Summary
نقدم هنا بروتوكولا لقياس تدفق دم الجنين بسرعة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وإجراء تصحيح الحركة بأثر رجعي وبوابات القلب.
Abstract
يعد التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أداة مهمة للتقييم السريري لمورفولوجيا القلب والأوعية الدموية ووظيفة القلب. وهو أيضا معيار الرعاية المعترف به لقياس كمية تدفق الدم بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي على النقيض من الطور. في حين أن مثل هذا القياس لتدفق الدم كان ممكنا لدى البالغين منذ عقود ، إلا أن طرق توسيع هذه القدرة لتشمل تدفق دم الجنين لم يتم تطويرها إلا مؤخرا.
يعد القياس الكمي لتدفق دم الجنين في الأوعية الرئيسية أمرا مهما لمراقبة أمراض الجنين مثل أمراض القلب الخلقية (CHD) وتقييد نمو الجنين (FGR). يسبب CHD تغيرات في بنية القلب والأوعية الدموية التي تغير مسار الدم في الجنين. في FGR ، يتم تغيير مسار تدفق الدم من خلال تمدد التحويلات بحيث يتم زيادة تدفق الدم المؤكسج إلى الدماغ. يتيح القياس الكمي لتدفق الدم تقييم شدة أمراض الجنين ، والتي بدورها تسمح بمناسبة في إدارة مرضى الرحم والتخطيط لرعاية ما بعد الولادة.
تشمل التحديات الأساسية لتطبيق التصوير بالرنين المغناطيسي على تباين الطور على الجنين البشري صغر حجم الأوعية الدموية ، وارتفاع معدل ضربات قلب الجنين ، وتلف بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المحتمل بسبب تنفس الأم ، وحركات الجنين غير المتوقعة ، ونقص طرق بوابات القلب التقليدية لمزامنة الحصول على البيانات. هنا ، نصف التطورات التقنية الأخيرة من مختبرنا والتي مكنت من قياس تدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي على تباين الطور ، بما في ذلك التقدم في التصوير المتسارع ، وتعويض الحركة ، وبوابات القلب.
Introduction
التقييم الشامل لدوران الجنين ضروري لمراقبة أمراض الجنين مثل تقييد نمو الجنين (FGR) وأمراض القلب الخلقية (CHD)1،2،3. في الرحم ، تعتمد إدارة المريض والتخطيط لرعاية ما بعد الولادة على شدة أمراض الجنين4،5،6،7. تم مؤخرا إثبات جدوى القياس الكمي لتدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وتطبيقاته في تقييم أمراض الجنين3،8،9. ومع ذلك ، تواجه طريقة التصوير تحديات ، مثل زيادة أوقات التصوير لتحقيق دقة زمانية مكانية عالية ، ونقص طرق مزامنة القلب ، وحركة الجنين غير المتوقعة10.
يتكون الأوعية الدموية الجنينية من هياكل صغيرة (~ قطر 5 مم للأوعية الدموية الرئيسية التي تتكون من الشريان الأورطي النازل ، والقناة الشريانية ، والشريان الأورطي الصاعد ، والشريان الرئوي الرئيسي ، والوريد الأجوفالعلوي 11،12،13). لحل هذه الهياكل وقياس التدفق ، يلزم التصوير بدقة مكانية عالية. علاوة على ذلك ، فإن معدل ضربات قلب الجنين يبلغ حوالي ضعف معدل ضربات قلب الشخص البالغ. وبالتالي ، يلزم أيضا دقة زمنية عالية لحل حركة القلب الديناميكية وتدفق الدم عبر الدورة القلبية للجنين. يتطلب التصوير التقليدي بهذه الدقة الزمانية المكانية العالية أوقات اكتساب طويلة نسبيا. لمعالجة هذه المشكلة ، تم إدخال التصوير بالرنين المغناطيسي للجنينالمعجل 14،15،16. باختصار ، تتضمن تقنيات التسريع هذه أخذ عينات ناقصة في مجال التردد أثناء الحصول على البيانات وإعادة البناء عالية الدقة بأثر رجعي باستخدام التقنيات التكرارية. أحد هذه الأساليب هو إعادة بناء الاستشعار المضغوط (CS) ، والذي يسمح بإعادة بناء الصور من البيانات التي تم أخذ عينات ناقصة بشكل كبير عندما تكون الصورة المعاد بناؤها متناثرة في مجال معروف وتكون القطع الأثرية التي يتم أخذ عينات ناقصة غير متماسكة17.
تمثل الحركة في تصوير الجنين تحديا كبيرا. يمكن أن ينشأ تلف الحركة من حركة تنفس الأم أو حركة الأم السائبة أو حركة الجنين الإجمالية. يؤدي تنفس الأم إلى ترجمات دورية للجنين ، في حين أن حركات الجنين أكثر تعقيدا. يمكن تصنيف حركات الجنين على أنها موضعية أو إجمالية10,18. الحركات الموضعية تنطوي على حركة أجزاء فقط من الجسم. تستمر عادة لحوالي 10-14 ثانية ويزداد تواترها مع الحمل (~ 90 في الساعة عند الفصل الدراسي)10. تتسبب هذه الحركات بشكل عام في حدوث فساد صغير ولا تؤثر على منطقة التصوير محل الاهتمام. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي حركات الجنين الإجمالية إلى تلف شديد في الصورة من خلال مكونات الحركة المستوية. هذه الحركات هي حركات الجسم كله بوساطة العمود الفقري وتستمر لمدة 60-90 ثانية.
