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Analisi dei flussi degli aneurismi cerebrali
Università degli Studi di MessinaU.O.C. di NeuroradiologiaDirettore: Prof. Marcello Longo
Agostino TessitoreM.Longo, S.Vinci, A.Pitrone, R.Papa, F.Granata, M.Velo, G.Centorrino, A.Caragliano, O.Buonomo
Palermo - 9 Febbraio 2018
L’importanza della storia naturale degli UIAs
Natural History of Asymptomatic Unruptured Cerebral Aneurysms
Evaluated at CT Angiography: Growth and Rupture Incidence and Correlation with Epidemiologic Risk
Factors.Villablanca et al. Radiology 2013
- La comprensione della storia naturale degli aneurismi intracranici non
rotti (UIAs) gioca un ruolo chiave nella scelta terapeutica dell’aneurisma.
- Lo scenario clinico ideale sarebbe basato su una appropriata
stratificazione del rischio di rottura al fine di trattare solo aneurismi che
andranno sicuramente incontro a rottura (aneurismi ad alto rischio).
- Geometria, Localizzazione, Numero, Amb. Perianeurismatico e
Genetica sono noti fattori che possono influenzarne la potenziale rottura.
L’importanza della storia naturale degli UIAs
Fattori geometrico-morfologici
La forma dell’aneurisma è stata utilizzata in diversi studi come un fattore
predittivo del rischio di rottura.
• Aspect Ratio
Un parametro di forma comunemente considerato è l’aspect ratio (AR)
rapporto tra la profondità dell’aneurisma e le dimensioni del colletto.
Ujiie H. e coll dimostrano in un loro studio che
80% degli aneurismi rotti AR > 1,6
90% degli aneurismi non rotti AR < 1,6
Aspect ratio potrebbe essere utile nel predire le imminenti rotture
aneurismatiche, poiché ad AR elevati corrispondono flussi emodinamici
intra-aneurismatici più lenti che inducono la trombosi e la degenerazione
della parete.
AR = Altezza / colletto
Fattori geometrico-morfologici e genetici
• Blebs
La presenza di blebs nella parete di un aneurisma è un altro
fattore inerente la forma che non deve essere trascurato.
Si stima che tale evenienza è molto comune nella parete negli aneurismi
rotti con dimensioni comprese tra 5 e 9 mm.
• Forma
Anche la forma non sferica dell’aneurisma (ovale, oblunga e polilobata)
rappresenta un importate fattore di rischio.
• Fattori Genetici
Sono stati identificati alcuni loci genetici su vari cromosomi (1p34.3-
p36.13, 7q11, 19q13.3 e Xp22) che mostrano una suggestiva
correlazione con la patologia aneurismatica anche se, ad oggi, non è stato
trovato nessun sicuro collegamento tra determinanti genetici e fattori
ambientali.
Storia naturale degli UIAs – valutazione retrospettiva
Storia naturale degli UIAs – valutazione prospettica
I parametri morfologici possono, tuttavia, non essere sufficienti per una
completa stratificazione del rischio.
Il rischio di rottura infatti è ulteriormente correlato a parametri non
morfologici: meccanismi molecolari, caratteristiche istologiche e
dinamiche di flusso ematico.
Molti studi recentemente hanno mostrato il ruolo chiave di diversi fattori
emodinamici responsabili di formazione, crescita e rottura degli UIAs,
sebbene ad oggi l’interazione di queste forze sia ancora poco chiara.
La fluidodinamica analizza le forze emodinamiche di stress di parete ed
aggiunge un importante tassello nella complessa comprensione della
storia naturale degli UIAs.
Parametri non morfologici nella rottura degli UIAs
Il processo di accrescimento della sacca non è esclusivamente meccanico ma mediato da una
cascata secondaria di segnali biochimici intracellulari che porta all’apoptosi delle cellule
coinvolte.
Il processo infiammatorio a carico della parete vasale è avviato dall’insulto emodinamico
che porta al rilascio di metalloproteinasi di matrice (MMP) che degradano la matrice
extracellulare e inducono l’apoptosi delle cellule muscolari lisce.
Rapporto M1/M2(Hasan et al 2012)
Fluidi Newtoniani e Non Newtoniani
• Fluido newtoniano (acqua, aria)
a temperatura costante, la viscosità è
costante indipendenetemente dallo stress applicato.
