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Research Article
Datta Singh Goolaub1,2, Davide Marini3,4, Mike Seed4,5, Christopher K. Macgowan1,2
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
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Hier präsentieren wir ein Protokoll zur schnellen Messung des fetalen Blutflusses mit MRT und zur retrospektiven Durchführung von Bewegungskorrektur und Herz-Gating.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges Werkzeug zur klinischen Beurteilung der kardiovaskulären Morphologie und Herzfunktion. Es ist auch der anerkannte Behandlungsstandard für die Quantifizierung des Blutflusses auf der Grundlage der Phasenkontrast-MRT. Während eine solche Messung des Blutflusses bei Erwachsenen seit Jahrzehnten möglich ist, wurden erst kürzlich Methoden entwickelt, um diese Fähigkeit auf den fetalen Blutfluss auszudehnen.
Die Quantifizierung des fetalen Blutflusses in großen Gefäßen ist wichtig für die Überwachung fetaler Pathologien wie angeborener Herzfehler (KHK) und fetaler Wachstumsrestriktion (FGR). KHK verursacht Veränderungen in der Herzstruktur und im Gefäßsystem, die den Blutverlauf im Fötus verändern. Bei FGR wird der Weg des Blutflusses durch die Erweiterung der Shunts so verändert, dass die sauerstoffreiche Blutversorgung des Gehirns erhöht wird. Die Quantifizierung des Blutflusses ermöglicht die Beurteilung des Schweregrads der fetalen Pathologie, was wiederum ein geeignetes In-utero-Patientenmanagement und eine Planung für die postnatale Versorgung ermöglicht.
Zu den primären Herausforderungen bei der Anwendung der Phasenkontrast-MRT auf den menschlichen Fötus gehören eine kleine Blutgefäßgröße, eine hohe fetale Herzfrequenz, eine mögliche MRT-Datenkorruption aufgrund der mütterlichen Atmung, unvorhersehbare fetale Bewegungen und das Fehlen konventioneller kardialer Gating-Methoden zur Synchronisierung der Datenerfassung. Hier beschreiben wir die jüngsten technischen Entwicklungen aus unserem Labor, die die Quantifizierung des fetalen Blutflusses mittels Phasenkontrast-MRT ermöglicht haben, einschließlich Fortschritten in der beschleunigten Bildgebung, Bewegungskompensation und Herz-Gating.
Eine umfassende Beurteilung des fetalen Kreislaufs ist für die Überwachung fetaler Pathologien wie fetale Wachstumsrestriktion (FGR) und angeborene Herzfehler (KHK) erforderlich1,2,3. In utero hängen das Patientenmanagement und die Planung der postnatalen Versorgung von der Schwere der fetalen Pathologieab 4,5,6,7. Die Durchführbarkeit der fetalen Blutflussquantifizierung mit MRT und ihre Anwendungen bei der Beurteilung fetaler Pathologien wurden kürzlich nachgewiesen 3,8,9. Das bildgebende Verfahren steht jedoch vor Herausforderungen, wie z. B. erhöhten Bildgebungszeiten, um eine hohe raumzeitliche Auflösung zu erreichen, fehlenden Herzsynchronisationsmethoden und unvorhersehbaren fetalen Bewegungen10.
Das fetale Gefäßsystem umfasst kleine Strukturen (~ 5 mm Durchmesser für große Blutgefäße, die die absteigende Aorta, den Ductus arteriosus, die aufsteigende Aorta, die Hauptlungenarterie und die obere Hohlvene11,12,13 umfassen). Um diese Strukturen aufzulösen und die Strömung zu quantifizieren, ist eine Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung erforderlich. Darüber hinaus ist die fetale Herzfrequenz etwa doppelt so hoch wie die eines Erwachsenen. Eine hohe zeitliche Auflösung ist daher auch erforderlich, um die dynamische Herzbewegung und den Blutfluss über den fetalen Herzzyklus aufzulösen. Konventionelle Bildgebung bei dieser hohen raumzeitlichen Auflösung erfordert relativ lange Aufnahmezeiten. Um dieses Problem anzugehen, wurde die beschleunigte fetale MRT14,15,16 eingeführt. Kurz gesagt, diese Beschleunigungstechniken beinhalten Undersampling im Frequenzbereich während der Datenerfassung und retrospektive High-Fidelity-Rekonstruktion mit iterativen Techniken. Ein solcher Ansatz ist die CS-Rekonstruktion (Compressed Sensing), die die Rekonstruktion von Bildern aus stark unterbewerteten Daten ermöglicht, wenn das rekonstruierte Bild in einem bekannten Bereich spärlich ist und Undersampling-Artefakte inkohärent sind17.
