Summary
Представлен протокол проведения электромиометрической визуализации (ЭММИ), включающий следующие процедуры: запись нескольких электромиографических электродных датчиков с поверхности тела, магнитно-резонансная томография и реконструкция электрического сигнала матки.
Abstract
Во время нормальной беременности гладкая мускулатура матки, миометрий, начинает испытывать слабые, нескоординированные сокращения на поздних сроках беременности, чтобы помочь шейке матки ремоделирироваться. Во время родов миометрий имеет сильные, скоординированные сокращения для рождения плода. Были разработаны различные методы мониторинга характера сокращений матки для прогнозирования начала родов. Однако существующие методы имеют ограниченный пространственный охват и специфичность. Мы разработали электромиометрическую визуализацию (EMMI) для неинвазивного картирования электрической активности матки на трехмерной поверхности матки во время схваток. Первым шагом в EMMI является использование Т1-взвешенной магнитно-резонансной томографии для получения геометрии тела-матки для конкретного субъекта. Затем до 192 электродов штифтового типа, размещенных на поверхности тела, используются для сбора электрических записей с миометрия. Наконец, конвейер обработки данных EMMI выполняется для объединения геометрии тела-матки с электрическими данными поверхности тела для реконструкции и визуализации электрической активности матки на поверхности матки. EMMI может безопасно и неинвазивно визуализировать, идентифицировать и измерять ранние области активации и паттерны распространения по всей матке в трех измерениях.
Introduction
Клинически сокращения матки измеряют либо с помощью катетера внутриматочного давления, либо с помощью токодамометрии1. В условиях исследования сокращения матки можно измерить с помощью электромиографии (ЭМГ), при которой на брюшную поверхность помещаются электроды для измерения биоэлектрических сигналов, генерируемых миометрием 2,3,4,5,6,7. Можно использовать величину, частоту и особенности распространения электрических всплесков 8,9,10,11,12, полученные из ЭМГ, для прогнозирования начала родов у недоношенных. Однако при обычной ЭМГ электрическая активность сокращений матки измеряется только из крошечного участка брюшной поверхности с помощью ограниченного числа электродов (два 13 и четыре 7,14,15,16 в центре брюшной поверхности и 64,17 в нижней части брюшной поверхности). Кроме того, традиционная ЭМГ ограничена в своих возможностях по изучению механизмов родов, так как она отражает только усредненную электрическую активность всей матки и не может обнаружить специфические электрические паттерны инициирования и активации на поверхности матки во время схваток.
Недавняя разработка, называемая электромиометрической визуализацией (EMMI), была представлена для преодоления недостатков традиционной ЭМГ. EMMI позволяет проводить неинвазивную визуализацию всей последовательности электрической активации миометрия во время сокращений матки 18,19,20,21. Для определения геометрии тела и матки EMMI использует Т1-взвешенную магнитно-резонансную томографию (МРТ)22,23,24, которая широко используется у беременных женщин во втором и третьем триместрах. Затем до 192 электродов штифтового типа, размещенных на поверхности тела, используются для сбора электрических записей с миометрия. Наконец, выполняется конвейер обработки данных EMMI для объединения геометрии тела-матки с электрическими данными для реконструкции и визуализации электрической активности на поверхности матки21. EMMI может точно определить начало сокращений матки и паттерны распространения изображения во время сокращений матки в трех измерениях. Целью данной статьи является представление процедур EMMI и демонстрация репрезентативных результатов, полученных от беременных женщин.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все методы, описанные здесь, были одобрены Институциональным наблюдательным советом Вашингтонского университета.
1. Маркерные пластыри, электродные пластыри и линейки, безопасные для МРТ (рис. 1)
- Распечатайте шаблоны МРТ и электродного пластыря (рис. 1A) на бумаге.
