Summary
筋層イメージング(EMMI)を実施するためのプロトコルを提示し、次の手順を含めます:体表からの複数の筋電図電極センサーの記録、磁気共鳴画像法、および子宮電気信号の再構築。
Abstract
正常な妊娠中、子宮平滑筋である子宮筋層は、子宮頸部のリモデリングを助けるために、妊娠後期に弱く協調性のない収縮を起こし始めます。分娩では、子宮筋層は胎児を分娩するために強く協調的な収縮を起こします。子宮収縮パターンをモニターして陣痛開始を予測するためのさまざまな方法が開発されています。ただし、現在の手法では、空間カバレッジと特異性が制限されています。私たちは、子宮収縮中の子宮の電気的活動を3次元子宮表面に非侵襲的にマッピングする筋膜イメージング(EMMI)を開発しました。EMMIの最初のステップは、T1強調磁気共鳴画像法を使用して、被験者固有の体-子宮形状を取得することです。次に、体表面に配置した最大192個のピン型電極を使用して、子宮筋層から電気記録を収集します。最後に、EMMIデータ処理パイプラインを実行して、体-子宮形状と体表面の電気データを組み合わせて、子宮表面の子宮電気的活動を再構築および画像化します。EMMIは、子宮全体の初期活性化領域と伝播パターンを安全かつ非侵襲的に3次元で画像化、特定、測定することができます。
Introduction
臨床的には、子宮収縮は、子宮内圧カテーテルを使用するか、トコダイナモメトリー1を実行することによって測定されます。研究現場では、子宮収縮は、子宮筋層によって生成される生体電気信号を測定するために腹部表面に電極を配置する筋電図(EMG)によって測定できます2,3,4,5,6,7。筋電図から得られた電気バースト8,9,10,11,12の大きさ、周波数、伝播の特徴を利用して、早産期の分娩開始を予測することができます。しかし、従来の筋電図では、子宮収縮の電気的活動は、限られた数の電極(腹面中央に2つの13と4つの7,14,15,16、および下腹部表面に64 17)を使用して、腹部表面のごくわずかな領域からのみ測定されていました。さらに、従来の筋電図は、子宮全体からの平均化された電気的活動のみを反映し、収縮中の子宮表面の特定の電気的開始および活性化パターンを検出できないため、陣痛のメカニズムを研究する能力に限界がありました。
筋層イメージング(EMMI)と呼ばれる最近の開発は、従来のEMGの欠点を克服するために導入されました。EMMIは、子宮収縮中の子宮筋層全体の電気的活性化シーケンスの非侵襲的イメージングを可能にします18、19、20、21。体と子宮の形状を取得するために、EMMIはT1強調磁気共鳴画像法(MRI)22,23,24を使用します22,23,24、これは妊娠中期および妊娠後期の妊婦に広く使用されています。次に、体表面に配置した最大192個のピン型電極を使用して、子宮筋層から電気記録を収集します。最後に、EMMIデータ処理パイプラインが実行されて、身体−子宮の幾何学的形状と電気的データとが結合され、子宮表面21上の電気的活動が再構成および画像化される。EMMIは、子宮収縮の開始と子宮収縮中の画像伝播パターンを3次元で正確に特定できます。この記事は、EMMI手順を提示し、妊婦から得られた代表的な結果を示すことを目的としています。
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Protocol
ここに記載されているすべての方法は、ワシントン大学の治験審査委員会によって承認されています。
1. MRI対応マーカーパッチ、電極パッチ、定規(図1)
- MRIと電極パッチのテンプレート(図1A)を紙に印刷します。
- 透明なビニールとシリコーンゴムのシート(材料表)を、22(ビニール)と44(ゴム)の長方形(120 mm x 60 mm)と、4(ビニール)と8(シリコーンゴム)の正方形(60 mm x 60 mm)のパッチにカットします。
- MRIセーフマーカーパッチの作成:テンプレートに透明なビニールパッチを重ね、テンプレート上の電極ホルダーの空洞を表す円の中心にあるビニールパッチにMRIセーフマーカー(ビタミンD液体ソフトジェル)を接着します(図1B)。
- 電極パッチを作成する:直径8mmのパンチセットを使用して、シリコンゴムパッチの円の位置とそれらの位置のパンチ穴にラベルを付けます。
