Summary
Vi presenterar ett protokoll för att genomföra elektromyometrisk avbildning (EMMI), inklusive följande procedurer: multipla elektromyografielektrodsensorinspelningar från kroppsytan, magnetisk resonanstomografi och rekonstruktion av livmoderns elektriska signaler.
Abstract
Under normal graviditet börjar livmoderns glatta muskulatur, myometriet, att ha svaga, okoordinerade sammandragningar vid sen dräktighet för att hjälpa livmoderhalsen att omformas. Under förlossningen har myometriet starka, koordinerade sammandragningar för att förlösa fostret. Olika metoder har utvecklats för att övervaka livmoderns sammandragningsmönster för att förutsäga förlossningsstart. De nuvarande teknikerna har dock begränsad rumslig täckning och specificitet. Vi utvecklade elektromyometrisk avbildning (EMMI) för att icke-invasivt kartlägga livmoderns elektriska aktivitet på den tredimensionella livmoderytan under sammandragningar. Det första steget i EMMI är att använda T1-viktad magnetisk resonanstomografi för att få fram den individspecifika kropps-livmodergeometrin. Därefter används upp till 192 elektroder av stifttyp placerade på kroppsytan för att samla in elektriska registreringar från myometriet. Slutligen utförs EMMI-databehandlingspipelinen för att kombinera kropps-livmodergeometrin med kroppsytans elektriska data för att rekonstruera och avbilda livmoderns elektriska aktiviteter på livmoderns yta. EMMI kan på ett säkert och icke-invasivt sätt avbilda, identifiera och mäta tidiga aktiveringsregioner och förökningsmönster över hela livmodern i tre dimensioner.
Introduction
Kliniskt mäts livmoderkontraktioner antingen med hjälp av en intrauterin tryckkateter eller genom att utföra tokodynamometri1. I forskningsmiljön kan livmoderns sammandragningar mätas med elektromyografi (EMG), där elektroder placeras på bukytan för att mäta de bioelektriska signalerna som genereras av myometrium 2,3,4,5,6,7. Man kan använda magnitud, frekvens och utbredningsegenskaper hos elektriska utbrott 8,9,10,11,12 som härrör från EMG för att förutsäga förlossningens början i förtid. Vid konventionell EMG mäts dock den elektriska aktiviteten av livmodersammandragningar från endast ett litet område av bukytan med ett begränsat antal elektroder (två13 och fyra 7,14,15,16 i mitten av bukytan och 64 17 vid nedre bukytan). Dessutom är konventionell EMG begränsad i sin förmåga att studera förlossningsmekanismerna, eftersom den endast återspeglar de genomsnittliga elektriska aktiviteterna från hela livmodern och inte kan upptäcka de specifika elektriska initierings- och aktiveringsmönstren på livmoderns yta under sammandragningar.
En ny utveckling som kallas elektromyotrial imaging (EMMI) har introducerats för att övervinna bristerna med konventionell EMG. EMMI möjliggör icke-invasiv avbildning av hela myometriumets elektriska aktiveringssekvens under livmoderns sammandragningar 18,19,20,21. För att få fram geometrin mellan kropp och livmoder använder EMMI T1-viktad magnetisk resonanstomografi (MRT)22,23,24, som har använts i stor utsträckning för gravida kvinnor under andra och tredje trimestern. Därefter används upp till 192 elektroder av stifttyp placerade på kroppsytan för att samla in elektriska registreringar från myometriet. Slutligen utförs EMMI-databehandlingspipelinen för att kombinera kropps-livmodergeometrin med elektriska data för att rekonstruera och avbilda elektriska aktiviteter på livmoderns yta21. EMMI kan exakt lokalisera initieringen av livmodersammandragningar och bildutbredningsmönster under livmodersammandragningar i tre dimensioner. Syftet med denna artikel är att presentera EMMI-procedurerna och visa representativa resultat från gravida kvinnor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla metoder som beskrivs här har godkänts av Washington University Institutional Review Board.
1. MRT-säkra markörplåster, elektrodplåster och linjaler (figur 1)
- Skriv ut mallarna för MR och elektrodplåster (bild 1A) på papper.
- Skär genomskinliga vinyl- och silikongummiskivor (Materialtabell) i 22 (vinyl) och 44 (gummi) rektangulära (120 mm x 60 mm) och 4 (vinyl) och 8 (silikongummi) fyrkantiga (60 mm x 60 mm) fläckar.
- Gör MRT-säkra markörplåster: Lägg över en mall med en genomskinlig vinyllapp och limma fast MRI-säkra markörer (flytande kapslar med D-vitamin) på vinylplåstret i mitten av cirklarna, som representerar elektrodhållarhåligheterna på mallen (Figur 1B).