Bewegung in der fetalen Bildgebung stellt eine große Herausforderung dar. Bewegungsverfälschung kann durch mütterliche Atembewegung, mütterliche Massenbewegung oder grobe fetale Bewegung entstehen. Die mütterliche Atmung führt zu periodischen Übersetzungen des Fötus, während fetale Bewegungen komplexer sind. Fetale Bewegungen können als lokalisiert oder brutto10,18 klassifiziert werden. Lokalisierte Bewegungen beinhalten die Bewegung von nur Segmenten des Körpers. Sie dauern typischerweise etwa 10-14 s und ihre Häufigkeit nimmt mit der Schwangerschaft zu (~ 90 pro Stunde zum Semester)10. Diese Bewegungen verursachen im Allgemeinen kleine Korruptionen und beeinflussen den interessierenden Bildbereich nicht. Grobe fetale Bewegungen können jedoch zu einer schweren Bildverfälschung mit Komponenten der Bewegung durch die Ebene führen. Diese Bewegungen sind Ganzkörperbewegungen, die durch die Wirbelsäule vermittelt werden und 60-90 s dauern.
Um Artefakte aus der fetalen Bewegung zu vermeiden, werden zunächst Schritte unternommen, um die mütterlichen Bewegungen zu minimieren. Schwangere Frauen werden mit Stützkissen auf dem Scannerbett entspannter gemacht und in bequeme Kittel gekleidet und können ihre Partner neben dem Scanner anwesend haben, um Klaustrophobiezu reduzieren 19,20. Um die Auswirkungen der mütterlichen Atembewegung zu mildern, haben Studien fetale MR-Untersuchungen unter mütterlichem Atemanhaltendurchgeführt 21,22,23. Solche Akquisitionen müssen jedoch kurz sein (~ 15 s) angesichts der reduzierten Atemanhaltetoleranz von schwangeren Probanden. Vor kurzem wurden retrospektive Bewegungskorrekturmethoden für die fetale MRT14,15,16 eingeführt. Diese Methoden verfolgen die fetale Bewegung mithilfe von Registrierungs-Toolkits und korrigieren für Bewegung oder verwerfen nicht korrigierbare Teile der erfassten Daten.
Schließlich werden postnatale kardiale MR-Bilder konventionell mit Elektrokardiogramm (EKG) aufgenommen, um die Datenerfassung mit dem Herzzyklus zu synchronisieren. Ohne Gating werden Herzbewegung und pulsierender Fluss aus dem gesamten Herzzyklus kombiniert, wodurch Artefakte entstehen. Leider leidet das fetale EKG-Signal unter Störungen durch das mütterliche EKG-Signal24 und Verzerrungen durch das Magnetfeld25. Daher wurden alternative nicht-invasive Ansätze für das fetale kardiale Gating vorgeschlagen, einschließlich Self-Gating, metrisch optimiertes Gating (MOG) und Doppler-Ultraschall-Gating21,26,27,28.
Wie in den folgenden Abschnitten beschrieben, nutzt unser MRT-Ansatz zur Quantifizierung des fetalen Blutflusses eine neuartige Gating-Methode, MOG, die in unserem Labor entwickelt und mit Bewegungskorrektur und iterativer Rekonstruktion beschleunigter MRT-Akquisitionen kombiniert wird. Der Ansatz basiert auf einer Pipeline in einer zuvor veröffentlichten Studie14 und besteht aus den folgenden fünf Phasen: (1) fetale Blutflussakquisition, (2) Echtzeit-Rekonstruktionen, (3) Bewegungskorrektur, (4) Herz-Gating und (5) Gated Rekonstruktionen.
Alle MRT-Scans wurden mit informierter Zustimmung von Freiwilligen im Rahmen einer Studie durchgeführt, die von unserem institutionellen Forschungsethikrat genehmigt wurde.