• Fluido non newtoniano (sangue, yogurt, miele, vernici, colle)
a temperatura costante, la viscosità cambia
in relazione allo stress applicato.
Dilatante: > stress > viscosità (sabbie mobili)
Pseudoplastico:> stress < viscosità (ketchup, sangue)
Reopeptico: > stress x tempo > viscosità (crema)
Tixotropico: > stress x tempo < viscosità (vernice, miele)
I parametri emodinamici più noti utilizzati per descrivere e valutare il
flusso ematico all’interno di un aneurisma ed il relativo effetto sulla
parete dello stesso sono:
WSS: Wall Shear Stress (rappresenta la forza tangenziale della viscosità ematica sulla parete del vaso)
WSSG: Wall Shear Stress Gradient (descrive il gradiente di WSS lungo la direzione del flusso in morfologie complesse)
OSI: Oscillatory Stress Index (descrive l’oscillazione della forza tangenziale del vettore di WSS in funzione del ciclo cardiaco)
RRT: Relative Residence Time (misura la possibilità di attivazione piastrinica basandosi sull’oscillazione del WSS)
GON: Gradient Oscillatory Number (misura in un flusso pulsatile il disturbo delle forze tangenziali indotte dal flusso sulla parete dell’aneurisma; dipende dal grado delle
fluttuazioni temporali del vettore del WSSG)
Parametri emodinamici nella valutazione degli UIAs
Longo et al. 2017
Longo et al. 2017
Per valutare la complessità delle forze emodinamiche in vivo è possibile
utilizzare metodi che analizzano modelli basati sulla reale anatomia degli
UIAs, attraverso simulazioni computerizzate dello stress di flusso sulla
parete dell’aneurisma. Tra questi metodi si annovera la Computed Fluid
Dynamics (CFD) e la Magnetic Resonance Fluid Dynamics (MRFD).
La CFD è una tecnica in grado di fornire vettori virtuali di flusso, o
streamlines, dall’analisi dei dati di TC, RM e DSA. Essa permette la
valutazione di numerosi parametri emodinamici. Tuttavia la CFD
richiede un lungo post-processing e non è utilizzabile routinariamente
nella valutazione degli aneurismi.
Altre tecniche basate esclusivamente sul segnale RM (MRFD) sono ad
oggi utilizzate in vivo con un tempo di elaborazione in post-processing
inferiore alla CFD. Essa è basata principalmente sulla 4D-PC.
Tecniche di Imaging nella valutazione
dell’emodinamica degli UIAs
Tecniche di Imaging nella valutazione
dell’emodinamica degli UIAs
Castro et al. 2006CFD
FLOW VISUALITION ANALYSIS
MRFD
3D cine Phase Contrast MRI
Philips Ingenia 1,5 T
Lo studio è stato focalizzato sul poligono di Willis del quale è stato analizzato l’indice di flusso in condizioni di agenesia del tratto A1 dell’arteria cerebrale
Anteriore di sinistra
Cerebrale PostFlusso omogeneo
Cerebrale AntFlusso Turbolento
Flova ®
Caso personale elaborato con
Attraverso dei vettori virtuali (Stream Lines) è possibile evidenziare l’andamento del flusso
ematico all’interno del letto vascolare.
Flova ®
Caso personale elaborato con
WSS: 2.50 Pa
WSS: 5.00 PaWSS: 5.00 Pa
Flova ®
Caso personale elaborato con
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Formazione di un aneurisma
Diversi studi hanno dimostrato come la formazione di un aneurisma sia collegata
all’accelerazione del flusso.
Le aree di flusso accelerato determinano un rimodellamento vascolare con conseguente
diversa espressione genica delle cellule endoteliali.
Ciò è dovuto ad un WSS alto ed un WSSG positivo.