- Разрежьте прозрачные листы винила и силиконовой резины (таблица материалов) на 22 (винил) и 44 (резина) прямоугольные (120 мм x 60 мм), а также 4 (винил) и 8 (силиконовая резина) квадратных (60 мм x 60 мм) патчей.
- Сделайте маркерные пластыри, безопасные для МРТ: наложите на шаблон прозрачный виниловый пластырь и приклейте безопасные для МРТ маркеры (жидкие мягкие капсулы с витамином D) к виниловому пластырю в центре кругов, которые представляют полости держателя электродов на шаблоне (рисунок 1B).
- Сделайте заплатки на электродах: Отметьте места окружности на заплатках из силиконовой резины и пробейте отверстия в этих местах с помощью набора пуансонов диаметром 8 мм.
- Прикрепите электрододержатели к каждому отверстию с помощью двусторонних клейких манжет (Таблица материалов). Совместите окружность полости электрододержателя с окружностью отверстия, пробитого на силиконовом листе.
- Установите X-образное кольцо в полость в верхней части электрододержателя, накройте держатель силиконовым листом с цветовой кодировкой и вставьте активный электрод штифтового типа через X-образное кольцо в держатель. Электрод центрируется в полости электрододержателя. Электродные кабели должны проходить между двумя слоями силиконовых листов и посередине двух рядов держателей по длинному краю. Отрегулируйте длину кабеля электрода, при необходимости намотав его на держатель электрода. Сборка электродного пластыря завершена (рис. 1В).
- Приложите три полоски медицинского двустороннего скотча к электродному пластырю между рядами электродов по длинному краю пластыря.
- Отрежьте шесть измерительных лент на отметках 30 см. Сохраняйте верхнюю часть от 0 см до 30 см. Чтобы сделать горизонтальную линейку, приклейте края на 0 см двух измерительных лент к длинному куску виниловой полосы с зазором по ширине ленты. Приклейте двустороннюю клейкую ленту к каждой линейке.
- Храните пластыри и линейки в коробке с закрытой крышкой.
2. Магнитно-резонансная томография
ПРИМЕЧАНИЕ: МРТ назначается на сроке беременности 36-40 недель, до предполагаемой даты родов матери, определяемой на основе графика пациентки и рекомендации медсестры. Ориентировочная продолжительность этого шага составляет 2 часа.
- После того, как субъект подпишет форму согласия, попросите его переодеться из уличной одежды в брюки и халат, предоставленные техником МРТ. Поместите маркерные пластыри, безопасные для МРТ (Рисунок 1B), на поверхность тела в смотровом кабинете.
- Разместите пластыри на задней поверхности.
- Попросите испытуемого сесть на кровать для медицинского осмотра. Снимите вкладыш с двустороннего скотча и наложите вертикальную линейку вдоль позвоночника субъекта, так, чтобы конец линейки находился в зоне декольте ягодиц.
- Расположите горизонтальную линейку на уровне гребня подвздошной кости так, чтобы центр пересекал вертикальную линейку. Снимите вкладыш с помощью двустороннего скотча на патчах.
- Наложите две прямоугольные заплатки на обратную сторону так, чтобы длинные края заплаток находились рядом с вертикальной линейкой, а углы заплаток находились на пересечении линеек.
- Разместите дополнительные пластыри слева и справа от первых двух пластырей так, чтобы они были двусторонне симметричными. Для объектов среднего размера нанесите по четыре прямоугольных пластыря с каждой стороны (рис. 1E).
- Наложите пластыри на поверхность живота.
- Поднимите изголовье кровати примерно на 40° и помогите испытуемому лечь в позу Фаулера. Расположите вертикальную линейку вдоль средней линии живота, при этом отметка 3 см возле области глазного дна определяется при ручной пальпации.
- Прикладывайте горизонтальную линейку так, чтобы ее центр находился на отметке 6 см вертикальной линейки и распространялся влево и вправо латерально по естественному изгибу живота.