لتجنب القطع الأثرية من حركة الجنين ، يتم اتخاذ الخطوات أولا لتقليل حركات الأم. يتم جعل النساء الحوامل أكثر استرخاء باستخدام الوسائد الداعمة على سرير الماسح الضوئي وارتداء العباءات المريحة وقد يكون شركاؤهن حاضرين بجانب الماسح الضوئي لتقليل رهاب الأماكن المغلقة19,20. للتخفيف من آثار حركة الجهاز التنفسي للأم ، أجرت الدراسات فحوصات الرنين المغناطيسي للجنين تحت حبس أنفاس الأم21،22،23. ومع ذلك ، يجب أن تكون عمليات الاستحواذ هذه قصيرة (~ 15 ثانية) نظرا لانخفاض تحمل حبس النفس لدى الحوامل. في الآونة الأخيرة ، تم إدخال طرق تصحيح الحركة بأثر رجعي للتصوير بالرنين المغناطيسي للجنين14،15،16. تتعقب هذه الطرق حركة الجنين باستخدام مجموعات أدوات التسجيل وتصحح الحركة أو تتجاهل الأجزاء غير القابلة للتصحيح من البيانات المكتسبة.
أخيرا ، يتم الحصول على صور التصوير بالرنين المغناطيسي للقلب بعد الولادة بشكل تقليدي باستخدام بوابات مخطط كهربية القلب (ECG) لمزامنة الحصول على البيانات مع الدورة القلبية. بدون بوابات ، يتم الجمع بين حركة القلب والتدفق النابض من جميع أنحاء الدورة القلبية ، مما ينتج عنه قطع أثرية. لسوء الحظ ، تعاني إشارة تخطيط القلب الجنينية من تداخل من إشارة ECGللأم 24 وتشوهات من المجال المغناطيسي25. ومن ثم ، تم اقتراح طرق بديلة غير جراحية لبوابات قلب الجنين ، بما في ذلك البوابة الذاتية ، والبوابات المحسنة المترية (MOG) وبوابة الموجات فوق الصوتيةدوبلر 21،26،27،28.
كما هو موضح في الأقسام التالية ، فإن نهج التصوير بالرنين المغناطيسي الخاص بنا لتحديد تدفق دم الجنين يستفيد من طريقة بوابات جديدة ، MOG ، تم تطويرها في مختبرنا ودمجها مع تصحيح الحركة وإعادة البناء التكراري لعمليات الاستحواذ المتسارعة بالرنين المغناطيسي. يعتمد هذا النهج على خط أنابيب في دراسة منشورة سابقا14 ويتكون من المراحل الخمس التالية: (1) اكتساب تدفق دم الجنين ، (2) إعادة البناء في الوقت الفعلي ، (3) تصحيح الحركة ، (4) بوابات القلب ، و (5) إعادة البناء المسورة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تم إجراء جميع فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي بموافقة مستنيرة من المتطوعين كجزء من دراسة معتمدة من قبل مجلس أخلاقيات البحث المؤسسي لدينا.
ملاحظة: تم استخدام الطرق الموضحة أدناه على نظام التصوير بالرنين المغناطيسي 3T. يتم إجراء الاستحواذ باستخدام تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي على النقيض من الطور الشعاعي. تم إعداد هذا التسلسل عن طريق تعديل مسار القراءة (لتحقيق نمط نجمي) للتصوير بالرنين المغناطيسي لتباين الطور الديكارتي الخاص بالشركة المصنعة. تتوفر بروتوكولات التسلسل والعينة عند الطلب من خلال منصة التبادل C2P الخاصة بنا. تم إجراء جميع عمليات إعادة البناء في هذا العمل على كمبيوتر مكتبي قياسي بالمواصفات التالية: ذاكرة 32 جيجا بايت ، معالج 3.40 جيجا هرتز مع 8 نوى ، وبطاقة رسومات 2 جيجا بايت مع 1024 نواة حوسبة بنية جهاز موحدة (CUDA). تم إجراء إعادة بناء الصورة على MATLAB. تم إجراء تحويل فورييه السريع غير المنتظم (NUFFT)29 على وحدة معالجة الرسومات (GPU). تم حساب معلمات تصحيح الحركة باستخدام elastix30. يصور الشكل 1 البروتوكول بترتيب زمني ، ويتتبع كيفية معالجة ترميز السرعة المكتسبة (مشفرة بالألوان في الشكل 1) بصور تمثيلية في كل مرحلة من مراحل إعادة البناء. رمز إعادة الإعمار متاح في https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI. بينما نقدم الخطوات الواردة في البروتوكول هنا ، فإن معظم خطوات الخوارزمية هذه مؤتمتة في خط الأنابيب الخاص بنا.
