Xác định các chỉ dấu sinh học khả thi trong lâm sàng cho đột quỵ thiếu máu cục bộ thông qua phương pháp cơ học và học máy

Springer Science and Business Media LLC - Tập 50 - Trang 740-750 - 2022
Ivan Benemerito1,2, Ana Paula Narata3, Andrew Narracott1,4, Alberto Marzo1,2
1INSIGNEO Institute for in silico Medicine, The University of Sheffield, Sheffield, UK
2Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield, Sheffield, UK
3Department of Neuroradiology, University Hospital of Southampton, Southampton, UK
4Department of Infection, Immunity and Cardiovascular Disease, The University of Sheffield, Sheffield, UK

Tóm tắt

Đánh giá lưu lượng máu não xa sau đột quỵ thiếu máu cục bộ hiện chỉ có thể thực hiện thông qua các quy trình chẩn đoán hình ảnh tốn kém và tốn thời gian, cần phải tiêm thuốc cản quang. Các phương pháp thay thế có thể chỉ ra sớm hơn tác động của sự tắc nghẽn lưu lượng máu đến lưu lượng máu não xa hiện thiếu vắng. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định các chỉ dấu sinh học mới phù hợp với việc triển khai lâm sàng bằng cách sử dụng các kỹ thuật chẩn đoán ít xâm lấn hơn như Doppler xuyên sọ (TCD). Chúng tôi đã sử dụng mô hình 1D để mô phỏng vận tốc và sự lan truyền sóng lưu lượng trước và sau đột quỵ trong một mạng động mạch điển hình, và phân tích độ nhạy Sobol, hỗ trợ bằng việc sử dụng các mô hình Gaussian, để xác định các chỉ dấu sinh học liên quan đến lưu lượng máu não. Chúng tôi cho thấy rằng các giá trị chỉ số xung động của động mạch não trước phải > 1.6 có liên quan đến lưu lượng máu kém và có thể yêu cầu can thiệp ngay lập tức. Ba chỉ dấu sinh học bổ sung có hành vi tương tự, tất cả đều liên quan đến các chỉ số xung động, đã được xác định. Những kết quả này cho thấy rằng xung động lưu lượng máu được đo ở các vị trí cụ thể có thể được sử dụng để ước lượng hiệu quả tỷ lệ lưu lượng máu não xa, và cuối cùng cải thiện chẩn đoán và quản lý lâm sàng cho đột quỵ thiếu máu cục bộ.

Từ khóa

#đột quỵ thiếu máu cục bộ #chỉ dấu sinh học #Doppler xuyên sọ #lưu lượng máu não #phân tích độ nhạy Sobol