- Gör elektrodplåster: Märk cirkelplatserna på silikongummilapparna och stansa hål på dessa platser med en stanssats med en diameter på 8 mm.
- Fäst elektrodhållare över varje hål med dubbelhäftande kragar (Materialförteckning). Rikta in omkretsen på elektrodhållarens hålighet med omkretsen på hålet som är stansat på silikonskivan.
- Montera X-ringen i hålrummet ovanpå elektrodhållaren, täck hållaren med det färgkodade silikonarket och för in den aktiva elektroden av stifttyp genom X-ringen in i hållaren. Elektroden är centrerad i elektrodhållarens hålighet. Elektrodkablarna ska gå mellan de två lagren av silikonskivor och i mitten av de två raderna av hållare längs långsidan. Justera längden på elektrodkabeln genom att tvinna den runt elektrodhållaren om det behövs. Monteringen av ett elektrodplåster är avslutad (Figur 1C).
- Applicera tre remsor dubbelhäftande tejp av medicinsk kvalitet på elektrodplåstret mellan elektrodraderna längs plåstrets långsida.
- Klipp sex måttband vid 30 cm markeringarna. Håll den övre delen från 0 cm till 30 cm. För att göra en horisontell linjal limmar du fast kanterna på 0 cm på två måttband på en lång bit vinylremsa med ett mellanrum i tejpens bredd. Applicera dubbelhäftande tejp på varje linjal.
- Förvara lapparna och linjalerna i en förvaringslåda med stängt lock.
2. MR-undersökning
OBS: MR-undersökningen är schemalagd vid en graviditetsålder (GA) på 36-40 veckor, före moderns förväntade förlossningsdatum, bestämt utifrån försökspersonens schema och hennes sjuksköterskas rekommendation. Den beräknade tidslängden för detta steg är 2 timmar.
- När försökspersonen har undertecknat samtyckesformuläret, be försökspersonen att byta från sina vanliga kläder till de MR-säkra byxorna och rocken som tillhandahålls av MRT-teknikern. Placera MR-säkra markörplåster (Figur 1B) på kroppsytan i undersökningsrummet.
- Placera plåster på baksidan.
- Instruera försökspersonen att sitta på en medicinsk undersökningssäng. Dra av fodret från den dubbelsidiga tejpen och applicera en vertikal linjal längs motivets ryggrad, med linjalens ände vid skinkläppens klyvning.
- Placera en horisontell linjal i nivå med höftbenskammen, med mitten korsad över den vertikala linjalen. Dra av fodret från den dubbelhäftande tejpen på plåstren.
- Applicera två rektangulära lappar på baksidan, så att lapparnas långa kanter ligger intill den lodräta linjalen och lapparnas hörn är i skärningspunkten mellan linjalerna.
- Placera ytterligare lappar till vänster och höger om de två första lapparna så att lapparna blir bilateralt symmetriska. För medelstora motiv, applicera fyra rektangulära lappar på varje sida (Figur 1E).
- Placera plåster på bukytan.
- Höj huvudändan på undersökningsbädden till cirka 40° och styr försökspersonen att lägga sig ner i Fowlers position. Placera en vertikal linjal längs bukens mittlinje, med 3 cm-märket nära fundusregionen bestämt genom manuell palpation.
- Applicera en horisontell linjal så att dess centrum är vid 6 cm-märket på den vertikala linjalen och sträcker sig till vänster och höger i sidled längs bukens naturliga krökning.
- Placera det första rektangulära lappmärket ovanför den vågräta linjalen och till vänster om den lodräta linjalen, så att dess långsida är parallell med den vågräta linjalen och lappens ena hörn är i skärningspunkten mellan de två linjalerna.
- Placera den andra rektangulära lappen till vänster om den första lappen, med dess långa kant längs den vågräta linjalen. Placera den tredje och fjärde lappen direkt under den vågräta linjalen och lodrätt mot den första och andra lappen.
- Placera den femte rektangulära lappen under den tredje lappen, med kortsidan längs den lodräta linjalen. Placera den sjätte rektangulära lappen bredvid den femte på vänster sida. Placera den sjunde lappen under den femte lappen, med kortsidan längs den lodräta linjalen. Lämna mellanrum på 2-3 cm mellan plåster 3, 5 och 7 för bukens krökning.
- Placera de två fyrkantiga lapparna (s1 och s2) under den sjätte och sjunde lappen, vertikalt i linje med den sjätte respektive sjunde lappen. Placera plåster på höger bukyta så att de är bilateralt symmetriska med de på vänster sida (Figur 1F).