HINWEIS: Die unten beschriebenen Methoden wurden an einem 3T-MRT-System angewendet. Die Erfassung erfolgt mittels radialer Phasenkontrast-MRT-Sequenz. Diese Sequenz wurde durch Modifizierung der Auslesetrajektorie (um ein Sternmuster zu erzielen) der kartesischen Phasenkontrast-MRT des Herstellers vorbereitet. Die Sequenz- und Musterprotokolle sind auf Anfrage über unsere C2P-Austauschplattform erhältlich. Alle Rekonstruktionen in dieser Arbeit wurden auf einem Standard-Desktop-Computer mit den folgenden Spezifikationen durchgeführt: 32 GB Speicher, 3,40 GHz Prozessor mit 8 Kernen und 2 GB Grafikkarte mit 1024 Compute Unified Device Architecture (CUDA) Kernen. Die Bildrekonstruktion wurde auf MATLAB durchgeführt. Die ungleichmäßige schnelle Fourier-Transformation (NUFFT)29 wurde auf der Grafikverarbeitungseinheit (GPU) durchgeführt. Die Bewegungskorrekturparameter wurden mit elastix30 berechnet. Abbildung 1 zeigt das Protokoll in chronologischer Reihenfolge und verfolgt, wie die erfassten Geschwindigkeitskodierungen (farbcodiert in Abbildung 1) mit repräsentativen Bildern in jeder Phase der Rekonstruktion verarbeitet werden. Der Rekonstruktionscode ist unter https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI verfügbar. Während wir die Schritte im Protokoll hier bereitstellen, sind die meisten dieser Algorithmusschritte in unserer Pipeline automatisiert.
1. Fachpositionierung und Lokalisierungsprüfungen
2. Erfassung fetaler Blutflussdaten
3. Bewegungskorrektur fetaler Messungen

.4. Lösung für fetale Herzfrequenz


5. Rekonstruktion von fetalen CINEs
Im Allgemeinen zielen Phasen-MRT-Untersuchungen des Flusses auf sechs große fetale Gefäße ab: die absteigende Aorta, die aufsteigende Aorta, die Hauptpulmonalarterie, den Ductus arteriosus, die obere Hohlvene und die Nabelvene. Diese Gefäße sind für den Kliniker von Interesse, da sie oft mit KHK und FGR in Verbindung gebracht werden und die Blutverteilung im gesamten Fötus beeinflussen9. Eine typische Scandauer mit der radialen Phasenkontrast-MRT beträgt 17 s pro Gefäß, so dass die Scans kurz sind und gleichzeitig Zeit für genügend Datenerfassung für die CINE-Rekonstruktion haben. Die Gesamterfassungszeit, einschließlich Lokalisatoren und Phasenkontrast-MRT, für die repräsentativen Ergebnisse betrug 3 Minuten. In dieser Studie werden repräsentative Ergebnisse unter Verwendung von Flusserfassungsdaten aus der absteigenden Aorta bei zwei menschlichen Föten präsentiert: Fötus 1 und Fötus 2 mit einem Gestationsalter (Woche + Tage) von 35 + 4 bzw. 37 + 3.
Wie in Abbildung 1 dauerten die ersten Echtzeit-Rekonstruktionen (zeitliche Auflösung: 370 ms) für die Bewegungsverfolgung 45 s pro rekonstruiertem Schnitt. Die Verfolgung von Übersetzungsbewegungen dauerte 2 Minuten für jedes Segment. Die extrahierten Bewegungsparameter für Fötus 1 (Abbildung 2 A1, maximale Verschiebung: 1,6 mm) und Fötus 2 (Abbildung 2 A2, maximale Verschiebung: 1,3 mm) stellen die Bewegung der absteigenden Aorta über die Dauer des Scans dar. Die gemeinsamen gegenseitigen Informationen jedes Echtzeitrahmens mit allen anderen gemeinsam registrierten Frames sind in Abbildung 2 B1 (Fötus 1) und Abbildung 2 B2 (Fötus 2) dargestellt. In diesen Fällen teilten alle Frames gegenseitige Informationen über die Cut-off-Kriterien, so dass keine Daten abgelehnt wurden. Die zweite Echtzeit-Rekonstruktion (zeitliche Auflösung: 46 ms), die zur Ableitung kardialer Gating-Informationen verwendet wurde, dauerte 10 Minuten für jede Scheibe. MOG leitete die fetalen Herzschlagintervalle (RR) unter Verwendung eines Multiparametermodells ab, wie in Abbildung 2 C1 (Fötus 1, RR-Intervall: 521 ± 20 ms) und Abbildung 2 C2 (Fötus 2 , RR-Intervall: 457 ± 9 ms) gezeigt.
