Bases anatómicas y clínicas para la estimación del grado de atrofia

Ana Gloria Carvajal Reyes, Francisco Sendra Portero, Diego Alcaide
Martín, Irina Voicu, Enrique Nava Baro
H.C.U. Virgen de la Victoria - Málaga (España)
BASES ANATÓMICAS Y CLÍNICAS PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DEL GRADO DE ATROFIA CEREBRAL A PARTIR DE TC CRANEAL




El estudio de la atrofia cerebral por imagen ha sido de
interés desde 1974 con la introducción del TC.
En los 90 se centró la atención en la RM.
Actualmente el TC ha experimentado un gran avance
planteándolo de nuevo como método de imagen válido para
evaluar la atrofia cerebral.
Hay muchos estudios sobre el tema, tanto de TC como de
RM, pero la realidad de la práctica radiológica diaria es que
se sigue estimando el grado de atrofia cerebral
subjetivamente.
BASES ANATÓMICAS Y CLÍNICAS PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DEL GRADO DE ATROFIA CEREBRAL A PARTIR DE TC CRANEAL
1.
Recopilar los distintos documentos existentes en relación con
la atrofia cerebral y su estudio, para lo cual se revisarán las
distintas bases de datos de publicaciones, ya sean libros,
artículos o tesis doctorales.
2.
Organizar las reflexiones que surjan del punto anterior y
establecer una base anatomoclínica sobre el desarrollo y
envejecimiento normal del cerebro para la aplicación de un
sistema para la cuantificación automática de la atrofia cerebral
en el TC.
3.
Examinar la situación actual del tema escogido en función de
los documentos recogidos.
4.
Realizar una propuesta de tesis doctoral.
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
III.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Tesis doctorales: 1 tesis española
 http://teseo.mec.es/teseo/jsp/teseo.jsp
 http://www.cybertesis.net/

Artículos
 “(measurement OR quantification) AND (brain OR cortical OR
LCR OR cerebrospinal fluid) AND (atrophy OR volume) AND
(CT OR tomography) NOT (MR OR MRI)”. 519 artículos.
 “(brain OR LCR OR cerebrospinal fluid) AND (atrophy OR
volume) AND (CT OR tomography) NOT (MR OR MRI OR PET
OR perfusion) AND (morphometry OR planimetry OR volumetry
OR ratios)”. 122 artículos.
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
IV.1. CONCEPTO DE ATROFIA CEREBRAL

La neuropatología clásica sostiene que la pérdida de volumen
cerebral se debe a la disminución en número y atrofia de la
neuronas.
Las teorías actuales sostienen que el número de neuronas
corticales no disminuye sino que hay una disminución del
volumen del pericarion causando una “atrofia neuronal”.
El cerebro se reduce  los espacios de LCR aumentan
dilatándose los ventrículos, cisternas y surcos.


Atrofia cerebral:
 Disminución del volumen cerebral
 Aumento de la diferencia entre el volumen cerebral y el volumen
de LCR.
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
IV.2. DESARROLLO Y ENVEJECIMIENTO NORMAL

La atrofia cerebral es un hecho fisiológico del envejecimiento
normal.
En las enfermedades neurodegenerativas la pérdida del
parénquima cerebral ocurre de una forma precoz y más
acelerada.
La tasa de atrofia de atrofia cerebral en el envejecimiento
normal es objeto de controversia.


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
IV.2. DESARROLLO Y ENVEJECIMIENTO NORMAL

Peso cerebral: Pico máx 19 años. Comienza a disminuir a los 45-50
años, 2%/década.
Espacio intracraneal: Aumenta con el V cerebral, pico máximo a los
14-16 años. No disminuye con la edad.
Volumen cerebral total: Pico máx 12-15 años. Entre los 20-80 años
disminuye linealmente 0’2-0’5%/año.
Volumen total de LCR intracraneal: crece linealmente con la edad,
4%/año. Aceleración a partir de 50/70 años.
La relación V LCR/V intracraneal es estable en 7-9% hasta la
adolescencia y a partir de la 2ªdécada va aumentando hasta alcanzar
el 20-33% a los 71-80 años.
Sustancia blanca/gris: V sust gris aumenta un 13% hasta los 9 años
y luego disminuye 5%/década. V sust blanca aumenta un 74% hasta
los 9 años, luego va a un ritmo menor alcanzando una meseta a los 40
donde comienza a disminuir.
La relación sust gris/blanca disminuye rápidamente hasta la
adolescencia y luego a un ritmo menor.




