BrainLab

Zamknij menu

BrainLab

Menu przełączania

2020-2024

Rozwój metod monitorowania podatności mózgowej na podstawie analizy kształtu fali tętniczopochodnej ciśnienia wewnątrzczaszkowego u pacjentów z urazowym uszkodzeniem mózgu

Kierownik: dr hab. inż. Magdalena Kasprowicz, prof. ucz.

Program OPUS 18, Narodowe Centrum Nauki, grant UMO-2019/35/B/ST7/00500

Urazowe uszkodzenie mózgu (TBI, z ang. traumatic brain injury) jest najczęstszą przyczyną zgonów i niepełnosprawności na całym świecie. Szacuje się, iż rocznie TBI ulega około 10 milionów ludzi, w większości młodych mężczyzn przed 30. rokiem życia. Przyczyny TBI są wielorakie: wypadki samochodowe, wypadki w pracy, upadki, alkohol. TBI wiąże się z wysokimi kosztami leczenia i rehabilitacji, jak również wysokimi kosztami społecznymi. Często w wyniku niepełnosprawności chorzy są niezdolni do pracy zawodowej, wymagają wieloletniej rehabilitacji oraz wsparcia opiekuna w życiu codziennym, przez co ich aktywność społeczna ulega znacznemu zahamowaniu. Stosowane obecnie metody leczenia pacjentów z TBI są złożone, wymagają interdyscyplinarnego podejścia oraz specjalistycznej wiedzy. Dlatego badania podejmowane w celu poszerzenia stanu wiedzy o procesach zachodzących w mózgu po urazie oraz rozwoju metod umożliwiających wczesne ostrzeganie o możliwym pogorszeniu się stanu pacjenta i wspomagających decyzje lekarza o podjęciu wczesnej interwencji zapobiegającej opóźnionym skutkom urazu mają istotne znaczenie społeczno-ekonomiczne.

Ciśnienie wewnątrzczaszkowe (ICP, z ang. intracranial pressure) jest rutynowo monitorowane na oddziałach intensywnej terapii u pacjentów z TBI. Jedną z zagrażających życiu komplikacji występujących po urazie jest wzrost ICP powstający w wyniku narastania dodatkowej patologicznej objętości wewnątrzczaszkowej, co może prowadzić do wtórnego uszkodzenia mózgu. Lekarz podejmuje decyzje o sposobie leczenia na podstawie, między innymi, obserwacji zmian średniej wartości ICP wyświetlanej na ekranie monitora przyłóżkowego. Interwencja medyczna podejmowana jest zazwyczaj zbyt późno, gdy doszło już do wzrostu ICP i niekorzystnych zmian w mózgu. Dlatego dostatecznie wczesne przewidywanie wzrostów ICP może umożliwić leczenie w sposób prewencyjny, przed wystąpieniem sytuacji zagrażającej życiu. Pomiar ICP bez wiedzy o tym, w jakim stopniu przestrzeń czaszkowo-rdzeniowa może buforować zmiany objętości, jest jednak niewystarczający do pełnego scharakteryzowania stanu pacjenta i jego efektywnego leczenia. Parametr, który określa zdolność układu czaszkowo-rdzeniowego do kompensowania wzrostów objętości, nazywa się „podatnością mózgową”. Jednym ze sposobów oceny podatności mózgowej jest analiza zmian kształtu fali tętniczopochodnej ICP, która powstaje w wyniku naturalnie występującego przyrostu objętości krwi mózgowej podczas każdego uderzenia serca. Kształt fali tętniczopochodnej ICP zmienia się w miarę wyczerpywania się mechanizmów kompensujących zmiany objętości mózgowej z fali o 3 wyraźnych maksimach lokalnych w falę kształtem przypominającą sinusoidę. Obecnie ze względu na brak dostatecznie dokładnych algorytmów obliczeniowych pozwalających na obserwację zmian kształtu fali tętniczopochodnej w czasie rzeczywistym i automatyczną klasyfikację tychże kształtów metoda ta nie jest jednak stosowana w praktyce klinicznej.