- Поместите первую прямоугольную заплатку над горизонтальной линейкой и слева от вертикальной линейки так, чтобы ее длинный край был параллелен горизонтальной линейке, а один угол заплатки находился на пересечении двух линеек.
- Поместите вторую прямоугольную заплатку слева от первой, так, чтобы её длинный край проходил вдоль горизонтальной линейки. Поместите третий и четвертый патчи прямо под горизонтальной линейкой и выровняйте по вертикали с первым и вторым патчами.
- Поместите пятую прямоугольную заплатку под третью, так, чтобы ее короткий край проходил вдоль вертикальной линейки. Поместите шестой прямоугольный пластырь рядом с пятым с левой стороны. Поместите седьмой пластырь под пятый, коротким краем вдоль вертикальной линейки. Оставьте промежутки 2-3 см между пятнами 3, 5 и 7 для искривления живота.
- Поместите два квадратных патча (s1 и s2) под шестым и седьмым патчами, выровняв их по вертикали с шестым и седьмым патчами соответственно. Поместите пластыри на правую брюшную поверхность так, чтобы они были двусторонне симметричны тем, которые находятся слева (Рисунок 1F).
- Разместите пластыри на задней поверхности.
- Сделайте фотографии и заметки о расположении пластыря, чтобы зафиксировать положение линеек относительно друг друга и пупка субъекта.
- Попросите лаборанта МРТ провести скрининг пациента в соответствии с правилами и нормами безопасности МРТ в зоне II МРТ-центра. Затем проведите субъекта через зону III в зону IV, где находится МР-сканер 3 Тл.
- Предложите пациенту лечь на кровать для МРТ в положении лежа на спине и обеспечьте его безопасным для МРТ микрофоном, наушниками и сигнальным шариком. Накройте нижнюю часть живота субъекта 32-матричной катушкой МРТ (рис. 2A). Запустите МР-сканирование.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для проведения МРТ всей брюшной полости с использованием 3-тонного сканера Siemens Prisma или Vida использовалась интерполяция радиального объема с задержкой дыхания в быстрой Т1-взвешенной последовательности. Полученные МР-изображения имели разрешение 1,56 мм x 1,56 мм и толщину среза 4 мм.
- Предложите пациенту лечь на кровать для МРТ в положении лежа на спине и обеспечьте его безопасным для МРТ микрофоном, наушниками и сигнальным шариком. Накройте нижнюю часть живота субъекта 32-матричной катушкой МРТ (рис. 2A). Запустите МР-сканирование.
- С помощью локализатора отрегулируйте поле зрения, чтобы охватить всю матку и шейку матки. Затем проводят МРТ-сканирование с Т1-взвешенной последовательностью с объемной интерполяцией и задержкой дыхания (время повторения [TR] = 4,07 мс, время эхо-сигнала [TE] = 1,78 мс, угол поворота = 10°) и мультипланарной реконструкцией набора данных (поле зрения [FOV] = 500 мм x 500 мм, матрица = 320 x 320, размер воксела = 1,56 x 1,56 x 4 мм3).
- Храните данные в формате цифровой визуализации и связи в медицине (DICOM).
- Снимите с пациента пластыри и линейки для МРТ и очистите живот и спину детскими влажными салфетками.
- Удалите двусторонний скотч с пластырей, продезинфицируйте пластыри бактерицидными одноразовыми салфетками и наложите новый двусторонний скотч для следующего эксперимента.
3. Биоэлектрическое картирование и оптическое 3D-сканирование
ПРИМЕЧАНИЕ: Проведите биоэлектрическое картирование после того, как пациентка была госпитализирована в родильное отделение, и ее шейка матки расширилась примерно до 4 см. Ориентировочная продолжительность этого шага составляет 2 часа.
- Подготовьте электродные пластыри: залейте токопроводящий гель в шприц для орошения с изогнутым наконечником. Добавьте гель в полости электрододержателя на каждом электродном пластыре с помощью шприца. Снимите вкладыши с двусторонних скотчей.