Meng et al. hanno individuato 3 zone in corrispondenza
della biforcazione di un vaso
Area 1 – FLOW IMPACT: WSS normale, WSSG
positivo in rapida crescita > iperplasia intimale
Area 2 – ACCELERATION ZONE : WSS e WSSG
molto alti > degradazione della matrice,
assottigliamento della media e perdita media della
lamina elastica
Area 3 – DECELERATION ZONE : basso WSS e
WSSG in decrescita lenta
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Crescita di un aneurisma
Meng et al 2014
Tecniche di Imaging nella valutazione
dell’emodinamica degli UIAs
Tecniche di Imaging nella valutazione
dell’emodinamica degli UIAs
Flova ®
a) b)
c)
Caso personale elaborato con
WSS: 4.00 Pa
WSS: 2.50 Pa
M.Longo 2017
Basso WSS Alto WSS
Flova ®
Caso personale elaborato con
- Danno endoteliale
- Cambiamenti proinfiammatori
- Rimodellamento endoteliale
Disproporzione tra stress di
parete ed alto flusso ematico
induce una dilatazione locale
della parete.
Sebbene i diversi studi condotti sugli aneurismi siano in accordo sulla modalità di
formazione degli aneurismi, è ancora poco chiaro il meccanismo di crescita.
Due diverse teorie hanno cercato di spiegare questo meccanismo.
Quando le cellule endoteliali
sono esposte a basso WSS è
presente una maggiore
probabilità di crescita
dell’aneurisma.
Boussel et al. 2008
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Crescita dell’ aneurisma
High WSS Low WSS
Progressione
dell’ aneurisma
Rottura o
Stabilizzazione
Teoria Unificante
Alto/Basso WSS
Meng et al 2014
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Crescita dell’ aneurisma
Meng et al 2014
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Fenotipo dell’ aneurisma
Type Ismall thin-walled, entirely
translucent aneurysm
Type IIaneurysm with an entirely thick, atherosclerotic wall
Meng et al 2014 / Kadasi et al 2012
Valutazione del WSS in aneurismi rotti e non rotti
Alto WSS
(non rotti)
Basso WSS
(rotti)
Zhang et al. 2016
Valutazione del RRT, WSS, OSI in aneurismi rotti e non rotti
RRT WSS OSI
Sugiyama et al. 2016
Influenza dei fattori emodinamici sulla
storia naturale degli UIAs
Progressione dell’ aneurisma: rottura o stabilizzazione
Aree con basso WSS ed
alto OSI presentano
minore resistenza allo
shear stress e sono
soggette a rottura. Ciò è
stato dimostrato al tavolo
operatorio in aneurismi
trattati chirurgicamente.
Zhang et al. 2016 / Omodaka al. 2012
M.Longo 2016
Tipo 1 – unidirezionalità del flusso nell’UIA con un singolo vortice di flusso associato
Tipo 2 – unidirezionalità del flusso nell’UIA con molteplici vortici associati, senza cambio del numero di vortici in relazione al ciclo cardiaco.
Tipo 3 – direzione mutevole dell’inflow nell’UIA con la creazione di un singolo vortice
Tipo 4 – direzione mutevole dell’inflow nell’UIA con la creazione di molteplici vortici
I patter di flusso di Tipo 1 e 2 hanno un minor rischio di rottura.
La geometria dell’UIA influenza notevolmente il pattern di flusso ed il
rischio di rottura.
La complessa relazione tra pattern di flusso e la geometria dell'aneurisma
può essere causa di una risposta più articolata che si esprime a stadi
differenti nella storia naturale degli aneurismi ed in differenti regioni
dell'aneurisma. Va quindi presa in considerazione per la valutazione del
rischio di rottura anche la eterogeneità dei pattern di flusso, che secondo
Cebral et al. sono:
Pattern di flusso degli UIAs
• Il ruolo dei parametri emodinamici valutati attraverso le tecniche di imagingnella formazione, crescita e rottura degli UIAs non è ancora interamente compreso.
• Sebbene molti studi concordino sui meccanismi di formazione degli aneurismi, è presente un forte disaccordo per quello che riguarda la crescita e la progressione degli UIAs.
• La mancanza di evidenze scientifiche certe non permette una corretta ed affidabile stratificazione del rischio, e non incide di conseguenza sulla scelta terapeutica degli UIAs.
• La eterogeneità della geometria degli UIAs e l’interazione tra pattern di flusso e fattori emodinamici rende la costruzione di modelli di aneurismi attendibili molto ardua.
• Molti altri studi sono necessari per chiarire questi aspetti e permettere una migliore comprensione di questo scenario alquanto complesso.
Conclusioni