Tài liệu tham khảo

Alastruey, J., K. H. Parker, J. Peiro, S. M. Byrd, and S. J. Sherwin. Modelling the circle of Willis to assess the effects of anatomical variations and occlusions on cerebral flows. J. Biomech. 40(8):1794–1805, 2007 Bang, O. Y., J. L. Saver, S. J. Kim, G. M. Kim, C. S. Chung, B. Ovbiagele, et al. Collateral flow predicts response to endovascular therapy for acute ischemic stroke. Stroke. 42(3):693–699, 2011 Bellner, J., B. Romner, P. Reinstrup, K. A. Kristiansson, E. Ryding, L. Brandt. Transcranial Doppler sonography pulsatility index (PI) reflects intracranial pressure (ICP). Surg Neurol 62(1):45–51 (2004) Benemerito, I., A. P. Narata, A. Narracott, A. Marzo. 1D model of the human cerebral vasculature: Circle of Willis and leptomeningeal anastomoses. Figshare. 2022https://doi.org/10.15131/shef.data.19119509 Bertaglia, G., A. Navas-Montilla, A. Valiani, M. I. Monge Garcia, J. Murillo, and V. Caleffi. Computational hemodynamics in arteries with the one-dimensional augmented fluid-structure interaction system: viscoelastic parameters estimation and comparison with in-vivo data. J. Biomech. 100:109595, 2020 Bill, O., D. Lambrou, G. T. Sotomayor, I. Meyer, P. Michel, T. Moreira, et al. Predictors of the pulsatility index in the middle cerebral artery of acute stroke patients. Sci. Rep. 10(1):17110, 2020 Blanco, P. J., S. M. Watanabe, M. A. Passos, P. A. Lemos, and R. A. Feijoo. An anatomically detailed arterial network model for one-dimensional computational hemodynamics. IEEE Trans. Biomed. Eng. 62(2):736–753, 2015 Bonow, R. H., C. C. Young, D. I. Bass, A. Moore, and M. R. Levitt. Transcranial Doppler ultrasonography in neurological surgery and neurocritical care. Neurosurg. Focus. 47(6):E2, 2019 Brozici, M., A. van der Zwan, and B. Hillen. Anatomy and functionality of leptomeningeal anastomoses: a review. Stroke. 34(11):2750–2762, 2003 Coveney, S., and R. H. Clayton. Sensitivity and uncertainty analysis of two human atrial cardiac cell models using Gaussian process emulators. Front. Physiol. 11:364, 2020 Ginsberg, M. D. Expanding the concept of neuroprotection for acute ischemic stroke: the pivotal roles of reperfusion and the collateral circulation. Prog. Neurobiol. 145–146:46–77, 2016 Heiss, W. D. Malignant MCA infarction: pathophysiology and imaging for early diagnosis and management decisions. Cerebrovasc. Dis. 41(1–2):1–7, 2016 Holmgren, M., K. H. Stoverud, L. Zarrinkoob, A. Wahlin, J. Malm, and A. Eklund. Middle cerebral artery pressure laterality in patients with symptomatic ICA stenosis. PLoS ONE. 16(1):e0245337, 2021 Jarrett, C. L., K. L. Shields, R. M. Broxterman, J. R. Hydren, S. H. Park, J. R. Gifford, et al. Imaging transcranial Doppler ultrasound to measure middle cerebral artery blood flow: the importance of measuring vessel diameter. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 319(1):R33–R42, 2020 Johnson, C. O., M. Nguyen, G. A. Roth, E. Nichols, T. Alam, D. Abate, et al. Global, regional, and national burden of stroke, 1990–2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. Lancet Neurol. 18(5):439–458, 2019 Jozsa, T. I., R. M. Padmos, N. Samuels, W. K. El-Bouri, A. G. Hoekstra, and S. J. Payne. A porous circulation model of the human brain for in silico clinical trials in ischaemic stroke. Interface Focus. 11(1):20190127, 2021 Kim, Y., D. S. Sin, H. Y. Park, M. S. Park, and K. H. Cho. Relationship between flow diversion on transcranial Doppler sonography and leptomeningeal collateral circulation in patients with middle cerebral artery occlusive disorder. J. Neuroimaging. 19(1):23–26, 2009 Kimmel, E. R., S. AlKasab, J. B. Harvey, G. Bathla, S. Ortega-Gutierrez, G. Toth, et al. Absence of collaterals is associated with larger infarct volume and worse outcome in patients with large vessel occlusion and mild symptoms. J Stroke Cerebrovasc Dis. 28(7):1987–1992, 2019 Lal, K., R. Gosling, M. Ghobrial, G. J. Williams, V. Rammohan, D. R. Hose, et al. Operator-dependent variability of angiography-derived fractional flow reserve and the implications for treatment. Eur. Heart J. Digital Health. 2(2):263–270, 2021 Liu, L., J. Ding, X. Leng, Y. Pu, L. A. Huang, A. Xu, et al. Guidelines for evaluation and management of cerebral collateral circulation in ischaemic stroke 2017. Stroke Vasc. Neurol. 3(3):117–130, 2018 Liu, X., Z. Gao, H. Xiong, D. Ghista, L. Ren, H. Zhang, et al. Three-dimensional hemodynamics analysis of the circle of Willis in the patient-specific nonintegral arterial structures. Biomech. Model. Mechanobiol. 15(6):1439–1456, 2016 Markus, H. S. Cerebral perfusion and stroke. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 75(3):353–361, 2004 Melis, A. openBF: Julia software for 1D blood flow modelling. Figshare. 