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方法文章

人类胎儿血流定量的磁共振成像与运动补偿技术

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DOI：

10.3791/61953

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2021年1月7日

 ,  ,  , 
1Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 2Division of Translational Medicine, The Hospital for Sick Children, 3Labatt Family Heart Centre, The Hospital for Sick Children, 4Department of Pediatrics, University of Toronto, 5Division of Pediatric Cardiology, The Hospital for Sick Children

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用磁共振成像快速测量胎儿血流，并进行回顾性运动校正和心脏门控的方法。

摘要

磁共振成像（MRI）是临床评估心血管形态和心脏功能的重要工具。基于相位对比 MRI 的血流定量测量已被公认为临床标准。尽管此类血流测量在成人中已有数十年的应用历史，但将该技术扩展至胎儿血流测量的方法直到最近才得以发展。

在主要血管中对胎儿血流进行定量分析，对于监测先天性心脏病（CHD）和胎儿生长受限（FGR）等胎儿病理状况具有重要意义。CHD 会导致心脏结构和血管系统的改变，从而改变胎儿体内血液的流动路径。在 FGR 中，通过分流血管的扩张改变了血流路径，以增加对大脑的富氧血液供应。血流定量分析能够评估胎儿病理的严重程度，进而为合适的 in utero 患者管理和新生儿护理规划提供依据。

将相位对比磁共振成像应用于人类胎儿的主要挑战包括血管尺寸小、胎儿心率高、母体呼吸可能导致磁共振数据伪影、胎儿运动不可预测，以及缺乏传统的心脏门控方法来同步数据采集。本文介绍了我们实验室近期在技术上的若干进展，这些进展使得利用相位对比磁共振成像定量评估胎儿血流成为可能，包括加速成像、运动补偿以及心脏门控技术的改进。

引言

对胎儿循环系统进行全面评估对于监测胎儿生长受限（FGR）和先天性心脏病（CHD）等胎儿病理状况至关重要1,2,3。在子宫内，患者管理及出生后护理的规划取决于胎儿病理的严重程度4,5,6,7。近年来，已证实磁共振成像（MRI）在量化胎儿血流方面的可行性及其在评估胎儿病理中的应用价值3,8,9。然而，该成像技术仍面临诸多挑战，例如为实现高时空分辨率而导致的扫描时间延长、缺乏心脏同步成像方法以及难以预测的胎儿运动10。

胎儿血管系统包含多个细小结构（主要血管的直径约为5 mm，这些血管包括降主动脉、动脉导管、升主动脉、主肺动脉和上腔静脉11,12,13）。为了清晰分辨这些结构并量化血流，需要进行高空间分辨率的成像。此外，胎儿心率约为成人的两倍，因此还需要高时间分辨率，以准确解析胎儿心动周期中的动态心脏运动和血流变化。在如此高的时空分辨率下进行常规成像通常需要相对较长的采集时间。为解决这一问题，已引入了加速胎儿磁共振成像（accelerated fetal MRI）14,15,16 。简而言之，这些加速技术在数据采集过程中对频率域进行欠采样，并通过迭代方法进行回顾性高保真度重建。其中一种方法是压缩感知（compressed sensing, CS）重建，当重建图像在某一已知域中具有稀疏性且欠采样伪影具有非相干性时，该方法可实现对严重欠采样数据的图像重建17。

胎儿成像中的运动是一个主要挑战。运动伪影可能来源于母体呼吸运动、母体整体运动或胎儿大幅度运动。母体呼吸会导致胎儿产生周期性的平移运动，而胎儿自身的运动则更为复杂。胎儿运动可分为局部运动和大幅度运动10,18。局部运动仅涉及身体某些节段的活动，通常持续约10–14秒，其发生频率随孕周增加而升高（足月时约为每小时90次）10。这类运动通常引起轻微的图像伪影，且不会影响成像感兴趣区域。然而，大幅度胎儿运动可导致严重的图像伪影，并包含穿过成像平面的运动分量。此类运动为由脊柱介导的全身性运动，持续时间为60–90秒。

