Tutaj prezentujemy protokół szybkiego pomiaru przepływu krwi płodu za pomocą MRI i retrospektywnego wykonywania korekcji ruchu i bramkowania serca.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy protokół szybkiego pomiaru przepływu krwi płodu za pomocą MRI i retrospektywnego wykonywania korekcji ruchu i bramkowania serca.
Rezonans magnetyczny (MRI) jest ważnym narzędziem do klinicznej oceny morfologii układu krążenia i funkcji serca. Jest to również uznany standard opieki w zakresie oceny ilościowej przepływu krwi na podstawie rezonansu magnetycznego z kontrastem fazowym. Chociaż taki pomiar przepływu krwi jest możliwy u dorosłych od dziesięcioleci, metody rozszerzające tę zdolność na przepływ krwi u płodu zostały opracowane dopiero niedawno.
Kwantyfikacja przepływu krwi płodu w głównych naczyniach jest ważna dla monitorowania patologii płodu, takich jak wrodzona wada serca (CHD) i ograniczenie wzrostu płodu (FGR). Choroba niedokrwienna serca powoduje zmiany w strukturze serca i unaczynieniu, które zmieniają bieg krwi u płodu. W FGR ścieżka przepływu krwi jest zmieniana poprzez rozszerzenie zastawek tak, że zwiększa się natleniony dopływ krwi do mózgu. Kwantyfikacja przepływu krwi umożliwia ocenę stopnia zaawansowania patologii płodu, co z kolei pozwala na odpowiednie postępowanie z pacjentką in utero i planowanie opieki poporodowej.
Główne wyzwania związane z zastosowaniem rezonansu magnetycznego z kontrastem fazowym u ludzkiego płodu obejmują mały rozmiar naczynia krwionośnego, wysokie tętno płodu, potencjalne zniekształcenie danych MRI z powodu oddychania matki, nieprzewidywalne ruchy płodu oraz brak konwencjonalnych metod bramkowania serca do synchronizacji pozyskiwania danych. W tym miejscu opisujemy najnowsze osiągnięcia techniczne z naszego laboratorium, które umożliwiły ilościowe określenie przepływu krwi płodu za pomocą rezonansu magnetycznego z kontrastem fazowym, w tym postępy w przyspieszonym obrazowaniu, kompensacji ruchu i bramkowaniu serca.
Kompleksowa ocena krążenia płodu jest niezbędna do monitorowania patologii płodu, takich jak ograniczenie wzrostu płodu (FGR) i wrodzona wada serca (CHD)1,2,3. W życiu płodowym postępowanie z pacjentką i planowanie opieki poporodowej zależy od stopnia patologii płodu4,5,6,7. Ostatnio wykazano wykonalność kwantyfikacji przepływu krwi płodu za pomocą rezonansu magnetycznego i jego zastosowania w ocenie patologii płodu3,8,9. Metoda obrazowania napotyka jednak wyzwania, takie jak wydłużony czas obrazowania w celu osiągnięcia wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej, brak metod synchronizacji serca i nieprzewidywalne ruchy płodu10.
Unaczynienie płodu składa się z małych struktur (~5 mm średnicy dla głównych naczyń krwionośnych, które obejmują aortę zstępującą, przewód tętniczy, aortę wstępującą, główną tętnicę płucną i żyłę główną górną11,12,13). Aby rozdzielić te struktury i określić ilościowo przepływ, wymagane jest obrazowanie w wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Co więcej, tętno płodu jest około dwa razy większe niż u osoby dorosłej. Wysoka rozdzielczość czasowa jest zatem również wymagana do rozwiązania dynamicznego ruchu serca i przepływu krwi w cyklu sercowym płodu. Konwencjonalne obrazowanie w tak wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej wymaga stosunkowo długiego czasu akwizycji. Aby rozwiązać ten problem, wprowadzono przyspieszony rezonans magnetyczny płodu14,15,16. Krótko mówiąc, te techniki przyspieszenia obejmują niedostateczne próbkowanie w dziedzinie częstotliwości podczas pozyskiwania danych i retrospektywną rekonstrukcję o wysokiej wierności przy użyciu technik iteracyjnych. Jednym z takich podejść jest rekonstrukcja metodą compressed detection (CS), która umożliwia rekonstrukcję obrazów z mocno niedostatecznie próbkowanych danych, gdy zrekonstruowany obraz jest rzadki w znanej domenie, a artefakty niedostatecznego próbkowania są niespójne17.
