Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Elektromyometrisk avbildning av livmor sammentrekninger hos gravide kvinner

Published: May 26, 2023 doi: 10.3791/65214
Automatic Translation
*1,2,3, *2,3, 2,3,4, 2,3,4, 5, 6, 7, 8, 8, 2,3,4,5
1Department of Physics, Washington University, 2Center for Reproductive Health Sciences, Washington University School of Medicine, 3Department of Obstetrics and Gynecology, Washington University School of Medicine, 4Department of Biomedical Engineering, Washington University, 5Mallinckrodt Institute of Radiology, Washington University School of Medicine, 6Department of Pediatrics, Washington University School of Medicine, 7Department of Cardiology, Washington University School of Medicine, 8Department of Women's Health, University of Texas at Austin, Dell Medical School
* These authors contributed equally

Summary

Vi presenterer en protokoll for gjennomføring av elektromyometrisk avbildning (EMMI), inkludert følgende prosedyrer: flere elektromyografielektrodesensoropptak fra kroppsoverflaten, magnetisk resonansavbildning og rekonstruksjon av livmorelektrisk signal.

Abstract

Under normal graviditet begynner livmor glatt muskel, myometrium, å ha svake, ukoordinerte sammentrekninger ved sen svangerskap for å hjelpe livmorhalsen remodel. I arbeid har myometrium sterke, koordinerte sammentrekninger for å levere fosteret. Ulike metoder er utviklet for å overvåke livmor sammentrekningsmønstre for å forutsi arbeidsutbrudd. Imidlertid har dagens teknikker begrenset romlig dekning og spesifisitet. Vi utviklet elektromyometrisk avbildning (EMMI) for å ikke-invasivt kartlegge livmorelektrisk aktivitet på den tredimensjonale livmoroverflaten under sammentrekninger. Det første trinnet i EMMI er å bruke T1-vektet magnetisk resonansavbildning for å skaffe seg den fagspesifikke kropps-livmorgeometrien. Deretter brukes opptil 192 pin-type elektroder plassert på kroppsoverflaten til å samle elektriske opptak fra myometriumet. Til slutt utføres EMMI-databehandlingsrørledningen for å kombinere kropps-livmorgeometrien med kroppsoverflate elektriske data for å rekonstruere og avbilde livmorelektriske aktiviteter på livmoroverflaten. EMMI kan trygt og ikke-invasivt avbilde, identifisere og måle tidlige aktiveringsregioner og forplantningsmønstre over hele livmoren i tre dimensjoner.

Introduction

Klinisk måles livmorkontraksjoner enten ved bruk av et intrauterint trykkkateter eller ved å utføre tokodynamometri1. I forskningsinnstillingen kan livmorkontraksjoner måles ved elektromyografi (EMG), hvor elektroder plasseres på bukoverflaten for å måle de bioelektriske signalene som genereres av myometrium 2,3,4,5,6,7. Man kan bruke størrelsen, frekvensen og forplantningsfunksjonene til elektriske utbrudd 8,9,10,11,12 avledet fra EMG for å forutsi utbruddet av arbeidskraft for tidlig. I konvensjonell EMG måles imidlertid den elektriske aktiviteten til livmorkontraksjoner fra bare en liten region av bukoverflaten med et begrenset antall elektroder (to13 og fire 7,14,15,16 i midten av bukoverflaten og 64 17 på den nedre bukoverflaten). Videre er konvensjonell EMG begrenset i sin evne til å studere mekanismer for arbeidskraft, da den bare reflekterer de gjennomsnittlige elektriske aktivitetene fra hele livmoren og ikke kan oppdage de spesifikke elektriske initierings- og aktiveringsmønstrene på livmoroverflaten under sammentrekninger.

En nylig utvikling kalt elektromyometrisk avbildning (EMMI) har blitt introdusert for å overvinne manglene ved konvensjonell EMG. EMMI muliggjør ikke-invasiv avbildning av hele myometriumets elektriske aktiveringssekvens under livmorkontraksjoner 18,19,20,21. For å tilegne seg kropps-livmorgeometrien bruker EMMI T1-vektet magnetisk resonansavbildning (MRI) 22,23,24, som har blitt mye brukt for gravide kvinner i andre og tredje trimester. Deretter brukes opptil 192 pin-type elektroder plassert på kroppsoverflaten til å samle elektriske opptak fra myometriumet. Til slutt utføres EMMI-databehandlingsrørledningen for å kombinere kropps-livmorgeometrien med de elektriske dataene for å rekonstruere og avbilde elektriske aktiviteter på livmoroverflaten21. EMMI kan nøyaktig lokalisere initiering av livmor sammentrekninger og bilde forplantning mønstre under livmor sammentrekninger i tre dimensjoner. Denne artikkelen tar sikte på å presentere EMMI-prosedyrene og demonstrere representative resultater oppnådd fra gravide kvinner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle metodene beskrevet her er godkjent av Washington University Institutional Review Board.