Celem projektu jest rozwój metod monitorowania podatności mózgowej na podstawie analizy kształtu fali tętniczopochodnej ICP u pacjentów z TBI. Zakładamy, iż zmiany w podatności mózgowej mogą występować wcześniej niż wzrosty średniego ICP, dlatego analiza kształtu fali tętniczopochodnej ICP może być przydatna w identyfikacji pacjentów zagrożonych nadciśnieniem wewnątrzczaszkowym. Za pomocą metod sztucznej inteligencji planujemy dokonać klasyfikacji charakterystycznych kształtów fali tętniczopochodnej oraz analizować ich zmiany przed i w trakcie wzrostów ICP. Znaczenie i interpretacja poszczególnych kształtów będą intensywnie badane podczas sytuacji klinicznych o znanym wpływie na podatność mózgową. Na podstawie zdobytej wiedzy planujemy zbudować modele predykcyjne, które pozwolą na przewidywanie wzrostów ICP dostatecznie wcześnie, aby umożliwić lekarzowi skuteczną interwencję medyczną zanim dojdzie do wtórnego uszkodzenia mózgu. Ponadto planujemy zbadać związek między występowaniem poszczególnych kształtów fali tętniczopochodnej ICP a stanem zdrowia pacjenta i zbudować model pozwalający na wczesną predykcję wyników leczenia. Modele te stanowią istotne spodziewane efekty wnioskowanego projektu. Mimo iż analiza kształtu fal ICP nie stanowi dodatkowego ryzyka dla pacjenta, inwazyjność pomiaru ICP jest ograniczeniem proponowanej metody badania podatności mózgowej. Alternatywę stanowi pomiar przemieszczenia błony bębenkowej (TMD, z ang. tympanic membrane displacement), które, jak donoszą wyniki badań, jest skorelowane ze wzrostem ICP i podatnością mózgową Niemniej jednak pomiar TMD za pomocą dostępnego komercyjnego rozwiązania jest stosunkowo drogi i wymaga specjalistycznego czujnika zakładanego do ucha pacjenta. Dlatego w ramach wnioskowanego projektu zaproponujemy również nową, bezdotykową, tanią, a przede wszystkim nieinwazyjną metodę pomiaru podatności mózgowej polegającą na zarejestrowaniu TMD za pomocą kamery i analizie przemieszczeń za pomocą nowoczesnych technik przetwarzania zapisów video.

Prezentacja wyników projektu na seminarium Moberg Case Studies in Neurocritical Care AI (19.07.2024)

Publikacje:

