Summary
Vi præsenterer en protokol til udførelse af elektromyometrisk billeddannelse (EMMI), herunder følgende procedurer: flere elektromyografielektrodesensoroptagelser fra kropsoverfladen, magnetisk resonansbilleddannelse og rekonstruktion af elektrisk signal i livmoderen.
Abstract
Under normal graviditet begynder livmoderens glatte muskel, myometrium, at have svage, ukoordinerede sammentrækninger sent i drægtigheden for at hjælpe livmoderhalsen med at ombygge. I arbejdskraft har myometriumet stærke, koordinerede sammentrækninger for at levere fosteret. Forskellige metoder er blevet udviklet til at overvåge livmoderkontraktionsmønstre for at forudsige arbejdsdebut. De nuværende teknikker har imidlertid begrænset rumlig dækning og specificitet. Vi udviklede elektromyometrisk billeddannelse (EMMI) til noninvasivt at kortlægge livmoderens elektriske aktivitet på den tredimensionelle livmoderoverflade under sammentrækninger. Det første trin i EMMI er at bruge T1-vægtet magnetisk resonansbilleddannelse til at erhverve den fagspecifikke krop-livmodergeometri. Dernæst bruges op til 192 pin-type elektroder placeret på kropsoverfladen til at indsamle elektriske optagelser fra myometrium. Endelig udføres EMMI-databehandlingsrørledningen for at kombinere krops-livmodergeometrien med elektriske data fra kropsoverfladen for at rekonstruere og afbilde livmoderens elektriske aktiviteter på livmoderoverfladen. EMMI kan sikkert og ikke-invasivt afbilde, identificere og måle tidlige aktiveringsområder og formeringsmønstre på tværs af hele livmoderen i tre dimensioner.
Introduction
Klinisk måles livmoderkontraktioner enten ved anvendelse af et intrauterin trykkateter eller ved at udføre tokodynamometri1. I forskningsindstillingen kan livmoderkontraktioner måles ved elektromyografi (EMG), hvor elektroder placeres på abdominaloverfladen for at måle de bioelektriske signaler, der genereres af myometrium 2,3,4,5,6,7. Man kan bruge størrelsen, frekvensen og udbredelsesfunktionerne for elektriske udbrud 8,9,10,11,12 afledt af EMG til at forudsige begyndelsen af arbejdskraft i præterm. I konventionel EMG måles den elektriske aktivitet af livmoderkontraktioner imidlertid kun fra et lille område af abdominaloverfladen med et begrænset antal elektroder (to13 og fire 7,14,15,16 i midten af abdominaloverfladen og 64 17 ved den nedre abdominaloverflade). Desuden er konventionel EMG begrænset i sin evne til at studere arbejdsmekanismerne, da den kun afspejler de gennemsnitlige elektriske aktiviteter fra hele livmoderen og ikke kan detektere de specifikke elektriske initierings- og aktiveringsmønstre på livmoderoverfladen under sammentrækninger.
En nylig udvikling kaldet elektromyometrisk billeddannelse (EMMI) er blevet introduceret for at overvinde manglerne ved konventionel EMG. EMMI muliggør ikke-invasiv billeddannelse af hele myometriums elektriske aktiveringssekvens under livmoderkontraktioner 18,19,20,21. For at erhverve kroppens livmodergeometri bruger EMMI T1-vægtet magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) 22,23,24, som har været meget udbredt til gravide kvinder i deres andet og tredje trimester. Dernæst bruges op til 192 pin-type elektroder placeret på kropsoverfladen til at indsamle elektriske optagelser fra myometrium. Endelig udføres EMMI-databehandlingsrørledningen for at kombinere krop-livmodergeometrien med de elektriske data for at rekonstruere og afbilde elektriske aktiviteter på livmoderoverfladen21. EMMI kan nøjagtigt lokalisere initieringen af livmoderkontraktioner og billedformeringsmønstre under livmoderkontraktioner i tre dimensioner. Denne artikel har til formål at præsentere EMMI-procedurerne og demonstrere de repræsentative resultater opnået fra gravide kvinder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle metoder beskrevet her er blevet godkendt af Washington University Institutional Review Board.