Ruch w obrazowaniu płodu stanowi duże wyzwanie. Zniekształcenie ruchu może wynikać z ruchu oddechowego matki, ruchu masowego matki lub dużego ruchu płodu. Oddychanie matki prowadzi do okresowych translacji płodu, podczas gdy ruchy płodu są bardziej złożone. Ruchy płodu można sklasyfikować jako zlokalizowane lub brutto10,18. Ruchy miejscowe obejmują ruch tylko segmentów ciała. Zazwyczaj trwają około 10-14 sekund, a ich częstotliwość wzrasta wraz z ciążą (~90 na godzinę w terminie)10. Ruchy te na ogół powodują niewielkie zniekształcenia i nie wpływają na obszar zainteresowania obrazowania. Jednak duże ruchy płodu mogą prowadzić do poważnego zniekształcenia obrazu za pomocą komponentów ruchu płaszczyznowego. Ruchy te są ruchami całego ciała za pośrednictwem kręgosłupa i trwają 60-90 s.
Aby uniknąć artefaktów wynikających z ruchów płodu, najpierw podejmuje się kroki mające na celu zminimalizowanie ruchów matki. Kobiety w ciąży są bardziej zrelaksowane za pomocą poduszek podtrzymujących na łóżku skanera i ubrane w wygodne fartuchy, a ich partnerzy mogą być obecni obok skanera, aby zmniejszyć klaustrofobię19,20. Aby złagodzić skutki ruchów oddechowych matki, w badaniach przeprowadzono badania MR płodu pod kontrolą wstrzymania oddechu matki21,22,23. Jednak takie akwizycje muszą być krótkie (~15 s), biorąc pod uwagę zmniejszoną tolerancję wstrzymania oddechu u kobiet w ciąży. Ostatnio wprowadzono retrospektywne metody korekcji ruchu dla MRI płodu14,15,16. Metody te śledzą ruchy płodu za pomocą zestawów narzędzi rejestracyjnych i korygują ruch lub odrzucają niemożliwe do skorygowania części pozyskanych danych.
Na koniec, obrazy MR serca po urodzeniu są tradycyjnie pozyskiwane za pomocą elektrokardiogramu (EKG) w celu synchronizacji akwizycji danych z cyklem pracy serca. Bez bramkowania ruch serca i pulsacyjny przepływ z całego cyklu serca są łączone, tworząc artefakty. Niestety, sygnał EKG płodu cierpi z powodu zakłóceń spowodowanych sygnałem EKG matki24 i zniekształceń spowodowanych polem magnetycznym25. W związku z tym zaproponowano alternatywne, nieinwazyjne podejścia do bramkowania serca płodu, w tym samobramkowanie, bramkowanie zoptymalizowane metrycznie (MOG) i bramkowanie ultrasonograficzne dopplerowskie21,26,27,28.
Jak opisano w poniższych sekcjach, nasze podejście MRI do ilościowego określenia przepływu krwi płodu wykorzystuje nowatorską metodę bramkowania, MOG, opracowaną w naszym laboratorium i połączoną z korekcją ruchu i iteracyjną rekonstrukcją przyspieszonych akwizycji MRI. Podejście to opiera się na potoku z wcześniej opublikowanego badania14 i składa się z następujących pięciu etapów: (1) akwizycja przepływu krwi płodu, (2) rekonstrukcje w czasie rzeczywistym, (3) korekcja ruchu, (4) bramkowanie serca i (5) rekonstrukcje bramkowane.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie badania MRI zostały przeprowadzone za świadomą zgodą ochotników w ramach badania zatwierdzonego przez naszą instytucjonalną komisję etyki badań naukowych.