- Наложите пластыри на электроды в соответствии с теми же процедурами, что описаны в шаге 2.1, следуя схеме размещения, описанной на фотографиях и заметках, сделанных на шаге 2.2.
- Подключите кабели питания и передачи данных оптического 3D-сканера. Откройте программу для 3D-сканирования (Таблица материалов). Держите ручной оптический сканер (таблица материалов) вертикально так, чтобы мигающие камеры были направлены на объект.
- Нажмите кнопку «Пуск» на сканере, чтобы начать сканирование, и нажмите кнопку «Пуск» еще раз, чтобы записать сканирование. Перемещайте сканер вокруг объекта, чтобы сделать оптическое 3D-сканирование и зафиксировать расположение электродов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Оптическое сканирование нижней части спины проводится после установки электродных пластырей на заднюю поверхность. Оптические снимки брюшной поверхности делаются после наложения электродных пластырей на брюшную поверхность. - Нажмите кнопку «Стоп» на сканере, чтобы завершить 3D-сканирование.
- Нажмите кнопку «Пуск» на сканере, чтобы начать сканирование, и нажмите кнопку «Пуск» еще раз, чтобы записать сканирование. Перемещайте сканер вокруг объекта, чтобы сделать оптическое 3D-сканирование и зафиксировать расположение электродов.
- Сфотографируйте и сделайте заметки о макете патча. Обратите внимание на положение линеек относительно друг друга и пупка субъекта.
- Поместите четыре заземляющих электрода: электрод «LL» в нижнюю левую часть живота, электрод «LA» в левую верхнюю часть грудной клетки, электрод «RA» в правую верхнюю часть грудной клетки и электрод «DRL» на брюшную поверхность рядом с пупком или нижней правой частью живота.
- Подключите компоненты аппаратного обеспечения для картографирования биоэлектричества, включая ноутбук, аналого-цифровой (AD) блок, батарейный блок, электродную коммутацию, кабели заземляющих электродов, оптическое волокно и приемник USB2 (рис. 1D).
- Откройте программное обеспечение Active View на ноутбуке и включите AD box.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если индикатор состояния на блоке AD горит желтым, заземляющие электроды плохо контактируют с кожей. В этом случае снимите заземляющие электроды, добавьте еще геля и установите их на место. Повторяйте до тех пор, пока индикатор состояния не станет синим. - Проверьте модуль «Смещение электрода» в режиме Active View. Если какие-либо электроды имеют большое смещение (более четверти наибольшего смещения), улучшите их контакт с кожей, закрепив их с помощью медицинских бумажных лент или переустановив (удалив их, добавив больше геля и поместив на место).
- Нажмите кнопку Запустить файл > Приостановлено, чтобы сохранить потоки данных биоэлектрических сигналов в режиме реального времени. После записи в течение 900 с нажмите кнопку Пауза, Сохранить > Остановить, чтобы завершить запись и сохранить измерение с помощью нескольких электродов в файле двоичного файла данных (BDF).
- Повторите шаг 3.9 четыре раза после того, как научный сотрудник проверит, чувствует ли испытуемый себя комфортно и готов продолжить.
- После последней записи (обычно всего четыре записи) выключите блок AD и отсоедините электродные патчи, заземляющие электроды, оптическое волокно и USB-кабель.
- Снимите с объекта заплатки электродов и заземляющие электроды.
- Очистите живот и поясницу субъекта полотенцем или детскими салфетками.
- Упакуйте все оборудование и храните электродные пластыри и заземляющие электроды для очистки.
- Очистите заплатки электродов и заземляющие электроды в теплой воде с мылом для посуды в помещении для уборки. Продезинфицируйте их бактерицидными салфетками.
- Высушите пластыри на воздухе и приклейте двусторонний монтажный скотч к заплаткам и линейкам для следующего эксперимента.
