widespread cortical and subcortical atrophy. These structural findings correlate with clinical manifestations of the disease, which support the concept that cognitive/motor impairment and cerebral damage are related in disease.

Aneurisma gigante da artéria cerebral média

A case of giant aneurysm of the left middle cerebral artery, in a 28-year-old right-handed woman, successfuly operated is reported. The aneurysm measur- ing 35 x 27 x 23 mm showed clinical manifestations as a space-occupying lesion. The patient recovered completely after the total excision of the aneurysm.

Actinomicose cerebral: observação anatomo-clinica e revisão da literatura brasileira

A case of central nervous system actinomycosis is reported. A 33-year-old male complained of headache, vomiting and blurred vision lasting for eight days prior to admission. On examination, a right hemiparesis, as well an intracranial hypertension were detected. The cerebrospinal fluid showed mild lymphomononuclear hypercytosis. Necropsy disclosed three abscess in the cerebral hemispheres, in addition to moderate cerebral edema on the left side but without purulent leptomeningitis. Actinomyces filaments and granules were demonstrated in the cerebral and lung abscesses. The Brazilian literature on actinomycosis is reviewed and six published cases with nervous system involvement were found. Relevant clinical and anatomical aspects of the cases and of the present one are discussed.

Cromomicose cerebral: registro de um caso

A case of brain abscess and meningitis due to pigmented fungi is reported. The patient was a 59-year-old white male, who had enjoyed excellent health until October 1977, when he developed headache, later accompanied by paresthesias and weakness in the left-sided extremities. These symptoms worsened progressively and in November of that year he had to quit his job. From February 1978 on he became inactive and anorexic. Intense continuous headache was associated with frequent episodes of vomiting. He gradually became tor-porous, and according to his relatives, suffered from visual and possibly auditory deficiency. On examination, he was malnourished and dehydrated, with decubitus ulcers. Temperature was 38,5°C. A left-sided spastic hemiplegia and prominent meningorradicular signs were noted. The CSF was examined six times between May 17th and June 1st and showed variable hypercytosis (143 to 4,437 leucocytes/ cu mm) with predominance of neutrophils (up tp 95%), low glucose and high protein concentrations. No microorganisms were identified. Electroencephalographic study disclosed a low background activity especially in left temporal areas. Despite supportive care and antibiotic therapy he lapsed into coma. Carotid angiography was normal on June 1st. He remained in deep coma until his death on June 6th, 1978. Necropsy was limited to the brain, which weighed 1,550 g after fixation and showed diffuse intense edema and hyperemia. On coronal sectioning an encapsulated abscess was found in the right basal ganglia, which also involved the internal capsule, and measured 1.5 cm in diameter. Microscopical examination disclosed large numbers of brownish fungi, appearing both as oval yeasts and as septate hyphae in the thick fibrous capsule and in the necrotic content of the abscess. The same organisms were demonstrated in moderate numbers in the leptomeninges of the medulla oblongata and , less frequently, of the hippo-campal region and cerebellum.

Ficomicose (mucormicose) orbito-rino-cerebral: registro de um caso

The case of a 15 years old white man, diabetic in cetoacidosis, with a orbit-rhino-cerebral phycomycosis is reported. The illness had an acute onset and the treatment was iniciated early with Amphotericin-B and unilateral osteotomy of maxillary and ethmoidal sinus. With this treatment the patient did well with residuals of ophtalmoplegia and amaurosis on the right. Interesting investigation aspects are the occluded internal carotid on the same side of the affected orbit and the CAT-SCAN finding of moderated ventricular dilatation (two month after hospital admission). Mycology, pathophysiology, histopathology, clinical aspects, diagnosis and therapy are discussed, comparing the findings of this case with available literature. An increased number of survivors can be expected with earlier recognition and more aggressive therapy. Treatment of the underlying debilitating disease, Amphotericin-B and surgical debridement of necrotic tissue, are frequently necessary such as observed in the case reported. The favorable results ootaineü with the proposed managment are stressed.

Herpes Zoster oftálmico e posterior acidente vascular cerebral: relato de caso

A sixty-nine year old man suffered a stroke fourteen weeks after the onset of right herpes zoster ophthalmicus (HZO). Hemispheric infarction was documented by a computed tomography which showed a small hypodense zone in the right internal capsula; after contrast there was enhancement of this hypodense area. Cerebral angiography and cerebral-spinal fluid were not done. Despite of a diagnosis of probability the authors report the case and review the literature. A long latency between the HZO and onset of neurological deficit is stressed. New antiviral agents may prevent the ictus.

Função vísuo-espacial em paralisia cerebral e proposta de novo teste com a ajuda de computador

The first idea of this study is trat there may be a disturbance of the visuo-spatial function in cerebral palsy. This idea is based upon the theories of Luria and Piaget. The second idea of this study is that the computer can help the investigation of visuo-spatial function. With the intention of evaluating the spatial function in cerebral palsy, the literature related to these themes was revised. We justify the proposal of a new test to study visuo-spatial function. This test uses straight lines in four different orientations and the subject has to recognize and arrange them individually or sets of them. This was done through the use of pencil and papel, and computer. The results confirm that there is a spatial disturbance and that a better understanding of the subject's difficulties was made possible through the use of the computer and the Logo computer language.