Summary
Wir stellen ein Protokoll für die Durchführung von elektromyometrialer Bildgebung (EMMI) vor, das die folgenden Verfahren umfasst: mehrfache Elektromyographie-Elektrodensensoraufnahmen von der Körperoberfläche, Magnetresonanztomographie und Rekonstruktion des elektrischen Gebärmuttersignals.
Abstract
Während einer normalen Schwangerschaft beginnt die glatte Muskulatur der Gebärmutter, das Myometrium, in der späten Schwangerschaft schwache, unkoordinierte Kontraktionen zu haben, um den Umbau des Gebärmutterhalses zu unterstützen. Während der Wehen hat das Myometrium starke, koordinierte Kontraktionen, um den Fötus zur Welt zu bringen. Es wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Kontraktionsmuster der Gebärmutter zu überwachen und den Beginn der Wehen vorherzusagen. Die derzeitigen Techniken haben jedoch eine begrenzte räumliche Abdeckung und Spezifität. Wir haben die elektromyometriale Bildgebung (EMMI) entwickelt, um die elektrische Aktivität der Gebärmutter während der Kontraktionen nichtinvasiv auf der dreidimensionalen Gebärmutteroberfläche abzubilden. Der erste Schritt bei EMMI besteht darin, die T1-gewichtete Magnetresonanztomographie zu verwenden, um die objektspezifische Körper-Gebärmutter-Geometrie zu erfassen. Als nächstes werden bis zu 192 Stiftelektroden, die auf der Körperoberfläche platziert werden, verwendet, um elektrische Aufzeichnungen aus dem Myometrium zu sammeln. Schließlich wird die EMMI-Datenverarbeitungspipeline durchgeführt, um die Körper-Gebärmutter-Geometrie mit elektrischen Daten der Körperoberfläche zu kombinieren, um die elektrischen Aktivitäten der Gebärmutter auf der Gebärmutteroberfläche zu rekonstruieren und abzubilden. EMMI kann Frühaktivierungsregionen und Ausbreitungsmuster über die gesamte Gebärmutter hinweg sicher und nicht-invasiv in drei Dimensionen abbilden, identifizieren und messen.
Introduction
Klinisch werden die Kontraktionen der Gebärmutter entweder mit einem intrauterinen Druckkatheter oder mit einer Tokodynamometrie gemessen1. In der Forschung können Gebärmutterkontraktionen durch Elektromyographie (EMG) gemessen werden, bei der Elektroden auf der Bauchoberfläche platziert werden, um die bioelektrischen Signale zu messen, die vom Myometrium erzeugt werden 2,3,4,5,6,7. Man kann die Stärke, Frequenz und Ausbreitungsmerkmale der elektrischen Ausbrüche 8,9,10,11,12 verwenden, die aus dem EMG abgeleitet werden, um den Beginn der Wehen bei der Frühgeburt vorherzusagen. Beim konventionellen EMG wird die elektrische Aktivität der Gebärmutterkontraktionen jedoch nur von einem winzigen Bereich der Bauchoberfläche mit einer begrenzten Anzahl von Elektroden gemessen (zwei13 und vier 7,14,15,16 in der Mitte der Bauchfläche und 64 17 an der unteren Bauchoberfläche). Darüber hinaus ist das konventionelle EMG nur begrenzt in der Lage, die Mechanismen der Wehen zu untersuchen, da es nur die gemittelten elektrischen Aktivitäten der gesamten Gebärmutter widerspiegelt und die spezifischen elektrischen Initiierungs- und Aktivierungsmuster auf der Gebärmutteroberfläche während der Kontraktionen nicht erkennen kann.
Eine neue Entwicklung namens elektromyometriale Bildgebung (EMMI) wurde eingeführt, um die Unzulänglichkeiten des herkömmlichen EMG zu überwinden. EMMI ermöglicht die nicht-invasive Bildgebung der gesamten elektrischen Aktivierungssequenz des Myometriums während der Uteruskontraktionen 18,19,20,21. Um die Körper-Gebärmutter-Geometrie zu erfassen, verwendet EMMI die T1-gewichtete Magnetresonanztomographie (MRT)22,23,24, die bei schwangeren Frauen im zweiten und dritten Trimester weit verbreitet ist. Als nächstes werden bis zu 192 Stiftelektroden, die auf der Körperoberfläche platziert werden, verwendet, um elektrische Aufzeichnungen aus dem Myometrium zu sammeln. Schließlich wird die EMMI-Datenverarbeitungspipeline durchgeführt, um die Körper-Gebärmutter-Geometrie mit den elektrischen Daten zu kombinieren, um elektrische Aktivitäten auf der Uterusoberfläche21 zu rekonstruieren und abzubilden. EMMI kann die Initiierung von Gebärmutterkontraktionen und Bildausbreitungsmuster während der Uteruskontraktionen in drei Dimensionen genau lokalisieren. Dieser Artikel zielt darauf ab, die EMMI-Verfahren vorzustellen und die repräsentativen Ergebnisse von schwangeren Frauen aufzuzeigen.
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Protocol
Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Washington University Institutional Review Board genehmigt.
1. MRT-sichere Markerpflaster, Elektrodenpflaster und Lineale (Abbildung 1)
- Drucken Sie die MRT- und Elektroden-Patch-Vorlagen (Abbildung 1A) auf Papier aus.