- 電極ホルダーを両面粘着カラーで各穴に取り付けます(材料表)。電極ホルダーキャビティの円周をシリコンシートに開けた穴の円周に合わせます。
- Xリングを電極ホルダー上部の空洞に取り付け、色分けされたシリコンシートでホルダーを覆い、ピンタイプのアクティブ電極をXリングからホルダーに挿入します。電極は、電極ホルダーのキャビティの中央に配置されています。電極ケーブルは、シリコンシートの2つの層の間と、長辺に沿って2列のホルダーの中央に配置する必要があります。必要に応じて、電極ケーブルを電極ホルダーに絡ませて長さを調整します。電極パッチの組み立てが完了しました(図1C)。
- 医療グレードの両面テープを3枚、パッチの長辺に沿った電極列の間の電極パッチに貼り付けます。
- 6本の巻尺を30cmのマークで切ります。上部を0cmから30cmに保ちます。水平定規を作るには、2本の巻尺の0cmの端を、テープの幅に隙間を空けて長いビニールストリップに接着します。各定規に両面粘着テープを貼ります。
- パッチと定規は、蓋を閉じた収納ボックスに保管してください。
2.MRIスキャン
注:MRIスキャンは、母親の出産予定日より前に、36〜40週の在胎週数(GA)で予定されており、被験者のスケジュールと看護師の推奨事項に基づいて決定されます。このステップの推定所要時間は 2 時間です。
- 被験者が同意書に署名した後、被験者に街着からMRI技術者が提供するMRセーフのズボンとガウンに着替えるように依頼します。MRセーフマーカーパッチ(図1B)を診察室の体表面に貼ります。
- 裏面にパッチを配置します。
- 被験者に診察ベッドに座るように指示します。ライナーを両面テープから剥がし、定規の端を臀部の谷間に当てて、被験者の背骨に沿って垂直定規を貼り付けます。
- 腸骨稜の高さに水平定規を置き、中央が垂直定規と交差します。パッチの両面テープからライナーをはがします。
- 背面に長方形のパッチを 2 つ適用し、パッチの長い辺が垂直定規の隣に、パッチの角が定規の交点になるようにします。
- 最初の 2 つのパッチの左右に追加のパッチを配置して、パッチが左右対称になるようにします。平均的なサイズの被験者には、両側に4つの長方形のパッチを適用します(図1E)。
- 腹部の表面にパッチを置きます。
- 検査ベッドの頭を約40°まで上げ、被験者がファウラーの姿勢で横になるように誘導します。腹部の正中線に沿って垂直定規を置き、眼底領域近くの3cmのマークを手動触診で決定します。
- 水平定規は、その中心が垂直定規の6cmのマークにあり、腹部の自然な湾曲に沿って左右の横方向に伸びるように適用します。
- 最初の長方形のパッチを水平定規の上、垂直定規の左側に配置して、長辺が水平定規と平行になり、パッチの 1 つの角が 2 つの定規の交点になるようにします。
- 2 番目の長方形のパッチを 1 番目のパッチの左側に配置し、その長いエッジを水平定規に沿って配置します。3 番目と 4 番目のパッチを水平定規の真下に配置し、1 番目と 2 番目のパッチと垂直に揃えます。
- 5 番目の長方形のパッチを 3 番目のパッチの下に置き、その短い辺を垂直定規に沿って配置します。左側の 5 番目のパッチの隣に 6 番目の長方形のパッチを配置します。7 番目のパッチを 5 番目のパッチの下に置き、短辺を垂直定規に沿って配置します。腹部の湾曲のために、パッチ2、3、5、および7の間に7〜7cmの隙間を残します。
- 2 つの正方形のパッチ (s1 と s2) を 6 番目のパッチと 7 番目のパッチの下に配置し、それぞれ 6 番目と 7 番目のパッチに垂直に揃えます。右腹部表面にパッチを配置して、左側のパッチと左右対称になるようにします(図1F)。
- 裏面にパッチを配置します。
- パッチレイアウトの写真とメモを撮って、定規の相対的な位置と被験者の臍を記録します。
- MRI施設のゾーンIIで、MRIの安全規則および規制に従ってMR技術者に被験者をスクリーニングしてもらいます。次に、被験者をゾーンIIIから3T MRスキャナーが存在するゾーンIVに誘導します。
- 仰臥位でMRIベッドに横になるように患者を誘導し、MRセーフマイク、ヘッドフォンセット、および信号スクイーズボールを提供します。被験者の下腹部を32アレイのMRIコイルで覆います(図2A)。MRスキャンを開始します。