1. تحديد موضع الموضوع وامتحانات التوطين
- ساعد الأم في وضع نفسها على طاولة التصوير بالرنين المغناطيسي في وضعها المريح المفضل ، وعادة ما تكون أوضاع الاستلقاء أو الاستلقاء الجانبي ، لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي.
- ضع ملف القلب فوق منطقة البطن للأم.
- قم بتحميل جدول التصوير بالرنين المغناطيسي في تجويف المغناطيس وأبلغ الأم بأن الفحص على وشك البدء.
- قم بإجراء فحص موضعي لتحديد موقع جسم الجنين (الدقة: 0.9 × 0.9 × 10 مم3 ، TE / TR: 5.0 / 15.0 مللي ثانية ، مجال الرؤية: 450 × 450 مم2 ، الشرائح: 6).
- قم بإجراء فحص موضعي مكرر لتحديد موقع الأوعية الدموية للجنين مع مجموعة الشرائح المتمركزة على قلب الجنين (الدقة 1.1 × 1.1 × 6.0 مم3 ، TE / TR: 2.69 / 1335.4 مللي ثانية ، مجال الرؤية: 350 × 350 مم2 ، الشرائح: 10 ، الاتجاه: محوري للجنين).
- كرر المرادفات المكررة مع التوجهات السهمية والإكليلية للحصول على رؤية أوضح لأوعية الجنين.
- كرر المرادفات المكررة في حالات حركة الجنين الإجمالية.
2. الحصول على بيانات تدفق دم الجنين
- حدد موقع الأوعية الجنينية باستخدام اختبارات التوطين. على سبيل المثال ، الشريان الأورطي الهابط هو وعاء مستقيم طويل بالقرب من العمود الفقري في المستويات السهمية. يمكن تحديد الشريان الأورطي الصاعد والشرايين الرئوية الرئيسية كأوعية تغادر البطينين الأيسر والأيمن ، على التوالي. يمكن تتبع القناة الشريانية باعتبارها جزءا من مجرى الشريان الرئوي الرئيسي القريب من الشريان الأورطي النازل. يمكن التعرف على الوريد الأجوف العلوي من المستويات المحورية بالقرب من قاعدة قلب الجنين باعتباره الوعاء المجاور للشريان الأورطي الصاعد.
- يصف شريحة عمودي على محور وعاء الجنين محل الاهتمام. قم بتدوير وتحريك إرشادات الشريحة على كمبيوتر وحدة التحكم بالرنين المغناطيسي بحيث تتقاطع مع الوعاء المستهدف بشكل عمودي.
- اضبط معلمات المسح (نوع الاستحواذ: التصوير بالرنين المغناطيسي لتباين الطور الشعاعي ، الدقة: 1.3 × 1.3 × 5.0 مم 3 ، وقت الصدى (TE) / وقت التكرار (TR):3.25 / 5.75 مللي ثانية ، مجال الرؤية (FOV): 240 × 240 مم2 ، الشريحة: 1 ، تشفير السرعة: 100-150 سم / ثانية اعتمادا على وعاء الاهتمام ، اتجاه تشفير السرعة: من خلال المستوى ، المشاهدات الشعاعية: 1500 لكل تشفير ، التنفس الحر).
- قم بتشغيل الفحص وتحقق من الوصفة الطبية بناء على إعادة البناء الأولية ذات المتوسط الزمني التي تم إجراؤها وعرضها على كمبيوتر وحدة التحكم بالرنين المغناطيسي. كرر مسح المترجم وتباين الطور إذا كانت السفينة المستهدفة غائبة أو غير قابلة للتحديد من إعادة البناء الأولية. يتم تمثيل البيانات الأولية المكتسبة في التخطيطي في الشكل 1A مع تعويض السرعة ومن خلال عمليات الاستحواذ المستوية المشفرة باللونين الأحمر والأزرق ، على التوالي.
- كرر الحصول على بيانات تدفق دم الجنين لكل وعاء دموي مستهدف.
ملاحظة: يجب نقل البيانات الأولية التي تم الحصول عليها (التنسيق: ملفات DAT) لإعادة الإعمار دون اتصال. على سبيل المثال ، في الماسحات الضوئية Siemens ، يمكن إجراء ذلك عن طريق تشغيل "twix". يتم النقر على البيانات الأولية التي تم الحصول عليها بزر الماوس الأيمن من عمليات الاستحواذ على القائمة ويتم اختيار "نسخ ملف الغارة الإجمالي".
3. تصحيح حركة قياسات الجنين
- إعادة بناء سلسلة الوقت الفعلي (الدقة الزمنية: 370 مللي ثانية ، المشاهدات الشعاعية: 64) من البيانات المكتسبة باستخدام CS مع 15 تكرارا لتحسين نزول التدرج المترافق الذي يستغل التباين الكلي المكاني (STV ، الوزن: 0.008) والتباين الكلي الزمني (TTV ، الوزن: 0.08) التنظيم كما هو موضح في المخطط في الشكل 1B.
- حدد منطقة الاهتمام (ROI) التي تشمل سفينة الاهتمام من إعادة الإعمار الأولى في الوقت الفعلي باستخدام واجهة مستخدم رسومية تم تطويرها في MATLAB. في هذه الخطوة ، يجب على المستخدم رسم محيط يحيط بتشريح الجنين ، مثل الأوعية الكبيرة المستهدفة أو قلب الجنين.