- Schneiden Sie durchsichtige Vinyl- und Silikonkautschukplatten (Materialtabelle) in 22 (Vinyl) und 44 (Gummi) rechteckige (120 mm x 60 mm) und 4 (Vinyl) und 8 (Silikonkautschuk) quadratische (60 mm x 60 mm) Patches.
- Erstellen Sie MRT-sichere Marker-Patches: Überlagern Sie eine Schablone mit einem durchsichtigen Vinyl-Pflaster und kleben Sie MRT-sichere Marker (flüssige Vitamin-D-Kapseln) auf das Vinyl-Pflaster in der Mitte der Kreise, die die Hohlräume des Elektrodenhalters auf der Schablone darstellen (Abbildung 1B).
- Elektrodenflicken anfertigen: Beschriften Sie die kreisförmigen Stellen auf den Silikongummiflicken und stanzen Sie mit einem Stanzsatz mit einem Durchmesser von 8 mm Löcher an diesen Stellen.
- Befestigen Sie Elektrodenhalter über jedem Loch mit doppelseitigen Klebemanschetten (Materialtabelle). Richten Sie den Umfang des Hohlraums des Elektrodenhalters am Umfang des auf der Silikonfolie gestanzten Lochs aus.
- Setzen Sie den X-Ring in den Hohlraum auf der Oberseite des Elektrodenhalters ein, bedecken Sie den Halter mit der farbcodierten Silikonfolie und führen Sie die aktive Elektrode vom Stifttyp durch den X-Ring in den Halter ein. Die Elektrode wird im Hohlraum des Elektrodenhalters zentriert. Die Elektrodenkabel sollten zwischen den beiden Lagen Silikonfolien und in der Mitte der beiden Reihen von Haltern entlang der langen Kante verlaufen. Passen Sie die Länge des Elektrodenkabels an, indem Sie es bei Bedarf um den Elektrodenhalter wickeln. Die Montage eines Elektrodenpflasters ist abgeschlossen (Abbildung 1C).
- Kleben Sie drei Streifen doppelseitiges Klebeband in medizinischer Qualität auf das Elektrodenpflaster zwischen den Elektrodenreihen entlang der langen Kante des Pflasters.
- Schneiden Sie sechs Maßbänder an den 30 cm langen Markierungen ab. Behalten Sie den oberen Teil von 0 cm bis 30 cm bei. Um ein horizontales Lineal herzustellen, kleben Sie die Ränder bei 0 cm von zwei Maßbändern auf ein langes Stück Vinylstreifen mit einer Lücke in der Breite des Klebebandes. Kleben Sie doppelseitiges Klebeband auf jedes Lineal.
- Bewahren Sie die Aufnäher und Lineale in einer Aufbewahrungsbox mit geschlossenem Deckel auf.
2. MRT-Untersuchung
HINWEIS: Die MRT-Untersuchung wird in einem Gestationsalter von 36-40 Wochen geplant, vor dem voraussichtlichen Entbindungstermin der Mutter, der auf der Grundlage des Zeitplans der Probandin und der Empfehlung ihrer Krankenschwester bestimmt wird. Die geschätzte Zeitdauer für diesen Schritt beträgt 2 Stunden.
- Nachdem der Proband die Einverständniserklärung unterschrieben hat, bitten Sie die Person, ihre Straßenkleidung in die MRT-sichere Hose und den Kittel zu wechseln, die vom MRT-Techniker zur Verfügung gestellt wurden. Platzieren Sie MR-sichere Markierungspflaster (Abbildung 1B) auf der Körperoberfläche im Untersuchungsraum.
- Pflaster auf der Rückseite anbringen.
- Weisen Sie die Versuchsperson an, sich auf ein medizinisches Untersuchungsbett zu setzen. Ziehen Sie die Folie vom doppelseitigen Klebeband ab und legen Sie ein vertikales Lineal entlang der Wirbelsäule des Probanden an, wobei sich das Ende des Lineals am Gesäßdekolleté befindet.
- Lege ein horizontales Lineal auf Höhe des Beckenkamms, wobei sich die Mitte über dem vertikalen Lineal kreuzt. Ziehe die Folie vom doppelseitigen Klebeband auf den Flicken ab.
- Bringen Sie zwei rechteckige Patches auf der Rückseite an, so dass die langen Kanten der Patches neben dem vertikalen Lineal liegen und die Ecken der Patches am Schnittpunkt der Lineale liegen.
- Platzieren Sie weitere Patches links und rechts von den ersten beiden Patches, so dass die Patches beidseitig symmetrisch sind. Tragen Sie bei mittelgroßen Motiven vier rechteckige Felder auf jeder Seite auf (Abbildung 1E).
- Pflaster auf die Bauchfläche legen.
- Heben Sie das Kopfende der Untersuchungsliege auf etwa 40° an und führen Sie den Probanden dazu, sich in Fowlers Position hinzulegen. Platzieren Sie ein vertikales Lineal entlang der Mittellinie des Bauches, wobei die 3-cm-Markierung in der Nähe der Fundusregion durch manuelles Abtasten bestimmt wird.