4. Генерация геометрии тела-матки
- Выполняйте сегментацию данных МРТ с помощью программного обеспечения для анализа данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь использовалось программное обеспечение Amira- Запустите программное обеспечение для анализа данных и загрузите данные MRI DICOM. Перейдите в модуль Сегментация и нажмите кнопку Создать , чтобы создать новую метку. Нажмите кнопку Редактировать > Настроить диапазон на > гистограмму данных , чтобы изменить контрастность изображения.
- В сагиттальном виде выберите инструмент «Кисть», подпишите границы матки на МР-изображениях, заполните области и добавьте в файл метки. Повторяйте этот шаг через каждые три-пять ломтиков.
- Выделите сегментированные области и нажмите кнопку Выделение > Интерполировать > +, чтобы интерполировать сегментацию всех фрагментов. На этом сегментация маточной поверхности завершается.
- Нажмите кнопку Создать , чтобы создать новый файл меток. Выберите инструмент «Волшебная палочка» (Magic Wand), установите порог маскирования на начальном локальном минимуме гистограммы данных и корректируйте его постепенно, пока все тело не будет выделено синим цветом.
- Выберите Все фрагменты, щелкните любую синюю область, а затем нажмите +, чтобы добавить сегментацию в файл метки. Щелкните Сегментация > Заполнить отверстия > Все срезы > + , чтобы исправить отверстия.
- Перейдите в модуль «Сегментация» и нажмите кнопку «Создать », чтобы создать новую метку для матки. Вручную сегментируйте матку на МР-снимках. При необходимости используйте Интерполяцию .
- В модуле «Проект» сгенерируйте данные поверхности из файлов меток поверхности матки и тела.
- Выберите файл поверхности, уменьшите количество граней в Редакторе упрощения > Упростить на 50% и нажмите кнопку Упростить сейчас. Выберите файл упрощенной поверхности и щелкните правой кнопкой мыши " Гладкая поверхность " (итерация = 20, лямбда = 0,6) > " Применить". Затем выберите файл сглаженной поверхности и щелкните правой кнопкой мыши команду Remesh Surface (% 100) > Применить к повторной сетке для каждой поверхности.
- Продолжайте выполнять шаг 4.1.7 до тех пор, пока поверхность тела не будет состоять примерно из 18 000 лиц, а поверхность матки — примерно из 640 лиц.
- Нажмите кнопку Файл > Экспортировать данные > формате STL ascii, чтобы сохранить две поверхности в формате стереолитографии (STL).
- Выполните постобработку данных оптического 3D-сканирования.
- Загрузите файл оптического 3D-сканирования брюшной поверхности в Artec studio 12 professional.
- Выберите целевой оптический скан и продублируйте его.
- Нажмите кнопку Автопилот , чтобы начать обработку выбранного сканирования.
- В модуле Создание модели выберите качество сканирования (геометрия, текстура), размер объекта, способ заполнения отверстий (водонепроницаемый) и т.д. и нажмите кнопку Далее.
- В модуле «Редактор» выберите «Выделение лассо» и сотрите лишние области.
- Нажмите кнопку Далее, чтобы создать автоматическое уточнение сканирования.
- Нажмите кнопку Редактор > выделение Лассо, чтобы удалить ненужные области.
- Нажмите кнопку Файл > Экспорт сеток > формат файла STL, чтобы сохранить поверхность в формате STL.
- Совместите данные оптического 3D-сканирования с поверхностью тела МРТ и сгенерируйте геометрию тела и матки с помощью сценариев языка команд инструмента (TCL) в программном обеспечении для анализа данных.
- Загрузите поверхности формата STL, созданные на шагах 4.1 и 4.2, с помощью предварительно запрограммированного программного обеспечения для анализа данных.
- Запустите командную строку TCL, чтобы подготовить программные объекты анализа данных для жесткого выравнивания брюшной поверхности.