1. MR-sikre markørplastre, elektrodeplastre og linealer (figur 1)
- Udskriv skabelonerne MR og elektrodeplaster (figur 1A) på papir.
- Skær klare vinyl- og silikonegummiplader (materialetabel) i rektangulære (120 mm x 60 mm) og 44 (vinyl) og 8 (silikonegummi) firkantede (60 mm x 60 mm) pletter.
- Lav MR-sikre markørplastre: Overlejr en skabelon med et klart vinylplaster og lim MR-sikre markører (flydende softgels med D-vitamin) på vinylplasteret i midten af cirklerne, som repræsenterer elektrodeholderhulrummene på skabelonen (figur 1B).
- Lav elektrodeplastre: Mærk cirkelplaceringerne på silikonegummiplasterne og stansning af huller på disse steder ved hjælp af et stansesæt med en diameter på 8 mm.
- Fastgør elektrodeholdere over hvert hul med dobbeltsidede klæbekraver (materialetabel). Juster omkredsen af elektrodeholderens hulrum med omkredsen af hullet, der er stanset på silikonepladen.
- Installer X-ringen i hulrummet oven på elektrodeholderen, dæk holderen med det farvekodede silikoneark, og indsæt den aktive elektrode af pin-typen gennem X-ringen i holderen. Elektroden er centreret i elektrodeholderens hulrum. Elektrodekablerne skal gå mellem de to lag silikoneplader og i midten af de to rækker holdere langs den lange kant. Juster længden på elektrodekablet ved at vikle det rundt om elektrodeholderen, hvis det er nødvendigt. Samlingen af et elektrodeplaster afsluttes (figur 1C).
- Påfør tre strimler dobbeltklæbende tape af medicinsk kvalitet på elektrodeplasteret mellem rækkerne af elektroder langs plasterets lange kant.
- Klip seks målebånd ved deres 30 cm mærker. Bevar den øverste sektion fra 0 cm til 30 cm. For at lave en vandret lineal limes kanterne på 0 cm af to målebånd på et langt stykke vinylstrimmel med et hul i båndets bredde. Påfør dobbeltklæbende tape på hver lineal.
- Opbevar plastrene og linealerne i en opbevaringsboks med lukket låg.
2. MR-scanning
BEMÆRK: MR-scanningen er planlagt til en svangerskabsalder (GA) på 36-40 uger, før moderens forventede fødselsdato, bestemt ud fra forsøgspersonens tidsplan og hendes sygeplejerskes anbefaling. Den anslåede varighed for dette trin er 2 timer.
- Når forsøgspersonen har underskrevet samtykkeerklæringen, skal du bede forsøgspersonen om at skifte ud af sit gadetøj til de MR-sikre bukser og kjole, der leveres af MR-teknikeren. Placer MR-sikre markørplastre (figur 1B) på kropsoverfladen i eksamenslokalet.
- Placer pletter på bagsiden.
- Instruer emnet om at sidde på en lægeundersøgelsesseng. Træk foringen af den dobbeltsidede tape og påfør en lodret lineal langs motivets rygsøjle med enden af linealen ved baldespaltningen.
- Placer en vandret lineal på niveau med iliac crest, med midten krydser over den lodrette lineal. Fjern foringen af den dobbeltklæbende tape på plastrene.
- Påfør to rektangulære pletter på bagsiden, så plasternes lange kanter er ved siden af den lodrette lineal, og hjørnerne af pletterne er ved skæringspunktet mellem linealerne.
- Placer yderligere plastre til venstre og højre for de to første plastre, så plastrene er bilateralt symmetriske. For forsøgspersoner af gennemsnitlig størrelse påføres fire rektangulære pletter på hver side (figur 1E).
- Placer pletter på abdominaloverfladen.