- Legen Sie ein horizontales Lineal so an, dass sich seine Mitte auf der 6-cm-Markierung des vertikalen Lineals befindet und sich nach links und rechts seitlich entlang der natürlichen Krümmung des Bauches erstreckt.
- Platzieren Sie das erste rechteckige Feld über dem horizontalen Lineal und links neben dem vertikalen Lineal, so dass seine lange Kante parallel zum horizontalen Lineal verläuft und sich eine Ecke des Patches am Schnittpunkt der beiden Lineale befindet.
- Platzieren Sie das zweite rechteckige Feld links neben dem ersten Feld, mit seiner langen Kante entlang des horizontalen Lineals. Platzieren Sie das dritte und vierte Patch direkt unter dem horizontalen Lineal und vertikal am ersten und zweiten Patch ausgerichtet.
- Platzieren Sie das fünfte rechteckige Patch unter dem dritten Patch mit seiner kurzen Kante entlang des vertikalen Lineals. Lege das sechste rechteckige Pflaster neben das fünfte auf der linken Seite. Platzieren Sie das siebte Feld unter dem fünften Feld, mit der kurzen Kante entlang des vertikalen Lineals. Lassen Sie zwischen den Flecken 3, 5 und 7 Lücken von 2-3 cm für die Krümmung des Bauches.
- Platzieren Sie die beiden quadratischen Felder (s1 und s2) unter dem sechsten und siebten Feld, vertikal ausgerichtet mit dem sechsten bzw. siebten Feld. Platzieren Sie die Flecken auf der rechten Bauchfläche, so dass sie beidseitig symmetrisch zu denen auf der linken Seite sind (Abbildung 1F).
- Pflaster auf der Rückseite anbringen.
- Machen Sie Fotos und Notizen des Patch-Layouts, um die Positionen der Lineale relativ zueinander und zum Nabel des Motivs aufzuzeichnen.
- Lassen Sie die Person von einem MRT-Techniker gemäß den MRT-Sicherheitsregeln und -vorschriften in Zone II der MRT-Einrichtung untersuchen. Führen Sie das Subjekt dann durch Zone III zu Zone IV, wo sich ein 3-T-MRT-Scanner befindet.
- Leiten Sie die Patientin an, sich in Rückenlage auf das MRT-Bett zu legen, und stellen Sie ihr ein MR-sicheres Mikrofon, einen Kopfhörer und einen signalisierenden Quetschball zur Verfügung. Decken Sie den Unterbauch des Probanden mit einer MRT-Spule mit 32 Arrays ab (Abbildung 2A). Starten Sie die MRT-Untersuchung.
HINWEIS: Eine radiale volumeninterpolierte Untersuchung mit anhaltendem Atem und schneller T1-gewichteter Sequenz wurde verwendet, um eine MRT des gesamten Abdomens mit einem 3-T-Siemens Prisma- oder Vida-Scanner durchzuführen. Die resultierenden MR-Bilder hatten eine Auflösung von 1,56 mm x 1,56 mm und eine Schichtdicke von 4 mm.
- Leiten Sie die Patientin an, sich in Rückenlage auf das MRT-Bett zu legen, und stellen Sie ihr ein MR-sicheres Mikrofon, einen Kopfhörer und einen signalisierenden Quetschball zur Verfügung. Decken Sie den Unterbauch des Probanden mit einer MRT-Spule mit 32 Arrays ab (Abbildung 2A). Starten Sie die MRT-Untersuchung.
- Verwenden Sie den Lokalisierer, um das Sichtfeld so anzupassen, dass es die gesamte Gebärmutter und den Gebärmutterhals abdeckt. Anschließend wird eine MRT-Untersuchung mit einer T1-gewichteten Sequenz mit der volumeninterpolierten Atemanhalteuntersuchung (Wiederholungszeit [TR] = 4,07 ms, Echozeit [TE] = 1,78 ms, Flip-Winkel = 10°) und multiplanarer Rekonstruktion des Datensatzes (Sichtfeld [FOV] = 500 mm x 500 mm, Matrix = 320 x 320, Voxelgröße = 1,56 x 1,56 x 4 mm3) durchgeführt.
- Speichern Sie die Daten im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine).
- Entfernen Sie die MRT-Pflaster und Lineale vom Probanden und reinigen Sie Bauch und Rücken mit Babytüchern.
- Entfernen Sie das doppelseitige Klebeband von den Pflastern, desinfizieren Sie die Pflaster mit keimtötenden Einwegtüchern und bringen Sie neues doppelseitiges Klebeband für das nächste Experiment an.
3. Bioelektrizitätskartierung und optischer 3D-Scan
HINWEIS: Führen Sie eine Bioelektrizitätskartierung durch, nachdem die Patientin in die Entbindungsstation aufgenommen wurde und ihr Gebärmutterhals auf etwa 4 cm geweitet ist. Die geschätzte Zeitdauer für diesen Schritt beträgt 2 Stunden.
- Bereiten Sie die Elektrodenpflaster vor: Füllen Sie leitfähiges Gel in eine Spülspritze mit gebogener Spitze. Geben Sie das Gel mit der Spritze in die Hohlräume des Elektrodenhalters auf jedem Elektrodenpflaster. Entfernen Sie die Auskleidungen der doppelseitigen Klebebänder.
- Bringen Sie die Elektrodenpflaster nach den gleichen Verfahren wie in Schritt 2.1 beschrieben an, wobei Sie dem Platzierungslayout folgen, das in den Fotos und Notizen in Schritt 2.2 beschrieben ist.
- Schließen Sie die Netz- und Datenkabel des optischen 3D-Scanners an. Öffnen Sie die 3D-Scan-Software (Materialtabelle). Halten Sie den optischen Handscanner (Materialtabelle) aufrecht, so dass die Blitzkameras auf das Motiv gerichtet sind.
- Drücken Sie die Start-Taste am Scanner, um den Scanvorgang zu starten, und drücken Sie die Start-Taste erneut, um den Scanvorgang aufzuzeichnen. Bewegen Sie den Scanner um das Motiv herum, um optische 3D-Scans zu erstellen und die Elektrodenpositionen zu erfassen.
HINWEIS: Optische Scans der unteren Rückenfläche werden nach dem Anbringen von Elektrodenpflastern auf der Rückseite durchgeführt. Optische Scans der Bauchoberfläche werden nach dem Anbringen von Elektrodenpflastern auf der Bauchoberfläche angefertigt. - Drücken Sie die Stopp-Taste am Scanner, um den 3D-Scanvorgang abzuschließen.
- Drücken Sie die Start-Taste am Scanner, um den Scanvorgang zu starten, und drücken Sie die Start-Taste erneut, um den Scanvorgang aufzuzeichnen. Bewegen Sie den Scanner um das Motiv herum, um optische 3D-Scans zu erstellen und die Elektrodenpositionen zu erfassen.
- Machen Sie Fotos und Notizen vom Patch-Layout. Achte auf die Positionen der Lineale zueinander und zum Bauchnabel des Subjekts.
- Platzieren Sie vier Erdungselektroden, wobei die "LL"-Elektrode auf dem linken Unterbauch, die "LA"-Elektrode auf der linken oberen Brust, die "RA"-Elektrode auf der rechten oberen Brust und die "DRL"-Elektrode auf der Bauchoberfläche in der Nähe des Nabels oder des rechten Unterbauchs platziert wird.
- Schließen Sie die Komponenten der Bioelektrizitäts-Mapping-Hardware an, einschließlich des Laptops, der Analog-Digital-Box (AD), des Batteriekastens, des Elektrodenpatches, der Erdungselektrodenkabel, der Glasfaser und des USB2-Empfängers (Abbildung 1D).
- Öffnen Sie die Software Active View auf dem Laptop und schalten Sie die AD-Box ein.
HINWEIS: Wenn die Statusanzeige an der AD-Box gelb leuchtet, haben die Erdungselektroden einen schlechten Kontakt mit der Haut. Entfernen Sie in diesem Fall die Erdungselektroden, fügen Sie mehr Gel hinzu und platzieren Sie sie wieder an ihrem Platz. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die Statusanzeige blau leuchtet. - Überprüfen Sie das Elektroden-Offset-Modul in Active View. Wenn Elektroden einen großen Versatz haben (mehr als ein Viertel des größten Versatzes), verbessern Sie ihren Kontakt mit der Haut, indem Sie sie mit medizinischem Papierklebeband befestigen oder wieder anbringen (sie entfernen, mehr Gel hinzufügen und wieder an ihren Platz bringen).
- Klicken Sie auf Startdatei > angehalten , um die Datenströme des Biostromsignals in Echtzeit zu speichern. Klicken Sie nach einer 900-Sekunden-Aufzeichnung auf Pause, Speichern > Stopp , um die Aufzeichnung zu beenden und die Multi-Elektroden-Messung in einer Binärdatendatei (BDF) zu speichern.
- Wiederholen Sie Schritt 3.9 viermal, nachdem der wissenschaftliche Mitarbeiter dies überprüft hat, um sicherzustellen, dass sich der Proband wohl fühlt und bereit ist, fortzufahren.
- Schalten Sie nach der letzten Aufnahme (in der Regel insgesamt vier Aufnahmen) die AD-Box aus und trennen Sie die Elektrodenpatches, die Erdungselektroden, die Glasfaser und das USB-Kabel.
- Entfernen Sie die Elektrodenpflaster und Erdungselektroden vom Probanden.
- Reinigen Sie den Bauch und den unteren Rücken des Motivs mit einem Handtuch oder Babytüchern.
- Packen Sie die gesamte Ausrüstung ein und bewahren Sie die Elektrodenpflaster und Erdungselektroden zur Reinigung auf.
- Reinigen Sie die Elektrodenpflaster und Erdungselektroden in lauwarmem Wasser mit Spülmittel im Reinigungsraum. Desinfizieren Sie sie mit keimtötenden Tüchern.
- Trocknen Sie die Patches an der Luft und kleben Sie doppelseitiges Klebeband auf die Patches und Lineale für das nächste Experiment.
4. Generierung der Körper-Gebärmutter-Geometrie
- Führen Sie die Segmentierung der MRT-Daten mit einer Datenanalyse-Softwareanwendung durch.
HINWEIS: Hier wurde die Amira-Software verwendet- Starten Sie die Datenanalysesoftware und laden Sie die MRT-DICOM-Daten. Gehen Sie zum Modul Segmentierung und klicken Sie auf Neu , um ein neues Label zu erstellen. Klicken Sie auf Bearbeiten > Passen Sie den Bereich an > Datenhistogramm an , um den Bildkontrast zu ändern.
- Wählen Sie in der Sagittalansicht das Pinselwerkzeug aus, beschriften Sie die Gebärmuttergrenzen der MR-Bilder, füllen Sie die Bereiche aus und fügen Sie sie der Beschriftungsdatei hinzu. Wiederholen Sie diesen Schritt alle drei bis fünf Scheiben.
- Wählen Sie die segmentierten Bereiche aus und klicken Sie auf Auswahl > Interpolieren > + , um die Segmentierung aller Segmente zu interpolieren. Damit ist die Segmentierung der Gebärmutteroberfläche abgeschlossen.
- Klicken Sie auf Neu , um eine neue Etikettendatei zu erstellen. Wählen Sie das Zauberstab-Werkzeug, platzieren Sie den Maskierungsschwellenwert auf dem anfänglichen lokalen Minimum des Datenhistogramms und passen Sie ihn schrittweise an, bis der gesamte Körper blau hervorgehoben wird.
- Wählen Sie Alle Segmente aus, klicken Sie auf einen beliebigen blauen Bereich und klicken Sie dann auf +, um die Segmentierung in die Beschriftungsdatei einzufügen. Klicken Sie auf Segmentierung > Löcher füllen > Alle Segmente > + , um die Löcher zu beheben.
- Gehen Sie zum Modul Segmentierung und klicken Sie auf Neu , um ein neues Etikett für die Gebärmutter zu erstellen. Segmentieren Sie die Gebärmutter manuell auf den MRT-Bildern. Verwenden Sie bei Bedarf Interpolieren .
- Generieren Sie im Modul Projekt die Oberflächendaten aus den Etikettendateien der Gebärmutter und der Körperoberfläche.
- Wählen Sie eine DGM-Datei aus, reduzieren Sie die Anzahl der Flächen im Vereinfachungs-Editor > Vereinfachen um 50 %, und klicken Sie auf Jetzt vereinfachen. Wählen Sie die vereinfachte Oberflächendatei aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Glatte Oberfläche (Iteration = 20, Lambda = 0,6) > Anwenden. Wählen Sie dann die geglättete Oberflächendatei aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Oberfläche neu vernetzen (% 100) > Anwenden, um jede Oberfläche neu zu vernetzen.
- Fahren Sie mit Schritt 4.1.7 fort, bis die Körperoberfläche etwa 18.000 Gesichter und die Gebärmutteroberfläche etwa 640 Gesichter umfasst.
- Klicken Sie auf Datei > Daten als > STL-ASCII exportieren , um die beiden Oberflächen im Stereolithographie-Format (STL) zu speichern.
- Führen Sie eine Nachbearbeitung der optischen 3D-Scandaten durch.
- Laden Sie die optische 3D-Scandatei der Bauchfläche in Artec studio 12 professional.
- Wählen Sie den optischen Zielscan aus und duplizieren Sie den Scan.
- Klicken Sie auf Autopilot , um die Verarbeitung des ausgewählten Scans zu starten.
- Wählen Sie im Modul Modellerstellung die Scanqualität (Geometrie, Textur), die Objektgröße, die Lochfüllmethode (wasserdicht) usw. aus und klicken Sie auf Weiter.
- Wählen Sie im Editor-Modul die Option Lasso-Auswahl und löschen Sie die redundanten Bereiche.
- Klicken Sie auf Weiter , um eine automatische Verfeinerung des Scans zu erstellen.
- Klicken Sie auf Editor > Lasso-Auswahl , um unnötige Bereiche zu entfernen.
- Klicken Sie auf Datei > Netze > STL-Dateiformat exportieren , um die Oberfläche im STL-Format zu speichern.
- Richten Sie die optischen 3D-Scandaten an der MRT-Körperoberfläche aus und generieren Sie die Körper-Gebärmutter-Geometrie mit den TCL-Skripten (Tool Command Language) in der Datenanalysesoftware.
- Laden Sie die aus den Schritten 4.1 und 4.2 generierten STL-Formatoberflächen mit einem vorprogrammierten Datenanalyse-Softwareprojekt.
- Führen Sie die TCL-Befehlszeile der Eingabeaufforderung aus, um Datenanalyse-Softwareobjekte für die starre Ausrichtung der Bauchfläche vorzubereiten.
- Klicken Sie auf Zwei Viewer (horizontal), und zeigen Sie die Oberfläche des optischen Scan-Rumpfes im linken Viewer und die Oberfläche des MRT-Körpers im rechten Viewer an.
- Platzieren Sie fünf oder sechs Landmarken auf beiden Flächen, und führen Sie die Eingabeaufforderung TCL-Befehlszeile aus, um die starre Ausrichtung anzuwenden.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.3.2-4.3.4 für die Rückseite.
- Klicken Sie auf Einzel-Viewer und zeigen Sie die starr ausgerichtete, optisch gescannte Gehäuseoberfläche im Viewer an.
- Führen Sie die Eingabeaufforderung TCL-Befehlszeile aus, um Datenanalyse-Softwareobjekte für eine nicht starre Ausrichtung vorzubereiten.
- Klicken Sie auf Projekt > Objekt > Orientierungspunkte erstellen und fügen Sie Orientierungspunkte an den Elektrodenpositionen auf der optisch gescannten Körperoberfläche hinzu.
- Klicken Sie auf Datei > Daten als > Wahrzeichen exportierenLegen Sie Ascii fest, um die Landmark-Dateien für eine nicht starre Ausrichtung zu exportieren.
- Führen Sie das Geometriemodul in der EMMI-Datenverarbeitungspipeline aus, um eine nicht starre Ausrichtung durchzuführen.
- Führen Sie die TCL-Eingabeaufforderung aus, um die automatisch ausgerichteten Elektroden-Landmarken zu importieren und die Genauigkeit der Elektroden-Landmarken in Bezug auf die in den Schritten 2.3 und 3.3 beschriebenen Notizen und Fotos zu verbessern.
- Klicken Sie auf Datei > Daten als > Wahrzeichen exportierenLegen Sie Ascii fest, um Landmarkendateien für die Elektrodenpositionen zu exportieren.
- Führen Sie das EMMI-Datenverarbeitungs-Pipeline-Geometriemodul aus, um die STL-Dateien und LandmarkSet-Dateien zu laden und die Körper-Gebärmutter-Geometrie im MAT-Format zu generieren.
5. Vorverarbeitung elektrischer Signale
- Führen Sie das EMMI-Datenverarbeitungs-EMG-Vorverarbeitungsmodul aus, um die BDF-Datei zu laden und das elektrische Rohsignal mit einem Butterworth-Filter mit dem Frequenzband 0,34-1 Hz zu verarbeiten.
- Führen Sie das EMMI-Modul zur Erkennung von Artefakten aus, um die lokalen und globalen Artefakte im gefilterten Signal automatisch zu erkennen.
6. Rekonstruktion und Charakterisierung des elektrischen Signals der Gebärmutter
- Führen Sie das EMMI-Datenverarbeitungs-Pipeline-Rekonstruktionsmodul aus, um die Körper-Gebärmutter-Geometrie und die vorverarbeiteten elektrischen Signaldaten zu laden und die elektrischen Signale auf der Gebärmutteroberfläche zu berechnen.
- Führen Sie das EMMI-Datenverarbeitungs-EMG-Signalanalysemodul aus, um automatisch die Onsets und Offsets jedes EMG-Bursts auf der Gebärmutteroberfläche zu erkennen.
- Wählen Sie das Beobachtungsfenster auf dem Cluster-Abbildungs-Overlay aus, um die Aktivierungszeit an jeder Uterusposition für jedes Beobachtungsfenster zu berechnen und eine Isochrone für jedes Beobachtungsfenster zu erstellen.
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Representative Results
Repräsentative MRT-sichere Pflaster und Elektrodenpflaster sind in Abbildung 1B,C dargestellt, die aus der in Abbildung 1A gezeigten Vorlage erstellt wurden. Die Hardware zur Kartierung der Bioelektrizität ist in Abbildung 1C dargestellt, wobei die Anschlüsse der einzelnen Komponenten detailliert markiert sind. Abbildung 2 zeigt das gesamte EMMI-Verfahren, einschließlich eines MRT-Scans des Probanden mit MRT-Pflastern (Abbildung 2A), optischer 3D-Abtastung (Abbildung 2B), Bioelektrizitätskartierung (Abbildung 2C), der Generierung der Körper-Gebärmutter-Geometrie (Abbildung 2D) und einer schematischen Darstellung der EMMI-Daten (Abbildung 2E).
Abbildung 3A zeigt ein repräsentatives Rohkörperoberflächen-Elektrogramm mit einer Abtastrate von 2.048 Hz. Das Rohsignal wird signifikant von der Ausgangsliniendrift, dem elektrokardiographischen Signal der Mutter, der Atmung der Mutter und anderen Faktoren beeinflusst. Bei der Vorverarbeitung elektrischer Signale (Abschnitt 5 des Protokolls) wurde ein Butterworth-Bandpassfilter mit Grenzfrequenzen von 0,34-1 Hz und einem Downsampling von einem Faktor von 20 verwendet, um das in Abbildung 3B gezeigte gefilterte Signal zu erzeugen. Drei klare EMG-Ausbrüche sind in Abbildung 3B mit grünen Linien markiert.
Abbildung 4A-F zeigt sechs aufeinanderfolgende Uterusoberflächenpotentialkarten im Abstand von 0,2 s in anteriorer, linker, posteriorer und rechter Ansicht. Die warmen Farben stehen für positive Potenziale und die kühlen Farben für negative Potenziale. Die jeweilige Zeit jedes Uteruspotentials ist im Elektrogramm in Abbildung 4G gekennzeichnet, das von den mit Sternchen gekennzeichneten Stellen in Abbildung 4A-F stammt. Ein Bereich mit hohem positivem Potenzial beginnt an der mit einem Sternchen markierten Stelle (Abbildung 4A), vergrößert sich (Abbildung 4B-E) und nimmt schließlich ab (Abbildung 4F). Diese EMMI-generierten Potenzialkarten ermöglichen es den Forschern, den dynamischen Verlauf der Gebärmutterkontraktionen dreidimensional zu visualisieren.
Abbildung 5A zeigt eine von EMMI generierte Isochronenkarte aus vier Ansichten. In den Bildern stehen warme Farben für eine frühe Aktivierung, kühle Farben für eine späte Aktivierung und dunkles Blau für keine Aktivierung im jeweiligen Beobachtungsfenster. Diese Isochronenkarte zeigt eine Kontraktionssequenz der Gebärmutter, bei der die Uterusaktivierung am rechten Fundus eingeleitet und sich nach vorne und rechts ausbreitet. Im linken Seitenzahnbereich trat keine Aktivierung auf. Drei repräsentative Uteruselektrogramme von den Stellen a, b und c sind in Abbildung 5B dargestellt. Die rote und blaue Linie markieren die Start- bzw. Endzeit der Isochronenkarte in Abbildung 5A. Der EMG-Ausbruch an Ort a ereignete sich vor denen an den Standorten b und c. Diese EMMI-generierten Isochronenkarten ermöglichen es den Forschern, die Kontraktionssequenz der Gebärmutter zu visualisieren.
Abbildung 1: Aufbau des Elektrodenpflasters. (A) Schablone für die Herstellung von MRT-sicheren Markerpflastern und Elektrodenpflastern mit Maßangaben in Millimetern. (B) MRT-sicheres Markerpflaster. (C) Elektrodenhalter, Stiftelektrode und Elektrodenpatch. (D) Hardware zur Kartierung von Bioelektrizität, wobei jede Komponente gekennzeichnet ist. (E) Patch-Anordnung auf der Bauchfläche. (F) Patch-Layout auf der Rückseite. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Flussdiagramm des EMMI-Systems . (A) MRT-Scan des Unterkörpers. (B) Ein optischer 3D-Scan der Körperoberfläche mit angebrachten Elektroden. (C) Kartierung der Bioelektrizität. (D) Körper-Gebärmutter-Geometrie und elektrische Signalvorverarbeitung. (E) Rekonstruktion und Charakterisierung des elektrischen Signals der Gebärmutter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Repräsentatives Elektrogramm der Körperoberfläche. (A) Ein 375 s Rohsignal, das von einer Stiftelektrode auf der Körperoberfläche aufgezeichnet wird. (B) Signal von A nach einem Butterworth-Bandpass und Downsampling. Die grünen Linien markieren die Zeiten der EMG-Ausbrüche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Repräsentative Potentialkarten der Uterusoberfläche. (A-F) Potentialkarten in vier Ansichten, die im Elektrogramm in G mit roten Punkten markiert sind. Die warmen Farben stehen für positive Potenziale und die kühlen Farben für negative Potenziale. (G) Elektrogramm an der Stelle, die mit einem Sternchen in A-F gekennzeichnet ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Repräsentative Uterus-Isochronen-Karte und Elektrogramme . (A) Eine Isochronenkarte, die in vier Ansichten dargestellt wird, wobei warme Farben für eine frühe Aktivierung, kühle Farben für eine späte Aktivierung und dunkelblau für eine Nichtaktivierung stehen. (B) Uteruselektrogramme von den Stellen a, b und c. Die roten und blauen vertikalen Linien markieren den Anfang bzw. das Ende des Beobachtungsfensters für diese Isochronenkarte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Die Elektromyographie hat gezeigt, dass sich die Frequenz und Amplitude der elektrischen Signale der Gebärmutter während der Schwangerschaft ändert 2,16,25. Mehrere Studien haben die Ausbreitungsmuster der Gebärmutterkontraktionen bei Patientinnen in aktiven Wehen untersucht 10,17,26,27,28. Dennoch wurde aufgrund der begrenzten Anzahl und Abdeckung sowie der nicht standardmäßigen Konfiguration der Körperoberflächenelektroden keine schlüssige Ausbreitungsrichtung berichtet. Das Fehlen der vorherrschenden Ausbreitungsrichtung könnte auch auf den nicht fixierten Schrittmacher im Myometrium zurückzuführensein 16,29, aber es wurden keine überzeugenden direkten Beweise berichtet. EMMI implementiert eine vollständige Abdeckung der Elektroden auf der Körperoberfläche und wendet eine inverse Berechnung an, um die elektrischen Aktivitäten auf der Gebärmutteroberfläche zu rekonstruieren. EMMI ermöglicht es, die elektrische Ausbreitung der Uteruskontraktion auf der gesamten Gebärmutteroberfläche zu charakterisieren und zu zeigen, wo die Kontraktionen beginnen und wie sie sich ausbreiten. Darüber hinaus kann EMMI mit seiner hohen zeitlichen Auflösung die Entwicklung der Gebärmutterkontraktionen im Verlauf der Wehen mit Hilfe von Isochronenkarten analysieren. Eine gründliche Analyse der Uteruskontraktionen wäre vielversprechend, um neue Einblicke in die elektrische Reifung des menschlichen Myometriums zu gewinnen und das klinische Management menschlicher Arbeit zu verbessern.
Vorzeitige Wehen sind Erkrankungen, die möglicherweise durch mehrere pathologische Prozesse verursacht werden, wie z. B. Gebärmutterhalserkrankungen, Infektionen, ein Rückgang der Progesteronwirkung, Plazentapathologien, abnormale Gebärmutterkontraktion usw.30,31. Durch die Bereitstellung von elektrischen Bildern mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung von Gebärmutterkontraktionen ist EMMI vielversprechend, um die Vorhersagegenauigkeit von vorzeitigen Wehen/Geburten, die durch abnormale Gebärmutterkontraktionen verursacht werden, zu verbessern.