UWAGA: Metody opisane poniżej zostały zastosowane w systemie MRI 3T. Akwizycję wykonano przy użyciu radialnej sekwencji MRI z kontrastem fazowym. Sekwencja ta została przygotowana poprzez modyfikację trajektorii odczytu (w celu uzyskania wzoru gwiaździstego) kartezjańskiej sekwencji MRI z kontrastem fazowym producenta. Sekwencja oraz przykładowe protokoły są dostępne na zapytanie za pośrednictwem naszej platformy wymiany C2P. Wszystkie rekonstrukcje w niniejszej pracy zostały przeprowadzone na standardowym komputerze stacjonarnym o następującej specyfikacji: 32 GB pamięci, procesor 3,40 GHz z 8 rdzeniami oraz karta graficzna 2 GB z 1024 rdzeniami architektury CUDA (compute unified device architecture). Rekonstrukcja obrazów została wykonana w programie MATLAB. Niejednorodna szybka transformata Fouriera (NUFFT)29 została przeprowadzona na jednostce przetwarzania graficznego (GPU). Parametry korekcji ruchu obliczono przy użyciu programu elastix30. Rysunek 1 przedstawia protokół w kolejności chronologicznej, śledząc sposób przetwarzania nabytych kodowań prędkości (oznaczonych kolorami na Rysunku 1) wraz z reprezentatywnymi obrazami na każdym etapie rekonstrukcji. Kod do rekonstrukcji jest dostępny pod adresem https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI. Choć przedstawiamy tutaj poszczególne kroki protokołu, większość tych etapów algorytmu jest zautomatyzowana w naszym potoku przetwarzania.
1. Pozycjonowanie pacjenta i badania lokalizacyjne
2. Pozyskiwanie danych o przepływie krwi płodu
3. Korekcja ruchu w pomiarach płodu

.4. Obliczanie tętna płodu


5. Rekonstrukcja obrazów CINE płodu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zasadniczo badania MRI w fazie przepływu obejmują sześć głównych naczyń płodowych: aortę zstępującą, aortę wstępującą, główną tętnicę płucną, przewód tętniczy, żyłę główną górną oraz żyłę pępowinową. Naczynia te są istotne z punktu widzenia klinicysty, ponieważ często są one zaangażowane w wady wrodzone serca (CHD) oraz ograniczoną zastawkę wzrostu płodu (FGR), wpływając na dystrybucję krwi w całym organizmie płodu9. Typowy czas trwania skanowania przy użyciu radialnego MRI z kontrastem fazowym wy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Metoda ta umożliwia nieinwazyjny pomiar przepływu krwi w wielkich naczyniach płodu ludzkiego oraz pozwala na retrospektywną korekcję ruchu i bramkowanie serca z wykorzystaniem technik rekonstrukcji iteracyjnej. Kwantyfikacja przepływu krwi płodu została wykonana za pomocą MRI w przeszłości 1,3,8,9. Badania te miały prospektywne podejście do łagodzenia zniekształ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| elastix | Image Sciences Institute, Uniwersyteckie Centrum Medyczne w Utrechcie | Oprogramowanie do rejestracji obrazów | |
| Geforce GTX 960 | Nvidia | 04G-P4-3967-KR | |
| gpuNUFFT | CAI² R | Niejednorodna szybka transformacja Fouriera | |
| MAGNETOM Prisma | Siemens | 10849583 | |
| MATLAB | MathWorks | ||
| Radial Phase Contrast MRI sekwencja | producenta Kartezjańska Sekwencja kontrastu fazowego | ||
| Segment | Medvisio | Analiza danych | |
| VENGEANCE | Corsair | Pamięć LPX DDR4-2666 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.