Quantificação do Fluxo Sanguíneo Fetal Humano com Ressonância Magnética e Compensação de Movimento

A avaliação abrangente da circulação fetal é necessária para o monitoramento de patologias fetais como restrição do crescimento fetal (RCF) e cardiopatia congênita (DCC)^1,2,3. No útero, o manejo e o planejamento da paciente para a assistência pós-natal dependem da gravidade da patologia fetal 4,5,6,7. A viabilidade da quantificação do fluxo sanguíneo fetal com RM e suas aplicações na avaliação de patologias fetais tem sido demonstrada recentemente ^3,8,9. O método de imagem, no entanto, enfrenta desafios, como o aumento dos tempos de imagem para alcançar alta resolução espaço-temporal, a falta de métodos de sincronização cardíaca e o movimento fetal imprevisível¹⁰.

A vasculatura fetal compreende pequenas estruturas (~5 mm de diâmetro para os principais vasos sanguíneos que compreendem a aorta descendente, o canal arterial, a aorta ascendente, a artéria pulmonar principal e a veia cava superior^11,12,13). Para resolver essas estruturas e quantificar o fluxo, são necessárias imagens em alta resolução espacial. Além disso, a frequência cardíaca fetal é cerca de duas vezes a de um adulto. Uma alta resolução temporal é, portanto, também necessária para resolver o movimento cardíaco dinâmico e o fluxo sanguíneo através do ciclo cardíaco fetal. A imagem convencional nesta alta resolução espaço-temporal requer tempos de aquisição relativamente longos. Para resolver essa questão, a RM fetal acelerada^14,15,16 foi introduzida. Resumidamente, essas técnicas de aceleração envolvem subamostragem no domínio da frequência durante a aquisição de dados e reconstrução retrospectiva de alta fidelidade usando técnicas iterativas. Uma dessas abordagens é a reconstrução por sensoriamento comprimido (CS), que permite a reconstrução de imagens a partir de dados fortemente subamostrados quando a imagem reconstruída é esparsa em um domínio conhecido e os artefatos de subamostragem são incoerentes¹⁷.

O movimento na imagem fetal apresenta um grande desafio. A corrupção do movimento pode surgir do movimento respiratório materno, do movimento do volume materno ou do movimento fetal grosseiro. A respiração materna leva a traduções periódicas do feto, enquanto os movimentos fetais são mais complexos. Os movimentos fetais podem ser classificados em localizados ou brutos^10,18. Os movimentos localizados envolvem o movimento de apenas segmentos do corpo. Eles normalmente duram cerca de 10-14 s e sua frequência aumenta com a gestação (~ 90 por hora a termo)¹⁰. Esses movimentos geralmente causam pequenas corrupções e não afetam a área de imagem de interesse. No entanto, os movimentos fetais grosseiros podem levar a uma grave corrupção da imagem com componentes de movimento plano. Esses movimentos são movimentos de corpo inteiro mediados pela coluna vertebral e duram de 60 a 90 s.

Para evitar artefatos do movimento fetal, primeiro são tomadas medidas para minimizar os movimentos maternos. As gestantes tornam-se mais relaxadas com travesseiros de apoio na cama do scanner e vestidas com aventais confortáveis, podendo ter seus parceiros presentes ao lado do scanner para reduzir a claustrofobia^19,20. Para mitigar os efeitos do movimento respiratório materno, estudos têm realizado exames de RM fetal sob apneia materna^21,22,23. No entanto, tais aquisições devem ser curtas (~ 15 s), dada a tolerância reduzida à apneia de indivíduos grávidas. Recentemente, métodos retrospectivos de correção de movimento têm sido introduzidos para a RM fetal^14,15,16. Esses métodos rastreiam o movimento fetal usando kits de ferramentas de registro e corrigem o movimento ou descartam partes incorrigíveis dos dados adquiridos.

Finalmente, as imagens de RM cardíaca pós-natal são adquiridas convencionalmente usando o bloqueio por eletrocardiograma (ECG) para sincronizar a aquisição de dados com o ciclo cardíaco. Sem o gating, o movimento cardíaco e o fluxo pulsátil de todo o ciclo cardíaco são combinados, produzindo artefatos. Infelizmente, o sinal do ECG fetal sofre interferência do sinal do ECG materno²⁴ e distorções do campo magnético²⁵. Assim, abordagens alternativas não invasivas para o gating cardíaco fetal têm sido propostas, incluindo auto-gating, metric optimized gating (MOG) e doppler ultrasound gating^21,26,27,28.