- Щелкните Два средства просмотра (по горизонтали) и отобразите поверхность туловища оптического сканирования в левом окне просмотра и поверхность тела МРТ в правом окне просмотра.
- Разместите пять или шесть ориентиров на обеих поверхностях и запустите командную строку TCL, чтобы применить жесткое выравнивание.
- Повторите шаги 4.3.2-4.3.4 для задней поверхности.
- Щелкните Single Viewer (Единое средство просмотра) и отобразите в средстве просмотра жестко выровненную поверхность тела с оптическим сканированием.
- Запустите командную строку TCL для подготовки программных объектов анализа данных к нежесткому выравниванию.
- Нажмите кнопку " Проецировать" > "Создать объект > ориентиры " и добавьте ориентиры в местах расположения электродов на поверхности оптически сканируемого тела.
- Нажмите кнопку Файл > Экспортировать данные как > LandmarkSet Ascii, чтобы экспортировать файлы ориентиров для нежесткого выравнивания.
- Запустите модуль «Геометрия» в конвейере обработки данных EMMI, чтобы выполнить нежесткое выравнивание.
- Выполните командную строку TCL, чтобы импортировать автоматически выровненные ориентиры электродов и повысить точность ориентиров электродов в соответствии с примечаниями и фотографиями, описанными в шагах 2.3 и 3.3.
- Щелкните Файл > Экспортировать данные как > LandmarkSet Ascii, чтобы экспортировать файлы ориентиров для местоположений электродов.
- Запустите модуль EMMI data processing pipeline-geometry, чтобы загрузить файлы STL и LandmarkSet, а также сгенерировать геометрию тела-матки в формате MAT.
5. Предварительная обработка электрических сигналов
- Запустите модуль EMMI data processing pipeline-EMG preprocessing, чтобы загрузить файл BDF и обработать необработанный электрический сигнал фильтром Баттерворта с полосой частот 0,34-1 Гц.
- Запустите модуль EMMI data processing pipeline - artifacts detection для автоматического обнаружения локальных и глобальных артефактов в отфильтрованном сигнале.
6. Реконструкция и характеристика электрических сигналов матки
- Запустите модуль EMMI data processing pipeline-reconstruction для загрузки геометрии тела и матки и предварительно обработанных данных электрических сигналов, а также для вычисления электрических сигналов на поверхности матки.
- Запустите модуль анализа конвейера обработки данных EMMI-ЭМГ для автоматического определения начала и смещения каждого всплеска ЭМГ на поверхности матки.
- Выберите окно наблюдения на наложении фигуры кластера, чтобы вычислить время активации в каждом месте матки для каждого окна наблюдения и создать изохрону для каждого окна наблюдения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 1B,C показаны репрезентативные МРТ-безопасные пластыри и электродные пластыри, созданные на основе шаблона, показанного на рисунке 1A. Аппаратное обеспечение для картографирования биоэлектричества показано на рисунке 1С, при этом соединения каждого компонента подробно отмечены. На рисунке 2 показана вся процедура EMMI, включая МРТ-сканирование субъекта с МРТ-пластырем (Рисунок 2A), оптическое 3D-сканирование (Рисунок 2B), биоэлектрическое картирование (Рисунок 2C), генерацию геометрии тела и матки (Рисунок 2D) и схему данных EMMI (Рисунок 2E).
На рисунке 3А показана репрезентативная электрограмма необработанной поверхности тела с частотой дискретизации 2,048 Гц. На необработанный сигнал существенно влияют дрейф базовой линии, электрокардиографический сигнал матери, дыхание матери и другие факторы. При предварительной обработке электрических сигналов (раздел 5 протокола) для генерации отфильтрованного сигнала, показанного на рисунке 3B, применялся полосовой фильтр Баттерворта с частотами среза 0,34-1 Гц и понижением дискретизации в 20 раз. Три явных всплеска ЭМГ отмечены зелеными линиями на рисунке 3B.