为避免胎儿运动带来的伪影，首先需采取措施尽量减少母体运动。可在扫描床使用支撑枕头使孕妇更放松，为其穿着舒适的长袍，并允许其伴侣在扫描仪旁陪同，以减轻幽闭恐惧症19,20。为减轻母体呼吸运动的影响，已有研究在母体屏气状态下进行胎儿磁共振检查21,22,23。然而，由于孕妇屏气耐受时间较短，此类扫描必须控制在较短时间内（约15秒）。近年来，已有针对胎儿磁共振成像的回顾性运动校正方法被提出14,15,16。这些方法利用配准工具包追踪胎儿运动，并对运动进行校正，或剔除无法校正的数据部分。

最后，出生后心脏磁共振成像通常采用心电图（ECG）门控技术，以将数据采集与心动周期同步。若无门控，心动周期中不同阶段的心脏运动和脉动血流将被合并，从而产生伪影。然而，胎儿心电图信号易受母体心电图信号的干扰24 以及磁场引起的失真25。因此，已提出多种替代性的无创胎儿心脏门控方法，包括自门控、度量优化门控（MOG）和多普勒超声门控21,26,27,28。

如下所述，我们用于量化胎儿血流的磁共振成像（MRI）方法采用了一种由本实验室开发的新型门控技术——MOG，并结合了运动校正和加速MRI采集的迭代重建。该方法基于先前发表研究中提出的一个流程14 ，包含以下五个阶段：（1）胎儿血流数据采集，（2）实时重建，（3）运动校正，（4）心脏门控，以及（5）门控重建。

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方案

所有 MRI 扫描均在志愿者知情同意的情况下进行，作为经本机构研究伦理委员会批准的研究项目的一部分。

注意：以下所述方法已在3T MRI系统上使用。数据采集采用径向相位对比MRI序列。该序列通过对厂商提供的笛卡尔相位对比MRI序列修改读出轨迹（以实现星状模式）而制备。序列及示例协议可通过我们的C2P交换平台申请获取。本研究中所有重建均在标准台式计算机上完成，其配置如下：32 GB内存、3.40 GHz处理器（8核）以及配备1024个统一计算架构（CUDA）核心的2 GB显卡。图像重建在MATLAB中进行。非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）29在图形处理器（GPU）上执行。运动校正参数使用elastix30计算获得。图1按时间顺序展示了该流程，追踪了采集到的速度编码（在图1中以颜色编码）在重建各阶段的处理过程及代表性图像。重建代码可在https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI获取。尽管本文提供了协议中的各个步骤，但这些算法步骤在我们的流程中大多已实现自动化。

1. 受试者体位摆放与定位扫描

  1. 协助孕妇在MRI检查床上采取其偏好的舒适体位，通常为仰卧位或侧卧位。
  2. 将心脏线圈放置于孕妇腹部区域。
  3. 将MRI检查床送入磁体孔内，并告知孕妇扫描即将开始。
  4. 进行定位扫描以确定胎儿身体位置（分辨率：0.9 x 0.9 x 10 mm3，TE/TR：5.0/15.0 ms，FOV：450 x 450 mm2，层厚：6）。
  5. 进行精细定位扫描，将层面组中心置于胎儿心脏，以定位胎儿血管结构（分辨率：1.1 x 1.1 x 6.0 mm3，TE/TR：2.69/1335.4 ms，FOV：350 x 350 mm2，层厚：10，方位：胎儿轴向）。
  6. 以矢状面和冠状面方位重复精细定位扫描，以更清晰地显示胎儿血管。
  7. 若胎儿出现明显运动，需重复精细定位扫描。