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
IV.3. ATROFIA EN LA ENFERMEDAD
Enfermedad de Alzheimer. El TC es importante para excluir otras
alteraciones. La pérdida de volumen cerebral se ha asociado
clínica y patológicamente con la demencia. Se está intentando
detectar las alteraciones en las etapas tempranas de la EA y
diferenciarlas de los cambios del envejecimiento normal. Dx
precoz, < riesgo de desarrollar EA y seguimiento de la progresión.
 Esclerosis múltiple. Atrofia cerebral en los estadios tempranos
(antes de la clínica) y guarda estrecha relación con el curso clínico.
Su medición puede ser de utilidad para implementar un tto precoz,
ver la evolución y evaluar la eficacia de terapias y agentes
neuroprotectores.
 Enfermedad de Huntington. Atrofia del caudado. Atrofia
generalizada que comienza antes de la clínica. Su medición puede
ser útil para monitorizar los cambios en estadio preclínico y la
eficacia de los agentes neuroprotectores.

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
IV.3. ATROFIA EN LA ENFERMEDAD

Esquizofrenia. Mayor frecuencia de atrofia cerebral
generalizada con mayor volumen ventricular que los sujetos
normales.
Anorexia nerviosa. La atrofia cerebral se relaciona con la edad
y el porcentaje de pérdida de peso.
SIDA. Mayor atrofia cerebral generalizada que presenta >
probabilidad
de
cambios
histopatológicos
cerebrales
secundarios al virus. Indicador sensible, común y sutil de
infección del cerebro por VIH.
Drogas de abuso. Atrofia cerebral y agrandamiento ventricular
relacionado con un deterior intelectual global.



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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Estudios cualitativos.
Se calcula la extensión de la atrofia cerebral y el crecimiento de
los ventrículos con una escala de puntos donde 0 es normal y la
puntuación más alta a severo.
Subjetivo. Variabilidad intra e interobservador.


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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA
EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Mediciones lineales.
Distancia entre dos puntos de
interés.


El puntaje ventricular se calcula con
la siguiente fórmula:
A+B+C+D
Distancia interparietal
Diagrama que muestra imágenes seccionales a nivel del
agujero de Monro y de los cuerpos de los ventrículos laterales.
A: ancho del tercer ventrículo
B: suma de la distancia más corta entre los núcleos caudados
y la parte anterior del septum pellucidum
C: ancho de los ventrículos laterales justo anterior al agujero de
Monro
D: menor ancho de los cuerpos de los ventrículos laterales
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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA
EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Planimetría.



Área en mm² de un ROI.
Cociente de medidas lineares.
Buena correlación interobservador.
Se muestran las mediciones siguientes:
A-diámetro máximo de las astas frontales
B-anchura mínima de los ventrículo laterales a nivel de la
cabeza del núcleo caudado
C-anchura máxima del tercer ventrículo
D-diámetro craneal interno a nivel de las astas frontales
E-diámetro craneal interno a nivel de la cabeza del núcleo
caudado
F-diámetro máximo intracraneal
G-diámetro craneal externo a nivel de las astas frontales
H-diámetro craneal externo máximo
I-anchura mínima de los ventrículos laterales separados por
septo (celda media)
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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Volumetría.
 Delinear con un ROI la zona a estudiar y sumar las áreas de
cada ROI en todos los cortes donde aparezca la estructura a
medir, teniendo en cuenta el grosor y la distancia entre cortes.
 Obtener los valores en U.H. representativos del LCR y del tejido
cerebral, determinando un valor umbral que separe al máximo
los píxeles del LCR de los del cerebro, y entonces contar el
número de píxeles por encima y por debajo de ese valor umbral.
Luego se multiplica por el tamaño del pixel obteniendo el
volumen.


