CTP成像可估计急性缺血性卒中患者脑组织状态,来自比利时勒芬大学医院神经内科的研究者使用深度学习(deep learning)方式提高预测最终梗死体积及个体梗死增长率的准确率,结果于2021年9月30日在《Stroke》上在线发表。
——摘自文章章节
【REF: Wouters A, et al. Stroke. 2021. doi:10.1161/STROKEAHA.121.034444】
急性缺血性卒中的治疗目的是通过静脉溶栓或血管内治疗使闭塞动脉再通,从而挽救低灌注脑组织。数年来,从症状出现到治疗间的时间决定了是否适用于上述治疗方式。最近的临床试验为基于影像选择的超时间窗患者行血管内治疗的有效性提供了证据。灌注成像,多数情况下是CT灌注成像CTP,有助于识别出低灌注损伤体积中减去不可逆的梗死核心后的潜在可挽救组织(例如,半暗带)。目前,可供临床上使用的软件通过去卷积技术计算不同的灌注参数。在DEFUSE 3研究、SWIFT-PRIME研究、DAWN研究和EXTEND研究中,低灌注组织严格定义为相对脑血流量(rCBF)<30%、团注对比剂后自近端血管最大程度显影至脑组织最大程度显影的延迟时间(Tmax)超过6s。上述试验根据既往定义的核心和低灌注不匹配模式的纳入标准选择患者。然而,基于软件计算出的图像(maps)仍然需要人工输入区分伪影和真正的灌注缺损。此外,这种去卷积技术固有地对噪声敏感,因此改善现有灌注算法,甚至使用无去卷积汇总参数是当前研究的目标。机器学习是估计急性缺血性卒中患者缺血组织结局的另一选择。现有将组织分成半暗带和梗死核心的分类标准和扫描时刻相关,不能反应对患者转院事件有帮助的梗死演进速度。不同患者间的梗死增长速率差异很大,取决于侧支循环。基线灌注成像时得到的低灌注强度比率(hypoperfusion intensity ratio,HIR),范围0-1,和实际梗死增长率相关,HIR值小于0.5表示梗死增长率在5ml/h以下。更好预测个体患者梗死增长可影响综合卒中中心患者转院和时间指标。研究者开发了基于深度学习(deep learning,DL)的从CTP影像直接预测组织状态的无去卷积算法。本研究旨在比较深度神经网络和经典去卷积/阈值分析的最终梗死体积估计值的准确性。另外,研究者提供了急性大血管闭塞个体患者梗死增长速率,并将其与HIR进行分析。
通过来源队列(MR CLEAN研究)患者的原始CTP图像、灌注时间和灌注状态,研究者训练了一个用来预测大血管闭塞引起的急性缺血性卒中患者最终梗死容积的深度神经网络(图1)。该神经网络进行了内部的5倍交叉验证,在一个独立数据集CRISP研究中进行了外部验证。研究者计算比较了深度学习模型预测的和最终梗死容积间的平均绝对差异与经RAPID软件处理CTP图像得到的和最终梗死容积间的平均绝对差异。然后,研究者确定了每个患者的梗死增长率。
图1. 基于原始CTP图像和临床参数的深度学习模型得到概率预测的例子。红色体素代表深度学习模型做出的最终梗死概率预测,蓝色线条描绘了实际梗死部分。
研究者从MR CLEAN研究中纳入了127名患者(来源队列[derivation]),从CRISP研究中纳入101名患者(验证队列[validation])。
表1. 人口特征资料
与RAPID软件相比,深度学习模型无论在在来源队列(平均绝对差异34.5 vs 52.4ml)还是验证队列(平均绝对差异41.2 vs 52.4ml)都提高了最终梗死体积的预测准确性(P<0.01)。
图2. 预测的最终梗死体积总览
研究者得到一个基于时间和再灌注分级的可估计最终梗死体积的患者个体梗死增长率。
图3. 梗死增长预测曲线实例。A.患者平均梗死增长率为18.3ml/h。最终梗死容积104ml。CTP后131min实现再通,mTICI为2b。B.患者平均梗死增长速率2.3ml/h。最终梗死容积10.8ml。CTP后101min实现再通,mTICI为3。
图4. 深度学习模型预测的完全再通后最终梗死容积。红色显示了预测的不同时间点的最终梗死容积。患者A的平均梗死增长率为9.6ml/h,患者B的为12.8ml/h。
图5. 低灌注强度比率(HIR)和预测梗死增长的关系。A. CRISP队列存在不匹配患者中HIR与预测梗死增长率5ml/h的受试者工作特征曲线(n=98)。Youden指数=0.36。B.HIR小于0.36(n=36)与HIR≥0.36(n=62)患者的预测梗死增长(ml/h)(P<0.01)。
研究者证实,与经典的CTP成像处理后的最终梗死容积预测相比,基于深度学习的方法可以提高对最终梗死体积的预测。另外,研究者得出的患者个体梗死增长率可在急性卒中患者管理中引入组织时钟(tissue clocks)。