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Computed Tomography Perfusion for the Diagnosis of Brain Death: A Technical Review

Published online by Cambridge University Press:  18 July 2023

Abanoub Aziz Rizk
Affiliation:
Faculty of Medicine, University of Ottawa, Ottawa, ON, Canada
Nahal Farhani
Affiliation:
Department of Internal Medicine, Division of Neurology, University of MB, Winnipeg, MB, Canada
Jai Shankar*
Affiliation:
Department of Radiology, University of Manitoba, Winnipeg, MB, Canada
*
Corresponding author: J. Shankar; Email: shivajai1@gmail.com
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Timely diagnosis of brain death (BD) is critical as it prevents unethical and futile continuation of support of vital organ functions when the patient has passed. Furthermore, it helps with avoiding the unnecessary use of resources and provides early opportunity for precious organ donation. The diagnosis of BD is mainly based on careful neurological assessment of patients with an established underlying diagnosis of neurological catastrophe capable of causing BD.

Ancillary testing, however, is tremendously helpful in situations when the presence of confounders prevents or delays comprehensive neurological assessment. Traditionally, four-vessel digital subtraction angiography and computed tomography angiography have been used for blood flow (BF) examinations of the brain. The lack of BF in the intracranial arteries constitutes conclusive evidence that the brain is dead. However, there is an apparent discrepancy between the BF and sufficient cerebral perfusion; several studies have shown that in 15% of patients with confirmed clinical diagnosis of BD, BF is still preserved. In these patients, cerebral perfusion is significantly impaired. Hence, measurement of cerebral perfusion rather than BF will provide a more precise assessment of the brain function.

In this review article, we discuss a brief history of BD, our understanding of its complex pathophysiology, current Canadian guidelines for the clinical diagnosis of BD, and the ancillary tests-specifically CT perfusion of the brain that help us with the prompt and timely diagnosis of BD.

Résumé :

RÉSUMÉ :

Évaluer la perfusion cérébrale au moyen de la tomographie assistée par ordinateur pour diagnostiquer la mort cérébrale : une étude technique.

Il est essentiel de diagnostiquer à temps la mort cérébrale (MC) dans la mesure où cela permet d’éviter la prise en charge des fonctions vitales des organes lorsqu’un patient est décédé, ce qui est inutile et contraire à l’éthique. En outre, cela permet d’éviter l’utilisation injustifiée de ressources et offre la possibilité de procéder de façon précoce à des dons d’organes précieux. Le diagnostic de la MC repose principalement sur une évaluation neurologique minutieuse des patients à laquelle s’ajoute un diagnostic sous-jacent d’un incident grave sur le plan neurologique, incident susceptible de provoquer la MC. Les tests auxiliaires sont toutefois extrêmement utiles lorsque la présence de facteurs de confusion (confounders) empêche ou retarde une évaluation neurologique complète. Habituellement, l’angiographie par soustraction numérique (ASN) portant sur quatre vaisseaux sanguins de même que l’angiographie par tomographie assistée par ordinateur (TAO) ont été utilisées pour les examens du débit sanguin (DS) du cerveau. L’absence de DS dans les artères intracrâniennes constitue une preuve concluante que le cerveau est mort. Cependant, il existe une divergence apparente entre le DS et une perfusion cérébrale (PS) suffisante. En effet, plusieurs études ont montré que le DS était encore préservé chez 15 % des patients dont un diagnostic clinique de MC avait été confirmé. Chez ces patients, la PS était significativement altérée. Par conséquent, la mesure de la PS plutôt que du DS fournit une évaluation plus précise de la fonction cérébrale. Dans cet article de synthèse, nous proposerons un bref historique de la MC. Nous nous pencherons ensuite sur sa physiopathologie complexe, sur les lignes directrices canadiennes actuelles pour le diagnostic clinique de la MC et sur les examens auxiliaires, en particulier l’évaluation de la PS par TAO, qui nous aident à diagnostiquer rapidement et à temps la MC.

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Review Article
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© The Author(s), 2023. Published by Cambridge University Press on behalf of Canadian Neurological Sciences Federation
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Figure 1: The time density curve that shows the acquisition of images (till first 12 seconds) before contrast arrival, bell-shaped curve in the arteries (red) and vein (blue), and the total time of acquisition. In this case, the total time of acquisition was 55 seconds.

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Figure 2: CT perfusion colored maps in a patient of suspected brain death. This shows diffuse markedly decreased cerebral blood flow (a) and cerebral blood volume (b). These are classic CTP findings for patients with brain death.

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Figure 3: CTP images for a patient suspected to be brain dead show matched marked decrease (arrow) in the cerebral blood flow (bottom row) and cerebral blood volume (top row) in the brainstem but preserved perfusion in the rest of the brain. These are the perfusion findings for isolated brainstem death.