- Placera plåster på baksidan.
- Ta foton och anteckna lappens layout för att registrera linjalernas positioner i förhållande till varandra och motivets navel.
- Låt en MR-tekniker undersöka patienten i enlighet med MRT:s säkerhetsregler och föreskrifter i zon II av MRT-anläggningen. Styr sedan motivet genom zon III till zon IV, där en 3 T MR-skanner finns.
- Vägled patienten att lägga sig på MR-sängen i ryggläge och förse henne med en MR-säker mikrofon, ett hörlursset och en signalboll. Täck patientens nedre del av magen med en 32-array MRT-spole (Figur 2A). Starta MR-skanningen.
OBS: En radiell volyminterpolerad andningsundersökning snabb T1-viktad sekvens användes för att utföra MRT på hela buken med hjälp av antingen en 3 T Siemens Prisma eller Vida scanner. De resulterande MR-bilderna hade en upplösning på 1,56 mm x 1,56 mm och en skivtjocklek på 4 mm.
- Vägled patienten att lägga sig på MR-sängen i ryggläge och förse henne med en MR-säker mikrofon, ett hörlursset och en signalboll. Täck patientens nedre del av magen med en 32-array MRT-spole (Figur 2A). Starta MR-skanningen.
- Använd lokaliseraren för att justera synfältet så att det täcker hela livmodern och livmoderhalsen. Utför sedan en MRT-skanning med en T1-viktad sekvens med den volyminterpolerade andningsundersökningen (repetitionstid [TR] = 4,07 ms, ekotid [TE] = 1,78 ms, vippvinkel = 10°) och multipla rekonstruktion av datamängden (synfält [FOV] = 500 mm x 500 mm, matris = 320 x 320, voxelstorlek = 1,56 x 1,56 x 4 mm3).
- Lagra data i DICOM-format (Digital Imaging and Communications in Medicine).
- Ta bort MRT-plåstren och linjalerna från motivet och rengör buken och ryggen med våtservetter.
- Ta bort den dubbelhäftande tejpen från plåstren, desinficera plåstren med bakteriedödande engångsservetter och applicera ny dubbelhäftande tejp för nästa experiment.
3. Kartläggning av bioelektricitet och optisk 3D-skanning
OBS: Genomför bioelektricitetskartläggning efter att försökspersonen har lagts in på förlossningsavdelningen och hennes livmoderhals har vidgats till cirka 4 cm. Den beräknade tidslängden för detta steg är 2 timmar.
- Förbered elektrodplåstren: Fyll ledande gel i en bevattningsspruta med böjd spets. Tillsätt gelen i elektrodhållarhåligheterna på varje elektrodplåster med hjälp av sprutan. Ta bort fodret på de dubbelhäftande tejperna.
- Applicera elektrodplåstren enligt samma procedurer som beskrivs i steg 2.1, följ placeringslayouten som beskrivs i bilderna och anteckningarna som togs i steg 2.2.
- Anslut ström- och datakablarna till den optiska 3D-skannern. Öppna 3D-skanningsprogrammet (Table of Materials). Håll den handhållna optiska skannern (materialtabell) upprätt, med de blinkande kamerorna vända mot motivet.
- Tryck på Start-knappen på skannern för att starta skanningen och tryck på Start-knappen igen för att spela in skanningen. Flytta skannern runt motivet för att ta optiska 3D-skanningar för att fånga elektrodplatserna.
OBS: Optiska skanningar av den nedre ryggytan tas efter att elektrodplåster har placerats på baksidan. Optiska skanningar av bukytan tas efter att elektrodplåster placerats på bukytan. - Tryck på knappen Stopp (Stop ) på skannern för att avsluta 3D-skanningen.
- Tryck på Start-knappen på skannern för att starta skanningen och tryck på Start-knappen igen för att spela in skanningen. Flytta skannern runt motivet för att ta optiska 3D-skanningar för att fånga elektrodplatserna.
- Ta foton och anteckna lapplayouten. Lägg märke till linjalernas positioner i förhållande till varandra och motivets navel.
- Placera fyra jordningselektroder, med "LL"-elektroden på nedre vänstra buken, "LA"-elektroden på vänster övre bröstkorg, "RA"-elektroden på höger övre bröstkorg och "DRL"-elektroden på bukytan nära naveln eller nedre högra buken.
- Anslut komponenterna i hårdvaran för kartläggning av bioelektricitet, inklusive den bärbara datorn, analog till digital (AD) box, batterilåda, elektrodplåster, jordelektrodkablar, optisk fiber och USB2-mottagare (Figur 1D).