  1. Kasprowicz, M., Mataczyński, C., Uryga, A., Pelah, A.I., Schmidt, E., Czosnyka, M., Kazimierska, A., & CENTER-TBI high-resolution sub-study participants and investigators (2025) Impact of Age and Mean Intracranial Pressure on the Morphology of Intracranial Pressure Waveform and Its Association with Mortality in Traumatic Brain Injury. Critical Care, 29 art. 78. https://doi.org/10.1186/s13054-025-05295-w
  2. Mataczyński, C., Kazimierska, A., Beqiri, E., Czosnyka, M., Smielewski, P.,  Kasprowicz, M., & CENTER-TBI high-resolution sub-study participants and investigators (2025) Interpretable Model Committee for Monitoring and Early Prediction of Intracranial Pressure Crises. Expert Systems With Applications, 265 art. 126001. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2024.126001
  3. Smielewski, P., Beqiri, E., Mataczyński, C., Placek, M., Kazimierska, A., Hutchinson, P.J., Czosnyka, M., & Kasprowicz, M. (2024) Advanced Neuromonitoring Powered by ICM+ and Its Place in the Brand New AI World, Reflections at the 20th Anniversary Boundary. Brain and Spine (special issue The XVIII International Symposium on Intracranial Pressure and Brain Monitoring (ICP 2022)), 2024 art. 102835. https://doi.org/10.1016/j.bas.2024.102835
  4. Ziółkowski, A., Kasprowicz, M., Kazimierska, A., & Czosnyka, M. (2024) Quantitative Analysis of Similarity Between Cerebral Arterial Blood Volume and Intracranial Pressure Pulse Waveforms During Intracranial Pressure Plateau Waves. Brain and Spine (special issue The XVIII International Symposium on Intracranial Pressure and Brain Monitoring (ICP 2022)), 2024 art. 102832. https://doi.org/10.1016/j.bas.2024.102832
  5. Kazimierska, A., Uryga, A., Mataczyński, C., Czosnyka, M., Lang, E.W., Kasprowicz, M., & CENTER-TBI high-resolution sub-study participants and investigators (2023) Relationship Between the Shape of Intracranial Pressure Pulse Waveform and Computed Tomography Characteristics in Patients After Traumatic Brain Injury. Critical Care, 27 art. 447. https://doi.org/10.1186/s13054-023-04731-z
  6. Kazimierska, A., Manet, R., Vallet, A., Schmidt, E., Czosnyka, Z., Czosnyka M., & Kasprowicz, M. (2023) Analysis of Intracranial Pressure Pulse Waveform in Studies on Cerebrospinal Compliance: a Narrative Review. Physiological Measurement, 44 art. 10TR01. https://doi.org/10.1088/1361-6579/ad0020
  7. Ziółkowski, A., Kasprowicz, M., Czosnyka, M., & Czosnyka, Z. (2023) Brain Blood Flow Pulse Analysis May Help to Recognize Individuals Who Suffer from Hydrocephalus. Acta Neurochirurgica, publikacja online. https://doi.org/10.1007/s00701-023-05839-5
  8. Uryga, A., Kazimierska, A., Popek, M., Dragan, B., Burzyńska, M., Masalski, M., & Kasprowicz, M. (2023) Applying Video Motion Magnification to Reveal Spontaneous Tympanic Membrane Displacement as an Indirect Measure of Intracranial Pressure in Patients with Brain Pathologies. Acta Neurochirurgica, 165(8), 2227-2235. https://doi.org/10.1007/s10072-022-06579-7
  9. Ziółkowski, A., Pudełko, A., Kazimierska, A., Uryga, A., Czosnyka, Z., Kasprowicz, M., & Czosnyka, M. (2023). Peak Appearance Time in Pulse Waveforms of Intracranial Pressure and Cerebral Blood Flow Velocity. Frontiers in Physiology, 13, 2670. https://doi.org/10.3389/fphys.2022.1077966
  10. Uryga, A., Ziółkowski, A., Kazimierska, A., Pudełko, A., Mataczyński, C., Lang, E. W., Czosnyka, M., Kasprowicz, M., & CENTER-TBI High-resolution Sub-study participants and investigators. (2023) Analysis of Intracranial Pressure Pulse Waveform in Traumatic Brain Injury Patients: a CENTER-TBI Study. Journal of Neurosurgery, 139(1), 201-211. https://doi.org/10.3171/2022.10.JNS221523
  11. Mataczyński, C., Kazimierska, A., Uryga, A., & Kasprowicz, M. (2022). Intracranial Pressure Pulse Morphology-based Definition of Life-threatening Intracranial Hypertension Episodes. In: 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC) (pp. 1742-1746). IEEE. https://doi.org/10.1109/EMBC48229.2022.9871403
  12. Mataczyński, C., Kazimierska, A., Uryga, A., Burzyńska, M., Rusiecki, A., & Kasprowicz, M. (2022). End-to-End Automatic Morphological Classification of Intracranial Pressure Pulse Waveforms Using Deep Learning. IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 26(2), 494-504. https://doi.org/10.1109/JBHI.2021.3088629
  13. Kazimierska, A., Mataczyński, C., Uryga, A., Burzyńska, M., Rusiecki, A., & Kasprowicz, M. (2022). Analysis of the Relationship Between Intracranial Pressure Pulse Waveform and Outcome in Traumatic Brain Injury. In: Piaseczna, N., Gorczowska, M., Łach, A. (eds) Innovations and Developments of Technologies in Medicine, Biology and Healthcare. EMBS ISC 2020 (pp. 52-57). Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-88976-0_7
  14. Ziółkowski, A., Pudełko, A., Kazimierska, A., Czosnyka, Z., Czosnyka, M., & Kasprowicz, M. (2021). Analysis of Relative Changes in Pulse Shapes of Intracranial Pressure and Cerebral Blood Flow Velocity. Physiological Measurement, 42(12), 125004. https://doi.org/10.1088/1361-6579/ac38bf
  15. Zakrzewska, A. P., Placek, M. M., Czosnyka, M., Kasprowicz, M., & Lang, E. W. (2021). Intracranial Pulse Pressure Waveform Analysis Using the Higher Harmonics Centroid. Acta Neurochirurgica, 163(12), 3249-3258. https://doi.org/10.1007/s00701-021-04958-1
  16. Kazimierska, A., Uryga, A., Mataczyński, C., Burzyńska, M., Ziółkowski, A., Rusiecki, A., & Kasprowicz, M. (2021). Analysis of the Shape of Intracranial Pressure Pulse Waveform in Traumatic Brain Injury Patients. In: 2021 43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC) (pp. 546-549). IEEE. https://doi.org/10.1109/EMBC46164.2021.9630516
  17. Ziółkowski, A., Kazimierska, A., Czosnyka, M., & Kasprowicz, M. (2021). Analiza zmian podatności mózgowej u pacjentów po urazie czaszkowo-mózgowym podczas umiarkowanej hipokapnii. In: Maciąg, K., Maciąg, M. (eds) Zdrowie człowieka – profilaktyka, rozpoznawanie i leczenie chorób (pp. 234-258). Wydawnictwo Naukowe TYGIEL, Lublin.

Prace dyplomowe i doktorskie:

  1. Agnieszka Kazimierska, rozprawa doktorska pt. Assessment of cerebral compliance based on analysis of the shape of intracranial pressure pulse waveform (rozprawa w języku angielskim), data obrony: 30.11.2022
  2. Agata Pudełko, praca magisterska pt. Porównanie różnych metod analizy kształtu krzywej tętniczopochodnej ciśnienia wewnątrzczaszkowego
  3. Klaudia Kalinowska, praca magisterska pt. Predykcja wyników leczenia pacjentów po urazach czaszkowo-mózgowych przy użyciu algorytmów uczenia maszynowego i biosygnałów wysokiej rozdzielczości