2018; https://doi.org/10.15131/shef.data.7166183 Melis, A., F. Moura, I. Larrabide, K. Janot, R. H. Clayton, A. P. Narata, et al. Improved biomechanical metrics of cerebral vasospasm identified via sensitivity analysis of a 1D cerebral circulation model. J. Biomech. 90:24–32, 2019 Padmos, R. M., N. A. Terreros, T. I. Jozsa, G. Zavodszky, H. A. Marquering, C. Majoie, et al. Modelling the leptomeningeal collateral circulation during acute ischaemic stroke. Med. Eng. Phys. 91:1–11, 2021 Payne, S. J. Cerebral Autoregulation: Control of Blood Flow in the Brain. Berlin: Springer, 2016 Phan, T. G., J. Hilton, R. Beare, V. Srikanth, and M. Sinnott. Computer modeling of anterior circulation stroke: proof of concept in cerebrovascular occlusion. Front. Neurol. 5:176, 2014 Phan, T. G., H. Ma, M. Goyal, J. Hilton, M. Sinnott, V. Srikanth, et al. Computer modeling of clot retrieval-circle of willis. Front. Neurol. 11:773, 2020 Phipps, M. S., and C. A. Cronin. Management of acute ischemic stroke. BMJ. 368:I6983, 2020 Reymond, P., F. Merenda, F. Perren, D. Rufenacht, and N. Stergiopulos. Validation of a one-dimensional model of the systemic arterial tree. Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 297(1):H208-222, 2009 Ruppin, E., E. Ofer, J. A. Reggia, K. Revett, and S. Goodall. Pathogenic mechanism in ischemic damage: a computational study. Comput. Biol. Med. 29(1):39–59, 1999 Ryu, J., N. Ko, X. Hu, and S. C. Shadden. Numerical investigation of vasospasm detection by extracranial blood velocity ratios. Cerebrovasc. Dis. 43(5–6):214–222, 2017 Saqqur, M., K. Khan, C. Derksen, A. Alexandrov, and A. Shuaib. Transcranial doppler and transcranial color duplex in defining collateral cerebral blood flow. J. Neuroimaging. 28(5):455–476, 2018 Seners, P., P. Roca, L. Legrand, G. Turc, J. P. Cottier, T. H. Cho, et al. Better collaterals are independently associated with post-thrombolysis recanalization before thrombectomy. Stroke. 50(4):867–872, 2019 Sherwin, S. J., L. Formaggia, J. Peiro, and V. Franke. Computational modelling of 1D blood flow with variable mechanical properties and its application to the simulation of wave propagation in the human arterial system. Int. J. Numer. Methods Fluids. 43(6–7):673–700, 2003 Shuaib, A., K. Butcher, A. A. Mohammad, M. Saqqur, and D. S. Liebeskind. Collateral blood vessels in acute ischaemic stroke: a potential therapeutic target. Lancet Neurol. 10(10):909–921, 2011 Tan, B. Y., K. Wan-Yee, P. Paliwal, A. Gopinathan, M. Nadarajah, E. Ting, et al. Good intracranial collaterals trump poor ASPECTS (Alberta Stroke Program Early CT Score) for intravenous thrombolysis in anterior circulation acute ischemic stroke. Stroke. 47(9):2292–2298, 2016 Thorpe, S. G., C. M. Thibeault, N. Canac, K. Jalaleddini, A. Dorn, S. J. Wilk, et al. Toward automated classification of pathological transcranial Doppler waveform morphology via spectral clustering. PLoS ONE. 15(2):e0228642, 2020 Uzuner, N., O. Ozdemir, and G. Tekgol Uzuner. Relationship between pulsatility index and clinical course of acute ischemic stroke after thrombolytic treatment. Biomed. Res. Int. 2013:265171, 2013 Wang, J. X., X. Hu, and S. C. Shadden. Data-augmented modeling of intracranial pressure. Ann. Biomed. Eng. 47(3):714–730, 2019 Waqas, M., M. Mokin, C. T. Primiani, A. D. Gong, H. H. Rai, F. Chin, et al. Large vessel occlusion in acute ischemic stroke patients: a dual-center estimate based on a broad definition of occlusion site. J. Stroke Cerebrovasc. Dis. 29(2):104504, 2020 Xiao, N., J. D. Humphrey, and C. A. Figueroa. Multi-scale computational model of three-dimensional hemodynamics within a deformable full-body arterial network. J. Comput. Phys. 244:22–40, 2013 Yeo, L. L., P. Paliwal, H. L. Teoh, R. C. Seet, B. P. Chan, E. Ting, et al. Assessment of intracranial collaterals on CT angiography in anterior circulation acute ischemic stroke. AJNR Am. J. Neuroradiol. 36(2):289–294, 2015 Yu, H., G. P. Huang, B. R. Ludwig, and Z. Yang. An in-vitro flow study using an artificial circle of willis model for validation of an existing one-dimensional numerical model. Ann. Biomed. Eng. 47(4):1023–1037, 2019 Zareie, H., D. A. Quain, M. Parsons, K. J. Inder, P. McElduff, F. Miteff, et al. The influence of anterior cerebral artery flow diversion measured by transcranial Doppler on acute infarct volume and clinical outcome in anterior circulation stroke. Int. J. Stroke. 8(4):228–234, 2013 Zweifel, C., M. Czosnyka, E. Carrera, N. de Riva, J. D. Pickard, and P. Smielewski. Reliability of the blood flow velocity pulsatility index for assessment of intracranial and cerebral perfusion pressures in head-injured patients. Neurosurgery. 71(4):853–861, 2012