Modeling of the Human Brain to Predict Spatial and Temporal Temperature Profiles for the Selective Hypothermia Treatment of an Ischemic Stroke

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. ... mehrEin 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.

Acute ischemic stroke is a major health problem due to its high mortality rate and high residual risk for permanent disabilities. Targeted temperature management in terms of hypothermia is known to have
neuroprotective effects and can potentially reduce the cerebral harm caused by an acute ischemic stroke. Nevertheless, available clinical studies show that the efficacy depends on various factors such as the timing, duration, and depth of hypothermia. In this context, selective brain hypothermia by means of endovascular blood cooling and the combination with mechanical thrombectomy appears to be especially promising. ... mehrA novel catheter system enables the direct combination of endovascular blood cooling and thrombectomy using the same endovascular access. In this context, a prereperfusion cooling of penumbral tissue by cold leptomeningeal collateral blood flow might mitigate the risk of a reperfusion injury. However, direct measurements of blood temperature in the penumbra and temperature decrease induced by the novel catheter is not possible without additional harm to the patient. Additionally, cerebral circulation varies distinctly between patients and can influence the cooling conditions. A computational model can provide an alternative to temperature measurements and can help to gain knowledge about influences on the catheter's cooling performance. This work presents the development of a brain temperature model that is based on a realistic 3D brain geometry. Divided into gray and white matter, the geometry considers spatially resolved blood perfusion rates. To account for realistic spatial blood perfusion, a detailed hemodynamics model of the cerebral arterial anatomy was coupled. The hemodynamics model includes the possibility of personalizing based on real patient anatomy. For the evaluation of the catheter's performance, a complete right middle cerebral artery occlusion was simulated for different scenarios of cerebral arterial anatomy. The model predicted a distinct influence of congenital arterial variations in the circle of Willis on the cooling capacity and on the resulting spatial temperature distribution before vessel recanalization. Nevertheless, the model showed a possible cold reperfusion in the penumbra due to a strong increase in cooling performance after the recanalization (-1.4-2.2\,$^\circ$C 25\,min after the start of cooling, recanalization 20\,min after the start of cooling). This steep decrease in temperature was independent of the cerebral arterial anatomy. The developed model proves the effectiveness of endovascular blood cooling in combination with mechanical thrombectomy. Moreover, the model can contribute to the identification of possible influencing factors in the therapy of acute ischemic stroke with targeted temperature management, which is a timely and highly relevant topic as similar data can hardly be obtained by studying stroke cases in clinics.