Conforme descrito nas seções a seguir, nossa abordagem de ressonância magnética para quantificar o fluxo sanguíneo fetal aproveita um novo método de gating, o MOG, desenvolvido em nosso laboratório e combinado com correção de movimento e reconstrução iterativa de aquisições aceleradas de ressonância magnética. A abordagem é baseada em um pipeline em um estudo publicado anteriormente¹⁴ e é composta pelos seguintes cinco estágios: (1) aquisição do fluxo sanguíneo fetal, (2) reconstruções em tempo real, (3) correção de movimento, (4) bloqueio cardíaco e (5) reconstruções fechadas.

Todas as ressonâncias magnéticas foram realizadas com o consentimento informado dos voluntários, como parte de um estudo aprovado pelo nosso conselho de ética em pesquisa institucional.

NOTA: Os métodos descritos abaixo foram utilizados num sistema de RM 3T. A aquisição é realizada por meio de uma sequência de ressonância magnética com contraste de fase radial. Esta sequência foi preparada modificando a trajetória de leitura (para atingir um padrão estrelado) da RM de contraste de fase cartesiana do fabricante. Os protocolos de sequência e amostra estão disponíveis mediante solicitação através da nossa plataforma de troca C²P. Todas as reconstruções neste trabalho foram realizadas em um computador desktop padrão com as seguintes especificações: memória de 32 GB, processador de 3,40 GHz com 8 núcleos e placa gráfica de 2 GB com 1024 núcleos de arquitetura de dispositivo unificado de computação (CUDA). A reconstrução da imagem foi realizada no MATLAB. A transformada rápida de Fourier não uniforme (NUFFT)²⁹ foi realizada na unidade de processamento gráfico (GPU). Os parâmetros de correção de movimento foram calculados utilizando-se o elastix³⁰. A Figura 1 mostra o protocolo em ordem cronológica, rastreando como as codificações de velocidade adquiridas (codificadas por cores na Figura 1) são processadas com imagens representativas em cada etapa da reconstrução. O código de reconstrução está disponível em https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI. Embora forneçamos as etapas no protocolo aqui, a maioria dessas etapas do algoritmo é automatizada em nosso pipeline.

1. Posicionamento do assunto e exames de localização

1. Auxiliar a mãe a posicionar-se sobre a mesa de RM em sua posição confortável preferida, geralmente decúbito dorsal ou lateral, para o exame de RM.
2. Coloque a bobina cardíaca sobre a região abdominal da mãe.
3. Carregue a mesa de ressonância magnética no furo do ímã e notifique a mãe de que a varredura está prestes a começar.
4. Execute um exame localizador para localizar o corpo fetal (resolução: 0,9 x 0,9 x 10 mm³, TE/TR: 5,0/15,0 ms, FOV: 450 x 450 mm², fatias: 6).
5. Execute um exame localizador refinado para localizar a vasculatura fetal com o grupo de corte centrado no coração fetal (resolução 1,1 x 1,1 x 6,0 mm³, TE/TR: 2,69/1335,4 ms, FOV: 350 x 350 mm², fatias: 10, orientação: axial ao feto).
6. Repita os localizadores refinados com orientações sagital e coronal para uma visão mais clara dos vasos fetais.
7. Repita os localizadores refinados em casos de movimento fetal grosseiro.

2. Aquisição de dados de fluxo sanguíneo fetal

1. Localize os vasos fetais usando os exames localizadores. Por exemplo, a aorta descendente é um longo vaso reto perto da coluna vertebral nos planos sagitais. A aorta ascendente e as principais artérias pulmonares podem ser identificadas como vasos que saem dos ventrículos esquerdo e direito, respectivamente. O canal arterial pode ser rastreado como um segmento a jusante da artéria pulmonar principal proximal à aorta descendente. A veia cava superior pode ser identificada a partir de planos axiais próximos à base do coração fetal como o vaso adjacente à aorta ascendente.
2. Prescreva uma fatia perpendicular ao eixo do vaso fetal de interesse. Gire e mova a diretriz de fatia no computador do console de ressonância magnética de modo que ela cruze o vaso alvo perpendicularmente.
3. Definir os parâmetros de varredura (tipo de aquisição: ressonância magnética de contraste de fase radial, resolução: 1,3 x^1,3 x 5,0 mm 3, tempo de eco (TE) / tempo de repetição (TR): 3,25 / 5,75 ms, campo de visão (FOV): 240 x 240 mm², fatia: 1, codificação de velocidade: 100-150 cm/s dependendo do vaso de interesse, direção de codificação de velocidade: através do plano, vistas radiais: 1500 por codificação, respiração livre).
4. Execute a varredura e verifique a prescrição com base na reconstrução inicial com média de tempo realizada e exibida no computador do console da ressonância magnética. Repita as varreduras de localização e contraste de fase se o vaso alvo estiver ausente ou não identificável da reconstrução inicial. Os dados brutos adquiridos são representados no esquema da Figura 1A com a velocidade compensada e por meio de aquisições planas codificadas como vermelho e azul, respectivamente.
5. Repita a aquisição de dados de fluxo sanguíneo fetal para cada vaso sanguíneo alvo.
   Observação : os dados brutos adquiridos (formato: arquivos DAT) devem ser transferidos para reconstrução offline. Por exemplo, em scanners Siemens, isso pode ser realizado executando 'twix'. Os dados brutos adquiridos são clicados com o botão direito do mouse nas aquisições da lista e "copiar arquivo raid total" é escolhido.

3. Correção do movimento das medidas fetais

1. Reconstruir séries em tempo real (resolução temporal: 370 ms, vistas radiais: 64) a partir dos dados adquiridos utilizando CS com 15 iterações de uma otimização de descida de gradiente conjugado explorando a regularização da variação total espacial (STV, peso: 0,008) e da variação total temporal (TTV, peso: 0,08) conforme representado pelo esquema na Figura 1B.
2. Selecione uma região de interesse (ROI) que englobe o navio de interesse a partir desta primeira reconstrução em tempo real usando uma interface gráfica do usuário desenvolvida no MATLAB. Nesta etapa, a usuária deve desenhar um contorno que envolva a anatomia fetal, como os grandes vasos alvo ou o coração fetal.
3. Realize o rastreamento de movimento de corpo rígido com elastix 30 (baseado em informações mútuas normalizadas com parâmetros empiricamente otimizados: 4 níveis de pirâmide,³⁰⁰ iterações e transformações translacionais).
4. Rejeite quadros rastreados em tempo real que compartilham informações mútuas (MI) baixas com todos os outros quadros (em que o MI é inferior a 1,5x o intervalo interquartil do MI médio). Esses quadros são considerados representados através do movimento plano ou do movimento fetal grosseiro.
5. Use os dados de ressonância magnética correspondentes à série mais longa de períodos contínuos em tempo real (sem lacunas) dos quadros restantes como o período de quiescência usado para reconstrução adicional.
6. Interpole os parâmetros de correção do movimento translacional da resolução temporal da série em tempo real (370 ms) para o TR da aquisição quiescente (5,75 ms).
7. Aplicar parâmetros interpolados ao período quiescente definido dos dados da ressonância magnética, modulando a fase da seguinte forma:
   
   
   onde s' são os dados corrigidos de movimento, k x e k y são as coordenadas no k-espaço, s são os dados não corrigidos adquiridos, Δ _x e Δ _y são os deslocamentos rastreados no espaço, e j representa .
   NOTA: Todos os valores numéricos dos coeficientes de regularização neste trabalho foram otimizados em experimentos anteriores. Isso foi realizado usando uma busca de grade de força bruta para encontrar os coeficientes de regularização que minimizaram o erro entre reconstruções de um conjunto de dados de referência fetal altamente amostrado e casos retrospectivamente subamostrados do mesmo conjunto de dados.

4. Resolvendo a frequência cardíaca fetal

1. Reconstruir uma segunda série de imagens em tempo real em maior resolução temporal (resolução temporal: 46 ms, vistas radiais: 8) utilizando os dados adquiridos utilizando CS, novamente com 15 iterações de uma otimização de descida de gradiente conjugado com regularização STV (peso: 0,008) e TTV (peso: 0,08) conforme representado pelo esquema na Figura 1C.
2. Selecione novamente um ROI que abranja o vaso fetal de interesse.
3. Execute MOG multiparâmetro na série em tempo real para derivar a frequência cardíaca fetal dependente do tempo.
4. O movimento do compartimento corrigiu os dados de ressonância magnética em 15 fases cardíacas usando a forma de onda da frequência cardíaca derivada. Nesta etapa, os limites temporais das fases cardíacas são calculados usando a frequência cardíaca da etapa anterior. Por exemplo, os limites para a i-ésima fase no ^k-ésimo batimento cardíaco são dados por:
   
   
   onde HR(K) é o momento em que ocorre o k^th batimento cardíaco. O carimbo de data/hora da ^n-ésima aquisição radial é dado por (n x TR). Os dados com carimbos de data/hora que se enquadram nos limites de uma fase cardíaca são atribuídos a essa fase.
   NOTA: MOG é uma técnica de gating²⁶ que compreende a binning iterativa dos dados adquiridos com base em um modelo de frequência cardíaca fetal multiparâmetro para criar imagens CINE que otimizam uma métrica de imagem sobre uma região de interesse.

5. Reconstrução de CINEs fetais

1. Reconstruir CINEs de fluxo fetal utilizando os dados de RM corrigidos por movimento binned e CS com 10 iterações de uma otimização de descida de gradiente conjugado com regularização de STV (peso: 0,025) e TTV (peso: 0,01). Dois CINEs são produzidos nesta etapa: um para a aquisição compensada por fluxo, C FC, e outro com os dados codificados por fluxo, C_FE, conforme representado no esquema da Figura 1D.
2. Calcule a imagem de velocidade dada pela fase do produto elementar de C_FE e o conjugado complexo de C_FC.
3. Aplique a correção de fase de fundo³¹ para corrigir os efeitos de correntes parasitas. Resumidamente, nesta etapa automática, um plano é ajustado à fase de tecidos fetais e maternos estáticos. A correcção é efectuada subtraindo o plano da fase sensível à velocidade calculada no ponto 4.2.
4. Grave dados reconstruídos em arquivos DICOM.
5. Carregue DICOMs em software de análise de fluxo, como o Segment v2.2³².
6. Desenhe um ROI abrangendo o lúmen do vaso sanguíneo de interesse usando as imagens anatômicas e sensíveis à velocidade.
7. Propagar a ROI para todas as fases cardíacas e corrigir as alterações no diâmetro do vaso.
8. Registre medições de vazão.

Em geral, os exames de RM de fase do fluxo têm como alvo seis grandes vasos fetais: aorta descendente, aorta ascendente, artéria pulmonar principal, canal arterial, veia cava superior e veia umbilical. Esses vasos são de interesse do clínico, pois muitas vezes estão implicados na DCC e na RCF, influenciando a distribuição do sangue por todo o feto9. Uma duração típica de varredura com a ressonância nuclear magnética (RNM) com contraste de fase radial é de 17 s por vaso, de modo que os exames sejam curtos, ao mesmo tempo em que permitem tempo suficiente para a aquisição de dados suficientes para a reconstrução do CINE. O tempo total de aquisição, incluindo localizadores e ressonância nuclear magnética (RNM) com contraste de fase, para os resultados representativos foi de 3 min. Neste estudo, resultados representativos são apresentados utilizando dados de aquisição de fluxo da aorta descendente em dois fetos humanos: Feto 1 e Feto 2 com idades gestacionais (semana + dias) de 35+4 e 37+3, respectivamente.

Como na Figura 1, as reconstruções iniciais em tempo real (resolução temporal: 370 ms) realizadas para rastreamento de movimento levaram 45 s por fatia reconstruída. O rastreamento de movimento de tradução levou 2 minutos para cada fatia. Os parâmetros de movimento extraídos para Feto 1 (Figura 2 A1, deslocamento máximo: 1,6 mm) e Feto 2 (Figura 2 A2, deslocamento máximo: 1,3 mm) retratam o movimento da aorta descendente durante a duração da varredura. As informações mútuas compartilhadas de cada período em tempo real com todos os outros quadros co-registrados são mostradas na Figura 2 B1 (Feto 1) e na Figura 2 B2 (Feto 2). Nesses casos, todos os quadros compartilhavam informações mútuas acima dos critérios de corte, portanto, nenhum dado foi rejeitado. As segundas reconstruções em tempo real (resolução temporal: 46 ms), usadas para derivar informações de bloqueio cardíaco, levaram 10 minutos para cada fatia. O MOG derivou os intervalos dos batimentos cardíacos fetais (RR) utilizando um modelo multiparâmetro, como mostra a Figura 2 C1 (Feto 1, intervalo RR: 521 ± 20 ms) e a Figura 2 C2 (Feto 2 , intervalo RR: 457 ± 9 ms).

As reconstruções finais do CINE usando os dados corrigidos retrospectivamente por movimento e fechados levaram 3 min por fatia. As reconstruções anatômicas e de velocidade para o Feto 1 e Feto 2 no pico da sístole são mostradas na Figura 3. Reconstruções com correção de movimento mostram vasos com paredes mais nítidas. Sem correção de movimento, a aorta descendente é mais borrada e menos visível. As curvas de fluxo medidas de cada feto (Figura 4) mostram maiores fluxos de pico e média nas reconstruções sem correção de movimento ([pico médio]: Feto 1 [25,2 9,8] ml/s, Feto 2 [34,6 10,3] ml/s]) do que naqueles com correção de movimento ([média de pico]: Feto 1 [23,5 9,2] ml/s, Feto 2 [28,7 9,7] ml/s]).

Figura 1: Pipeline para reconstruir os dados de ressonância magnética de contraste de fase fetal. (A) Etapa 1: Dados de ressonância magnética de contraste de fase radial de ângulo dourado (codificados por cores como: compensação de fluxo = vermelho e através de codificação plana = azul). As cores alternadas descrevem que as aquisições codificadas por fluxo e através do plano ocorrem nas mesmas frequências espaciais. (B) Passo 2: Janelas temporais de 370 ms para reconstrução em tempo real usando CS com restrições de esparsidade (STV e TTV). A correção de movimento e a rejeição de dados são realizadas. (C) Passo 3: Janelas temporais de 46 ms são criadas para reconstrução em tempo real com CS (com restrições de esparsidade STV e TTV) para MOG. (D) Passo 4: Os dados são agrupados em fases cardíacas (PC), e o CS é usado para criar um CIN de fluxo fetal, com restrições de esparsidade (STV e TTV). As reconstruções representativas de cada etapa do CS são mostradas na coluna Reconstruções. As reconstruções para as etapas 3 e 4 são mostradas para um ponto de tempo correspondente ao pico de sístole. Barras de escala no canto superior esquerdo das imagens anatômicas denotam 10 mm na imagem. As especificações de tempo, em segundos, destacadas em cinza representam as durações das etapas correspondentes. STV: variação total espacial, TTV: variação total temporal, CS: sensoriamento comprimido, MOG: gating, CINE: reconstrução dinâmica fechada. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Deslocamento representativo e curvas de frequência cardíaca. A1 e A2 retratam a curva de deslocamento rastreada retrospectivamente para os exames no Feto 1 e no Feto 2, respectivamente. B1 e B2 mostram a soma das informações mútuas de um determinado quadro com todos os outros quadros para o Feto 1 e o Feto 2, respectivamente. As linhas pontilhadas vermelhas representam um intervalo interquartil de 1,5x abaixo do qual os dados são rejeitados. C1 e C2 representam os intervalos RR derivados com MOG no Feto 1 e no Feto 2, respectivamente. Intervalo RR: tempo entre batimentos cardíacos consecutivos, MOG: gating. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Reconstruções CINE sensíveis à velocidade representativa no pico da sístole. Cada quadrante retrata as reconstruções anatômicas e de velocidade. A linha superior mostra o CINE com correção de movimento no Feto 1 e no Feto 2, respectivamente. A linha inferior mostra o CINE sem correção de movimento no Feto 1 e no Feto 2, respectivamente. As setas vermelhas e azuis retratam a aorta descendente. Barras de escala no canto superior esquerdo das imagens anatômicas denotam 10 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Curvas de fluxo representativas na aorta descendente fetal. As linhas de dados sólidas e tracejadas retratam as curvas de fluxo obtidas a partir de reconstruções CINE com e sem correção de movimento, respectivamente, no Feto 1 (esquerda) e no Feto 2 (direita). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nenhum.