注:放射状容積補間息止め検査高速T1強調シーケンスを使用して、3 T Siemens PrismaまたはVidaスキャナーのいずれかを使用して腹部全体にMRIを実行しました。得られたMR画像の解像度は1.56 mm x 1.56 mm、スライスの厚さは4 mmでした。
- 仰臥位でMRIベッドに横になるように患者を誘導し、MRセーフマイク、ヘッドフォンセット、および信号スクイーズボールを提供します。被験者の下腹部を32アレイのMRIコイルで覆います(図2A)。MRスキャンを開始します。
- ローカライザーを使用して、子宮と子宮頸部全体をカバーするように視野を調整します。次に、体積補間息止め検査(繰り返し時間[TR] = 4.07 ms、エコー時間[TE] = 1.78 ms、フリップ角度= 10°)およびデータセットの多面再構成(視野[FOV] = 500 mm x 500 mm、マトリックス= 320 x 320、ボクセルサイズ= 1.56 x 1.56 x 4 mm3)を使用して、T1強調シーケンスを使用してMRIスキャンを実行します。
- データを DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 形式で保存します。
- MRIパッチと定規を被験者から取り外し、おしりふきで腹部と背中をきれいにします。
- 貼付部から両面テープをはがし、殺菌用使い捨てワイプで貼付部を消毒し、次の実験のために新しい両面テープを貼ります。
3. 生体電気マッピングと3D光学スキャン
注: 被験者が分娩室に入院し、子宮頸管が約4cmに拡張した後、生体電気マッピングを実施します。このステップの推定所要時間は 2 時間です。
- 電極パッチを準備する:導電性ゲルを湾曲した先端の灌漑シリンジに充填します。シリンジを使用して、各電極パッチの電極ホルダーキャビティにゲルを追加します。両面テープのライナーをはがします。
- 手順2.1で説明したのと同じ手順で、手順2.2で撮影した写真とメモに記載されている配置レイアウトに従って電極パッチを貼り付けます。
- 3D光学スキャナーの電源コードとデータコードを接続します。3Dスキャンソフトウェア(材料表)を開きます。ハンドヘルド光学スキャナー(材料表)を直立させ、点滅するカメラを被写体に向けます。
- スキャナーのスタートボタンを押してスキャンを開始し、もう一度スタートボタンを押してスキャンを記録します。スキャナーを被写体の周りで動かして3D光学スキャンを行い、電極の位置をキャプチャします。
注意: 背面下部の光学スキャンは、背面に電極パッチを配置した後に行われます。腹部表面の光学スキャンは、腹部表面に電極パッチを配置した後に行われます。 - スキャナーの ストップ ボタンを押して、3Dスキャンを終了します。
- スキャナーのスタートボタンを押してスキャンを開始し、もう一度スタートボタンを押してスキャンを記録します。スキャナーを被写体の周りで動かして3D光学スキャンを行い、電極の位置をキャプチャします。
- パッチレイアウトの写真とメモを取ります。定規の相対的な位置と被験者のへそに注意してください。
- 「LL」電極を左下腹部に、「LA」電極を左上胸部に、「RA」電極を右上胸部に、「DRL」電極を臍または右下腹部近くの腹面に置いて、4つの接地電極を配置します。
- ラップトップ、アナログ-デジタル(AD)ボックス、バッテリーボックス、電極パッチ、接地電極ケーブル、光ファイバー、USB2レシーバーなど、生体電気マッピングハードウェアのコンポーネントを接続します(図1D)。
- ラップトップでソフトウェアの アクティブビュー を開き、ADボックスをオンにします。
注意: ADボックスのステータスライトが黄色の場合は、接地電極が皮膚に接触していません。この場合、接地電極を取り外し、ゲルを追加して、元の位置に戻します。ステータスライトが青色に変わるまで繰り返します。 - アクティブビューで電極オフセットモジュールを確認します。電極のずれが大きい(最大オフセットの4分の1以上)場合は、医療用紙テープで固定するか、再度取り付ける(取り外し、ゲルを追加し、元の位置に戻す)ことで、皮膚との接触を改善します。
- [ファイルの開始] > [一時停止] をクリックして、生体電気信号データ ストリームをリアルタイムで保存します。900秒の記録後、[一時停止]、[保存>停止]をクリックして記録を終了し、多電極測定をバイナリデータファイル(BDF)ファイルに保存します。
- 研究助手がチェックした後、ステップ3.9を4回繰り返して、被験者が快適で続行する意思があることを確認します。
- 最後の録音(通常は合計4回)が終わったら、ADボックスの電源を切り、電極パッチ、接地電極、光ファイバー、USBケーブルを外します。
- 電極パッチと接地電極を被写体から取り外します。
- 被験者の腹部と腰をタオルまたはおしりふきできれいにします。
- すべての機器を梱包し、電極パッチと接地電極を保管して清掃します。
- 電極パッチと接地電極は、洗浄室で食器用洗剤を使用してぬるま湯で洗浄してください。殺菌ワイプで消毒します。
- パッチを風乾させ、次の実験のためにパッチと定規に両面取り付けテープを貼り付けます。
4. 体-子宮形状の生成
- データ解析ソフトウェアアプリケーションを使用してMRIデータのセグメンテーションを実行します。
注:ここでは、Amiraソフトウェアが使用されました- データ解析ソフトウェアを起動し、MRI DICOMデータをロードします。セグメンテーションモジュールに移動し、[ 新規 ]をクリックして新しいラベルを作成します。[ 編集] > [範囲を調整してデータ] ヒストグラム> 、画像のコントラストを変更します。
- 矢状ビューで、ブラシツールを選択し、MR 画像の子宮境界にラベルを付け、領域を塗りつぶして、ラベルファイルに追加します。この手順を3〜5スライスごとに繰り返します。
- セグメント化された領域を選択し 、「選択」>「>+の補間」 をクリックして、すべてのスライスのセグメンテーションを補間します。これで子宮表面のセグメンテーションは完了です。
- [ 新規 ] をクリックして、新しいラベル ファイルを作成します。 魔法の杖ツールを選択し、マスキングしきい値をデータヒストグラムの初期局所最小値に配置し、本文全体が青色で強調表示されるまで徐々に調整します。
- [ すべてのスライス] を選択し、青色の領域をクリックしてから [+] をクリックし、セグメンテーションをラベル ファイルに追加します。「 セグメンテーション」>「穴を埋める」>「すべてのスライス」>「+ 」をクリックして、穴を固定します。
- セグメンテーションモジュールに移動し、 新規 をクリックして子宮の新しいラベルを作成します。MR画像で子宮を手動でセグメント化します。必要に応じて [補間] を使用します。
- Projectモジュールで、子宮と体の表面のラベルファイルから表面データを生成します。
- サーフェス ファイルを選択し、[簡略化エディタ]>[簡略化]で面の数を 50% 減らして、[今すぐ簡略化]をクリックします。簡略化されたサーフェス ファイルを選択し、[適用]>[サーフェスのスムージング(反復計算 = 20、ラムダ = 0.6)]を右クリックします。次に、スムージングされたサーフェスファイルを選択し、Remesh Surface (% 100) > Applyを右クリックして、各サーフェスに再メッシュします。
- 体表面が約 18,000 個の顔で構成され、子宮表面が約 640 個の顔で構成されるまで、手順 4.1.7 を実行します。
- 「ファイル」(File) >「データを STL ASCII としてエクスポート」(Export Data As > STL ascii) をクリックして、2 つのサーフェスをステレオリソグラフィー (STL) フォーマットで保存します。
- 光学式3Dスキャンデータの後処理を行います。
- 腹部表面の光学式3Dスキャンファイルを Artec studio 12 professionalにロードします。
- 対象の光学スキャンを選択し、スキャンを複製します。
- [ オートパイロット ] をクリックして、選択したスキャンの処理を開始します。
- モデル作成モジュールで、スキャン品質(ジオメトリ、テクスチャ)、オブジェクトサイズ、穴埋め方法(防水)などを選択し、[ 次へ]をクリックします。
- エディタモジュールで、なげなわ選択を選択し、冗長な領域を消去します。
- 「 次へ 」をクリックして、スキャンの自動絞り込みを作成します。
- [Editor > Lasso selection] をクリックして、不要な領域を削除します。
- 「ファイル」(File) >「メッシュを STL ファイル形式>エクスポート」(Export Meshes STL File Format ) をクリックして、サーフェスを STL フォーマットで保存します。
- 光学式3DスキャンデータをMRIの体表面に合わせ、データ解析ソフトウェアのツールコマンド言語(TCL)スクリプトを使用して体-子宮形状を生成します。
- 手順4.1および4.2で生成されたSTLフォーマットのサーフェスを、事前にプログラムされたデータ解析ソフトウェアプロジェクトで読み込みます。
- プロンプト TCL コマンド・ラインを実行して、腹部表面の剛体位置合わせ用のデータ分析ソフトウェア・オブジェクトを準備します。
- 2つのビューア(水平)をクリックし、左の ビューア に光学スキャンの胴体表面を、右のビューアにMRI体の表面を表示します。
- 両方のサーフェスに 5 つまたは 6 つのランドマークを配置し、プロンプト TCL コマンド ラインを実行して剛体線形を適用します。
- 裏面について手順4.3.2-4.3.4を繰り返します。
- Single Viewerをクリックし、剛体整列された光学スキャンされたボディサーフェスをビューアに表示します。
- プロンプト TCL コマンド ラインを実行して、非剛体アライメント用のデータ解析ソフトウェア オブジェクトを準備します。
- [プロジェクト]>[オブジェクト>ランドマークの作成]をクリックし、光学スキャンされたボディ表面の電極位置にランドマークを追加します。
- 「ファイル」(File) >「データをエクスポート」( Export Data As > Landmark)「ASCII を設定」(Set Ascii ) の順にクリックして、非剛体整列のランドマークファイルをエクスポートします。
- EMMI データ処理パイプラインでジオメトリ モジュールを実行して、非剛体アライメントを実行します。
- TCLコマンドラインプロンプトを実行して、自動的に位置合わせされた電極ランドマークをインポートし、ステップ2.3および3.3で説明したメモと写真を参照して電極ランドマークの精度を向上させます。
- 「ファイル」(File) >「データを エクスポート」(Export Data As> Landmark)「ASCII を設定」(Set Ascii) の順にクリックして、電極位置のランドマークファイルをエクスポートします。
- EMMI データ処理パイプライン ジオメトリ モジュールを実行して STL ファイルと LandmarkSet ファイルを読み込み、体-子宮ジオメトリを MAT 形式で生成します。
5. 電気信号の前処理
- EMMI データ処理パイプライン - EMG 前処理モジュールを実行して BDF ファイルを読み込み、周波数帯域 0.34-1 Hz のバターワース フィルターで生の電気信号を処理します。
- EMMI データ処理パイプラインのアーティファクト検出モジュールを実行して、フィルター処理された信号のローカルおよびグローバル アーティファクトを自動的に検出します。
6. 子宮の電気信号の再構成と特性評価
- EMMI データ処理パイプライン再構成モジュールを実行して、体-子宮形状と前処理された電気信号データを読み込み、子宮表面の電気信号を計算します。
- EMMIデータ処理パイプライン-EMG信号解析モジュールを実行して、子宮表面上の各EMGバーストのオンセットとオフセットを自動的に検出します。
- クラスター図オーバーレイの観察ウィンドウを選択して、すべての観察ウィンドウの各子宮位置での活性化時間を計算し、各観察ウィンドウの同時線を作成します。
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Representative Results
代表的なMRI安全パッチと電極パッチを図1B、Cに示し、図1Aに示したテンプレートから作成しました。バイオ電気マッピングハードウェアを図1Cに示し、各コンポーネントの接続を詳細に示しています。図2は、MRIパッチを装着した被験者のMRIスキャン(図2A)、3D光学スキャン(図2B)、生体電気マッピング(図2C)、体-子宮形状の生成(図2D)、EMMIデータの概略図(図2E)を含むEMMI手順全体を示しています。
図3A は、サンプリングレートが2,048Hzの代表的な生体表面電図を示しています。生の信号は、ベースラインドリフト、母親の心電図信号、母親の呼吸、およびその他の要因の影響を大きく受けます。電気信号の前処理(プロトコルのセクション5)では、カットオフ周波数が0.34-1Hzのバタワースバンドパスフィルタと係数20のダウンサンプリングを適用して、 図3Bに示すフィルタリングされた信号を生成しました。 図3Bでは、3つの明確なEMGバーストは緑色の線でマークされています。
図4A-Fは、0.2秒間隔で6つの連続した子宮表面電位マップを、前方、左、後方、および右側の図で示しています。暖色は正の電位を表し、寒色は負の電位を表します。各子宮電位のそれぞれの時間は、図4A〜Fにアスタリスクで示された部位からの図4Gの電位図で標識されている。高い正電位の領域は、アスタリスクでマークされた部位(図4A)から始まり、拡大し(図4B-E)、最後に減少します(図4F)。これらのEMMIが生成した電位マップにより、研究者は子宮収縮の動的な進行を3次元で視覚化できます。
図5A は、EMMIが生成した4つの視点からの同時線マップを示しています。画像では、暖色は早期活性化、寒色は後期活性化、濃い青色は特定の観察ウィンドウで活性化しないことを表します。この等時線マップは、子宮の活性化が右眼底で開始され、前部と右部に伝播する子宮収縮シーケンスを示しています。左後部では活性化は起こらなかった。部位a、b、およびcからの3つの代表的な子宮電図を 図5Bに示す。赤と青の線は、 図5Aの同時線マップの開始時刻と終了時刻をそれぞれ示しています。筋電図バーストは、サイトaのEMGバーストは、サイトbおよびcのEMGバーストよりも先に発生しました。これらのEMMI生成の等時線マップにより、研究者は子宮収縮シーケンスを視覚化できます。
図1:電極パッチの設計 。 (A)MRIセーフマーカーパッチと電極パッチを作成するためのテンプレートで、測定値はミリメートルで示されています。(B)MRIセーフマーカーパッチ。(C)電極ホルダー、ピン型電極、電極パッチ。(D)各コンポーネントにラベルを付けた生体電気マッピングハードウェア。(E)腹部表面のパッチレイアウト。(F)裏面のパッチレイアウト。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:EMMIシステムのフローチャート 。 (A)下半身のMRIスキャン。(B)電極を装着した体表面の3D光学スキャン。(C)生体電気マッピング。(D)体-子宮形状と電気信号の前処理。(E)子宮の電気信号の再構築と特性評価。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:代表的な体表面電位図。 (A)体表面のピン型電極から記録された375sの生信号。(B)バターワースバンドパスとダウンサンプリング後のAからの信号。緑色の線は、筋電図バーストの時間を示しています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:代表的な子宮表面電位マップ。 (A-F)電位マップは、電位図にGで赤い点でマークされた時間で4つのビューに表示されます。暖色は正の電位を表し、寒色は負の電位を表します。(G)A〜Fにアスタリスクでラベル付けされた部位の電図。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:代表的な子宮等時線マップと電位図。 (A)4つのビューで示された等時線マップで、暖色は早期活性化、寒色は後期活性化、濃い青色は非活性化を表します。(B)部位a、b、cの子宮電図。赤と青の縦線は、それぞれこの同時線マップの観測ウィンドウの開始点と終了点を示しています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
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Discussion
筋電図検査は、子宮の電気信号の周波数と振幅が妊娠期間中に変化することを示しています2,16,25。いくつかの研究は、活動的な分娩中の患者の子宮収縮の子宮増殖パターンを調査しています10,17,26,27,28。それでも、数とカバレッジが限られていること、および体表面電極の非標準構成のために、決定的な伝搬方向は報告されていません。優勢な伝播方向がないのは、子宮筋層16,29の非固定ペースメーカーによるものかもしれないが、説得力のある直接的な証拠は報告されていない。EMMIは、体表面の電極を完全にカバーし、逆計算を適用して子宮表面の電気的活動を再構築します。EMMIは、子宮表面全体での子宮収縮の電気的伝播を特徴付けることを可能にし、収縮がどこでどのように伝播するかを表示します。さらに、EMMIは時間分解能が高いため、分娩の進行に伴う子宮収縮の推移を等時線マップで解析することができます。子宮収縮の徹底的な分析は、ヒトの子宮筋層の電気的成熟に関する新しい洞察を提供し、人間の分娩の臨床管理を改善することが期待されます。
早産は、子宮頸部疾患、感染症、プロゲステロン作用の低下、胎盤の病変、子宮の異常な収縮など、複数の病理学的プロセスによって引き起こされる可能性のある状態です30,31。EMMIは、子宮収縮の高時間・空間分解能の電気画像を提供することで、子宮収縮異常による早産・早産の予測精度向上に大きな期待が寄せられています。
妊娠中の女性にEMMIを実施するには、いくつかの重要なステップがあります。まず、電極パッチはMRIセーフパッチと同じ場所に配置する必要があります。配置手順(プロトコルを参照)に従うことは、電極の位置誤差を減らすために重要です。第二に、最適な電気信号活動を確保するために、適切な量のゲルを使用し、電極と皮膚の間に適切な接触を確立することが重要です。第三に、高品質の体表面形状を確実に取得するために、複数の光学スキャンが必要になる場合があります。
EMMI の現在のバージョンには 2 つの制限があります。1つの制限は、MRIが高価で持ち運びができないことです。女性は陣痛が始まってからMRIを受けることが難しいため、陣痛が始まる数日前にMRIを実施します。早産患者については、正期産よりも分娩予定日が不確実であるため、24週、28週、32週、37週(正期産の場合)に複数回のMRIスキャンをスケジュールし、分娩にできるだけ近い体と子宮の形状を記録しました。しかし、臨床的実現可能性のために、EMMIの潜在的な強化は、臨床超音波を利用して、ベッドサイドで患者固有の体と子宮の形状を取得することです。これにより、EMMIの全体的なコストが削減され、電気的記録の直前または記録中にリアルタイムの形状測定が可能になります。もう一つの制限は、電極の数が多いため、研究のコストが増加し、日常の臨床使用が困難になる可能性があることです。そこで、一方では、より少ない電極数でEMMIの精度を実証する検証試験を行う予定です。一方、弾性材料32,33,34に装着可能な、より安価でウェアラブルな使い捨ての印刷電極を組み込む予定である。将来的にはいくつかの機能強化が行われますが、この原稿で報告されているコアプロトコルは変更されません。この研究は、他の研究グループが私たちのEMMI研究を再現することを可能にします。
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Disclosures
Y.W.、A.G.C.、P.C.、およびA.L.S.は、本研究で記載されたEMMI技術について、「System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)」と題する米国仮出願第62/642,389号を提出しました。Y.W.はメドトロニックの科学コンサルタントを務めており、NIHの研究資金を得ています。
Acknowledgments
この原稿を編集してくれたDeborah Frankと、プロジェクトを企画してくれたJessica Chubizに感謝します。 資金提供:この研究は、マーチ・オブ・ダイムズ・センター助成金(22-FY14-486)と、NIH/National Institute of Child Health and Human Development(R01HD094381からPIs Wang/Cahillへの助成金によって支援されました。R01HD104822 PIs Wang/Schwartz/Cahill)、Burroughs Wellcome Fund Premature Birth Initiative(PI WangへのNGP10119)からの助成金、およびBill and Melinda Gates Foundationからの助成金(INV-005417、INV-035476、およびINV-037302 to 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).