На рисунке 4A-F показаны шесть последовательных карт потенциала поверхности матки с интервалом 0,2 с в передней, левой, задней и правой проекциях. Теплые цвета представляют положительные потенциалы, а холодные – отрицательные. Соответствующее время каждого потенциала матки отмечено на электрограмме на рисунке 4G, которая взята из участков, обозначенных звездочками на рисунке 4A-F. Область с высоким положительным потенциалом начинается на участке, отмеченном звездочкой (рис. 4A), расширяется (рис. 4B-E) и, наконец, уменьшается (рис. 4F). Эти карты потенциала, сгенерированные EMMI, позволяют исследователям визуализировать динамическую прогрессию сокращений матки в трех измерениях.
На рисунке 5A показана сгенерированная EMMI изохронная карта в четырех ракурсах. На изображениях теплые цвета представляют раннюю активацию, холодные цвета — позднюю активацию, а темно-синий — отсутствие активации в конкретном окне наблюдения. Эта изохронная карта отображает последовательность сокращения матки, при которой активация матки инициируется на правом дне и распространяется на переднее и правое. В левой задней части активация не происходила. На рисунке 5В показаны три репрезентативные электрограммы матки из участков a, b и c. Красная и синяя линии обозначают соответственно время начала и окончания изохронной карты на рисунке 5A. Всплеск ЭМГ в точке А произошел раньше, чем в точках В и С. Эти изохронные карты, сгенерированные EMMI, позволяют исследователям визуализировать последовательность сокращения матки.
Рисунок 1: Конструкция электродного пластыря . (A) Шаблон для изготовления безопасных для МРТ маркерных пластырей и электродных пластырей с измерениями в миллиметрах. (B) Маркерный пластырь, безопасный для МРТ. (C) Держатель электрода, электрод штифтового типа и электродная заплатка. (D) Оборудование для картографирования биоэлектричества с маркировкой каждого компонента. (E) Расположение пластыря на брюшной поверхности. (F) Размещение заплаток на задней поверхности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Блок-схема системы EMMI . (A) МРТ нижней части тела. (B) 3D-оптическое сканирование поверхности тела с установленными электродами. (C) Картирование биоэлектричества. (D) Геометрия тела и матки и предварительная обработка электрических сигналов. (E) Восстановление и характеристика электрических сигналов матки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Репрезентативная электрограмма поверхности тела . (A) Необработанный сигнал 375 с, записанный с электрода штыревого типа на поверхности корпуса. (B) Сигнал от точки А после полосы Баттерворта и понижения дискретизации. Зелеными линиями отмечены периоды всплесков ЭМГ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Репрезентативные карты потенциала поверхности матки. (A-F) Карты потенциалов, показанные в четырех видах в моменты времени, отмеченные на электрограмме в G красными точками. Теплые цвета представляют положительные потенциалы, а холодные – отрицательные. (G) Электрограмма на участке, помеченном звездочкой в пунктах А-Ф. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Репрезентативная карта изохронов матки и электрограммы . (A) Изохронная карта, показанная в четырех видах, где теплые цвета представляют раннюю активацию, холодные цвета — позднюю активацию, а темно-синий — неактивацию. (B) Электрограммы матки из участков a, b и c. Красная и синяя вертикальные линии отмечают начало и конец, соответственно, окна наблюдения для этой изохронной карты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Электромиография показала, что частота и амплитуда электрических сигналов матки изменяются в течение гестационного периода 2,16,25. В нескольких исследованиях изучались закономерности маточного размножения при сокращениях матки у пациенток с активными родами 10,17,26,27,28. Тем не менее, окончательного направления распространения не сообщается из-за ограниченного количества и покрытия, а также нестандартной конфигурации электродов поверхности тела. Отсутствие преобладающего направления распространения также может быть связано с нефиксированным кардиостимулятором в миометрии16,29, но убедительных прямых доказательств не сообщалось. EMMI реализует полное покрытие электродов на поверхности тела и применяет обратный расчет для реконструкции электрической активности на поверхности матки. EMMI позволяет охарактеризовать электрическое распространение сокращения матки по всей поверхности матки, показывая, где инициируются сокращения и как они распространяются. Кроме того, благодаря высокому временному разрешению, EMMI может анализировать эволюцию сокращений матки по мере прогрессирования родов с помощью изохронных карт. Тщательный анализ сокращений матки может дать новое представление об электрическом созревании миометрия человека и улучшить клиническое ведение родов.