- قم بإجراء تتبع حركة الجسم الصلب باستخدام elastix 30 (استنادا إلى المعلومات المتبادلة الطبيعية مع المعلمات المحسنة تجريبيا: 4 مستويات هرمية و300 تكرار وتحويلات ترجمية).
- رفض الأطر المتعقبة في الوقت الفعلي التي تشترك في معلومات متبادلة منخفضة (MI) مع جميع الإطارات الأخرى (حيث يكون MI أقل من 1.5x النطاق الربيعي من متوسط MI). تعتبر هذه الإطارات ممثلة من خلال حركة الطائرة أو حركة الجنين الإجمالية.
- استخدم بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المقابلة لأطول سلسلة من الأطر المستمرة في الوقت الفعلي (بدون فجوات) من الإطارات المتبقية كفترة هدوء تستخدم لمزيد من إعادة البناء.
- استيفاء معلمات تصحيح الحركة الانتقالية من الدقة الزمنية لسلسلة الوقت الفعلي (370 مللي ثانية) إلى TR للاكتساب الهادئ (5.75 مللي ثانية).
- تطبيق المعلمات المقحمة على فترة الهدوء المحددة لبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي عن طريق تعديل المرحلة كما في:
حيث s 'هي البيانات المصححة للحركة ، k x و k y هي الإحداثيات في k-space ، s هي البيانات غير المصححة المكتسبة ، Δx و Δy هي الإزاحات المتعقبة في الفضاء ، و j تمثل
.
ملاحظة: تم تحسين جميع القيم العددية لمعاملات التنظيم في هذا العمل في التجارب السابقة. تم تحقيق ذلك باستخدام بحث شبكة القوة الغاشمة للعثور على معاملات التنظيم التي قللت من الخطأ بين إعادة بناء مجموعة بيانات مرجعية للجنين ذات عينات عالية والحالات التي تم أخذ عينات منها بأثر رجعي من نفس مجموعة البيانات.
. 4. حل معدل ضربات قلب الجنين
- أعد بناء سلسلة صور ثانية في الوقت الفعلي بدقة زمنية أعلى (الدقة الزمنية: 46 مللي ثانية ، المشاهدات الشعاعية: 8) باستخدام البيانات المكتسبة باستخدام CS ، مرة أخرى مع 15 تكرارا لتحسين نزول التدرج المترافق مع STV (الوزن: 0.008) و TTV (الوزن: 0.08) كما هو موضح في المخطط في الشكل 1C.
- أعد تحديد عائد استثمار يشمل وعاء الجنين محل الاهتمام.
- قم بتشغيل MOG متعدد المعلمات على سلسلة الوقت الفعلي لاشتقاق معدل ضربات قلب الجنين المعتمد على الوقت.
- صححت حركة بن بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي إلى 15 مرحلة قلبية باستخدام شكل موجة معدل ضربات القلب المشتقة. في هذه الخطوة ، يتم حساب الحدود الزمنية لمراحل القلب باستخدام معدل ضربات القلب من الخطوة السابقة. على سبيل المثال ، يتم إعطاء حدود المرحلة i th في نبضات القلب kth بواسطة:
حيث HR (K) هو الوقت الذي تحدث فيه نبضات القلب k. يتم إعطاء الطابع الزمني للاكتساب الشعاعي n بواسطة (n x TR). يتم تعيين البيانات ذات الطوابع الزمنية التي تقع ضمن حدود المرحلة القلبية لتلك المرحلة.
ملاحظة: MOG هي تقنية بوابات26 تشتمل على تجميع تكراري للبيانات المكتسبة بناء على نموذج معدل ضربات قلب الجنين متعدد المعلمات لإنشاء صور CINE تعمل على تحسين مقياس الصورة على منطقة ذات أهمية.
5. إعادة بناء CINEs الجنين
- إعادة بناء CINEs تدفق الجنين باستخدام بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المصححة بالحركة المصححة و CS مع 10 تكرارات لتحسين نزول التدرج المترافق مع STV (الوزن: 0.025) و TTV (الوزن: 0.01) التنظيم. يتم إنتاج اثنين من CINEs في هذه الخطوة: واحد للاكتساب المعوض للتدفق ، CFC ، والآخر مع بيانات التدفق المشفرة ، CFE ، كما هو موضح في التخطيطي في الشكل 1D.
- احسب صورة السرعة المعطاة بواسطة طور حاصل الضرب الأولي ل CFE والمرافق المعقد ل CFC.
- قم بتطبيق تصحيح طور الخلفية31 لتصحيح تأثيرات التيار الدوامي. باختصار ، في هذه الخطوة التلقائية ، يتم تركيب طائرة على مرحلة أنسجة الجنين والأم الثابتة. يتم إجراء التصحيح عن طريق طرح المستوى من المرحلة الحساسة للسرعة المحسوبة في 4.2.
- اكتب البيانات المعاد بناؤها في ملفات DICOM.