1. MR-sikre markørlapper, elektrodeplastre og linjaler (figur 1)

  1. Skriv ut malene for MR og elektrodeplaster (figur 1A) på papir.
  2. Skjær klare vinyl- og silikongummiplater (materialfortegnelse) i 22 (vinyl) og 44 (gummi) rektangulære (120 mm x 60 mm) og 4 (vinyl) og 8 (silikongummi) firkantede (60 mm x 60 mm) flekker.
  3. Lag MR-sikre markørlapper: Legg en mal med et klart vinylplaster og lim MR-sikre markører (vitamin D flytende softgels) til vinylplasteret i midten av sirklene, som representerer elektrodeholderhulene på malen (figur 1B).
  4. Lag elektrodeplaster: Merk sirkelplasseringene på silikongummiplastrene og stans hull på disse stedene ved hjelp av et stansesett med en diameter på 8 mm.
  5. Fest elektrodeholdere over hvert hull med dobbeltsidige selvklebende krager (materialfortegnelse). Juster omkretsen av elektrodeholderhulen med omkretsen av hullet som er stanset på silikonplaten.
  6. Monter X-ringen i hulrommet på toppen av elektrodeholderen, dekk holderen med det fargekodede silikonarket, og sett den aktive elektroden gjennom X-ringen inn i holderen. Elektroden er sentrert i hulrommet til elektrodeholderen. Elektrodekablene skal gå mellom de to lagene med silikonplater og i midten av de to holderradene langs langkanten. Juster lengden på elektrodekabelen ved å tvinne den rundt elektrodeholderen om nødvendig. Montering av et elektrodeplaster avsluttes (figur 1C).
  7. Påfør tre strimler med dobbeltsidig tape av medisinsk kvalitet på elektrodeplasteret mellom radene med elektroder langs den lange kanten av plasteret.
  8. Klipp seks målebånd ved 30 cm merker. Behold toppseksjonen fra 0 cm til 30 cm. For å lage en horisontal linjal, lim kantene på 0 cm av to målebånd til et langt stykke vinylstrimmel med et gap i båndets bredde. Påfør dobbeltsidig tape på hver linjal.
  9. Oppbevar og linjalene i en oppbevaringsboks med lukket lokk.

2. MR-skanning

MR-skanningen er planlagt i en svangerskapsalder (GA) på 36-40 uker, før mors forventede leveringsdato, bestemt basert på fagets tidsplan og sykepleierens anbefaling. Den estimerte varigheten for dette trinnet er 2 timer.

