Umeå University's logo

Vascular surgery may involve manipulation and occlusion of arteries supplying blood to the brain. Obstructions in these feeding arteries can disturb cerebral blood flow, risking hypoperfusion and ischemic brain injury. To maintain balanced cerebral perfusion, the cerebral vasculature contains alternative pathways that can perfuse territories affected by an obstruction, known as the cerebral collateral circulation. However, collateral capacity varies among individuals, meaning that surgical risk is patient-specific. Currently, no reliable method exists for predicting an individual patient’s cerebral collateral capacity during vascular surgery. Computational modelling of hemodynamics offers a powerful tool for assessing patient-specific blood flow and perfusion pressure. This type of modelling provides a predictive dimension to the analysis and could potentially be used to assess intraoperative cerebral collateral circulation to inform preoperative planning and decision-making in vascular surgery.

This work aimed to develop and evaluate a computational method combining computational fluid dynamics (CFD) with segmented arterial trees from computed tomography angiography (CTA) and arterial flow rates from magnetic resonance imaging (MRI), to predict patient-specific cerebral hemodynamics during vascular surgery.

As cerebrovascular resistance is a key parameter in computational predictions of cerebral hemodynamics, we first studied 48 patients with stroke or transient ischemic attack, with and without symptomatic carotid stenosis (mean age 71 years). The aim was to assess patient-specific resistances and evaluate whether they are affected by feeding artery obstruction due to carotid stenosis. Territorial cerebrovascular resistances were estimated based on the simulated cerebral perfusion pressure in the major cerebral arteries and the MRI-measured arterial flow rates. Total cerebrovascular resistance was also compared with that of 56 controls (mean age 74 years). No differences were observed between patients and controls, nor between hemispheres in patients with symptomatic carotid stenosis (Paper I).

To test the predictive capabilities of our model, we next studied a prospective cohort of 20 patients (mean age 67 years) scheduled for elective aortic arch surgery with selective antegrade cerebral perfusion (SACP). Surgery with SACP presents a highly relevant scenario in which the cerebral collateral capacity is crucial for maintaining brain perfusion. SACP can be applied unilaterally, relying on the collateral circulation, or bilaterally, perfusing both hemispheres directly but requiring additional arterial manipulation. There is no consensus on a preferred technique, although neurological injury might be minimized if SACP use was tailored to the patient’s collateral capacity. Our method simulated perfusion pressure in the arterial tree using measured surgical parameters, for each patient obtained during both techniques, as well as downstream vascular resistances. First, a feasibility study (N=5) showed that predictions were possible but were sensitive to arterial size (Paper II). The full prediction analysis (N=19) showed no difference between measured and predicted left-side perfusion pressure for bilateral SACP, while it was slightly underestimated for unilateral SACP. Measured and predicted pressures were highly correlated for both techniques (Paper III). To make the modelling workflow more clinically feasible, these same patients also underwent time-of-flight magnetic resonance angiography (TOF-MRA) (Paper IV). Using the same segmentation method as for CTA, a signal intensity threshold was identified that produced arterial geometries similar to the CTA-based segmentations (N=19). Subsequent simulations showed no difference between modalities in simulated baseline perfusion pressure or pressure laterality during unilateral brain inflow. However, simulations were for both modalities sensitive to segmentation of the collateral arteries.

In summary, we presented a method to determine cerebrovascular resistances and found that carotid stenosis had minimal effect on global or local cerebrovascular resistance in stroke and TIA patients. Using surgical input data, we then proposed a method for computing cerebral perfusion pressure during unilateral and bilateral SACP in aortic arch surgery. The method showed acceptable accuracy in predicting left-side cerebral perfusion pressure, with predicted values highly correlated with measured values. Finally, TOF-MRA offers a promising alternative to CTA, reducing imaging requirements and improving clinical feasibility. These studies demonstrate the potential of hemodynamic modelling to predict cerebral collateral capacity and support individualized clinical decision-making in vascular surgery. 