- Öppna programvaran Active View på den bärbara datorn och slå på AD-boxen.
OBS: Om statuslampan lyser gult på AD-boxen har jordningselektroderna dålig kontakt med huden. Ta i så fall bort jordningselektroderna, tillsätt mer gel och sätt tillbaka dem på sina platser. Upprepa tills statuslampan blir blå. - Kontrollera elektrodförskjutningsmodulen i Active View. Om några elektroder har en stor förskjutning (över en fjärdedel av den största förskjutningen), förbättra deras kontakt med huden genom att fästa dem med medicinsk papperstejp eller genom att sätta tillbaka dem (ta bort dem, lägga till mer gel och placera tillbaka dem på sina platser).
- Klicka på Starta fil > Pausad för att spara bioelsignalens dataströmmar i realtid. Efter en inspelning på 900 sekunder klickar du på Pausa Spara > Stopp för att avsluta inspelningen och lagra mätningen med flera elektroder i en BDF-fil (binary data file).
- Upprepa steg 3.9 fyra gånger efter att forskningsassistenten har kontrollerat att försökspersonen är bekväm och villig att fortsätta.
- Efter den sista inspelningen (vanligtvis fyra inspelningar totalt), stäng av AD-boxen och koppla bort elektrodplåstren, jordelektroderna, den optiska fibern och USB-kabeln.
- Ta bort elektrodplåstren och jordningselektroderna från motivet.
- Rengör motivets mage och nedre rygg med en handduk eller våtservetter.
- Packa ihop all utrustning och förvara elektrodplåster och jordningselektroder för rengöring.
- Rengör elektrodplåstren och jordningselektroderna i ljummet vatten med diskmedel i rengöringsrummet. Desinficera dem med bakteriedödande våtservetter.
- Lufttorka plåstren och applicera dubbelhäftande monteringstejp på lapparna och linjalerna för nästa experiment.
4. Generering av kroppen-livmodergeometrin
- Utför segmentering av MR-data med hjälp av ett dataanalysprogram.
OBS: Här användes Amira-programvara- Starta programvaran för dataanalys och läs in MRI DICOM-data. Gå till modulen Segmentering och klicka på Ny för att skapa en ny etikett. Klicka på Redigera > Justera intervallet för att > datahistogram för att ändra bildens kontrast.
- I Sagittal-vyn väljer du penselverktyget, etiketterar livmodergränserna för MR-bilderna, fyller i regionerna och lägger till i etikettfilen. Upprepa detta steg var tredje till femte skiva.
- Markera de segmenterade områdena och klicka på Markering > Interpolera > + för att interpolera segmenteringen av alla segment. Detta fullbordar segmenteringen av livmoderytan.
- Klicka på Ny för att skapa en ny etikettfil. Välj verktyget Trollstav, placera maskeringströskeln på det ursprungliga lokala minimumet för datahistogrammet och justera det gradvis tills hela brödtexten är markerad i blått.
- Välj Alla segment, klicka på ett blått område och klicka sedan på + för att lägga till segmenteringen i etikettfilen. Klicka på Segmentering > Fyll hål > Alla skivor > + för att åtgärda hålen.
- Gå till modulen Segmentering och klicka på Ny för att skapa en ny etikett för livmodern. Segmentera livmodern manuellt på MR-bilderna. Använd interpolering om det behövs.
- I projektmodulen genererar du ytdata från etikettfilerna för livmodern och kroppsytan.
- Välj en ytfil, minska antalet ansikten i Förenklingsredigeraren > Förenkla med 50 % och klicka på Förenkla nu. Välj den förenklade ytfilen och högerklicka på Slät yta (iteration = 20, lambda = 0,6) > Använd. Välj sedan den utjämnade ytfilen och högerklicka på Remesh Surface (% 100) > Apply to re-mesh to re-mesh to each surface.
- Fortsätt att utföra steg 4.1.7 tills kroppsytan består av cirka 18 000 ansikten och livmoderytan består av cirka 640 ansikten.
- Klicka på Arkiv > Exportera data som > STL ascii för att spara de två ytorna i stereolitografiformat (STL).
- Utför efterbehandling av optiska 3D-skanningsdata.
- Ladda den optiska 3D-skanningsfilen av bukytan i Artec studio 12 professional.
- Välj den optiska målskanningen och duplicera skanningen.
- Klicka på Autopilot för att börja bearbeta den valda genomsökningen.
- I modulen Modellskapande väljer du skanningskvalitet (geometri, textur), objektstorlek, hålfyllningsmetod (vattentät) osv. och klickar på Nästa.
- I modulen Redigerare väljer du Lassomarkering och raderar de överflödiga regionerna.
- Klicka på Nästa för att skapa en automatisk förfining av skanningen.
- Klicka på Redigeraren > Lassomarkering för att ta bort onödiga områden.
- Klicka på Arkiv > Exportera nät > STL-filformat för att spara ytan i STL-format.
- Rikta in de optiska 3D-skanningsdata mot MRT-kroppsytan och generera kropps-livmodergeometrin med TCL-skripten (Tool Command Language) i dataanalysprogrammet.
- Ladda STL-formatytorna som genereras från steg 4.1 och 4.2 med förprogrammerade dataanalysprogramvaruprojekt.
- Kör TCL-kommandoraden för att förbereda programvaruobjekt för dataanalys för stel inriktning för bukytan.
- Klicka på Två visningsprogram (horisontellt) och visa den optiska skanningsytan på bålen i den vänstra bildskärmen och MR-kroppsytan i den högra bildskärmen.
- Placera fem eller sex landmärken på båda ytorna och kör TCL-kommandoraden för att tillämpa den stela justeringen.
- Upprepa steg 4.3.2-4.3.4 för baksidan.
- Klicka på Enskild bildskärm och visa den stelt justerade optiskt skannade kroppsytan i visningsfönstret.
- Kör TCL-kommandoraden för att förbereda programvaruobjekt för dataanalys för icke-stel justering.
- Klicka på Projekt > Skapa objekt > Landmärken och lägg till landmärken på elektrodplatserna på den optiskt skannade kroppsytan.
- Klicka på Arkiv > Exportera data som > LandmarkSet Ascii för att exportera landmärkesfilerna för icke-stel justering.
- Kör geometrimodulen i EMMI-databearbetningspipelinen för att utföra en icke-stel justering.
- Kör TCL-kommandoradstolken för att importera de automatiskt inriktade elektrodlandmärkena och förbättra precisionen för elektrodernas landmärken med hänvisning till de anteckningar och foton som beskrivs i steg 2.3 och 3.3.
- Klicka på Arkiv > Exportera data som > LandmarkSet Ascii för att exportera landmärkesfiler för elektrodplatserna.
- Kör modulen EMMI data processing pipeline-geometry för att läsa in STL-filerna och LandmarkSet-filerna och generera body-uterus-geometrin i MAT-format.
5. Förbehandling av elektriska signaler
- Kör EMMI-databehandlingspipeline-EMG-förbehandlingsmodulen för att ladda BDF-filen och bearbeta den råa elektriska signalen med ett Butterworth-filter med frekvensbandet 0.34-1 Hz.
- Kör modulen EMMI-databearbetningspipeline – artefaktidentifiering för att automatiskt identifiera de lokala och globala artefakterna i den filtrerade signalen.
6. Rekonstruktion och karakterisering av livmoderns elektriska signaler
- Kör EMMI-modulen för rörledningsrekonstruktion för databehandling för att läsa in geometrin för kropp-livmoder och förbehandlade elektriska signaldata och beräkna de elektriska signalerna på livmoderns yta.
- Kör EMMI-databehandlingspipeline-EMG-signalanalysmodulen för att automatiskt detektera start- och förskjutningar för varje EMG-utbrott på livmoderytan.
- Välj observationsfönstret på klusterfiguröverlägget för att beräkna aktiveringstiden vid varje livmoderplats för varje observationsfönster och skapa en isokron för varje observationsfönster.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representativa MRT-säkra plåster och elektrodplåster visas i figur 1B,C, skapade från mallen som visas i figur 1A. Hårdvaran för kartläggning av bioelektricitet visas i figur 1C, med anslutningarna för varje komponent markerade i detalj. Figur 2 visar hela EMMI-proceduren, inklusive en MRT-skanning av patienten som bär MRT-plåster (figur 2A), optisk 3D-skanning (figur 2B), kartläggning av bioelektricitet (figur 2C), generering av kropps-livmodergeometri (figur 2D) och en schematisk bild av EMMI-data (figur 2E).
Figur 3A visar ett representativt elektrogram för råkroppsytan med en samplingsfrekvens på 2 048 Hz. Den råa signalen påverkas avsevärt av baslinjedrift, moderns EKG-signal, moderns andning och andra faktorer. Vid förbehandling av elektriska signaler (avsnitt 5 i protokollet) användes ett Butterworth-bandpassfilter med gränsfrekvenser på 0,34-1 Hz och ett nedsampel på en faktor 20 för att generera den filtrerade signalen som visas i figur 3B. Tre tydliga EMG-utbrott är markerade med gröna linjer i figur 3B.
Figur 4A-F visar sex på varandra följande kartor över livmoderns ytpotential med 0,2 s mellanrum i främre, vänster, bakre och höger vyer. De varma färgerna representerar positiva potentialer och de kalla färgerna representerar negativa potentialer. Respektive tid för varje livmoderpotential är märkt i elektrogrammet i figur 4G, som är från de platser som anges med asterisker i figur 4A-F. Ett område med hög positiv potential börjar på platsen markerad med en asterisk (figur 4A), förstoras (figur 4B-E) och minskar slutligen (figur 4F). Dessa EMMI-genererade potentialkartor gör det möjligt för utredare att visualisera den dynamiska utvecklingen av livmodersammandragningar i tre dimensioner.
Figur 5A visar en EMMI-genererad isokronkarta från fyra vyer. I bilderna representerar varma färger tidig aktivering, kalla färger representerar sen aktivering och mörkblått representerar ingen aktivering i det specifika observationsfönstret. Denna isokronkarta visar en livmoderkontraktionssekvens där livmoderaktiveringen initieras vid höger fundus och fortplantar sig till främre och högra sidan. Ingen aktivering skedde i vänster posterior. Tre representativa livmoderelektrogram från platserna a, b och c visas i figur 5B. De röda och blå linjerna markerar start- respektive sluttiderna för isokronkartan i figur 5A. EMG-utbrottet på plats a inträffade före de på plats b och c. Dessa EMMI-genererade isokronkartor gör det möjligt för utredare att visualisera livmoderns kontraktionssekvens.
Figur 1: Elektrodplåstrets utformning . (A) Mall för tillverkning av MRT-säkra markörplåster och elektrodplåster, med mått som visas i millimeter. (B) MRT-säker markörplåster. (C) Elektrodhållare, elektrod av stifttyp och elektrodplåster. (D) Hårdvara för kartläggning av bioelektricitet med varje komponent märkt. (E) Lapplayout på bukytan. (F) Lapplayout på baksidan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Flödesschema över EMMI-systemet . A) MRT-undersökning av underkroppen. (B) En optisk 3D-skanning av kroppsytan med elektroder på plats. (C) Kartläggning av bioelektricitet. (D) Kropps-livmodergeometri och förbehandling av elektriska signaler. (E) Rekonstruktion och karakterisering av elektriska signaler i livmodern. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Representativt elektrogram för kroppsytan. (A) En 375 s råsignal inspelad från en elektrod av stifttyp på kroppsytan. (B) Signal från A efter en Butterworth-bandpass och nedsampling. De gröna linjerna markerar tiderna för EMG-utbrott. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Representativa kartor över livmoderns ytpotential. (A-F) Potentialkartor som visas i fyra vyer vid tidpunkter markerade i elektrogrammet i G med röda prickar. De varma färgerna representerar positiva potentialer och de kalla färgerna representerar negativa potentialer. (G) Elektrogram på platsen märkt med en asterisk i A-F. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Representativ karta över livmoderisokron och elektrogram . (A) En isokronkarta som visas i fyra vyer, med varma färger som representerar tidig aktivering, kalla färger som representerar sen aktivering och mörkblå som representerar icke-aktivering. B) Livmoderelektrogram från platserna a, b och c. De röda och blå vertikala linjerna markerar början respektive slutet av observationsfönstret för denna isokronkarta. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Elektromyografi har indikerat att frekvensen och amplituden för livmoderns elektriska signaler förändras under graviditetsperioden 2,16,25. Flera studier har undersökt livmoderns förökningsmönster för livmodersammandragningar hos patienter i aktiv förlossning 10,17,26,27,28. Ändå har ingen entydig utbredningsriktning rapporterats, på grund av det begränsade antalet och täckningen, samt den icke-standardiserade konfigurationen av kroppsytans elektroder. Frånvaron av den dominerande utbredningsriktningen kan också bero på den icke-fasta pacemakern i myometrium16,29, men inga övertygande direkta bevis har rapporterats. EMMI implementerar en fullständig täckning av elektroderna på kroppsytan och tillämpar en omvänd beräkning för att rekonstruera de elektriska aktiviteterna på livmoderns yta. EMMI gör det möjligt att karakterisera den elektriska utbredningen av livmoderns sammandragning på hela livmoderytan, genom att visa var sammandragningarna initieras och hur de fortplantar sig. Dessutom, med sin höga tidsupplösning, kan EMMI analysera utvecklingen av livmodersammandragningar när förlossningen fortskrider med isokronkartor. En grundlig analys av livmoderkontraktioner skulle vara lovande för att ge nya insikter om mänsklig myometriums elektriska mognad och förbättra den kliniska hanteringen av mänskligt arbete.