- Løft hovedet på eksamenssengen til omkring 40° og guide motivet til at lægge sig i Fowlers position. Placer en lodret lineal langs midterlinjen af maven, med 3 cm-mærket nær fundusområdet bestemt ved manuel palpation.
- Påfør en vandret lineal, så dens centrum er ved 6 cm-mærket på den lodrette lineal og strækker sig til venstre og højre side langs mavens naturlige krumning.
- Placer det første rektangulære område over den vandrette lineal og til venstre for den lodrette lineal, så dens lange kant er parallel med den vandrette lineal, og et hjørne af elementet er i skæringspunktet mellem de to linealer.
- Placer det andet rektangulære plaster til venstre for det første plaster med den lange kant langs den vandrette lineal. Placer det tredje og fjerde plaster direkte under den vandrette lineal og lodret justeret med det første og andet plaster.
- Placer det femte rektangulære plaster under det tredje plaster med den korte kant langs den lodrette lineal. Placer den sjette rektangulære plaster ved siden af den femte på venstre side. Placer det syvende plaster under det femte plaster med den korte kant langs den lodrette lineal. Efterlad mellemrum på 2-3 cm mellem patches 3, 5 og 7 for krumningen af maven.
- Placer de to firkantede plastre (s1 og s2) under det sjette og syvende plaster, lodret justeret med henholdsvis det sjette og syvende plaster. Placer pletter på højre abdominaloverflade, så de er bilateralt symmetriske med dem til venstre (figur 1F).
- Placer pletter på bagsiden.
- Tag billeder og noter af patchlayoutet for at registrere linealernes positioner i forhold til hinanden og motivets umbilicus.
- Få en MR-tekniker til at screene emnet i henhold til MR-sikkerhedsregler og -forskrifter i zone II i MR-anlægget. Før derefter motivet gennem zone III til zone IV, hvor en 3 T MR-scanner befinder sig.
- Vejled patienten til at lægge sig på MR-sengen i liggende stilling og giv hende en MR-sikker mikrofon, et hovedtelefonsæt og en signalklemmekugle. Dæk motivets underliv med en 32-array MR-spole (figur 2A). Start MR-scanningen.
BEMÆRK: En radial volumen interpoleret åndedrætsundersøgelse hurtig T1-vægtet sekvens blev brugt til at udføre MR på hele maven ved hjælp af enten en 3 T Siemens Prisma eller Vida scanner. De resulterende MR-billeder havde en opløsning på 1,56 mm x 1,56 mm og en skivetykkelse på 4 mm.
- Vejled patienten til at lægge sig på MR-sengen i liggende stilling og giv hende en MR-sikker mikrofon, et hovedtelefonsæt og en signalklemmekugle. Dæk motivets underliv med en 32-array MR-spole (figur 2A). Start MR-scanningen.
- Brug lokaliseringen til at justere synsfeltet til at dække hele livmoderen og livmoderhalsen. Udfør derefter en MR-scanning med en T1-vægtet sekvens med den volumeninterpolerede åndedrætsundersøgelse (gentagelsestid [TR] = 4,07 ms, ekkotid [TE] = 1,78 ms, vendevinkel = 10°) og multiplanar rekonstruktion af datasættet (synsfelt [FOV] = 500 mm x 500 mm, matrix = 320 x 320, voxelstørrelse = 1,56 x 1,56 x 4 mm3).
- Gem dataene i DICOM-format (Digital Imaging and Communications in Medicine).
- Fjern MR-plastrene og linealerne fra motivet, og rengør maven og ryggen med babyservietter.
- Fjern den dobbeltklæbende tape fra plastrene, desinficer plastrene med bakteriedræbende engangsservietter, og påfør ny dobbeltklæbende tape til næste eksperiment.
3. Kortlægning af bioelektricitet og optisk 3D-scanning
BEMÆRK: Udfør kortlægning af bioelektricitet, efter at emnet er blevet optaget på arbejds- og leveringsenheden, og hendes livmoderhals er udvidet til omkring 4 cm. Den anslåede varighed for dette trin er 2 timer.
- Forbered elektrodeplastrene: Fyld ledende gel i en buet spidsvandingssprøjte. Tilsæt gelen i elektrodeholderens hulrum på hvert elektrodeplaster ved hjælp af sprøjten. Fjern foringerne på de dobbeltsidede bånd.
- Påfør elektrodeplastrene efter de samme procedurer som beskrevet i trin 2.1 ved at følge placeringslayoutet beskrevet på fotos og noter taget i trin 2.2.
- Tilslut strøm- og dataledningerne til den optiske 3D-scanner. Åbn 3D-scanningssoftwaren (Materialefortegnelse). Hold den håndholdte optiske scanner (materialefortegnelsen) lodret, mens de blinkende kameraer vender mod motivet.
- Tryk på knappen Start på scanneren for at starte scanningen, og tryk på knappen Start igen for at optage scanningen. Flyt scanneren rundt om motivet for at tage optiske 3D-scanninger for at fange elektrodeplaceringerne.
BEMÆRK: Optiske scanninger af den nedre rygoverflade tages efter placering af elektrodeplastre på bagsiden. Optiske scanninger af abdominaloverfladen tages efter placering af elektrodeplastre på abdominaloverfladen. - Tryk på knappen Stop på scanneren for at afslutte 3D-scanningen.
- Tryk på knappen Start på scanneren for at starte scanningen, og tryk på knappen Start igen for at optage scanningen. Flyt scanneren rundt om motivet for at tage optiske 3D-scanninger for at fange elektrodeplaceringerne.
- Tag billeder og noter af patchlayoutet. Bemærk herskernes positioner i forhold til hinanden og fagets navle.
- Placer fire jordingselektroder med "LL" -elektroden nederst til venstre i maven, "LA" -elektroden på venstre øvre bryst, "RA" -elektroden på højre øvre bryst og "DRL" -elektroden på abdominaloverfladen nær navlen eller nederste højre del af maven.
- Tilslut komponenterne i hardwaren til kortlægning af bioelektricitet, herunder den bærbare computer, analog til digital (AD) boks, batteriboks, elektrodeplaster, jordelektrodekabler, optisk fiber og USB2-modtager (figur 1D).
- Åbn softwaren Active View på den bærbare computer, og tænd AD-boksen.
BEMÆRK: Hvis statuslampen er gul på AD-boksen, har jordingselektroderne dårlig kontakt med huden. I dette tilfælde skal du fjerne jordforbindelseselektroderne, tilføje mere gel og placere dem tilbage på deres placeringer. Gentag, indtil statuslampen bliver blå. - Kontroller elektrodeforskydningsmodulet i Active View. Hvis nogen elektroder har en stor forskydning (over en fjerdedel af den største forskydning), skal du forbedre deres kontakt med huden ved at sikre dem ved hjælp af medicinsk papirtape eller ved at geninstallere (fjerne dem, tilføje mere gel og placere dem tilbage på deres placeringer).
- Klik på Start fil > Sat på pause for at gemme datastrømmene for bioelektricitetssignalet i realtid. Efter en 900-sekunders optagelse skal du klikke på Sæt Gem > Stop på pause for at afslutte optagelsen og gemme multielektrodemålingen i en binær datafil (BDF).
- Gentag trin 3.9 fire gange, efter at forskningsassistenten har kontrolleret for at sikre, at emnet er behageligt og villigt til at fortsætte.
- Efter den sidste optagelse (normalt fire optagelser i alt) skal du slukke for AD-boksen og frakoble elektrodeplastrene, jordingselektroderne, optisk fiber og USB-kablet.
- Fjern elektrodeplastrene og jordingselektroderne fra motivet.
- Rengør motivets mave og lænd med et håndklæde eller babyservietter.
- Pak alt udstyr sammen, og opbevar elektrodeplastrene og jordingselektroderne til rengøring.
- Rengør elektrodeplastrene og jordingselektroderne i lunkent vand med opvaskemiddel i rengøringsrummet. Desinficer dem med bakteriedræbende servietter.
- Lufttør plastrene og påfør dobbeltklæbende monteringstape på plastrene og linealerne til næste eksperiment.
4. Generering af krop-livmodergeometri
- Udfør segmentering af MR-data ved hjælp af en dataanalysesoftwareapplikation.
BEMÆRK: Her blev Amira-software brugt- Start dataanalysesoftwaren, og indlæs MRI DICOM-dataene. Gå til segmenteringsmodulet, og klik på Ny for at oprette en ny etiket. Klik på Rediger > Juster området til > Datahistogram for at ændre billedkontrasten.
- I sagittal visning skal du vælge penselværktøjet, mærke livmodergrænserne for MR-billederne, udfylde regionerne og føje til etiketfilen. Gentag dette trin hver tredje til femte skive.
- Markér de segmenterede områder, og klik på Markering > Interpolere > + for at interpolere segmenteringen af alle udsnittene. Dette fuldender segmenteringen af livmoderoverfladen.
- Klik på Ny for at oprette en ny etiketfil. Vælg tryllestavsværktøjet, placer maskeringstærsklen på det oprindelige lokale minimum af datahistogrammet, og juster det gradvist, indtil hele brødteksten er fremhævet med blåt.
- Vælg Alle udsnit, klik på et blåt område, og klik derefter på + for at tilføje segmenteringen i etiketfilen. Klik på Segmentering > Udfyld huller > Alle udsnit > + for at rette hullerne.
- Gå til segmenteringsmodulet, og klik på Ny for at oprette en ny etiket til livmoderen. Segmentér livmoderen manuelt på MR-billederne. Brug Interpolate , hvis det er nødvendigt.
- I projektmodulet skal du generere overfladedata fra etiketfilerne i livmoderen og kropsoverfladen.
- Vælg en overfladefil, reducer antallet af ansigter i Forenklingseditor > Forenkling med 50 %, og klik på Forenkling nu. Vælg den forenklede overfladefil, og højreklik på Glat overflade (iteration = 20, lambda = 0,6) > Anvend. Vælg derefter filen med udjævnet overflade, og højreklik på Remesh Surface (% 100) > Apply to re-mesh to each surface.
- Fortsæt med at udføre trin 4.1.7, indtil kropsoverfladen består af ca. 18.000 flader, og livmoderoverfladen omfatter ca. 640 flader.
- Klik på Filer > Eksporter data som > STL ascii for at gemme de to overflader i stereolitografiformat (STL).
- Udfør efterbehandling af de optiske 3D-scanningsdata.
- Indlæs den optiske 3D-scanningsfil af abdominaloverfladen i Artec studio 12 professional.
- Vælg den optiske målscanning, og dupliker scanningen.
- Klik på Autopilot for at starte behandlingen af den valgte scanning.
- I modulet Modeloprettelse skal du vælge scanningskvalitet (geometri, tekstur), objektstørrelse, hulfyldningsmetode (vandtæt) osv. og klikke på Næste.
- I modulet Editor skal du vælge lassomarkering og slette de overflødige områder.
- Klik på Næste for at oprette en automatisk justering af scanningen.
- Klik på Editor > lassovalg for at fjerne unødvendige områder.
- Klik på Filer > eksportmasker > STL-filformat for at gemme overfladen i STL-format.
- Juster de optiske 3D-scanningsdata til MR-kropsoverfladen, og generer krops-livmodergeometrien med TCL-scripts (tool command language) i dataanalysesoftwaren.
- Indlæs STL-formatoverfladerne, der genereres fra trin 4.1 og 4.2, med forprogrammeret dataanalysesoftwareprojekt.
- Kør prompten TCL-kommandolinjen for at forberede dataanalysesoftwareobjekter til stiv justering for abdominaloverfladen.
- Klik på To fremvisere (vandret), og få vist den optiske scanningstorsooverflade i venstre fremviser og MR-kropsoverfladen i højre fremviser.
- Placer fem eller seks landemærker på begge overflader, og kør prompten TCL-kommandolinjen for at anvende den stive justering.
- Gentag trin 4.3.2-4.3.4 for bagsiden.
- Klik på Enkelt fremviser , og få vist den stivjusterede optisk scannede kropsoverflade i fremviseren.
- Kør prompten TCL-kommandolinjen for at forberede dataanalysesoftwareobjekter til ikke-stiv justering.
- Klik på Projekt > Opret objekt > landemærker , og tilføj landmærker på elektrodeplaceringerne på den optisk scannede kropsoverflade.
- Klik på Filer > Eksporter data som > LandmarkIndstil Ascii for at eksportere landmærkefilerne til ikke-stiv justering.
- Kør modulet Geometri i EMMI-databehandlingspipelinen for at udføre en ikke-stiv justering.
- Udfør TCL-kommandoprompten for at importere de automatisk justerede elektrodelandemærker og forbedre præcisionen af elektrodemærkerne i forhold til de noter og fotos, der er beskrevet i trin 2.3 og 3.3.
- Klik på Filer > Eksporter data som > LandmarkIndstil Ascii til at eksportere skelsættende filer til elektrodeplaceringerne.
- Kør EMMI-databehandlingspipeline-geometrimodulet for at indlæse STL-filerne og LandmarkSet-filerne og generere krop-livmodergeometri i MAT-format.
5. Forbehandling af elektrisk signal
- Kør EMMI-databehandlingsrørlednings-EMG-forbehandlingsmodulet for at indlæse BDF-filen og behandle det rå elektriske signal med et Butterworth-filter med frekvensbåndet 0,34-1 Hz.
- Kør modulet EMMI-databehandlingspipeline - artefaktregistrering for automatisk at registrere de lokale og globale artefakter i det filtrerede signal.
6. Rekonstruktion og karakterisering af livmoderens elektriske signal
- Kør EMMI-modulet til rekonstruktion af databehandlingsrørledningen for at indlæse kroppens livmodergeometri og forbehandlede elektriske signaldata og beregne de elektriske signaler på livmoderoverfladen.
- Kør EMMI-databehandlingsrørlednings-EMG-signalanalysemodulet for automatisk at registrere begyndelser og forskydninger af hvert EMG-udbrud på livmoderoverfladen.
- Vælg observationsvinduet på klyngefiguroverlejringen for at beregne aktiveringstiden på hver livmoderplacering for hvert observationsvindue og oprette en isochrone for hvert observationsvindue.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repræsentative MR-sikre plastre og elektrodeplastre er vist i figur 1B,C, oprettet ud fra skabelonen vist i figur 1A. Kortlægningshardwaren til bioelektricitet er vist i figur 1C, med forbindelserne for hver komponent markeret i detaljer. Figur 2 viser hele EMMI-proceduren, herunder en MR-scanning af forsøgspersonen iført MR-plastre (figur 2A), 3D optisk scanning (figur 2B), kortlægning af bioelektricitet (figur 2C), generering af krop-livmodergeometri (figur 2D) og et skema over EMMI-dataene (figur 2E).
Figur 3A viser et repræsentativt råkropsoverfladeelektrogram med en samplingshastighed på 2,048 Hz. Det rå signal påvirkes signifikant af baseline drift, maternal elektrokardiografisk signal, moderens vejrtrækning og andre faktorer. Ved forbehandling af elektriske signaler (afsnit 5 i protokollen) blev der anvendt et Butterworth-båndpasfilter med afskæringsfrekvenser på 0,34-1 Hz og en nedprøve på en faktor 20 for at generere det filtrerede signal vist i figur 3B. Tre klare EMG-udbrud er markeret med grønne linjer i figur 3B.