  1. Etter at observanden har signert samtykkeskjemaet, be observanden om å skifte ut av gateklærne til MR-sikre bukser og kjole levert av MR-teknikeren. Plasser MR-sikre markørplaster (figur 1B) på kroppsoverflaten i undersøkelsesrommet.
    1. Plasser flekker på baksiden.
      1. Be faget om å sitte på en medisinsk eksamensseng. Fjern foringen av dobbeltsidig tape og påfør en vertikal linjal langs motivets ryggrad, med enden av linjalen ved rumpespaltningen.
      2. Plasser en horisontal linjal på nivået av iliac crest, med midten krysset over den vertikale linjalen. Fjern foringen av den dobbeltsidige tapen på plastrene.
      3. Påfør to rektangulære flekker på baksiden, slik at de lange kantene på er ved siden av den vertikale linjalen og hjørnene på er i skjæringspunktet mellom linjalene.
      4. Plasser ekstra plastre til venstre og høyre for de to første plastrene, slik at flekkene er bilateralt symmetriske. For personer med gjennomsnittlig størrelse, bruk fire rektangulære flekker på hver side (figur 1E).
    2. Plasser flekker på bukoverflaten.
      1. Løft hodet på eksamenssengen til rundt 40° og veiled motivet til å legge seg i Fowlers posisjon. Plasser en vertikal linjal langs bukets midtlinje, med 3 cm-merket nær fundus-regionen bestemt av manuell palpasjon.
      2. Påfør en horisontal linjal slik at senteret er på 6 cm merket av den vertikale linjalen og strekker seg til venstre og høyre lateral langs den naturlige krumningen i magen.
      3. Plasser den første rektangulære flekken over den horisontale linjalen og til venstre for den vertikale linjalen, slik at den lange kanten er parallell med den horisontale linjalen og det ene hjørnet av plasteret er i skjæringspunktet mellom de to linjalene.
      4. Plasser det andre rektangulære plasteret til venstre for det første plasteret, med den lange kanten langs den horisontale linjalen. Plasser det tredje og fjerde plasteret rett under den horisontale linjalen og juster vertikalt med det første og andre plasteret.
      5. Plasser det femte rektangulære plasteret under det tredje plasteret, med den korte kanten langs den vertikale linjalen. Plasser det sjette rektangulære plasteret ved siden av det femte på venstre side. Plasser det syvende plasteret under det femte plasteret, med kortkanten langs den vertikale linjalen. La det være mellomrom på 2-3 cm mellom flekkene 3, 5 og 7 for krumningen av magen.
      6. Plasser de to firkantede plastrene (s1 og s2) under det sjette plasteret og det syvende plasteret, vertikalt justert med henholdsvis det sjette og syvende plasteret. Plasser flekker på høyre bukoverflate slik at de er bilateralt symmetriske med de til venstre (figur 1F).
  2. Ta bilder og notater av lappeoppsettet for å registrere posisjonene til linjalene i forhold til hverandre og motivets navlestreng.
  3. Få en MR-tekniker til å screene emnet i henhold til MR-sikkerhetsregler og forskrifter i sone II i MR-anlegget. Deretter leder du motivet gjennom sone III til sone IV, hvor en 3 T MR-skanner ligger.
    1. Veiled pasienten til å legge seg ned på MR-sengen i liggende stilling og gi henne en MR-sikker mikrofon, et hodetelefonsett og en signalerende klemmeball. Dekk motivets nedre del av magen med en MR-spole med 32 matriser (figur 2A). Start MR-skanningen.
      MERK: En radial volum interpolert breath-hold undersøkelse rask T1-vektet sekvens ble brukt til å utføre MR på hele abdomen ved hjelp av enten en 3 T Siemens Prisma eller Vida skanner. De resulterende MR-bildene hadde en oppløsning på 1,56 mm x 1,56 mm og en skivetykkelse på 4 mm.
  4. Bruk lokalisatoren til å justere synsfeltet for å dekke hele livmoren og livmorhalsen. Deretter utfører du en MR-skanning med en T1-vektet sekvens med voluminterpolert pusteundersøkelse (repetisjonstid [TR] = 4,07 ms, ekkotid [TE] = 1,78 ms, vippevinkel = 10°) og multiplanar rekonstruksjon av datasettet (synsfelt [FOV] = 500 mm x 500 mm, matrise = 320 x 320, vokselstørrelse = 1,56 x 1,56 x 4 mm3).
  5. Lagre dataene i digital bildebehandling og kommunikasjon i medisin (DICOM) format.
  6. Fjern MR-plastrene og linjalene fra motivet og rengjør magen og ryggen med babyservietter.
  7. Fjern dobbeltsidig tape fra, desinfiser plastrene med bakteriedrepende engangsservietter, og påfør ny dobbeltsidig tape for neste eksperiment.

3. Kartlegging av bioelektrisitet og optisk 3D-skanning

MERK: Gjennomfør kartlegging av bioelektrisitet etter at observanden har blitt innlagt på arbeids- og leveringsenheten, og livmorhalsen hennes har utvidet seg til rundt 4 cm. Den estimerte varigheten for dette trinnet er 2 timer.