Es gibt mehrere kritische Schritte bei der Durchführung von EMMI bei schwangeren Frauen. Zunächst müssen die Elektrodenpflaster an den gleichen Stellen wie die MRT-sicheren Pflaster platziert werden. Das Befolgen der Platzierungsanweisungen (siehe Protokoll) ist entscheidend, um Fehler bei der Elektrodenposition zu reduzieren. Zweitens ist es entscheidend, die richtige Menge Gel zu verwenden und einen ausreichenden Kontakt zwischen Elektroden und Haut herzustellen, um eine optimale elektrische Signalaktivität zu gewährleisten. Drittens können mehrere optische Scans erforderlich sein, um die Erfassung einer qualitativ hochwertigen Körperoberflächengeometrie zu gewährleisten.
In der aktuellen Version von EMMI gibt es zwei Einschränkungen. Eine Einschränkung besteht darin, dass die MRT teuer und nicht tragbar ist. Da es für Frauen schwierig ist, sich nach Beginn der Wehen einer MRT zu unterziehen, wird die MRT einige Tage vor dem voraussichtlichen Einsetzen der Wehen durchgeführt. Bei den Frühgeborenen, deren voraussichtlicher Geburtstermin ungewisser ist als bei Terminpatientinnen, planten wir mehrere MRT-Scans in der 24., 28., 32. und 37. Woche (wenn die Patientin ausgetragen wird), um die Körper-Gebärmutter-Geometrie so nah wie möglich an der Geburt zu erfassen. Für die klinische Durchführbarkeit besteht eine potenzielle Verbesserung für EMMI jedoch darin, klinischen Ultraschall zu nutzen, um eine patientenspezifische Körper-Gebärmutter-Geometrie am Krankenbett zu erhalten. Dies würde die Gesamtkosten von EMMI senken und eine Echtzeit-Geometriemessung direkt vor oder während der elektrischen Aufzeichnung ermöglichen. Die andere Einschränkung ist die große Anzahl von Elektroden, die die Kosten der Studie erhöht und sie für den täglichen klinischen Gebrauch erschweren kann. So planen wir zum einen, einen Validierungstest über die Genauigkeit von EMMI mit weniger Elektroden durchzuführen. Auf der anderen Seite planen wir, billigere, tragbare, gedruckte Einwegelektroden zu integrieren, die auf einem elastischen Material montiert werden können32,33,34. Obwohl in Zukunft mehrere Verbesserungen vorgenommen werden, wird sich das Kernprotokoll, über das in diesem Manuskript berichtet wird, nicht ändern. Diese Arbeit würde es anderen Forschungsgruppen ermöglichen, unsere EMMI-Arbeit zu reproduzieren.
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Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. und A.L.S. reichten den vorläufigen US-Antrag Nr. 62/642.389 mit dem Titel "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)" für die in dieser Arbeit beschriebene EMMI-Technologie ein. Y.W. ist als wissenschaftlicher Berater für Medtronic tätig und verfügt über NIH-Forschungsgelder.
Acknowledgments
Wir danken Deborah Frank für die Bearbeitung dieses Manuskripts und Jessica Chubiz für die Organisation des Projekts. Finanzierung: Diese Arbeit wurde unterstützt durch den March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), durch Zuschüsse von NIH/National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 an PIs Wang/Cahill; R01HD104822 an die PIs Wang/Schwartz/Cahill), durch Zuschüsse der Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 an PI Wang) und durch Zuschüsse der Bill and Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 und INV-037302 an PI Wang).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 16 G Vinyl 54" Clear | Jo-Ann Stores | 1532449 | |
| 3 T Siemens Prisma | Siemens | N/A | MRI scanner |
| 3M double coated medical tape – transparent | MBK tape solutions | 1522 | Width - 0.5" |
| Active electrode holders with X -ring | Biosemi | N/A | 17 mm |
| Amira | Thermo Fisher Scientific | N/A | Data analysis software |
| Bella storage solution 28 Quart clear underbed storage tote | Mernards | 6455002 | |
| Extreme-temperature silicone rubber translucent | McMaster-Carr | 86465K71 | Thickness 1.32” |
| Gorilla super glue gel | Amazon | N/A | |
| LifeTime carbide punch and die set, 9 Pc. | Harbor Freight | 95547 | |
| Optical 3D scan | Artec 3D | Artec Eva Lite | |
| PDI super sani cloth germicidal wipes | McKesson medical supply company | Q55172 | Santi-cloth |
| Pin-type active electrodes | Biosemi | Pin-type | |
| REDUX electrolyte gel | Amazon | 67-05 | |
| Soft cloth measuring tape | Amazon | N/A | any brand can be used |
| Sterilite layer handle box | Walmart | 14228604 | Closed box |
| TD-22 Electrode collar 8 mm | Discount disposables | N/A | |
| Vida scanner | Siemens | N/A | MRI scanner |
| Vitamin E dl-Alpha 400 IU - 100 liquid softgels | Nature made | SU59FC52EE73DC3 |
References
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