2. 获取胎儿血流数据

  1. 使用定位扫描确定胎儿血管的位置。例如，在矢状面图像中，降主动脉是一条靠近脊柱的长而直的血管。升主动脉和主肺动脉可分别识别为从左心室和右心室发出的血管。动脉导管可追踪为主肺动脉远端靠近降主动脉的一段血管。在胎儿心脏基底部的横断面图像中，上腔静脉可识别为紧邻升主动脉的血管。
  2. 设定一个与目标胎儿血管轴线垂直的扫描层面。在MRI控制台计算机上旋转并移动层面定位线，使其垂直穿过目标血管。
  3. 设置扫描参数（采集方式：径向相位对比MRI，分辨率：1.3 × 1.3 × 5.0 mm3，回波时间（TE）/重复时间（TR）：3.25/5.75 ms，视野（FOV）：240 × 240 mm2，层厚：1，速度编码：根据目标血管选择100–150 cm/s，速度编码方向：垂直于层面，径向采集视图数：每编码1500个，自由呼吸）。
  4. 运行扫描，并根据MRI控制台计算机上完成并显示的初始时间平均重建图像验证扫描定位的准确性。如果在初始重建图像中未见或无法识别目标血管，则需重复定位扫描和相位对比扫描。采集的原始数据在图1A的示意图中表示，其中速度补偿和垂直于层面的采集分别以红色和蓝色标示。
  5. 对每个目标血管重复进行胎儿血流数据采集。
    注意：采集的原始数据（格式：DAT文件）必须转移至离线环境进行重建。例如，在西门子扫描仪上，可通过运行'twix'实现。从采集列表中对原始数据右键点击，并选择“复制总RAID文件”。

3. 胎儿测量的运动校正

  1. 使用压缩感知（CS）方法，通过15次共轭梯度下降优化迭代，结合空间全变差（STV，权重：0.008）和时间全变差（TTV，权重：0.08）正则化，从采集数据中重建实时序列（时间分辨率：370 ms，径向视图：64），如图1B示意图所示。
  2. 利用在MATLAB中开发的图形用户界面，从首次实时重建结果中选择包含目标血管的感兴趣区域（ROI）。在此步骤中，操作者需绘制一个轮廓，包围胎儿解剖结构，例如目标大血管或胎儿心脏。
  3. 使用elastix30进行刚体运动追踪（基于归一化互信息，并采用经验优化的参数：4级金字塔、300次迭代和刚体平移变换）。
  4. 剔除与其他所有帧互信息（MI）较低的追踪实时帧（当MI小于平均MI的1.5倍四分位距时）。这些帧被认为受到平面运动或显著胎儿运动的影响。
  5. 从剩余帧中选取最长的连续实时帧序列（无间断）所对应的MRI数据，作为用于进一步重建的静息期。
  6. 将实时序列的时间分辨率（370 ms）下的平移运动校正参数插值到静息期采集的TR（5.75 ms）。
  7. 通过调制相位，将插值后的参数应用于MRI数据中定义的静息期，公式如下：
    信号处理中傅里叶变换平移性质的公式。

    其中s'为运动校正后的数据，kx和ky为k空间中的坐标，s为采集的未校正数据，Δx和Δy为空间中追踪到的位移量，j表示复数表示法；数学表达式；负一的平方根；虚数单位。。
    注：本研究中所有正则化系数的数值均在前期实验中优化确定，采用暴力网格搜索法，寻找使高采样胎儿参考数据集的重建结果与同一数据集回顾性欠采样情况之间的误差最小化的正则化系数。

4. 计算胎儿心率

  1. 利用已采集的数据，通过压缩感知（CS）方法，再次使用共轭梯度下降优化算法进行15次迭代，并结合STV（权重：0.008）和TTV（权重：0.08）正则化，重建第二组更高时间分辨率的实时图像序列（时间分辨率：46 ms，径向视图数：8），如图1C示意图所示。
  2. 重新选择一个感兴趣区域（ROI），覆盖目标胎儿血管。
  3. 对实时图像序列运行多参数MOG分析，以提取随时间变化的胎儿心率。
  4. 利用所获得的心率波形，将运动校正后的MRI数据分入15个心脏时相。在此步骤中，心脏时相的时间边界由前一步骤获得的心率确定。例如，第kth次心跳中第ith时相的边界由以下公式给出：
    心率变异性分析方程，展示信号处理公式组成部分。
    静力平衡方程，数学公式，ΣFx=0 概念，教学参考。
    其中HR(K)表示第kth次心跳发生的时间。第nth次径向采集的时间戳由(n × TR)给出。时间戳落在某一心脏时相边界内的数据被分配至该时相。
    注意：MOG是一种门控技术26，其通过基于多参数胎儿心率模型对采集数据进行迭代分箱，生成CINE图像，并在感兴趣区域内优化图像质量指标。