  1. Klargjør elektrodeplastrene: Fyll ledende gel i en vanningssprøyte med buet spiss. Tilsett gelen i elektrodeholderhulrommene på hvert elektrodeplaster ved hjelp av sprøyten. Fjern foringene på dobbeltsidige bånd.
  2. Påfør elektrodeplastrene i henhold til de samme prosedyrene som beskrevet i trinn 2.1, i henhold til plasseringsoppsettet som er beskrevet på bildene og notatene tatt i trinn 2.2.
  3. Koble til strøm- og dataledningene til den optiske 3D-skanneren. Åpne programvaren for 3D-skanning (Materialfortegnelse). Hold den håndholdte optiske skanneren (materialfortegnelsen) loddrett, med de blinkende kameraene vendt mot motivet.
    1. Trykk på Start-knappen på skanneren for å starte skanningen, og trykk på Start-knappen igjen for å registrere skanningen. Beveg skanneren rundt motivet for å ta optiske 3D-skanninger for å fange elektrodeplasseringene.
      MERK: Optiske skanninger av nedre del av ryggen tas etter plassering av elektrodeplaster på baksiden. Optiske skanninger av bukoverflaten tas etter plassering av elektrodeplaster på bukoverflaten.
    2. Trykk på Stopp-knappen på skanneren for å fullføre 3D-skanningen.
  4. Ta bilder og notater av patchoppsettet. Legg merke til linjalenes posisjoner i forhold til hverandre og subjektets navle.
  5. Plasser fire jordingselektroder, med "LL" -elektroden på nedre venstre underliv, "LA" -elektroden på venstre øvre bryst, "RA" -elektroden på høyre øvre bryst og "DRL" -elektroden på bukoverflaten nær navlestrengen eller nedre høyre underliv.
  6. Koble til komponentene i maskinvaren for kartlegging av bioelektrisitet, inkludert den bærbare datamaskinen, analog til digital boks, batteriboks, elektrodepatch, jordingselektrodekabler, optisk fiber og USB2-mottaker (figur 1D).
  7. Åpne programvaren Active View på den bærbare datamaskinen og slå på AD-boksen.
    MERK: Hvis statuslyset er gult på AD-boksen, har jordingselektrodene dårlig kontakt med huden. I dette tilfellet, fjern jordingselektrodene, tilsett mer gel og legg dem tilbake på deres steder. Gjenta til statuslyset blir blått.
  8. Kontroller elektrodeforskyvningsmodulen i aktiv visning. Hvis noen elektroder har en stor forskyvning (over en fjerdedel av den største forskyvningen), forbedre kontakten med huden ved å sikre dem ved hjelp av medisinsk papirbånd eller ved å installere dem på nytt (fjerne dem, legge til mer gel og plassere dem tilbake på plass).
  9. Klikk Startfil > Paused for å lagre datastrømmene for bioelektrisitetssignalet i sanntid. Etter et 900 s-opptak klikker du Pause Save > Stop for å fullføre opptaket og lagre multielektrodemålingen i en binær datafil (BDF).
  10. Gjenta trinn 3.9 fire ganger etter at forskningsassistenten har kontrollert at emnet er komfortabelt og villig til å fortsette.
  11. Etter det siste opptaket (vanligvis fire opptak totalt), slå av AD-boksen og koble fra elektrodepatchene, jordingselektrodene, optisk fiber og USB-kabel.
  12. Fjern elektrodeplastrene og jordingselektrodene fra motivet.
  13. Rengjør motivets mage og korsrygg med et håndkle eller våtservietter.
  14. Pakk sammen alt utstyret og oppbevar elektrodeplastrene og jordingselektrodene for rengjøring.
  15. Rengjør elektrodeplastrene og jordingselektrodene i lunkent vann med oppvaskmiddel i rengjøringsrommet. Desinfiser dem med bakteriedrepende kluter.
  16. Lufttørk plastrene og påfør dobbeltsidig monteringstape på og linjalene for neste eksperiment.