För tidig förlossning är ett tillstånd som kan orsakas av flera patologiska processer, såsom livmoderhalssjukdomar, infektion, minskad progesteronverkan, placentapatologier, onormal livmoderkontraktion, etc.30,31. Genom att tillhandahålla elektriska bilder av livmodersammandragningar med hög tids- och rumsupplösning är EMMI mycket lovande när det gäller att förbättra noggrannheten för prediktion av för tidig förlossning/födsel orsakad av onormala livmodersammandragningar.
Det finns flera viktiga steg för att utföra EMMI hos gravida kvinnor. För det första måste elektrodplåstren placeras på samma ställen som de MR-säkra plåstren. Att följa placeringsinstruktionerna (se protokollet) är avgörande för att minska elektrodlokaliseringsfel. För det andra är det viktigt att använda lämplig mängd gel och upprätta tillräcklig kontakt mellan elektroder och hud för att säkerställa optimal elektrisk signalaktivitet. För det tredje kan flera optiska skanningar krävas för att säkerställa förvärv av högkvalitativ kroppsytgeometri.
Vi har två begränsningar i den nuvarande versionen av EMMI. En begränsning är att MR är dyrt och inte bärbart. Eftersom det är svårt för kvinnor att genomgå MR efter att förlossningen har påbörjats, utförs MRT några dagar innan de förväntas gå in i förlossningen. När det gäller de prematura patienterna, vars förväntade förlossningsdatum är mer osäkert än för fullgångna patienter, planerade vi flera MRT-skanningar vid 24, 28, 32 och 37 veckor (om patienten går till fullgånget) för att registrera kropps-livmodergeometrin så nära förlossningen som möjligt. Men för klinisk genomförbarhet är en potentiell förbättring för EMMI att använda kliniskt ultraljud för att få patientspecifik kropps-livmodergeometri vid sängkanten. Detta skulle minska den totala kostnaden för EMMI och möjliggöra geometrimätning i realtid precis före eller under den elektriska inspelningen. Den andra begränsningen är det stora antalet elektroder, vilket ökar kostnaden för studien och kan göra den svår för daglig klinisk användning. Således planerar vi å ena sidan att göra ett valideringstest över noggrannheten hos EMMI med färre elektroder. Å andra sidan planerar vi att införliva billigare, bärbara, engångs, tryckta elektroder som kan monteras på ett elastiskt material32,33,34. Även om flera förbättringar kommer att göras i framtiden, kommer kärnprotokollet som rapporteras i detta manuskript inte att ändras. Detta arbete skulle göra det möjligt för andra forskargrupper att reproducera vårt EMMI-arbete.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. och A.L.S. lämnade in US Provisional Application No. 62/642,389 med titeln "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)" för EMMI-tekniken som beskrivs i detta arbete. Y.W. fungerar som vetenskaplig konsult för Medtronic och har NIH:s forskningsfinansiering.
Acknowledgments
Vi tackar Deborah Frank för redigeringen av detta manuskript och Jessica Chubiz för att ha organiserat projektet. Finansiering: Detta arbete stöddes av March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), genom bidrag från NIH/National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 till PIs Wang/Cahill; R01HD104822 till PIs Wang/Schwartz/Cahill), genom bidrag från Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 till PI Wang) och genom bidrag från Bill and Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 och INV-037302 till 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
- Hadar, E., Biron-Shental, T., Gavish, O., Raban, O., Yogev, Y. A comparison between electrical uterine monitor, tocodynamometer and intra uterine pressure catheter for uterine activity in labor. The Journal of Maternal-Fetal & Neonatal Medicine. 28 (12), 1367-1374 (2015).
- Schlembach, D., Maner, W. L., Garfield, R. E., Maul, H. Monitoring the progress of pregnancy and labor using electromyography. European Journal of Obstetrics, Gynecology, and Reproductive Biology. 144, S33-S39 (2009).
- Jacod, B. C., Graatsma, E. M., Van Hagen, E., Visser, G. H. A. A validation of electrohysterography for uterine activity monitoring during labour. The Journal of Maternal-Fetal & Neonatal Medicine. 23 (1), 17-22 (2009).
- Garfield, R. E., et al. Uterine Electromyography and light-induced fluorescence in the management of term and preterm labor. Journal of the Society for Gynecologic Investigation. 9 (5), 265-275 (2016).
- Devedeux, D., Marque, C., Mansour, S., Germain, G., Duchêne, J. Uterine electromyography: A critical review. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 169 (6), 1636-1653 (1993).
