Modeling of the Human Brain to Predict Spatial and Temporal Temperature Profiles for the Selective Hypothermia Treatment of an Ischemic Stroke
Creators: name: Lutz, Yannick
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Acute Ischemic Stroke
Endovascular Blood Cooling
Selective Brain Hypothermia
Finite Element Temperature Model
Circle of Willis

description: Der akute ischämische Schlaganfall ist aufgrund seiner hohen Sterblichkeitsrate und des hohen Risikos für bleibende Behinderungen eines der größten Gesundheitsprobleme. Es ist bekannt, dass das gezielte Temperaturmanagement in Form einer Hypothermie eine neuroprotektive Wirkung besitzt und die durch einen akuten ischämischen Schlaganfall verursachten zerebralen Schäden potenziell reduzieren könnte. Jedoch zeigen die verfügbaren klinischen Studien, dass die Wirksamkeit von verschiedenen Faktoren wie Zeitpunkt, Dauer und Tiefe der Kühlung abhängt. In diesem Zusammenhang scheint eine selektive Gehirnkühlung durch endovaskuläre Blutkühlung vor, während und nach der mechanischen Thrombektomie besonders vielversprechend zu sein. Ein neuartiges Kathetersystem ermöglicht die Kombination der endovaskulären Blutkühlung und der Thrombektomie unter Verwendung desselben endovaskulären Zugangs. Mit diesem neuen Kathetersystem könnte eine Vorperfusionskühlung der Penumbra durch den kalten Blutfluss über leptomeningeale Kollaterale das Risiko eines Reperfusionsschadens mindern. Eine direkte Messung der Bluttemperatur in der Penumbra und der durch den Katheter induzierten Temperaturabsenkung ist jedoch nicht ohne zusätzlichen Schaden für den Patienten möglich. Zudem variiert die zerebrale arterielle Anatomie zwischen den Patienten stark und kann die Kühlbedingungen beeinflussen. Ein Computermodell bietet eine Alternative zur Temperaturmessung und kann dabei helfen, Erkenntnisse über Faktoren zu gewinnen, welche die Kühlleistung des Katheters beeinflussen. In dieser Arbeit wird ein Hirntemperaturmodell vorgestellt, das auf einer realistischen 3D-Gehirngeometrie basiert. Die Geometrie ist in graue und weiße Substanz unterteilt und berücksichtigt zusätzlich räumliche Unterschiede in der ischämischen Perfusion. Um realistische räumliche Durchblutungsraten zu realisieren, wurde das Modell mit einem detaillierten zerebralen Blutflussmodell gekoppelt. Das Blutflussmodell bietet die Möglichkeit der Personalisierung auf der Basis realer Patientenanatomien. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Katheters wurde die Abnahme der zerebralen Temperatur im Falle eines vollständigen Verschlusses der rechten mittleren Hirnarterie für verschiedene Szenarien der zerebralen arteriellen Anatomie simuliert. Das Modell zeigte einen deutlichen Einfluss angeborener arterieller Variationen im Circulus arteriosus cerebri auf die Kühlkapazität und auf die resultierende räumliche Temperaturverteilung vor einer Rekanalisation. Trotzdem sagt das Modell eine mögliche kalte Reperfusion in der Penumbra aufgrund einer starken Zunahme der Kühlleistung (-1,4-2,2\,$^\circ$C für 25\,min Kühlung bei einer Rekanalisation nach 20\,min Kühlung) nach der Rekanalisation voraus. Diese starke Abnahme war unabhängig von der zerebralen arteriellen Anatomie. Das entwickelte Modell beweist die Wirksamkeit der endovaskulären Blutkühlung in Kombination mit einer mechanischen Thrombektomie. Darüber hinaus kann das Modell dazu beitragen, mögliche Einflussfaktoren bei der Therapie des akuten ischämischen Schlaganfalls durch eine selektive Hirnkühlung zu identifizieren. Dies ist ein aktuelles und hoch relevantes Thema, da ähnliche Daten durch die Untersuchung von Schlaganfall-Patienten in Kliniken kaum gewonnen werden können.