Преждевременные роды – это состояние, потенциально вызванное множественными патологическими процессами, такими как заболевания шейки матки, инфекция, снижение действия прогестерона, патологии плаценты, аномальные сокращения матки и т.д.30,31. Предоставляя электрические изображения сокращений матки с высоким временным и пространственным разрешением, EMMI имеет большие перспективы для повышения точности прогнозирования преждевременных родов, вызванных аномальными сокращениями матки.
Существует несколько важных этапов выполнения EMMI у беременных женщин. Во-первых, электродные пластыри должны быть размещены в тех же местах, что и безопасные для МРТ пластыри. Следование инструкциям по размещению (см. протокол) имеет решающее значение для уменьшения ошибок расположения электродов. Во-вторых, крайне важно использовать соответствующее количество геля и установить достаточный контакт между электродами и кожей, чтобы обеспечить оптимальную активность электрического сигнала. В-третьих, может потребоваться многократное оптическое сканирование, чтобы обеспечить получение высококачественной геометрии поверхности кузова.
В текущей версии EMMI у нас есть два ограничения. Одним из ограничений является то, что МРТ является дорогостоящим и непортативным. Поскольку женщинам сложно пройти МРТ после начала родов, МРТ проводится за несколько дней до ожидаемых родов. Что касается недоношенных пациенток, у которых предполагаемая дата родов более неопределенна, чем у доношенных пациенток, мы запланировали несколько МРТ-сканирований на 24, 28, 32 и 37 неделе (если пациентка доношена), чтобы зафиксировать геометрию тела и матки как можно ближе к родам. Тем не менее, с точки зрения клинической осуществимости, потенциальным улучшением EMMI является использование клинического ультразвука для получения специфической геометрии тела и матки у постели больного. Это снизит общие затраты на EMMI и позволит измерять геометрию в режиме реального времени непосредственно перед или во время электрической записи. Другим ограничением является большое количество электродов, что увеличивает стоимость исследования и может затруднить его ежедневное клиническое использование. Таким образом, с одной стороны, мы планируем провести валидационный тест на точность EMMI с меньшим количеством электродов. С другой стороны, мы планируем использовать более дешевые, носимые, одноразовые, напечатанные электроды, которые могут быть установлены на эластичном материале32,33,34. Несмотря на то, что в будущем будет внесено несколько улучшений, основной протокол, описанный в этой рукописи, не изменится. Эта работа позволит другим исследовательским группам воспроизвести нашу работу EMMI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. и A.L.S. подали предварительную заявку США No 62/642,389 под названием «Система и метод неинвазивной электромиометрической визуализации (EMMI)» на технологию EMMI, описанную в этой работе. Y.W. является научным консультантом компании Medtronic и финансируется Национальным институтом здоровья (NIH).
Acknowledgments
Мы благодарим Дебору Фрэнк за редактирование этой рукописи и Джессику Чубиз за организацию проекта. Финансирование: Эта работа была поддержана грантом Центра March of Dimes (22-FY14-486), грантами NIH/Национального института детского здоровья и развития человека (R01HD094381 для PIs Wang/Cahill; R01HD104822 PIs Wang/Schwartz/Cahill), грантами Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 PI Wang) и грантами Фонда Билла и Мелинды Гейтс (INV-005417, INV-035476 и INV-037302 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).