- Jain, S., Saad, A. F., Basraon, S. S. Comparing uterine electromyography & tocodynamometer to intrauterine pressure catheter for monitoring labor. Journal of Woman's Reproductive Health. 1 (3), 22-30 (2016).
- Lucovnik, M., et al. Use of uterine electromyography to diagnose term and preterm labor. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 90 (2), 150-157 (2011).
- Garcia-Casado, J., et al. Electrohysterography in the diagnosis of preterm birth: a review. Physiological Measurement. 39 (2), 02 (2018).
- Maner, W. L., Garfield, R. E. Identification of human term and preterm labor using artificial neural networks on uterine electromyography data. Annals of Biomedical Engineering. 35 (3), 465-473 (2007).
- Rabotti, C., Mischi, M. Propagation of electrical activity in uterine muscle during pregnancy: a review. Acta Physiologica. 213 (2), 406-416 (2015).
- Cohen, W. R.
- Maner, W. L., Garfield, R. E., Maul, H., Olson, G., Saade, G. Predicting term and preterm delivery with transabdominal uterine electromyography. Obstetrics & Gynecology. 101 (6), 1254-1260 (2003).
- Leman, H., Marque, C., Gondry, J. Use of the electrohysterogram signal for characterization of contractions during pregnancy. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 46 (10), 1222-1229 (1999).
- Vasak, B., et al. Uterine electromyography for identification of first-stage labor arrest in term nulliparous women with spontaneous onset of labor. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 209 (3), e1-e8 (2013).
- Euliano, T. Y., et al. Monitoring uterine activity during labor: a comparison of 3 methods. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 208 (1), e1-e6 (2013).
- Garfield, R. E., Maner, W. L. Physiology and electrical activity of uterine contractions. Seminars in Cell & Developmental Biology. 18 (3), 289-295 (2007).
- Rabotti, C., Bijloo, R., Oei, G., Mischi, M. Vectorial analysis of the electrohysterogram for prediction of preterm delivery: a preliminary study. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE. , 3880-3883 (2011).
- Wu, W., et al. Noninvasive high-resolution electromyometrial imaging of uterine contractions in a translational sheep model. Science Translational Medicine. 11 (483), (2019).
- Wang, H., et al. Accuracy of electromyometrial imaging of uterine contractions in clinical environment. Computers in Biology and Medicine. 116, 103543 (2020).
- Cahill, A. G., et al. Analysis of electrophysiological activation of the uterus during human labor contractions. JAMA Network Open. 5 (6), 2214707 (2022).
- Wang, H., et al. Noninvasive electromyometrial imaging of human uterine maturation during term labor. Nature Communications. 14 (1), 1198 (2023).
- Kok, R. D., de Vries, M. M., Heerschap, A., vanden Berg, P. P. Absence of harmful effects of magnetic resonance exposure at 1.5 T in utero during the third trimester of pregnancy: A follow-up study. Magnetic Resonance Imaging. 22 (6), 851-854 (2004).
- Choi, J. S., et al. A case series of 15 women inadvertently exposed to magnetic resonance imaging in the first trimester of pregnancy. Journal of Obstetrics and Gynaecology. 35 (8), 871-872 (2015).
- Ray, J. G., Vermeulen, M. J., Bharatha, A., Montanera, W. J., Park, A. L. Association between MRI exposure during pregnancy and fetal and childhood outcomes. JAMA. 316 (9), 952-961 (2016).
- Benedetti, M. G., Agostini, V., Knaflitz, M., Bonato, P. Applications of EMG in clinical and sports medicine. Intech Open. , 117-130 (2012).
- Lange, L., et al. Velocity and directionality of the electrohysterographic signal propagation. PloS One. 9 (1), e86775 (2014).
- Planes, J. G., Morucci, J. P., Grandjean, H., Favretto, R. External recording and processing of fast electrical activity of the uterus in human parturition. Medical & Biological Engineering & Computing. 22 (6), 585-591 (1984).
- Mikkelsen, E., Johansen, P., Fuglsang-Frederiksen, A., Uldbjerg, N. Electrohysterography of labor contractions: propagation velocity and direction. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 92 (9), 1070-1078 (2013).
- Young, R. C.
- Goldenberg, R. L.
- Rubens, C. E., et al. Prevention of preterm birth: harnessing science to address the global epidemic. Science Translational Medicine. 6 (262), 5 (2014).
- Shi, H., et al. Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures. Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116 (2019).
- Lo, L. W., et al. An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications. ACS Applied Materials and Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).
- Lo, L. W., et al. Stretchable sponge electrodes for long-term and motion-artifact-tolerant recording of high-quality electrophysiologic signals. ACS Nano. 16 (8), 11792-11801 (2022).