4. Generering av kropps-livmor geometri

  1. Utfør segmentering av MR-dataene ved hjelp av et dataanalyseprogram.
    MERK: Her ble Amira-programvaren brukt
    1. Start dataanalyseprogramvaren og last inn MR DICOM-dataene. Gå til segmenteringsmodulen og klikk Ny for å opprette en ny etikett. Klikk Rediger > Juster området for å > Datahistogrammet for å endre bildekontrasten.
    2. I sagittalvisning velger du penselverktøyet, merker livmorgrensene for MR-bildene, fyller ut områdene og legger til i etikettfilen. Gjenta dette trinnet hver tredje til femte skive.
    3. Velg de segmenterte områdene, og klikk Utvalg > Interpolere > + for å interpolere segmenteringen av alle stykkene. Dette fullfører segmenteringen av livmoroverflaten.
    4. Klikk Ny for å opprette en ny etikettfil. Velg tryllestavverktøyet, plasser maskeringsterskelen på det første lokale minimumet for datahistogrammet, og juster det gradvis til hele kroppen er uthevet i blått.
    5. Velg Alle stykker, klikk på et hvilket som helst blått område, og klikk deretter + for å legge til segmenteringen i etikettfilen. Klikk Segmentering > Fyllhull > Alle stykker > + for å fikse hullene.
    6. Gå til segmenteringsmodulen og klikk Ny for å opprette en ny etikett for livmoren. Segmenter livmoren manuelt på MR-bildene. Bruk Interpolate om nødvendig.
    7. I prosjektmodulen genererer du overflatedataene fra etikettfilene til livmoren og kroppsoverflaten.
    8. Velg en overflatefil, reduser antall ansikter i Forenklingsredigering > Forenkle med 50 %, og klikk på Forenkle nå. Velg den forenklede overflatefilen og høyreklikk Glatt overflate (iterasjon = 20, lambda = 0,6) > Bruk. Velg deretter den glatte overflatefilen og høyreklikk Remesh Surface (% 100) > Bruk for å maskere på nytt på hver overflate.
    9. Fortsett å utføre trinn 4.1.7 til kroppsoverflaten består av ca. 18 000 ansikter og livmoroverflaten består av omtrent 640 ansikter.
    10. Klikk Fil > Eksporter data som > STL-ascii for å lagre de to overflatene i STL-format (stereolitografi).
  2. Utfør etterbehandling av de optiske 3D-skannedataene.
    1. Legg den optiske 3D-skanningsfilen på bukoverflaten inn i Artec studio 12 professional.
    2. Velg den optiske målskanningen og dupliser skanningen.
    3. Klikk på Autopilot for å begynne å behandle den valgte skanningen.
    4. I modulen Modellopprettelse velger du skannekvalitet (geometri, tekstur), objektstørrelse, hullfyllingsmetode (vanntett) osv., og klikker Neste.
    5. I Editor-modulen velger du Lasso-merking og sletter de overflødige områdene.
    6. Klikk Neste for å opprette en automatisk presisering av skanningen.
    7. Klikk på Editor > Lassomerking for å fjerne unødvendige områder.
    8. Klikk på Fil > Eksportnett > STL-filformat for å lagre overflaten i STL-format.
  3. Juster de optiske 3D-skannedataene til MR-kroppsoverflaten og generer kropps-livmorgeometrien med TCL-skriptene (tool command language) i dataanalyseprogramvaren.
    1. Last inn STL-formatoverflatene generert fra trinn 4.1 og 4.2 med forhåndsprogrammert dataanalyseprogramvareprosjekt.
    2. Kjør ledeteksten TCL-kommandolinjen for å forberede programvareobjekter for dataanalyse for stiv justering for bukoverflaten.
    3. Klikk på Two Viewers (horisontal) og vis torsooverflaten for optisk skanning i venstre visning og MR-kroppsoverflaten i høyre visningsprogram.
    4. Plasser fem eller seks landemerker på begge overflater og kjør TCL-kommandolinjen for å bruke den stive justeringen.
    5. Gjenta trinn 4.3.2-4.3.4 for baksiden.
    6. Klikk på Single Viewer og vis den stivt justerte optisk-skannede kroppsoverflaten i visningen.
    7. Kjør ledeteksten TCL-kommandolinjen for å klargjøre programvareobjekter for dataanalyse for ikke-stiv justering.
    8. Klikk Prosjekt > Opprett objekt > landemerker , og legg til landemerker på elektrodeplasseringene på den optiske skannede kroppsoverflaten.
    9. Klikk Fil > Eksporter data som > LandmarkSet Ascii for å eksportere landemerkefilene for ikke-stiv justering.
    10. Kjør geometrimodulen i EMMI-databehandlingspipelinen for å utføre en ikke-stiv justering.
    11. Utfør TCL-ledeteksten for å importere de automatisk justerte elektrodelandemerkene og forbedre presisjonen til elektrodelandemerkene i referanse til notatene og bildene beskrevet i trinn 2.3 og 3.3.
    12. Klikk Fil > Eksporter data som > LandmarkSet Ascii for å eksportere landemerkefiler for elektrodeplasseringene.
    13. Kjør modulen EMMI data processing pipeline-geometry for å laste inn STL-filene og LandmarkSet-filene, og generer kropps-livmorgeometrien i MAT-format.

5. Elektrisk signal forbehandling

  1. Kjør EMMI-databehandlingsrørledningen-EMG-forbehandlingsmodulen for å laste BDF-filen og behandle det rå elektriske signalet med et Butterworth-filter med frekvensbåndet 0,34-1 Hz.
  2. Kjør EMMI-databehandlingspipelinen - artefaktdeteksjonsmodul for automatisk å oppdage de lokale og globale artefaktene i det filtrerte signalet.