Figur 4A-F viser seks på hinanden følgende livmoderoverfladepotentialekort med 0,2 s fra hinanden i forreste, venstre, bageste og højre visninger. De varme farver repræsenterer positive potentialer, og de kølige farver repræsenterer negative potentialer. Den respektive tid for hvert livmoderpotentiale er mærket i elektrogrammet i figur 4G, som er fra de steder, der er angivet med stjerner i figur 4A-F. Et område med stort positivt potentiale starter på det sted, der er markeret med en stjerne (figur 4A), forstørres (figur 4B-E) og mindskes til sidst (figur 4F). Disse EMMI-genererede potentialekort giver efterforskere mulighed for at visualisere den dynamiske progression af livmoderkontraktioner i tre dimensioner.
Figur 5A viser et EMMI-genereret isochronkort fra fire visninger. På billederne repræsenterer varme farver tidlig aktivering, kølige farver repræsenterer sen aktivering, og mørkeblå repræsenterer ingen aktivering i det specifikke observationsvindue. Dette isochronkort viser en livmoderkontraktionssekvens, hvor livmoderaktiveringen initieres ved højre fundus og formeres til den forreste og højre. Der skete ingen aktivering i venstre bageste side. Tre repræsentative livmoderelektrogrammer fra sted a, b og c er vist i figur 5B. De røde og blå linjer markerer henholdsvis start- og sluttidspunkterne for isochronkortet i figur 5A. EMG-udbruddet på sted a fandt sted før dem på sted b og c. Disse EMMI-genererede isochronkort giver efterforskere mulighed for at visualisere livmoderkontraktionssekvensen.
Figur 1: Design af elektrodeplasteret . (A) Skabelon til fremstilling af MR-sikre markørplastre og elektrodeplastre med målinger vist i millimeter. (B) MR-sikker markørplaster. (C) Elektrodeholder, pin-type elektrode og elektrodeplaster. (D) Hardware til kortlægning af bioelektricitet med hver komponent mærket. (E) Patch layout på abdominaloverfladen. (F) Patch layout på bagsiden. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Rutediagram over EMMI-systemet . (A) MR-scanning af underkroppen. (B) En 3D optisk scanning af kropsoverfladen med elektroder på plads. C) Kortlægning af bioelektricitet. (D) Krop-livmoder geometri og elektrisk signal forbehandling. (E) Rekonstruktion og karakterisering af elektriske signaler i livmoderen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Repræsentativt elektrogram for kropsoverflade . (A) Et 375 s råsignal optaget fra en pin-type elektrode på kropsoverfladen. (B) Signal fra A efter et Butterworth-båndpas og nedsampling. De grønne linjer markerer tidspunkterne for EMG-udbrud. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Repræsentative kort over potentialet for livmoderoverfladen. (A-F) Potentielle kort vist i fire visninger til tider markeret i elektrogrammet i G med røde prikker. De varme farver repræsenterer positive potentialer, og de kølige farver repræsenterer negative potentialer. (G) Elektrogram på stedet mærket med en stjerne i A-F. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Repræsentativt livmoderisochronkort og elektrogrammer . (A) Et isochronkort vist i fire visninger med varme farver, der repræsenterer tidlig aktivering, kølige farver, der repræsenterer sen aktivering, og mørkeblå, der repræsenterer ikke-aktivering. (B) Uterin elektrogrammer fra sted a, b og c. De røde og blå lodrette linjer markerer henholdsvis starten og slutningen af observationsvinduet for dette isochronkort. Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Elektromyografi har vist, at frekvensen og amplituden af livmoderelektriske signaler ændres i svangerskabsperioden 2,16,25. Flere undersøgelser har undersøgt livmoderformeringsmønstrene for livmoderkontraktioner hos patienter i aktiv arbejdskraft 10,17,26,27,28. Alligevel er der ikke rapporteret nogen afgørende formeringsretning på grund af det begrænsede antal og dækning samt den ikke-standardiserede konfiguration af kropsoverfladeelektroderne. Fraværet af den fremherskende udbredelsesretning kan også skyldes den ikke-fikserede pacemaker i myometrium16,29, men der er ikke rapporteret om overbevisende direkte beviser. EMMI implementerer en fuld dækning af elektroderne på kropsoverfladen og anvender en omvendt beregning til at rekonstruere de elektriske aktiviteter på livmoderoverfladen. EMMI gør det muligt at karakterisere den elektriske udbredelse af livmoderkontraktionen på hele livmoderoverfladen og vise, hvor sammentrækningerne starter, og hvordan de formerer sig. Derudover kan EMMI med sin høje tidsmæssige opløsning analysere udviklingen af livmoderkontraktioner, efterhånden som arbejdet skrider frem med isochronkort. En grundig analyse af livmoderkontraktioner ville holde løfte om at give ny indsigt i human myometrium elektrisk modning og forbedre den kliniske styring af menneskelig arbejdskraft.