Para ello se seleccionan una serie de cortes, 6 o 7
normalmente.
Problema: efecto volumen parcial en interfases cerebroventrículo.
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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Volumetría.
El operador elige en cada corte el valor umbral de densidad del pixel
por debajo del cual corresponderá a LCR. El número de pixeles con
densidad por debajo del valor umbral (menor de 19-20 U.H., por
ejemplo) se cuantifican con un software específico y se multiplica por
el tamaño del pixel, obteniendo el volumen total de LCR
Se dibuja un ROI que incluya los
ventrículos y se cuantifica el número de
píxeles que contiene con un determinado
valor de U.H. elegido por el operador
El volumen craneal se obtiene contando el nº de píxeles de cada sección <100 U.H. lo cual excluiría el hueso.
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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Volumetría.
De este modo se obtiene el volumen de los ventrículos (V),
del espacio subaracnoideo (S) y el volumen total de LCR
(V+S), que se expresarán como porcentaje del volumen
craneal (C).
Índices estimadores de atrofia cerebral:






Índice del tamaño ventricular: V / C x 100
Índice del tamaño de los surcos: S / C x 100
Índice de volumen total de LCR: (V + S) %
Índice de atrofia cerebral: (V+S) / C x100
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
IV.4. TIPOS DE
ESTUDIO PARA
EVALUAR LA
ATROFIA CEREBRAL

Densitometría.

Se ha postulado que en los
pacientes con demencia
hay una disminución de los
valores de las U.H. de
ciertas regiones cerebrales.
Corte a nivel de los ganglios basales (B):
1) LCR en las astas frontales.
2) Sustancia blanca en la cápsula interna.
3) Sustancia gris en el tálamo.
4) Sustancia gris en la corteza de la parte anterior de a convexidad.
5) Sustancia gris en la corteza de la parte media de la convexidad.
Primer corte a nivel supraventricular (E):
6) Sustancia gris en la parte anterior de la convexidad.
7) Sustancia gris en la corteza de la parte media de la convexidad.
8) Sustancia gris en la corteza de la parte anterior de la línea media.
9) Sustancia gris en la corteza de línea media.
10) Sustancia blanca de los centros semiovales.
Último corte supraventricular (G):
11) Sustancia gris de la parte anterior de la convexidad.
12) Sustancia gris en la corteza de la parte media de la convexidad.
13) Sustancia gris en la corteza de la parte anterior de la línea media.
14) Sustancia gris en la corteza de la línea media.
15) Sustancia blanca de los centros semiovales.
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
IV.4. TIPOS DE ESTUDIO PARA
EVALUAR LA ATROFIA
CEREBRAL

Estereología.

Método que permite deducir estructuras de
tres dimensiones a partir de cortes de dos
dimensiones,
seriados,
paralelos
y
equidistantes.
Aplicando
fórmulas
matemáticas basadas en la probabilidad
geométrica
y
siendo
estadísticamente
significativa.
El volumen intracraneal total de determina
mediante una ecuación:

T: grosor de corte,
d: separación entre los puntos de la rejilla,
m: número de cortes que incluyen la cavidad intracraneal,
Pi: número de puntos contados en el corte i.
• Se escanea el cráneo con igual espacio entre
secciones. La posición inicial del escaneo debe ser
arbitraria. Para asegurar la imparcialidad de la
estimaciones de volumen, la primera y última sección
deben adquirirse fuera del espacio intracraneal.
• Una rejilla sistemática de puntos de prueba se
superpone arbitrariamente en la primera imagen de
TC. La orientación de la rejilla debe ser la misma en
las siguientes secciones.
• Se cuentan los puntos de la rejilla que caen dentro de
la cavidad craneal.
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
IV.5. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL Y
JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DE UNA APLICACIÓN
PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DE LA ATROFIA
CEREBRAL

Aumento de la población de edad avanzada  conocer el
cerebro normal en ancianos
Cuantificación de la atrofia cerebral imp para el dx y
monitorización de la respuesta a tto de enf : EA y EM.
Muchos estudios, difíciles de comparar ente sí. No hay
consenso en los cambios que sufre el cerebro con la edad.