- قم بتحميل DICOMs في برنامج تحليل التدفق ، مثل الجزء v2.232.
- ارسم عائد استثمار يشمل تجويف الأوعية الدموية ذات الأهمية باستخدام الصور التشريحية والحساسة للسرعة.
- نشر عائد الاستثمار لجميع مراحل القلب وتصحيح التغيرات في قطر الوعاء.
- قياسات التدفق القياسية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
بشكل عام ، تستهدف فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي المرحلية للتدفق ستة أوعية جنينية رئيسية: الشريان الأورطي النازل ، والشريان الأورطي الصاعد ، والشريان الرئوي الرئيسي ، والقناة الشريانية ، والوريد الأجوف العلوي ، والوريد السري. هذه الأوعية تهم الطبيب لأنها غالبا ما تكون متورطة في أمراض الشرايين التاجية و FGR ، مما يؤثر على توزيع الدم في جميع أنحاء الجنين9. مدة المسح النموذجية مع التصوير بالرنين المغناطيسي لتباين الطور الشعاعي هي 17 ثانية لكل وعاء بحيث تكون عمليات المسح قصيرة مع إتاحة الوقت أيضا للحصول على بيانات كافية لإعادة بناء CINE. كان إجمالي وقت الاستحواذ ، بما في ذلك أجهزة تحديد المواقع والتصوير بالرنين المغناطيسي على النقيض من الطور ، للنتائج التمثيلية 3 دقائق. في هذه الدراسة ، يتم تقديم نتائج تمثيلية باستخدام بيانات اكتساب التدفق من الشريان الأورطي الهابط في جنينين بشريين: الجنين 1 والجنين 2 مع عمر الحمل (أسبوع + أيام) من 35 + 4 و 37 + 3 ، على التوالي.
كما في الشكل 1 ، استغرقت عمليات إعادة البناء الأولية في الوقت الفعلي (الدقة الزمنية: 370 مللي ثانية) التي تم إجراؤها لتتبع الحركة 45 ثانية لكل شريحة أعيد بناؤها. استغرق تتبع حركة الترجمة 2 دقيقة لكل شريحة. توضح معلمات الحركة المستخرجة للجنين 1 (الشكل 2 A1 ، الإزاحة القصوى: 1.6 مم) والجنين 2 (الشكل 2 A2 ، الإزاحة القصوى: 1.3 مم) حركة الشريان الأورطي الهابط خلال مدة الفحص. يتم عرض المعلومات المتبادلة المشتركة لكل إطار في الوقت الفعلي مع جميع الإطارات الأخرى المسجلة بشكل مشترك في الشكل 2 B1 (الجنين 1) والشكل 2 B2 (الجنين 2). في هذه الحالات ، شاركت جميع الإطارات المعلومات المتبادلة فوق معايير القطع ، لذلك لم يتم رفض أي بيانات. استغرقت عمليات إعادة البناء الثانية في الوقت الفعلي (الدقة الزمنية: 46 مللي ثانية) ، المستخدمة لاشتقاق معلومات بوابات القلب ، 10 دقائق لكل شريحة. اشتقت MOG فترات نبضات قلب الجنين (RR) باستخدام نموذج متعدد المعلمات ، كما هو موضح في الشكل 2 C1 (الجنين 1 ، فاصل RR: 521 ± 20 مللي ثانية) والشكل 2 C2 (الجنين 2 ، فاصل RR: 457 ± 9 مللي ثانية).
استغرقت عمليات إعادة البناء النهائية ل CINE باستخدام البيانات المصححة بأثر رجعي والبوابات 3 دقائق لكل شريحة. يوضح الشكل 3 عمليات إعادة البناء التشريحية والسرعة للجنين 1 والجنين 2 عند انقباض الذروة. تظهر عمليات إعادة البناء مع تصحيح الحركة الأوعية ذات الجدران الأكثر حدة. بدون تصحيح الحركة ، يكون الشريان الأورطي الهابط أكثر ضبابية وأقل وضوحا. تظهر منحنيات التدفق المقاسة من كل جنين (الشكل 4) تدفقات ذروة ومتوسط أعلى في عمليات إعادة البناء دون تصحيح الحركة ([متوسط الذروة]: الجنين 1 [25.2 9.8] مل / ثانية ، الجنين 2 [34.6 10.3] مل / ثانية]) من تلك التي لديها تصحيح الحركة ([متوسط الذروة]: الجنين 1 [23.5 9.2] مل / ثانية ، الجنين 2 [28.7 9.7] مل / ثانية]).
الشكل 1: خط أنابيب لإعادة بناء بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لتباين طور الجنين. (أ) الخطوة 1: بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لتباين الطور الشعاعي بزاوية ذهبية (مشفرة بالألوان على النحو التالي: تعويض التدفق = أحمر ومن خلال تشفير المستوى = أزرق). تصور الألوان المتناوبة أن عمليات الاستحواذ المشفرة المعوضة بالتدفق وعبر المستوى تحدث في نفس الترددات المكانية. (ب) الخطوة 2: نوافذ زمنية تبلغ 370 مللي ثانية لإعادة البناء في الوقت الفعلي باستخدام CS مع قيود التباين (STV و TTV). يتم إجراء تصحيح الحركة ورفض البيانات. (ج) الخطوة 3: يتم إنشاء نوافذ زمنية تبلغ 46 مللي ثانية لإعادة الإعمار في الوقت الفعلي باستخدام CS (مع قيود تناثر STV و TTV) ل MOG. (د) الخطوة 4: يتم تجميع البيانات في مراحل القلب (CP) ، ويتم استخدام CS لإنشاء CINE تدفق الجنين ، مع قيود التناثر (STV و TTV). يتم عرض عمليات إعادة البناء التمثيلية من كل خطوة CS في عمود إعادة البناء. يتم عرض عمليات إعادة البناء للخطوتين 3 و 4 لنقطة زمنية تتوافق مع ذروة انقباض. تشير أشرطة القياس في الزاوية العلوية اليسرى من الصور التشريحية إلى 10 مم في الصورة. تمثل مواصفات الوقت ، بالثواني ، المميزة باللون الرمادي مدد الخطوات المقابلة. STV: التباين الكلي المكاني ، TTV: التباين الكلي الزمني ، CS: الاستشعار المضغوط ، MOG: البوابة المحسنة المترية ، CINE: إعادة البناء الديناميكي المسور. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: الإزاحة التمثيلية ومنحنيات معدل ضربات القلب. يصور A1 و A2 منحنى الإزاحة المتتبع بأثر رجعي لعمليات المسح في الجنين 1 والجنين 2 ، على التوالي. يوضح B1 و B2 مجموع المعلومات المتبادلة لإطار معين مع جميع الإطارات الأخرى للجنين 1 والجنين 2 ، على التوالي. تمثل الخطوط المنقطة الحمراء نطاقا ربيعيا 1.5x يتم رفض البيانات تحته. يصور C1 و C2 فترات RR المشتقة من MOG في الجنين 1 والجنين 2 ، على التوالي. الفاصل الزمني RR: الوقت بين نبضات القلب المتتالية ، MOG: بوابة محسنة متري. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: إعادة بناء CINE الحساسة للسرعة التمثيلية في ذروة انقباض. يصور كل ربع عمليات إعادة البناء التشريحية والسرعة. يظهر الصف العلوي CINE مع تصحيح الحركة في الجنين 1 والجنين 2 ، على التوالي. يظهر الصف السفلي CINE بدون تصحيح الحركة في الجنين 1 والجنين 2 ، على التوالي. يصور السهمان الأحمر والأزرق الشريان الأورطي الهابط. تشير أشرطة القياس في الزاوية اليسرى العليا من الصور التشريحية إلى 10 مم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: منحنيات التدفق التمثيلية في الشريان الأورطي النازل للجنين. تصور خطوط البيانات الصلبة والمتقطعة منحنيات التدفق التي تم الحصول عليها من عمليات إعادة بناء CINE مع وبدون تصحيح الحركة ، على التوالي ، في الجنين 1 (يسار) والجنين 2 (يمين). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تتيح هذه الطريقة القياس غير الجراحي لتدفق الدم في الأوعية الكبيرة للجنين البشري وتسمح بتصحيح الحركة بأثر رجعي وبوابات القلب من خلال الاستفادة من تقنيات إعادة البناء التكرارية. تم إجراء القياس الكمي لتدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي فيالماضي 1،3،8،9. كان لهذه الدراسات نهج مستقبلي للتخفيف من تلف الحركة حيث يتم تكرار عمليات المسح إذا تم تحديد حركة الجنين الإجمالية بصريا من إعادة البناء الأولية على الماسح الضوئي. يعمل البروتوكول الحالي على تحسين ذلك من خلال رفض البيانات التالفة بأثر رجعي بسبب حركة الجنين الإجمالية ويصحح كذلك الإزاحات داخل الطائرة الناشئة عن حركات الجنين الدقيقة أو حركة الجهاز التنفسي للأم.
يستخدم هذا البروتوكول نموذجا متعدد المعلمات ل MOG حيث يتم حساب الفاصل الزمني RR لكل نبضة قلب جنين. يعد استخدام نموذج معدل ضربات القلب منخفض المعلمة (مثل معلمات 2) مقبولا بشكل عام لإجراء فحوصات قصيرة نظرا لأن معدل ضربات قلب الجنين الصحي له تباين منخفض33. ومع ذلك ، تصبح نماذج المعلمات المنخفضة مشكلة في عمليات المسح الأطول أو في حالات الأمراض مثل arrythmia. يمكن لنموذج متعدد المعلمات في MOG تتبع فترات RR المتغيرة هذه ، مما يوفر تدفقات أكثر دقة.
يسمح البروتوكول الحالي ببعض التعديلات. أولا ، يمكن استبدال برامج الطرف الثالث المستخدمة في هذه الدراسة لتتبع الحركة وتحليل التدفق بحزم برامج أخرى متاحة. ثانيا ، يمكن زيادة عدد التكرارات في خوارزميات نزول التدرج المترافق ل CS. في هذه الدراسة ، تم تعيين عدد التكرارات في كل خطوة بقيمة كان بعدها الحد الأدنى من التحسينات بناء على عمليات إعادة البناء السابقة. في هذا العمل ، تم فحص حالات الحمل في الثلث الثالث فقط. في حالات الحمل المبكرة ، يكون الجنين أصغر وقد يكون هناك مساحة أكبر للحركة. ومع ذلك ، نظرا لأن فترات الهدوء في الفحص يتم تحديدها بأثر رجعي لإعادة بناء CINE ، يجب أن يكون هذا البروتوكول ناجحا لتصوير التدفق في هذه الأعمار المبكرة. قد تكون هناك حاجة إلى زيادة دقة عمليات المسح لتلبية أقطار الأوعية الأصغر في عمر الحمل المنخفض. بالنسبة لهذا البروتوكول ، تعتمد أوقات إعادة الإعمار المبلغ عنها في الشكل 1 والنتائج بشكل كبير على الطاقة الحسابية المتاحة. على سبيل المثال ، مع وحدات معالجة الرسومات الأفضل والمعالجات الأكثر قوة ، يمكن تقليل أوقات إعادة الإعمار بشكل كبير.
البروتوكول له قيود معينة. أولا ، تعتمد جودة إعادة بناء CINE على كمية البيانات المرفوضة في خطوة تصحيح الحركة. مع زيادة نوبات حركات الجنين الإجمالية أثناء الفحص ، يتم رفض المزيد من البيانات. وبالتالي ، ستنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء الناتجة (SNR) في عمليات إعادة بناء CINE. يزيد SNR المنخفض من عدم اليقين في صور السرعة34 والقياس الكمي للتدفق الناتج. وبالتالي سوف يتحسن الأداء مع زيادة هدوء الجنين. ثانيا ، تعتمد الطريقة على تعريف عائد الاستثمار لتصحيح الحركة و MOG. في التنفيذ الحالي ، يتم تنفيذ هذه الخطوة يدويا. لقد وجدنا أن إعادة الإعمار مستقرة للاختلافات الصغيرة في موضع عائد الاستثمار ولكن هذه العملية تؤدي إلى أوقات انتظار بين الحصول على البيانات وإعادة بناء CINE (نظرا لوجود خطوتين لوضع عائد الاستثمار بين خطوات إعادة الإعمار التكرارية الثلاث). يصبح هذا أكثر تعقيدا عندما يكون هناك عدد كبير من الشرائح المكتسبة. في التطبيقات المستقبلية للبروتوكول ، سيتم أتمتة وضع عائد الاستثمار.
حاليا ، نحن نستخدم البروتوكول المقدم في الدراسات البحثية بموافقة مجلس الأخلاقيات المحلي. يمكن أيضا استخدام البروتوكول في الحالات التي تكون فيها الحركة مشكلة محتملة أثناء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي ، كما هو الحال في حديثي الولادة أو الأشخاص غير المتعاونين. تتضمن الاتجاهات المستقبلية للطريقة التحقيق في المسارات الحلزونية35،36 ، والتي توفر أخذ عينات أكثر كفاءة وإمكانية لاستكشاف تدفق الجنين في الوقت الفعلي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
اي.
Acknowledgments
اي.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| elastix | Image Sciences Institute, University Medical Center Utrecht | Image registration software | |
| Geforce GTX 960 | Nvidia | 04G-P4-3967-KR | |
| gpuNUFFT | CAI²R | Non-uniform fast Fourier transform | |
| MAGNETOM Prisma | Siemens | 10849583 | |
| MATLAB | MathWorks | ||
| Radial Phase Contrast MRI sequence | Trajectory modification of manufacturer's Cartesian Phase Contrast sequence | ||
| Segment | Medvisio | Data analysis | |
| VENGEANCE | Corsair | LPX DDR4-2666 |
References
- Zhu, M. Y., et al. The hemodynamics of late-onset intrauterine growth restriction by MRI. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 214 (3), 1-17 (2016).
- Zhu, M. Y., Jaeggi, E., Roy, C. W., Macgowan, C. K., Seed, M. Reduced combined ventricular output and increased oxygen extraction fraction in a fetus with complete heart block demonstrated by MRI. HeartRhythm Case Reports. 2 (2), 164-168 (2016).
- Sun, L., et al. Reduced Fetal Cerebral Oxygen Consumption is Associated With Smaller Brain Size in Fetuses With Congenital Heart Disease. Circulation. 131 (15), 1313-1323 (2015).
- Freud, L. R., et al. Fetal aortic valvuloplasty for evolving hypoplastic left heart syndrome: postnatal outcomes of the first 100 patients. Circulation. 130 (8), 638-645 (2014).
- Peleg, D., Kennedy, C. M., Hunter, S. K. Intrauterine growth restriction: identification and management. American Family Physician. 58 (2), 453-467 (1998).
- Krishna, U., Bhalerao, S. Placental Insufficiency and Fetal Growth Restriction. Journal of Obstetrics and Gynaecology of India. 61 (5), 505-511 (2011).
- Seravalli, V., Miller, J. L., Block-Abraham, D., Baschat, A. A. Ductus venosus Doppler in the assessment of fetal cardiovascular health: an updated practical approach. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 95 (6), 635-644 (2016).
- Seed, M., et al. Feasibility of quantification of the distribution of blood flow in the normal human fetal circulation using CMR: a cross-sectional study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 14 (1), 79 (2012).
- Prsa, M., et al. Reference ranges of blood flow in the major vessels of the normal human fetal circulation at term by phase-contrast magnetic resonance imaging. Circulation. Cardiovascular Imaging. 7 (4), 663-670 (2014).
- Piontelli, A. Development of Normal Fetal Movements: The Last 15 Weeks of Gestation. , Springer-Verlag. Mailand. (2015).
- Cartier, M., et al. The normal diameter of the fetal aorta and pulmonary artery: echocardiographic evaluation in utero. American Journal of Roentgenology. 149 (5), 1003-1007 (1987).
- Ruano, R., de Fátima Yukie Maeda, M., Niigaki, J. I., Zugaib, M. Pulmonary artery diameters in healthy fetuses from 19 to 40 weeks' gestation. Journal of Ultrasound in Medicine. 26 (3), 309-316 (2007).
- Nowak, D., Kozłowska, H., Żurada, A., Gielecki, J. Diameter of the ductus arteriosus as a predictor of patent ductus arteriosus (PDA). Central European Journal of Medicine. 6 (4), 418-424 (2011).
- Goolaub, D. S., et al. Multidimensional fetal flow imaging with cardiovascular magnetic resonance: a feasibility study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 20 (1), 77 (2018).
- Roy, C. W., Seed, M., Kingdom, J. C., Macgowan, C. K. Motion compensated cine CMR of the fetal heart using radial undersampling and compressed sensing. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 19 (1), 29 (2017).
- van Amerom, J. F. P., et al. Fetal cardiac cine imaging using highly accelerated dynamic MRI with retrospective motion correction and outlier rejection. Magnetic Resonance in Medicine. 79 (1), 327-338 (2018).
- Lustig, M., Donoho, D., Pauly, J. M. Sparse MRI: The application of compressed sensing for rapid MR imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1182-1195 (2007).
- Edwards, D. D., Edwards, J. S. Fetal movement: development and time course. Science. 169 (3940), New York, N.Y. 95-97 (1970).
- Malamateniou, C., et al. Motion-Compensation Techniques in Neonatal and Fetal MR Imaging. American Journal of Neuroradiology. 34 (6), 1124-1136 (2013).
- Rutherford, M., et al. MR imaging methods for assessing fetal brain development. Developmental Neurobiology. 68 (6), 700-711 (2008).
- Haris, K., et al. Self-gated fetal cardiac MRI with tiny golden angle iGRASP: A feasibility study: Self-Gated Fetal Cardiac MRI with iGRASP. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 46 (1), 207-217 (2017).
- Glenn, O. A.
- Rodríguez-Soto, A. E., et al. MRI Quantification of Human Fetal O2 Delivery Rate in the Second and Third Trimesters of Pregnancy. Magnetic Resonance in Medicine. 80 (3), 1148-1157 (2018).
- Sameni, R., Clifford, G. D. A Review of Fetal ECG Signal Processing; Issues and Promising Directions. The Open Pacing, Electrophysiology & Therapy Journal. 3, 4-20 (2010).
- Millis, R. Advances in Electrocardiograms: Methods and Analysis. BoD - Books on Demand. , (2012).
- Jansz, M. S., et al. Metric optimized gating for fetal cardiac MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1304-1314 (2010).
- Yamamura, J., et al. Cardiac MRI of the fetal heart using a novel triggering method: initial results in an animal model. Journal of Magnetic Resonance Imaging: JMRI. 35 (5), 1071-1076 (2012).
- Larson, A. C., et al.
- Knoll, F., Schwarzl, A., Diwoky, C., Sodickson, D. K. gpuNUFFT-An open source GPU library for 3D regridding with direct Matlab interface. Proceedings of the 22nd Annual Meeting of ISMRM. , (2014).
- Klein, S., Staring, M., Murphy, K., Viergever, M. A., Pluim, J. P. W. elastix: a toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (1), 196-205 (2010).
- Walker, P. G., et al. Semiautomated method for noise reduction and background phase error correction in MR phase velocity data. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 3 (3), 521-530 (1993).
- Heiberg, E., et al. Design and validation of Segment - freely available software for cardiovascular image analysis. BMC Medical Imaging. 10 (1), 1 (2010).
- Inder, T. E., Volpe, J. J. Chapter 17 - Intrauterine, Intrapartum Assessments in the Term Infant. Volpe's Neurology of the Newborn (Sixth Edition). , 458-483 (2018).
- Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Quarterly. 7 (4), 229-254 (1991).
- Steeden, J. A., Atkinson, D., Hansen, M. S., Taylor, A. M., Muthurangu, V. Rapid flow assessment of congenital heart disease with high-spatiotemporal-resolution gated spiral phase-contrast MR imaging. Radiology. 260 (1), 79-87 (2011).
- Kowalik, G. T., Knight, D., Steeden, J. A., Muthurangu, V. Perturbed spiral real-time phase-contrast MR with compressive sensing reconstruction for assessment of flow in children. Magnetic Resonance in Medicine. 83 (6), 2077-2091 (2020).