For tidlig fødsel er en tilstand, der potentielt er forårsaget af flere patologiske processer, såsom livmoderhalssygdomme, infektion, et fald i progesteronvirkning, placentapatologier, unormal livmoderkontraktion osv.30,31. Ved at levere elektriske billeder med høj tidsmæssig og rumlig opløsning af livmoderkontraktioner har EMMI et stort løfte om at forbedre forudsigelsesnøjagtigheden af for tidlig fødsel forårsaget af unormale livmoderkontraktioner.
Der er flere kritiske trin i udførelsen af EMMI hos gravide kvinder. For det første skal elektrodeplastrene placeres de samme steder som de MR-sikre plastre. Det er afgørende at følge placeringsinstruktionerne (se protokollen) for at reducere fejl i elektrodeplaceringen. For det andet er det afgørende at bruge den passende mængde gel og etablere tilstrækkelig kontakt mellem elektroder og hud for at sikre optimal elektrisk signalaktivitet. For det tredje kan flere optiske scanninger være nødvendige for at sikre erhvervelse af kropsoverfladegeometri af høj kvalitet.
Vi har to begrænsninger i den nuværende version af EMMI. En begrænsning er, at MR er dyrt og ikke bærbart. Fordi det er udfordrende for kvinder at gennemgå MR efter fødslen starter, udføres MR et par dage før de forventes at gå i arbejde. Hvad angår de for tidlige patienter, hvis forventede arbejdsdato er mere usikker end for terminspatienter, planlagde vi flere MR-scanninger efter 24, 28, 32 og 37 uger (hvis patienten går til sigt) for at registrere krop-livmodergeometrien så tæt på arbejdet som muligt. For klinisk gennemførlighed er en potentiel forbedring for EMMI imidlertid at udnytte klinisk ultralyd til at opnå patientspecifik krop-livmodergeometri ved sengen. Dette ville reducere den samlede udgift til EMMI og muliggøre geometrimåling i realtid lige før eller under den elektriske optagelse. Den anden begrænsning er det store antal elektroder, hvilket øger omkostningerne ved undersøgelsen og kan gøre det svært for daglig klinisk brug. Således planlægger vi på den ene side at foretage en valideringstest over nøjagtigheden af EMMI med færre elektroder. På den anden side planlægger vi at inkorporere billigere, bærbare, engangs, trykte elektroder, der kan monteres på et elastisk materiale32,33,34. Selvom der vil blive foretaget flere forbedringer i fremtiden, vil kerneprotokollen, der er rapporteret i dette manuskript, ikke ændre sig. Dette arbejde ville gøre det muligt for andre forskningsgrupper at reproducere vores EMMI-arbejde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. og A.L.S. indsendte US Provisional Application No. 62/642.389 med titlen "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)" for EMMI-teknologien beskrevet i dette arbejde. Y.W. fungerer som videnskabelig konsulent for Medtronic og har NIH-forskningsmidler.
Acknowledgments
Vi takker Deborah Frank for at redigere dette manuskript og Jessica Chubiz for at organisere projektet. Finansiering: Dette arbejde blev støttet af March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), af tilskud fra NIH / National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 til Wang / Cahill; R01HD104822 til Wang / Schwartz / Cahill), ved tilskud fra Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 til PI Wang) og ved tilskud fra Bill og Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 og INV-037302 til 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).