Vaskulär kirurgi kan innebära att artärer som förser hjärnan med blod tillfälligt manipuleras eller stängs av. Eftersom hjärnan är beroende av en konstant blodtillförsel finns risken att detta leder till syrebrist i hjärnan och i värsta fall stroke. Hjärnan har dock ett system av alternativa flödesvägar, den så kallade cerebrala kollateralcirkulationen, som kan hjälpa till att kompensera om blodflödet minskar i någon av de huvudsakliga artärerna. Hur väl detta fungerar varierar mellan individer, och i nuläget är det svårt att förutsäga vilka patienter vars kollateralcirkulation kan kompensera ett tillfälligt avbrott i blodflödet.

Om denna förmåga kunde bedömas i förväg skulle kirurgiska ingrepp kunna anpassas efter varje patient och därmed minska risken för neurologiska skador. Hemodynamisk modellering, matematiska modeller av blodflöde och blodtryck, kan användas för att studera kroppens cirkulation och simulera hur blodflödet förändras under olika förhållanden. I denna avhandling utvecklades en metod som kombinerar sådana modeller med medicinska bilder för att uppskatta enskilda patienters blodcirkulation i hjärnan och förutsäga effekterna av förändrat blodflöde.

Till att börja med undersöktes 48 patienter med stroke eller transitorisk ischemisk attack (TIA), med eller utan symptomgivande karotisstenos (förträngning i halspulsådern). För dessa beräknade vi den vaskulära resistansen, flödesmotståndet, i hjärnan genom att kombinera flödesmätningar samt tryck från trycksimuleringar. Dessa resistanser är en viktig parameter som används flitigt vid beräkningar av hjärnans blodcirkulation.

Metodens prediktiva förmåga undersöktes sedan i 20 patienter som var planerade för aortabågskirurgi, ett kliniskt relevant exempel där kollateralförmågan kan vara kritisk. Vid denna typ av operation kan blodflödet till hjärnan säkerställas genom att leda blod via slangar till ena eller båda sidorna av kroppen. Om man använder enbart ena sidan måste man förlita sig på patientens kollateralcirkulation. Alternativet är att skapa en ytterligare väg för blodflödet, men det innebär samtidigt en risk för neurologiska skador eftersom ytterligare manipulation av blodkärl kan leda till komplikationer. Än idag debatteras vilken av dessa tekniker som bör användas, och när. I studien användes våra beräkningsmodeller för att förutsäga trycket i hjärnans kärl under båda dessa tekniker, då låga tryck kan indikera ett otillräckligt blodflöde. När blodflödet leddes via båda sidor stämde modellernas beräkningar väl överens med de tryck som mättes under operationen. Vid flöde via enbart ena sidan underskattade modellerna trycket något. Korrelationen mellan beräknade och uppmätta värden var stark för båda teknikerna. Resultaten tyder på att metoden skulle kunna användas för att i förväg förutsäga hur hjärnans blodförsörjning bäst bör säkerställas under operationen, det vill säga via ena eller båda sidorna. Slutligen undersöktes patienterna även med en särskild magnetkamerateknik för att avbilda blodkärlen. Denna jämfördes med skiktröntgen som hittills har använts i modellen, i syfte att ersätta skiktröntgen och minska antalet undersökningar i metodens arbetsflöde. Jämförelser av kärlträdens anatomi och modelleringsresultat visade att den föreslagna magnetkameratekniken skulle kunna fungera som ett alternativ till skiktröntgen i vår modellering.

Sammanfattningsvis presenterar denna avhandling en patientspecifik beräkningsmetod som kan karakterisera flödesmotståndet i hjärnans territorier och därefter anpassas för att förutsäga förmågan hos patientens cerebrala kollateralcirkulation vid vaskulär kirurgi. Flödesmotstånden i hjärnans territorier beräknades med vår metod, och förträngningar i halspulsådern hade till synes ingen effekt på fördelningen. Vidare visade vi att metoden hade en god förmåga att återskapa uppmätta tryck från aortabågskirurgi. Slutligen kunde vi visa att metoden är genomförbar med kärlavbildning via magnetkamera i stället för skiktröntgen. Genom att möjliggöra utvärdering av patientens kollateralförmåga skulle denna metod potentiellt kunna bidra till kirurgisk planering och minskad risk för neurologiska skador under operation.