6. Livmor elektrisk signal rekonstruksjon og karakterisering

  1. Kjør EMMI-databehandlingsrørledningsrekonstruksjonsmodulen for å laste kropps-livmorgeometrien og forhåndsbehandlede elektriske signaldata og beregne de elektriske signalene på livmoroverflaten.
  2. Kjør EMMI-databehandlingsrørledningen-EMG-signalanalysemodulen for automatisk å oppdage utbrudd og forskyvninger av hver EMG-burst på livmoroverflaten.
  3. Velg observasjonsvinduet på klyngefiguroverlegget for å beregne aktiveringstiden på hvert livmorsted for hvert observasjonsvindu og opprett en isokron for hvert observasjonsvindu.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representative MR-sikre patcher og elektrodeplastre er vist i figur 1B,C, opprettet fra malen vist i figur 1A. Maskinvaren for kartlegging av bioelektrisitet er vist i figur 1C, med tilkoblingene til hver komponent merket i detalj. Figur 2 viser hele EMMI-prosedyren, inkludert MR-undersøkelse av forsøkspersonen iført MR-plaster (figur 2A), optisk 3D-skanning (figur 2B), kartlegging av bioelektrisitet (figur 2C), generering av kropps-livmor-geometri (figur 2D) og skjematisk fremstilling av EMMI-dataene (figur 2E).

Figur 3A viser et representativt råkroppsoverflateelektrogram med en samplingsfrekvens på 2,048 Hz. Råsignalet påvirkes signifikant av baseline drift, mors elektrokardiografiske signal, mors pust og andre faktorer. I elektrisk signalforbehandling (seksjon 5 i protokollen) ble et Butterworth-båndpassfilter med grensefrekvenser på 0,34-1 Hz og en nedsampling av en faktor på 20 påført for å generere det filtrerte signalet vist i figur 3B. Tre klare EMG-utbrudd er markert med grønne streker i figur 3B.

Figur 4A-F viser seks påfølgende livmoroverflatepotensialkart 0,2 s fra hverandre i fremre, venstre, bakre og høyre visning. De varme fargene representerer positive potensialer og de kjølige fargene representerer negative potensialer. Den respektive tiden for hvert livmorpotensial er merket i elektrogrammet i figur 4G, som er fra stedene angitt med stjerner i figur 4A-F. Et område med høyt positivt potensial starter på stedet merket med en stjerne (figur 4A), forstørres (figur 4B-E) og avtar til slutt (figur 4F). Disse EMMI-genererte potensielle kartene tillater etterforskere å visualisere den dynamiske utviklingen av livmorkontraksjoner i tre dimensjoner.

Figur 5A viser et EMMI-generert isokronkart fra fire visninger. I bildene representerer varme farger tidlig aktivering, kalde farger representerer sen aktivering, og mørk blå representerer ingen aktivering i det spesifikke observasjonsvinduet. Dette isokronkartet viser en livmorkontraksjonssekvens der livmoraktiveringen initieres til høyre fundus og forplantes til fremre og høyre. Ingen aktivering skjedde i venstre bakre. Tre representative livmorelektrogrammer fra sted a, b og c er vist i figur 5B. De røde og blå linjene markerer henholdsvis start- og sluttidspunkt for isokronkartet i figur 5A. EMG-utbruddet på sted a skjedde før de på sted b og c. Disse EMMI-genererte isokronkartene lar etterforskere visualisere livmorkontraksjonssekvensen.