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
IV.5. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL Y
JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DE UNA APLICACIÓN
PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DE LA ATROFIA
CEREBRAL

RM: inconvenientes
- Protocolos de imagen
- Mucho tiempo
- Alto conocimiento
anatómico para el trazado
manual
- Hardware específico
- Cara
- Tiempo exploración 
artefactos por movimiento
- NO: Pacientes agitados,
claustrofóbicos, marcapasos.
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
IV.5. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL Y
JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DE UNA APLICACIÓN
PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DE LA ATROFIA
CEREBRAL

TC:
- Mayor nº detectores
- Mayor campo de visión
- Grosor de corte + fino
- Matrices + detalladas
- Menor tº adquisición 
menos artefactos
- Mejor calidad de imagen
- Mejor contraste entre tej.
cerebral y LCR
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
IV.5. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL Y
JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DE UNA APLICACIÓN
PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DE LA ATROFIA
CEREBRAL

Gran nº de recursos muy distintos:
 Estructuras a medir
 Automaticidad
 Exactitud y fiabilidad de los valores obtenidos
 No válidos en la práctica:
○ No disponibles
○ Muy laboriosos, requerir mucho tiempo
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
IV.5. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL Y
JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DE UNA APLICACIÓN
PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DE LA ATROFIA
CEREBRAL

Es necesaria una aplicación:
 Que se pueda usar en la práctica diaria y proporcione
información útil
 Características:
○ Automática
○ Sencilla de aplicar
○ Reproductible
○ Fiable
BASES ANATÓMICAS Y CLÍNICAS PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DEL GRADO DE ATROFIA CEREBRAL A PARTIR DE TC CRANEAL

IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

Consiste en un nuevo software para la estimación
automática del grado de atrofia cerebral a partir del TC
craneal que queremos aplicar sobre un número suficiente de
personas para poder determinar el rango normal de los
valores obtenidos (volumen cerebral, volumen de LCR,
volumen intraventricular del LCR y porcentaje de LCR
intracraneal) y establecer una curva estándar para nuestra
población. Esta curva será útil en el estudio de distintas
patologías que se manifiesten como aumento de la atrofia
cerebral.
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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

Se está llevando a cabo una aplicación para la estimación automática de la
atrofia cerebral a partir de TC craneal.
Para estimar la atrofia cerebral se han calculado 3 volúmenes importantes:





Para calcular los volúmenes se necesitan los siguientes parámetros de las
imágenes de TC:




Volumen cerebral
Volumen de LCR
Volumen de LCR intraventricular
El tamaño del pixel
El número de píxeles (el área de nuestra región de interés)
El grosor de corte
Por ejemplo, en un plano en concreto, si el área de la región de interés es de 100 x
100 píxeles, el grosor de corte de 5 mm y el área del pixel de 0.047 x0.047, el
volumen sería de 11.04 cm³ (0.047 x 0.047 x 5 x 100 x100 mm³). El volumen
calculado en planos contiguos se puede sumar para obtener el volumen total del
objeto de interés.
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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 1: ELIMINAR EL HUESO.

El objetivo es obtener una imagen en la que tengamos únicamente
cerebro, con lo que podremos analizar todas las regiones de interés y
analizar fácilmente el volumen cerebral.

Se han usado dos técnicas básicas: el valor umbral y la morfología. El
valor umbral aplicado para obtener sólo cerebro es el rango
comprendido entre -20 y 70 UH.
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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 1: ELIMINAR EL HUESO.
Imágenes originales de TC representadas en Unidades Hounsfield.
Imágenes resultantes después de eliminar el hueso.
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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 2: DETECTAR EL LÍQUIDO CEFALORRAQUÍDEO.

En esta fase se ha detectado el LCR usando dos importantes
técnicas: el valor umbral y el algoritmo de crecimiento de
región. Este valor umbral es muy importante porque si el valor
es demasiado pequeño pueden perderse regiones importantes.
Se han usado valores del rango comprendido entre -10 y 25
UH. Con los valores umbral elegidos se detectan todas las
áreas de LCR sin detectar regiones falsas o excluir otras
importantes.

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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 2: DETECTAR EL LÍQUIDO CEFALORRAQUÍDEO.
Imágenes tras eliminar el hueso. Las áreas marcadas con azul representan las regiones de interés.
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
IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 3: CALCULAR LOS VOLÚMENES.

Para calcular el volumen cerebral se han utilizado las imágenes obtenidas
en el paso 1, el grosor de corte y el tamaño del pixel en cada plano.
Para calcular el LCR se han usado las imágenes obtenidas en el paso 2,
que consisten sólo en LCR.
El problema radica en la estimación del LCR intraventricular. Para ello hay
que detectar los ventrículos y calcular el volumen. La detección de los
ventrículos se realiza manualmente seleccionando una región de interés.
Tras la selección se calcula el volumen. En la última parte del proyecto se
intenta desarrollar una técnica automática para detectar automáticamente
los ventrículos, sin necesidad de selección manual. Esta técnica aún no
está totalmente finalizada aunque se presentan resultados parciales que
todavía deben ser mejorados.


BASES ANATÓMICAS Y CLÍNICAS PARA LA ESTIMACIÓN AUTOMÁTICA DEL GRADO DE ATROFIA CEREBRAL A PARTIR DE TC CRANEAL

IV.6. NUESTRA APLICACIÓN

PASO 3: CALCULAR LOS VOLÚMENES.
Resultados obtenidos tras la detección de los ventrículos. Las regiones azules representan
los ventrículos, permitiendo el cálculo del volumen de LCR intraventricular.
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
IV.6. NUESTRO ESTUDIO

MATERIAL Y MÉTODO
POBLACIÓN

TC craneales obtenidos en el servicio de urgencias de
aquellos pacientes que no presenten hallazgos patológicos en
el TC ni clínica neurológica como enfermedad cerebrovascular
importante, enfermedades neurológicas o psiquiátricas,
incluyendo historia de abuso de drogas. Podemos asumir que
estos pacientes presentan hallazgos similares a los voluntarios
sanos.
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
IV.6. NUESTRO ESTUDIO

MATERIAL Y MÉTODO

MÉTODO
Para el cálculo se utilizarán los siguientes tres parámetros de las imágenes adquiridas:



El tamaño del pixel ( 0.0047 x 0.0047 cm², en una matriz de 512 x 512).
El número de píxeles (el área de nuestra región de interés seleccionada según las UH).
El grosor de corte (4-6 mm).
Se realizaran los siguientes cálculos automáticos con nuestro software:




Cálculo del volumen cerebral. El volumen de las regiones que presenten unos valores de entre
-20 y 70 UH.
Cálculo del volumen total de LCR. El volumen de las regiones que presenten unos valores
entre -10 y 25 UH.
Cálculo del volumen de LCR intraventricular. El volumen de las regiones que presenten unos
valores entre -10 y 25 UH de localización intraventricular.
Cálculo del porcentaje de LCR. Para calcular el porcentaje se usará la siguiente fórmula:
porcentaje de LCR = volumen de LCR / volumen cerebral x 100%.
Se utilizarán únicamente las secuencias de cerebrum que incluyen desde la línea
orbitomeatal hasta el vértex.
Por último se realizará un análisis estadístico de los datos obtenidos.
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1.
El TC ha experimentado un gran avance mejorando la calidad
de imagen y el contraste entre el tejido cerebral y el líquido
cefalorraquídeo planteándose como método de imagen válido para la
evaluación de la atrofia cerebral.
2.
Se han desarrollado un gran número de recursos para evaluar
cuantitativamente la atrofia cerebral, tanto en TC como en RM. Estos
recursos difieren mucho entre sí en varias cuestiones y la muchos no
son válidos para la práctica radiológica diaria, por su
disponibilidad o por ser demasiado laboriosos y requerir demasiado
tiempo.
3. Es necesario desarrollar una aplicación, en este caso para
el TC, que pueda ser aplicada en la práctica diaria y que
nos proporcione información útil.
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4. Los parámetros utilizados para estimar el grado de atrofia cerebral
varía con la edad en los sujetos sanos y varía también en distintas
patologías. Es fundamental disponer de datos de nuestra
población para evaluar los parámetros de atrofia en personas sanas
para después poder hacer el diagnóstico de los casos anormales o
patológicos.
5.
Nuestro estudio consiste en aplicar un nuevo software para la
estimación automática del grado de atrofia cerebral a partir del TC
craneal sobre un número suficiente de personas para poder
determinar el rango normal de los valores obtenidos y establecer una
curva estándar para nuestra población. Esta curva será útil en el
estudio de distintas patologías que se manifiesten como aumento de
la atrofia cerebral considerada normal.