Early prediction of outcome in headinjured patients

2 downloads 0 Views 504KB Size Report
jury and outcome at 1 year was analyzed in 170 patients. Seventytwo of ... when the initial GCS scores were in the intermediate range of 5, 6, or 7. No patients ...
J  Neurosurg  54:300­303,  1981 

Early  prediction  of  outcome  in  head­injured  patients  BYRON YOUNG, M.D.,  ROBERT P.  RAPP, PHARM.D.,  J.  A.  NORTON,  R.N.,  DENNIS  HAACK, PH.D.,  PHILLIP A.  TIBBS,  M.D.,  AND  JAMES R.  BEAN, M.D. 

Department  of Surgery,  Division  of Neurosurgery,  Department  of Pharmacy and the  Tobacco and Health  Research  Institute,  University  of  Kentucky,  Lexington,  Kentucky  The relationship between Glasgow Coma Scale (GCS) scores obtained during the  1st week after head in­  jury  and  outcome at  1 year was analyzed in  170 patients.  Seventy­two of 76 patients with initial GCS scores  of higher than  7 had  favorable outcomes. Only two of the 21  patients with initial  GCS scores of 3 or 4 lived,  and  only  one  had  a  favorable outcome.  Favorable and  unfavorable  outcomes  were  almost equally  divided  when  the  initial  GCS  scores  were  in  the  intermediate  range  of 5,  6,  or  7.  No  patients  with  an  initial  GCS  score  in  this  intermediate  range  that  subsequently  worsened  had  a  favorable outcome,  while  over 80%  of  those improving to a score higher than 7 had a favorable outcome. Only  12% of those persisting with a score  of  5,  6,  or  7  for  I  week  had  a  favorable  outcome.  Outcome predictions  using  the  multiple logistic  model were made for this  intermediate group  of patients  based  on  GCS  scores  and  data  on  midline shift derived  from computerized tomography (CT).  The patients  with initial scores of 5, 6, or 7 with midline shifts of less than 4.1  mm on initial CT scanning had a significantly  higher  favorable outcome  rate  compared  with  patients  with  a  larger  shift.  However,  outcome  predictions  made  by combining  shift  data  and  initial  GCS  scores  are  not  significantly more accurate  than  predictions  based  solely  on  initial  GCS  scores.  Combining  48­hour  GCS  scores  and  shift  data  significantly  improves  predictive accuracy based only on coma scores. The data obtained by combining GCS scores at 72 hours and  1 week  and  shift  data  is  marginally  significant  for  improving  accuracy  of  outcome  predictions.  It  is  con­  cluded  that  GCS  scores  and  shift data  are highly accurate  indicators  of outcome in  head­injured  patients. 

KEY WORDS 

�9 

head injury  �9  prognosis  �9  coma scale  �9  computerized tomography 



HE Glasgow  C o m a   Scale (GCS) 11 is used  in  num­  erous  neurosurgical  units  to  evaluate  head­in­  jured  patients.  This  report  is  a  detailed  statisti­  cal  analysis  of  the  relationship  between  G C S   scores  obtained  during  the  1st  week  following  head  injury  and  outcome  at  1  year.  The  value  of  additional  data  obtained  from  computerized  t o m o g r a p h y   (CT)  scan­  ning  for  improving  accuracy  of  outcome  predictions  based  on  G C S   scores  is  also  assessed.  The  p a p e r   de­  scribes  how,  when,  and  with  what  accuracy  outcome  predictions  can  be  made  for  the  individual  head­  injured  patient. 

Clinical  Material  and  Methods  This  study  consisted  of  170  prospectively  selected  patients  with  the  following  types  of  injuries:  pene­  trating  missile  wounds,  intracranial  h e m a t o m a s ,   depressed  skull  fractures,  and  blunt  head  injuries  caus­  300 

ing  major  focal  neurological  deficits  or  unconscious­  ness  for  at  least  6  hours.  The  6­hour  duration  of  un­  consciousness  was  selected  to  provide  comparability  with  other  c o m a   studies?  There were  144  males and  26  females.  The  patients'  average  age  was  26.2  years,  with  a  range  between  2  and  84  years.  Although  the  severity  of  brain  injury  varied,  all  patients  required  either  surgical  t r e a t m e n t   or  m a n a g e m e n t   in  an  inten­  sive  care  unit.  The  definition  of  coma  used  in  this  study  conformed  to  the  recommendations  of the  H e a d   Injuries C o m m i t t e e  of the World  Federation  of Neuro­  surgical  Societies,  and  is  currently  used  in  several  large  collaborative  studies. 1,3,Sa,s  Patients  in  c o m a   spoke no  recognizable  words,  did  not  obey c o m m a n d s ,   and  did  not  open  their  eyes  in  response  to  any  stimu­  lus.  Patients  with  initial  G C S   scores  not  accurately  measuring  the  severity  of  brain  injury  were  removed  from  the  study.  For  example,  patients  who  greatly  improved  after  correction  of  anoxia  or  hypotension, 

J.  Neurosurg.  /  Volume 54 /  March,  1981 

Early  prediction  of  outcome  in  head  injury  TABLE  1  Outcome at 1 year in 170 head­injured patients 

Initial*  GCS Score 

No. of  Cases 

8­15  76  5­7  73  3­4  21  total  170  *GCS =  Glasgow  Coma Scale. 

Favorable Outcome  Good  Moderate  Recovery  Disability  63  9  28  8  1 

92 



17 

or  whose  depressed  level  of consciousness  was  shown  later  to  be  due  to  alcohol  intoxication,  were excluded.  N o   patient  was  admitted  to  the  study  more  than  12  hours  after  injury,  and  90%  were  evaluated  within  6  hours  of their  injury.  The  G C S   was  used  to grade each  patient's  level  of  consciousness. 11  The  initial  GCS  score  was  obtained  immediately  after  admission  and  before  treatment  at  our  tertiary  hospital,  although  some  patients  were  given  osmotic  diuretics  and  dexa­  methasone  by  the  p r i m a r y   physician  prior  to  referral  to  our  unit.  Additional  G C S   scores  selected  for  use  in  this  study  were:  the  highest  score  in  the  first  24  hours,  and  the  scores  recorded  at  48  hours,  72  hours,  and  1  week  after  injury.  Clinical  m a n a g e m e n t   with  surgery,  intraventricular  pressure  monitoring,  dexametha­  sone,  hypertonic  solutions,  and  barbiturates  was  indi­  cated  by  the  patient's  brain  injury  based  on  current  standards  of  optimal  neurosurgical  treatment.  Each  patient  was  followed  for  1  year.  Outcome  was  cate­  gorized  according  to  the  Glasgow  Outcome  Scale. 6  The  outcome  categories  were  subdivided  into  favor­  able  (good  recovery  and  m o d e r a t e   disability)  or  un­  favorable  outcome  (severe  disability,  vegetative  state,  and  dead).  The  admission  C T   scans  obtained  for  pa­  tients  with  initial  c o m a   scores  of  5,  6,  or  7  were  ex­  amined  for  evidence  of  midline  shift.  Scans  were  ob­  tained  on  69  of  these  73  patients.  Measurements  for  midline  shift  were  m a d e   by  using  the  septum  pellu­  cidum  and  outer  tables  of  the  skull  as  markers.  The  shift  measurements  were  divided  into  two  groups:  less  than  4.1  m m   or  4.1  m m   or  greater.  A  l ­ m m   shift  measured  on  our  scanner  represents  a  4.l­ram  actual  shift.  A  l ­ m m   m e a s u r e m e n t   was  the  smallest  incre­  ment  at  which  two  of  the  authors  (B.Y.  and  P.A.T.)  consistently  agreed  with  the  others'  independent  mea­  surements.  For  data  analysis  and  for  making  out­  come  predictions,  we  used  the  multiple  logistic  model  with  estimates  and  standard  errors  being  (iterated)  m a x i m u m   likelihood. ~  Results 

Based  on  distinct  difference  in  outcome  at  1 year,  the  170 patients  were divided  for detailed  analysis  into  three  groups  (Table  1):  initial  G C S   score  greater  than  7,  initial  G C S   score  of 5,  6,  or 7,  and  initial  G C S   score  J.  Neurosurg.  /  Volume 54  /  March,  1981 

Unfavorable Outcome  Severe  Disability  3  9 

Vegetative  State  0  4 

12 







Dead  1  24  19  44 

of 3  or  4.  All  but  one  of the  76  patients  with  an  initial  score  greater  than  7  lived,  and  only  three  had  an  un­  favorable  outcome.  Only  two  of  the  21  patients  with  an  initial  score  of  3  or  4  lived.  One  m a d e   a  good  re­  covery after  rapid  removal  of an  acute  epidural  hema­  t o m a ,   and  the  other  remained  in  a  vegetative  state.  Only  36  of the  73  patients  with  an  initial  G C S   score of  5,  6,  or  7  had  a  favorable  outcome.  Twenty­four of the  37  with  an  unfavorable  outcome  died  (Table  1).  Accurate  outcome  predictions  cannot  be  made  for  the  intermediate  group  with  initial  scores  of 5,  6,  or  7,  because  favorable and  unfavorable  outcomes  occurred  in  almost  equal  proportions  (Table  1).  W e   therefore  assessed  whether  adding  midline  shift  data  to  the  G C S   score  data  improves  accuracy  of  o u t c o m e   prediction  since  midline  shift,  when  considered  alone,  is  a  signifi­  cant  determinant  of  outcome  when  the  patients  are  divided  into  two  groups,  shift  less  than  4.1  m m   or  4.1  m m   or  greater,  and  outcome  categories  are  combined  into  favorable  or  unfavorable  groups.  The  patients  with  midline  shifts  of  less  than  4.1  m m   on  initial  CT  scan  had  a  significantly  higher  favorable outcome  rate  c o m p a r e d   with  patients  with  a  larger  shift  (Table  2).  However,  predictions  made  by  combining  shift  data  and  initial  G C S   scores  are  not  significantly  m o r e   ac­  curate  than  outcome  predictions  based  solely  on  ini­  tial  c o m a   scores  (coefficient  4­  SE:  ­  0.60  4­  0.58).  Age,  considered  alone,  was  marginally  significant  for  predicting  outcome in this  intermediate  group  (p  =  0.09).  The  average  age  for  the  36  patients  with  a  favorable  outcome  was  22  years,  and  28  years  for  the  37  patients  with  an  unfavorable  outcome.  In  addition,  age  category,  when  subdivided  into  those  less  than  15 

TABLE  2  Relationship between midline shift and outcome* 

Midline  Shift  Outcome  (ram)  Unfavorable  Favorable  4.1  *X 2 (1) =  5.5; p =0.019. 

17  17 

27  8 

30'1 

B.  Young,  et  al.  years  of age,  those  aged  15 to  59  years,  and  those aged  60  years  and  older,  added  to  initial  G C S   data  did  not  improve  accuracy  of  outcome  predictions  (coefficient  •  SE:  ­  0.15  +  0.61).  M o r e   accurate  predictions,  using G C S   scores  alone,  can  be  m a d e   if the  score  later  changes  to  greater  than  7  or  less  than  5  (Table  3).  N o   patient  who  subse­  quently  worsened  had  a  favorable outcome,  while over  80%  of those  improving  to  a  c o m a   score  higher  than  7  had  a  favorable  outcome.  Only  21%  of  those  with  a  G C S   score  of 5,  6,  or  7  that  persisted  for  1 week  had  a  favorable  outcome. 

Although  adding  data  on  midline  shift  to  initial  GCS  score  data  does  not  increase  accuracy  of  out­  come  predictions,  at  later  intervals  midline  shift  does  become an  i m p o r t a n t   variable  for  improving  outcome  predictions  (Tables  4  and  5),  Combining 48­hour  G C S   scores  and  shift  data  significantly  improves  predictive  accuracy.  The  data  obtained  by  combining  G C S   scores  at  72  hours  and  1 week  and  shift  data  are  mar­  ginally  significant  for  predicting  outcome.  Patients  persisting  with  a  G C S   score  of 5,  6,  or  7  or  improving  to  a  score  higher  than  7  by  48  hours  and  having  less  than  4.1  m m   midline  shift,  fare  considerably  better  than  those  patients  with  a  shift  greater  than  4.1  ram. 

TABLE  3 

Discussion 

Percentage  o f  different  time  intervals  o f  patients  with  initial  coma  scores  o f  5  to  7 and favorable  outcomes  by  I  year* 

Percent of Cases at  24 Hours  48  Hours  72 Hours  1 Week  improved  88 (93)  84 (88)  83 (86)  83 (86)  remained same  20 (21)  17 (19)  9 (10)  12 (12)  worsened  0 (0)  0 (0)  0 (0)  0 (0)  *Percent  with  favorable  outcome  after  the  seven  patients  with  penetrating  missile  wounds  are  excluded  is  shown  in  parentheses.  Outcome 

TABLE  4  Value  o f  adding  GCS  data  to shift  data  to  increase  accuracy  of  outcome predictions  at  various  time  intervals 

Time Intervals  24  48  72  1  Hours  Hours  Hours  Week  improve­  ­­ 3.79  ­­ 4.40  ­­ 4.99  ­­ 4.78  ment scale*  •  0.85  •  1.13  •  1.24  •  1.25  shift  1.15  2.34  1.64  1.62  +0.90  •  1.14  ­+­0.93  •  *Improvement scale: Glasgow Coma Scale (GCS) score >  7,  remains at 5, 6,  or 7, or falls below 5.  Data 

TABLE  5  Probability  o f f  avorable  outcome  using  GCS score and midline  shift  data  at  various  time  intervals* 

Outcome 

Midline  Shift 

24  Hours  94%  82%  25%  10% 

improved  no  (GCS score >  7)  yes  stayed same  no  (GCS score  yes  5, 6, or 7)  worsened  no  1%  (GCS score < 5 )   yes  0%  *GCS =  Glasgow Coma Scale.  302 

Time Interval  48  72  1  Hours  Hours  Week  96%  92%  92%  68%  69%  69%  21%  7%  9%  3%  1%  2%  0%  0% 

0%  0% 

0%  0% 

The  Glasgow  C o m a   Scale  is  of value  not  only  as  an  objective  and  reproducible  means  of  quantifying  the  degree  of neurological  impairment,  but  also  as  a  basis  for  making  early,  accurate  predictions  of  the  likely  outcome  of  head­injured  patients.  Initial  G C S   scores  alone  provide  adequate  information  to  m a k e   highly  reliable  outcome  predictions  for  patients  with  initial  scores  either  higher  than  7  or  less  than  5.  Ninety­five  percent  of  patients  with  initial  G C S   scores  greater  than  7  had  a  favorable  outcome,  and  95%  with  initial  scores  of  less  than  5  had  an  unfavorable  outcome.  Correspondence  between  outcome  and  G C S   scores  at  later  time  intervals  does  not  improve  for  these  two  groups  during  the  remainder  of  the  1st  week.  Jennett,  et  al.,  related  G C S   scores  to  outcome  in  several  reports,  and  indicated  that  assessment  of  severity  of  injury  " o n   admission  or  before  resuscita­  tion  and  early  t r e a t m e n t "   will  bias  outcome  predic­  tions. 7 In  Jennett's  view,  comparable  injuries  could  be  mistakenly  estimated  to  have a  less favorable o u t c o m e   if initial  or  worst  state  rather  than  "best  state"  is  the  basis  for  m a k i n g   the  prediction.  He  indicated  that  using  the  best  state  observed  during  the  first  24  hours  more  reliably  predicts  outcome.  Our  data  show  that  the  initial  level of consciousness  can be used  to  reliably  predict  the  o u t c o m e   in  patients  with  an  initial  G C S   score  higher  than  7  or  less  than  4.  Waiting  24  hours  to  determine  highest  G C S   score  in  the  first  24  hours  for  this group  of patients  would  not increase predictive ac­  curacy  when  anoxia,  hypotension,  or  alcohol  intox­  ication  are  not  contributing  to  the  alteration  of  consciousness.  We  found  that  assessing  prognosis  for  patients  in  the  intermediate  group  with  G C S   scores  of  5,  6,  or  7  was  more  complex.  Initial  scores  did  not  provide  suf­  ficient  information  to  m a k e   accurate  predictions  since  outcomes  were  divided  almost  equally  between  the  f a v o r a b l e   and  u n f a v o r a b l e   categories.  A c c u r a t e   predictions  for  this  group  can  be  made  only  when  the  GCS  score  later  changes  to  greater  than  7  or  less  than  5.  For  example,  when  the  initial  G C S   score  improved  to  at  least  8  during  the  first 24 hours,  88%  had  a  favor­  able  outcome.  When  deterioration  to  below  5  oc­  curred,  no  patient  survived.  The  earlier  the  patient  im­  J.  Neurosurg.  /  Volume  54  /  March,  1981 

Early  prediction  of  outcome  in  head  injury  proves into  the higher than  7 category, the more likely  is  a  favorable  outcome.  The  chances  of  having  a  favorable  outcome  reach  a  plateau  at  24  hours  for  those patients  with  initial  GCS  scores  of 5, 6, or 7 who  improve  to  scores  of  greater  than  7  (Table  3).  The  longer  the  patient  remains  in  the  intermediate  category,  the  more  likely  is  an  unfavorable  outcome.  Patients  remaining  in  the  intermediate  category (5,  6,  or  7)  at  1 week  had  only  about  one­half the chance  of  having  a  favorable  outcome  of  those  in  this  same  category  at  24  hours.  N o   patient  who  was  initially in  the  intermediate  group  and  then  deteriorated  had  a  favorable  outcome.  Our  data  support  Jennett's  find­  ing that  the  pattern  of change  in GCS  score during the  first 24 hours  after injury is a  key to more precise early  outcome  predictions  within  this group.  Even  more ac­  curate  predictions  can  be  made  at  later  intervals,  but  the  favorable  outcome  percentages  reach  a  plateau  at  the  highest  score  in  the  first  24  hours.  Stablein,  et  al., 1~  recently  detailed  the  statistical  value  of  the  logistic  model  for  prediction  outcome  of  head­injured  patients.  In  their  series,  the  most  impor­  tant  prognostic  factor  was  a  requirement  for  surgical  decompression.  In  a  previous description  of their stan­  dardized  protocol  for  managing  these  patients,  Becker,  et  a l . ?   indicated  that  patients  haVing  a  5­mm  or  more  shift  had  surgical  exploration  and  decom­  pression.  Although  Stablein,  et  al.,  and  Becker,  et  al.,  did  not  include  penetrating  missile  wounds,  our  studies  are  comparable.  Table  3  shows  no  significant  difference  in  favorable  outcome  percentages  after  seven  patients  with  penetrating  missile  wounds are  ex­  cluded.  Our  data  also  emphasize  the  significant  re­  lationship  between  shift  in  the  4­5  mm  range  and  outcome.  In  addition,  we  show  the  value  of  com­  bining  shift  data  with  G C S   score  data  for  improving  accuracy of outcome predictions  for patients  in the in­  termediate  category.  Other  factors,  such  as  pupillary  reactivity  to  light,  brain­stem  function,  vital  signs  and  hematocrit,  age,  and type o f  injury can be used as a basis  to predict out­  come  following  head  injury. 2.9  Our  data  suggest  that  adding  any one or a combination  of these other factors  could only very slightly increase the already highly ac­  curate  outcome  predictions  of  patients  who  are  ini­  tially  conscious  or  deeply  comatose  or  who  are  in  the  intermediate  group  at  24  hours  after  admission.  Our  study  shows  that  age,  considered  independently in  the  intermediate  group,  is  a  marginally  significant  vari­  able  for  predicting  outcome.  However,  after  adjust­  ment  for  initial  coma  score,  age  is  not  a  significant  variable  for  this  group.  Likewise,  injury  category  when  added  to  initial  GCS  score does  not improve ac­  curacy  of outcome predictions  (coefficient 4­  SE:  0.31  +  0.21).  Stablein,  et  al.,1~ based their outcome predictions on  12  variables  obtained  initially  after  hospital  admis­  sion.  Ninety­one  percent  of their  outcome predictions  were  correct.  Sixty­nine  percent  of  their  predictions  were  made  at  a  0.90  confidence  level.  They  showed  J.  Neurosurg.  /  Volume  5 4 /   March,  1981 

that  requirement  for  a  surgical  decompression  (shift  greater  than  5  mm),  age,  vital  signs  and  hematocrit,  and  m o t o r   response  (a  component  of the  G C S   scale)  are  significant  determinants  of  outcome.  The  other  eight  factors  they  considered,  including  pupillary  light  responses,  pupillary  size,  and  oculocephalic  response,  were  either  only  marginally  significant  or  not  signifi­  cant.  We  found that  only one Variable, the initial  G C S   score,  is  needed  for an  accurate prediction  of outcome  in  patients  deeply  comatose  or  conscious.  Accurate  predictions  using  only  the  GCS  score cannot  be  made  a  few  hours  after  admission  for  patients  with  initial  scores  of  5,  6,  or  7.  However,  by  24  hours,  accurate  outcome  predictions  based  only  on  G C S   scores  are  possible.  Furthermore,  adding  only one variable,  mid­  line  shift  data,  will  significantly  improve  the  outcome  predictions  made  at  later  intervals.  Our  study  shows  that  a  short  delay  enables  highly  accurate  predictions  for  the  intermediate  group  without  using  so  many  variables  that  a  computer  is  required  for  accurate  predictions.  References 

1.  Bates  D, Caronna  J J,  Cartlidge NEF,  et al: A  prospec­  tive study of nontraumatic coma: methods and results in  310  patients.  Ann  Neurol  2:211­220,  1977  2.  Becker  DP,  Miller  JD,  Ward  JD,  et  al:  The  outcome  from  severe head  injury with  early diagnosis  and  inten­  sive  management.  J  Neurosurg  47:491­502,  1977  3.  Bruce  DA,  Schut  L,  Bruno  LA, et al:  Outcome follow­  ing  severe  head  injuries  in  children.  J  Neurosurg  48:  679­688,  1978  4.  Cox  DR:  Analysis  of Binary  Data.  London:  Methuen  and  Co,  1970  5.  Frowein  RA:  Classification  of  coma.  Acta  Neurochir  34:5­10,  1976  6.  Jennett B, Bond M:  Assessment of outcome after severe  brain  damage.  A  practical  scale.  Lancet  1:480­484,  1975  7.  Jennett  B, Teasdale G, Braakman  R, et al: Prognosis of  patients  with  severe  head  injury.  Neurosurgery  4:  283­289,  1979  8.  Jennett  B,  Teasdale  G,  Galbraith  S,  et  al:  Severe head  injuries  in  three  countries,  d  Neurol  Neurosurg  Psy­  chiatry  40:291­298,  1977  9.  Langfitt  TW:  Measuring  the  outcome  from  head  in­  juries.  J  Neurosurg 48:673­678,  1978  10.  Stablein  DM,  Miller  JD,  Choi  SC,  et  al:  Statistical  methods  for  determining  prognosis  in  severe  head  in­  jury.  Neurosurgery 6:243­248,  1980  II.  Teasdale  G,  Jennett  13:  Assessment  of  coma  and  im­  paired consciousness. A practical scale.  Lancet 2:81­83,  1974  This  work  was  supported  by NINCDS  Grant  NS13454­  03.  This  paper  was  presented  at  the  Annual  Meeting  of the  American  Association  of  Neurological  Surgeons,  April  20­24,  1980, New  York,  New  York.  Address  reprint requests  to:  Byron Young,  M.D.,  Univer­  sity of Kentucky Medical Center,  MS  107, 800 Rose Street,  Lexington,  Kentucky 40536.  303