Figure 1
Figur 1: Utforming av elektrodeplasteret. (A) Mal for å lage MR-sikre markørlapper og elektrodeplaster, med målinger vist i millimeter. (B) MR-sikker markørlapp. (C) Elektrodeholder, elektrode av pin-type og elektrodeplaster. (D) Maskinvare for kartlegging av bioelektrisitet med hver komponent merket. (E) Plasteroppsett på abdominaloverflaten. (F) Patchoppsett på baksiden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Flytskjema for EMMI-systemet . (A) MR-undersøkelse av underkroppen. (B) En 3D optisk skanning av kroppsoverflaten med elektroder på plass. (C) Kartlegging av bioelektrisitet. (D) Kropps-livmor geometri og elektrisk signal forbehandling. (E) Livmor elektrisk signal rekonstruksjon og karakterisering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Representativt kroppsoverflateelektrogram . (A) Et 375 s råsignal registrert fra en pin-type elektrode på kroppsoverflaten. (B) Signal fra A etter et Butterworth-båndpass og nedsampling. De grønne linjene markerer tiden for EMG-utbrudd. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Representative kart over potensialet for livmoroverflaten. (A-F) Potensielle kart vist i fire visninger til tider markert i elektrogrammet i G med røde prikker. De varme fargene representerer positive potensialer og de kjølige fargene representerer negative potensialer. (G) Elektrogram på stedet merket med en stjerne i A-F. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Representativt uterintisokronkart og elektrogrammer . (A) Et isokronkart vist i fire visninger, med varme farger som representerer tidlig aktivering, kule farger som representerer sen aktivering, og mørk blå som representerer ikke-aktivering. (B) Livmorelektrogrammer fra stedene a, b og c. De røde og blå vertikale linjene markerer henholdsvis starten og slutten av observasjonsvinduet for dette isokronkartet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Elektromyografi har indikert at frekvensen og amplituden av livmor elektriske signaler endres i løpet av svangerskapsperioden 2,16,25. Flere studier har undersøkt livmorutbredelsesmønstrene av livmor sammentrekninger hos pasienter i aktiv fødsel 10,17,26,27,28. Likevel er det ikke rapportert om noen avgjørende forplantningsretning på grunn av det begrensede antallet og dekningen, samt den ikke-standardiserte konfigurasjonen av kroppsoverflateelektrodene. Fraværet av den dominerende forplantningsretningen kan også skyldes den ikke-faste pacemakeren i myometrium16,29, men ingen overbevisende direkte bevis er rapportert. EMMI implementerer en full dekning av elektrodene på kroppsoverflaten og bruker en invers beregning for å rekonstruere de elektriske aktivitetene på livmoroverflaten. EMMI gjør det mulig å karakterisere den elektriske forplantningen av livmorkontraksjonen på hele livmoroverflaten, og vise hvor sammentrekningene starter og hvordan de forplanter seg. I tillegg, med sin høye temporale oppløsning, kan EMMI analysere utviklingen av livmor sammentrekninger etter hvert som arbeidet utvikler seg med isokronkart. En grundig analyse av livmor sammentrekninger ville holde løfte om å gi ny innsikt i menneskelig myometrium elektrisk modning og forbedre den kliniske styringen av menneskelig arbeidskraft.

Preterm labor er en tilstand som potensielt skyldes flere patologiske prosesser, for eksempel livmorhalssykdommer, infeksjon, nedgang i progesteronvirkning, placentapatologier, unormal livmor sammentrekning, etc.30,31. Ved å gi elektriske bilder med høy temporal og romlig oppløsning av livmor sammentrekninger, har EMMI stort løfte om å forbedre prediksjonsnøyaktigheten av for tidlig fødsel / fødsel forårsaket av unormale livmor sammentrekninger.

Det er flere kritiske trinn i å utføre EMMI hos gravide kvinner. For det første må elektrodeplastrene plasseres på samme sted som de MR-sikre patchene. Å følge plasseringsinstruksjonene (se protokollen) er avgjørende for å redusere elektrodeplasseringsfeil. For det andre er det avgjørende å bruke riktig mengde gel og etablere tilstrekkelig kontakt mellom elektroder og hud for å sikre optimal elektrisk signalaktivitet. For det tredje kan det være nødvendig med flere optiske skanninger for å sikre anskaffelse av kroppsoverflategeometri av høy kvalitet.

Vi har to begrensninger i den nåværende versjonen av EMMI. En begrensning er at MR er dyrt og ikke bærbart. Fordi det er utfordrende for kvinner å gjennomgå MR etter at fødselen starter, utføres MR noen dager før de forventes å gå i arbeid. Når det gjelder de premature pasientene, hvis forventede arbeidsdato er mer usikker enn for fullbårne pasienter, planla vi flere MR-skanninger ved 24, 28, 32 og 37 uker (hvis pasienten går til sikt) for å registrere kropps-livmorgeometrien så nær fødselen som mulig. For klinisk gjennomførbarhet er imidlertid en potensiell forbedring for EMMI å bruke klinisk ultralyd for å oppnå pasientspesifikk kropps-livmorgeometri ved sengen. Dette vil redusere den totale kostnaden for EMMI og tillate geometrimåling i sanntid rett før eller under det elektriske opptaket. Den andre begrensningen er det store antallet elektroder, noe som øker kostnaden for studien og kan gjøre det vanskelig for daglig klinisk bruk. Dermed planlegger vi på den ene siden å lage en valideringstest over nøyaktigheten til EMMI med færre elektroder. På den annen side planlegger vi å innlemme billigere, bærbare, engangs, trykte elektroder som kan monteres på et elastisk materiale32,33,34. Selv om flere forbedringer vil bli gjort i fremtiden, vil kjerneprotokollen som er rapportert i dette manuskriptet ikke endres. Dette arbeidet vil gjøre det mulig for andre forskningsgrupper å reprodusere vårt EMMI-arbeid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Y.W., A.G.C., P.C. og A.L.S. sendte inn amerikansk foreløpig søknad nr. 62/642,389 med tittelen "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)" for EMMI-teknologien beskrevet i dette arbeidet. YW er vitenskapelig konsulent for Medtronic og har forskningsmidler fra NIH.