Abschließende CINE-Rekonstruktionen mit den retrospektiv bewegungskorrigierten und gated Daten dauerten 3 Minuten pro Scheibe. Die anatomischen und Geschwindigkeitsrekonstruktionen für Fötus 1 und Fötus 2 bei Peaksystole sind in Abbildung 3 dargestellt. Rekonstruktionen mit Bewegungskorrektur zeigen Gefäße mit schärferen Wänden. Ohne Bewegungskorrektur ist die absteigende Aorta verschwommener und weniger auffällig. Die gemessenen Fließkurven von jedem Fötus (Abbildung 4) zeigen höhere Spitzen- und Mittelflüsse in den Rekonstruktionen ohne Bewegungskorrektur ([Peakmittel]: Fötus 1 [25,2 9,8] ml/s, Fötus 2 [34,6 10,3] ml/s]) als bei denen mit Bewegungskorrektur ([Peakmittel]: Fötus 1 [23,5 9,2] ml/s, Fötus 2 [28,7 9,7] ml/s]).

Abbildung 1: Pipeline zur Rekonstruktion fetaler Phasenkontrast-MRT-Daten. (A) Schritt 1: Golden-angle radial phase contrast MRT-Daten (farbcodiert als: Flusskompensation = rot & durchgehende Ebenencodierung = blau). Die abwechselnden Farben zeigen, dass die flusskompensierten und durch die Ebene kodierten Erfassungen bei den gleichen räumlichen Frequenzen auftreten. (B) Schritt 2: Zeitliche Fenster von 370 ms für die Echtzeitrekonstruktion mit CS mit Sparsity-Einschränkungen (STV und TTV). Bewegungskorrektur und Datenunterdrückung werden durchgeführt. (C) Schritt 3: Zeitliche Fenster von 46 ms werden für die Echtzeitrekonstruktion mit CS (mit STV- und TTV-Sparsity-Einschränkungen) für MOG erstellt. (D) Schritt 4: Die Daten werden in Herzphasen (CP) eingebunden, und CS wird verwendet, um ein fetales Fluss-CINE mit Sparsity-Einschränkungen (STV und TTV) zu erzeugen. Repräsentative Rekonstruktionen aus jedem CS-Schritt werden in der Spalte Rekonstruktionen angezeigt. Rekonstruktionen für die Schritte 3 und 4 werden für einen Zeitpunkt gezeigt, der der Peaksystole entspricht. Maßstabsbalken in der oberen linken Ecke der anatomischen Bilder bedeuten 10 mm im Bild. Die grau hervorgehobenen Zeitangaben in Sekunden stellen die Dauer der entsprechenden Schritte dar. STV: räumliche Gesamtvariation, TTV: zeitliche Gesamtvariation, CS: komprimierte Sensorik, MOG: metrisch optimiertes Gating, CINE: gated dynamische Rekonstruktion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Repräsentative Verschiebungs- und Herzfrequenzkurven. A1 und A2 zeigen die retrospektiv verfolgte Verschiebungskurve für die Scans in Fötus 1 bzw. Fötus 2. B1 und B2 zeigen die Summe der gegenseitigen Information eines gegebenen Frames mit allen anderen Frames für Fetus 1 bzw. Fetus 2. Die rot gepunkteten Linien stellen den 1,5-fachen Interquartilsbereich dar, unterhalb dessen Daten zurückgewiesen werden. C1 und C2 zeigen die RR-Intervalle, die mit MOG in Fetus 1 bzw. Fetus 2 abgeleitet wurden. RR-Intervall: Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen, MOG: metrisch optimiertes Gating. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Repräsentative geschwindigkeitssensitive CINE-Rekonstruktionen an Peaksystole. Jeder Quadrant zeigt die anatomischen und Geschwindigkeitsrekonstruktionen. Die obere Reihe zeigt das CINE mit Bewegungskorrektur in Fetus 1 bzw. Fetus 2. Die untere Reihe zeigt das CINE ohne Bewegungskorrektur in Fötus 1 bzw. Fötus 2. Die roten und blauen Pfeile zeigen die absteigende Aorta. Maßstabsbalken in der oberen linken Ecke der anatomischen Bilder bedeuten 10 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Repräsentative Fließkurven in der fetalen absteigenden Aorta. Die durchgezogenen und gestrichelten Datenlinien zeigen die Fließkurven aus CINE-Rekonstruktionen mit bzw. ohne Bewegungskorrektur in Fötus 1 (links) und Fötus 2 (rechts). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Nichts.
Hier präsentieren wir ein Protokoll zur schnellen Messung des fetalen Blutflusses mit MRT und zur retrospektiven Durchführung von Bewegungskorrektur und Herz-Gating.
Nichts.
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