5. 胎儿电影序列的重建

  1. 使用分段的运动校正 MRI 数据和压缩感知（CS）方法，通过共轭梯度下降优化算法（STV 正则化权重：0.025，TTV 正则化权重：0.01）进行 10 次迭代，重建胎儿血流 CINE 图像。此步骤生成两个 CINE 图像：一个用于血流补偿的采集数据，记为 CFC；另一个用于血流编码的数据，记为 CFE，如图 1D示意图所示。
  2. 通过计算 CFE 与 CFC 的复共轭逐元素乘积的相位，得到速度图像。
  3. 应用背景相位校正31以校正涡流效应。简而言之，在此自动步骤中，通过对静态胎儿和母体组织的相位拟合一个平面实现校正；校正过程是将该平面从步骤 4.2 中计算得到的速度敏感相位中减去。
  4. 将重建后的数据写入 DICOM 文件。
  5. 将 DICOM 文件载入血流分析软件（如 Segment v2.232）。
  6. 利用解剖图像和速度敏感图像，绘制一个包含目标血管管腔的感兴趣区域（ROI）。
  7. 将该 ROI 传播至所有心动周期时相，并校正血管直径的变化。
  8. 记录血流测量结果。

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结果

通常，相位 MRI 血流检测的目标是六个主要的胎儿血管：降主动脉、升主动脉、主肺动脉、动脉导管、上腔静脉和脐静脉。这些血管是临床关注的重点，因为它们常与先天性心脏病（CHD）和胎儿生长受限（FGR）相关，影响胎儿全身的血液分布9。采用径向相位对比 MRI 时，每条血管的典型扫描时间为 17 秒，既保证了扫描时间较短，又能够采集足够数据用于 CINE 重建。包括定位像和相位对比 MRI 在内的总采集时间，在本研究的代表性结果中为 3 分钟。本研究中，代表性结果展示了来自两个人类胎儿降主动脉的血流采集数据：胎儿 1 和胎儿 2，其孕周（周+天）分别为 35+4 和 37+3。

如图1所示，用于运动追踪的初始实时重建（时间分辨率：370 ms）每重建一个切片耗时45秒。每个切片的平移运动追踪耗时2分钟。胎儿1（图2 A1，最大位移：1.6 mm）和胎儿2（

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讨论

该方法能够无创测量人类胎儿大血管中的血流，并通过采用迭代重建技术，实现回顾性运动校正和心脏门控。既往已有研究使用磁共振成像（MRI）进行胎儿血流定量1,3,8,9，这些研究采用前瞻性策略以减轻运动伪影，即在扫描仪上对初始重建图像进行目视评估，若发现明显的胎儿运动，则需重复扫描。当前方案对此进行了改进，可在回顾性分析中剔除因明显胎儿运动导致的污染数据，并进一步校正由轻微胎儿运动或母体呼吸运动引起的平面内位移。

本方案采用一种多参数模型进行母体-胎儿心磁图（MOG）分析，其中计算每次胎儿心跳的RR间期。对于较短时间的扫描，使用低参数心率模型（例如2个参数）通常是可接受的，因为健康胎儿的心率变异性较低

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
elastix乌得勒支大学医学中心影像科学研究所图像配准软件
Geforce GTX 960 Nvidia 04G-P4-3967-KR
gpuNUFFTCAI²R非均匀快速傅里叶变换
MAGNETOM Prisma西门子10849583
MATLABMathWorks
径向相位对比 MRI 序列厂商提供的笛卡尔相位对比序列的轨迹修改版本
SegmentMedvisio数据分析
VENGEANCE海盗船LPX DDR4-2666 

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