Acknowledgments

Vi takker Deborah Frank for å redigere dette manuskriptet og Jessica Chubiz for å organisere prosjektet. Finansiering: Dette arbeidet ble støttet av March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), av tilskudd fra NIH / National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 til PIs Wang / Cahill; R01HD104822 til PIs Wang / Schwartz / Cahill), ved tilskudd fra Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 til PI Wang), og ved tilskudd 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Lucovnik, M., et al. Use of uterine electromyography to diagnose term and preterm labor. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 90 (2), 150-157 (2011).
  8. Garcia-Casado, J., et al. Electrohysterography in the diagnosis of preterm birth: a review. Physiological Measurement. 39 (2), 02 (2018).
  9. 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).
  10. Rabotti, C., Mischi, M. Propagation of electrical activity in uterine muscle during pregnancy: a review. Acta Physiologica. 213 (2), 406-416 (2015).
  11. Cohen, W. R. Clinical assessment of uterine contractions. International Journal of Gynaecology and Obstetrics. 139 (2), 137-142 (2017).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Garfield, R. E., Maner, W. L. Physiology and electrical activity of uterine contractions. Seminars in Cell & Developmental Biology. 18 (3), 289-295 (2007).
  17. 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).
  18. Wu, W., et al. Noninvasive high-resolution electromyometrial imaging of uterine contractions in a translational sheep model. Science Translational Medicine. 11 (483), (2019).
  19. Wang, H., et al. Accuracy of electromyometrial imaging of uterine contractions in clinical environment. Computers in Biology and Medicine. 116, 103543 (2020).
  20. Cahill, A. G., et al. Analysis of electrophysiological activation of the uterus during human labor contractions. JAMA Network Open. 5 (6), 2214707 (2022).
  21. Wang, H., et al. Noninvasive electromyometrial imaging of human uterine maturation during term labor. Nature Communications. 14 (1), 1198 (2023).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Benedetti, M. G., Agostini, V., Knaflitz, M., Bonato, P. Applications of EMG in clinical and sports medicine. Intech Open. , 117-130 (2012).
  26. Lange, L., et al. Velocity and directionality of the electrohysterographic signal propagation. PloS One. 9 (1), e86775 (2014).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Young, R. C. The uterine pacemaker of labor. Best Practice & Research. Clinical Obstetrics & Gynaecology. 52, 68-87 (2018).
  30. Goldenberg, R. L. The management of preterm labor. Obstetrics and Gynecology. 100 (5), 1020-1037 (2002).
  31. Rubens, C. E., et al. Prevention of preterm birth: harnessing science to address the global epidemic. Science Translational Medicine. 6 (262), 5 (2014).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).

Tags

Elektromyometrisk avbildning livmor sammentrekninger gravide kvinner myometrium prediksjon av arbeidsutbrudd overvåking av livmorkontraksjon elektromyometrisk avbildning (EMMI) T1-vektet magnetisk resonansavbildning pin-type elektroder kropps-livmor geometri kroppsoverflate elektriske data livmor elektriske aktiviteter
Elektromyometrisk avbildning av livmor sammentrekninger hos gravide kvinner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, H., Wen, Z., Wu, W., Sun, Z.,… More

Wang, H., Wen, Z., Wu, W., Sun, Z., Wang, Q., Schwartz, A. L., Cuculich, P., Cahill, A. G., Macones, G. A., Wang, Y. Electromyometrial Imaging of Uterine Contractions in Pregnant Women. J. Vis. Exp. (195), e65214, doi:10.3791/65214 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter