Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול למדידת זרימת הדם של העובר במהירות באמצעות MRI וביצוע רטרוספקטיבי של תיקון תנועה וגאט לבבי.
Abstract
הדמיית תהודה מגנטית (MRI) היא כלי חשוב להערכה קלינית של מורפולוגיה קרדיווסקולרית ותפקוד הלב. זהו גם תקן הטיפול המוכר לכימות זרימת הדם על בסיס MRI של ניגודיות פאזה. בעוד שמדידה כזו של זרימת הדם אפשרית במבוגרים כבר עשרות שנים, רק לאחרונה פותחו שיטות להרחבת יכולת זו לזרימת דם עוברית.
כימות זרימת הדם העוברית בכלי הדם העיקריים חשוב לניטור פתולוגיות עובריות כגון מחלת לב מולדת (CHD) והגבלת גדילת העובר (FGR). CHD גורם לשינויים במבנה הלב וכלי הדם המשנים את מהלך הדם בעובר. ב- FGR, נתיב זרימת הדם משתנה באמצעות התרחבות של shunts כך אספקת הדם המחומצן למוח הוא גדל. כימות זרימת הדם מאפשר להעריך את חומרת הפתולוגיה של העובר, אשר בתורו מאפשר התאמה בניהול ותכנון הטיפול לאחר הלידה.
האתגרים העיקריים של החלת MRI של ניגודיות פאזה על העובר האנושי כוללים כלי דם קטנים, קצב לב עוברי גבוה, השחתה פוטנציאלית של נתוני MRI עקב נשימה אימהית, תנועות עובריות בלתי צפויות והיעדר שיטות גידור לב קונבנציונליות לסנכרון רכישת נתונים. כאן נתאר את ההתפתחויות הטכניות האחרונות מהמעבדה שלנו שאפשרו לכמת את זרימת הדם העוברית באמצעות MRI של ניגודיות פאזה, כולל התקדמות בהדמיה מואצת, פיצוי תנועה וגאט לבבי.
Introduction
הערכה מקיפה של מחזור הדם העוברי נחוצה לניטור פתולוגיות עובריות כגון הגבלת גדילת העובר (FGR) ומחלות לב מולדות (CHD)1,2,3. ברחם, ניהול המטופל ותכנון הטיפול לאחר הלידה תלויים בחומרת הפתולוגיה של העובר 4,5,6,7. היתכנות של כימות זרימת הדם העוברית באמצעות MRI ויישומיה בהערכת פתולוגיות עובריות הודגמו לאחרונה 3,8,9. שיטת ההדמיה, לעומת זאת, מתמודדת עם אתגרים, כגון זמני הדמיה ארוכים יותר כדי להשיג רזולוציה מרחבית-טמפורלית גבוהה, היעדר שיטות סנכרון לב ותנועת עובר בלתי צפויה10.
כלי הדם העובריים מורכבים ממבנים קטנים (קוטר ~5 מ"מ עבור כלי דם עיקריים המרכיבים את אבי העורקים היורד, דוקטוס ארטריוסוס, אבי העורקים העולה, עורק הריאה הראשי, והווריד הנבוב העליון11,12,13). כדי לפתור מבנים אלה ולכמת את הזרימה, נדרשת הדמיה ברזולוציה מרחבית גבוהה. יתר על כן, קצב הלב העוברי הוא בערך כפול מזה של מבוגר. לפיכך נדרשת גם רזולוציה טמפורלית גבוהה כדי לפתור תנועה לבבית דינמית וזרימת דם על פני מחזור הלב העוברי. הדמיה קונבנציונלית ברזולוציה מרחבית-טמפורלית גבוהה זו דורשת זמני רכישה ארוכים יחסית. כדי לטפל בבעיה זו, הוכנס MRI עוברימואץ 14,15,16. בקצרה, טכניקות האצה אלה כוללות דגימת חסר בתחום התדרים במהלך רכישת נתונים ושחזור רטרוספקטיבי בנאמנות גבוהה באמצעות טכניקות איטרטיביות. גישה אחת כזו היא שחזור חישה דחוסה (CS), המאפשר שחזור של תמונות מנתונים בתת-דגימה כבדה כאשר התמונה המשוחזרת דלילה בתחום ידוע ותוצרי דגימת חסר אינם ברורים17.
תנועה בהדמיית העובר מציבה אתגר גדול. השחתת תנועה יכולה לנבוע מתנועה נשימתית אימהית, תנועה בתפזורת אימהית או תנועה עוברית גסה. הנשימה האימהית מובילה לתרגומים תקופתיים של העובר, בעוד שתנועות העובר מורכבות יותר. תנועות העובר ניתן לסווג כמומקומי או ברוטו 10,18. תנועות מקומיות כרוכות בתנועה של מקטעים בלבד של הגוף. הם נמשכים בדרך כלל כ-10-14 שניות ותדירותם עולה עם ההיריון (~90 לשעה בטווח)10. תנועות אלה גורמות בדרך כלל לפגמים קטנים ואינן משפיעות על תחום העניין בהדמיה. עם זאת, תנועות עובריות גסות עלולות להוביל לשחיתות תדמיתית חמורה באמצעות רכיבי תנועה מישורית. תנועות אלה הן תנועות גוף שלמות המתווכות על ידי עמוד השדרה ונמשכות 60-90 שניות.
כדי להימנע מממצאים מתנועת העובר, ננקטים תחילה צעדים כדי למזער את תנועות האם. נשים בהריון נעשות רגועות יותר באמצעות כריות תומכות על מיטת הסורק ולבושות בשמלות נוחות ועשויות להיות בנות זוגן נוכחות לצד הסורק כדי להפחית קלסטרופוביה 19,20. כדי למתן את ההשפעות של תנועה נשימתית אימהית, מחקרים ביצעו בדיקות MR עובריות תחת עצירת נשימה אימהית21,22,23. עם זאת, רכישות כאלה חייבות להיות קצרות (~ 15 שניות) בהתחשב בסובלנות הנשימה המופחתת של נבדקות בהריון. לאחרונה הוכנסו לשימוש שיטות תיקון תנועה רטרוספקטיביות עבור MRIעוברי 14,15,16. שיטות אלה עוקבות אחר תנועת העובר באמצעות ערכות כלים לרישום ומתקנות לתנועה או משליכות חלקים בלתי ניתנים לתיקון של נתונים שנרכשו.
לבסוף, תמונות MR לבביות לאחר הלידה נרכשות באופן קונבנציונלי באמצעות אלקטרוקרדיוגרמה (ECG) כדי לסנכרן את רכישת הנתונים למחזור הלב. ללא גאט, תנועה לבבית וזרימה פועמת מכל מחזור הלב משולבים, ומייצרים חפצים. למרבה הצער, אות האק"ג העוברי סובל מהפרעות של אות האק"ג האימהי24 ועיוותים מהשדה המגנטי25. לפיכך, הוצעו גישות חלופיות לא פולשניות לגטינג לבבי עוברי, כולל גטינג עצמי, גטינג ממוטב מטרי (MOG) ואולטרסאונד דופלר 21,26,27,28.
כפי שמתואר בסעיפים הבאים, גישת ה-MRI שלנו לכימות זרימת הדם העוברית ממנפת שיטת gating חדשנית, MOG, שפותחה במעבדה שלנו ומשולבת עם תיקון תנועה ושחזור איטרטיבי של רכישות MRI מואצות. הגישה מבוססת על צינור במחקרשפורסם בעבר 14 ומורכבת מחמשת השלבים הבאים: (1) רכישת זרימת דם עוברית, (2) שחזורים בזמן אמת, (3) תיקון תנועה, (4) גאט לב ו-(5) שחזורים מגודרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
כל סריקות ה-MRI בוצעו בהסכמה מדעת של מתנדבים כחלק ממחקר שאושר על ידי ועדת האתיקה המחקרית המוסדית שלנו.
הערה: השיטות המתוארות להלן שימשו במערכת MRI 3T. הרכישה מתבצעת באמצעות רצף MRI של ניגודיות פאזה רדיאלית. רצף זה הוכן על ידי שינוי מסלול הקריאה (כדי להשיג תבנית סטלית) של MRI ניגודיות הפאזה הקרטזית של היצרן. פרוטוקולי הרצף והדגימה זמינים על פי בקשה באמצעות פלטפורמת ההחלפה C2P שלנו. כל השחזורים בעבודה זו בוצעו במחשב שולחני סטנדרטי עם המפרטים הבאים: זיכרון של 32 GB, מעבד 3.40 GHz עם 8 ליבות, וכרטיס גרפי של 2GB עם 1024 ליבות ארכיטקטורת התקן מאוחד מחשוב (CUDA). שחזור התמונה בוצע ב- MATLAB. התמרת פורייה מהירה לא אחידה (NUFFT)29 בוצעה ביחידת העיבוד הגרפי (GPU). פרמטרים של תיקון תנועה חושבו באמצעות elastix30. איור 1 מתאר את הפרוטוקול בסדר כרונולוגי, ועוקב אחר האופן שבו מקודדי המהירות הנרכשת (צבע המקודד באיור 1) מעובדים עם תמונות מייצגות בכל שלב של השחזור. קוד השחזור זמין בכתובת https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI. בעוד שאנו מספקים את השלבים בפרוטוקול כאן, רוב שלבי האלגוריתם הללו הם אוטומטיים בצנרת שלנו.
1. מיצוב נושא ובחינות לוקלייזר
- לסייע לאם למקם את עצמה על שולחן ה- MRI בתנוחה הנוחה המועדפת עליה, בדרך כלל בתנוחות שכיבה או דקוביטוס לרוחב, לבדיקת MRI.
- מניחים את סליל הלב על אזור הבטן של האם.
- טען את טבלת ה- MRI בנשא המגנט והודע לאם שהסריקה עומדת להתחיל.
- הפעל בדיקת לוקלייזר כדי לאתר את גוף העובר (רזולוציה: 0.9 x 0.9 x 10 מ"מ3, TE / TR: 5.0 / 15.0 ms, FOV: 450 x 450 מ"מ2, פרוסות: 6).
- הפעל בדיקת לוקלייזר מעודנת כדי לאתר את כלי הדם העובריים כאשר קבוצת הפרוסה מרוכזת בלב העובר (רזולוציה 1.1 x 1.1 x 6.0 מ"מ3, TE / TR: 2.69 / 1335.4 ms, FOV: 350 x 350 מ"מ2, פרוסות: 10, כיוון: צירי לעובר).
- חזור על לוקלייזרים מעודנים עם כיוונים sagittal ו coronal לתצוגה ברורה יותר של כלי העובר.
- חזור על לוקלייזרים מעודנים במקרים של תנועה עוברית ברוטו.
2. רכישת נתוני זרימת דם עוברית
- אתר כלי דם עובריים באמצעות בחינות לוקלייזר. לדוגמה, אבי העורקים היורד הוא כלי ישר וארוך ליד עמוד השדרה במישורים הסגיטליים. ניתן לזהות את אבי העורקים העולה ואת עורקי הריאה הראשיים ככלי העוזבים את החדר השמאלי והימני, בהתאמה. ניתן לעקוב אחר דוקטוס ארטריוסוס כקטע במורד הזרם של עורק הריאה הראשי פרוקסימלי לאבי העורקים היורד. ניתן לזהות את הווריד הנבוב העליון ממישורים ציריים הסמוכים לבסיס לב העובר ככלי הסמוך לאבי העורקים העולה.
- לרשום פרוסה בניצב לציר של כלי העובר של עניין. סובב והזז את קו המנחה של הפרוסה במחשב מסוף ה- MRI כך שהוא יצטלב עם כלי המטרה בניצב.
- הגדר את פרמטרי הסריקה (סוג רכישה: MRI ניגודיות פאזה רדיאלית, רזולוציה: 1.3 x 1.3 x 5.0 מ"מ 3, זמן הד (TE)/ זמן חזרה (TR):3.25/5.75 מטר/שניה, שדה ראייה (FOV): 240 x 240 מ"מ2, פרוסה: 1, קידוד מהירות: 100-150 ס"מ/שנייה בהתאם לכלי העניין, כיוון קידוד מהירות: דרך מישור, תצוגות רדיאליות: 1500 לקוד, נשימה חופשית).
- הפעל את הסריקה ואמת את המרשם בהתבסס על השחזור הראשוני בזמן ממוצע שבוצע ומוצג במחשב מסוף ה- MRI. חזור על סריקות לוקלייזר וניגודיות פאזה אם כלי המטרה נעדר או בלתי מזוהה מהשחזור הראשוני. נתונים גולמיים שנרכשו מיוצגים בסכמטית באיור 1A כאשר המהירות מפוצה ובאמצעות רכישת מישורים מקודדים בצבע אדום וכחול, בהתאמה.
- חזור על איסוף נתוני זרימת הדם העוברית עבור כל כלי דם יעד.
הערה: יש להעביר את הנתונים הגולמיים שנרכשו (תבנית: קבצי DAT) לצורך שחזור לא מקוון. לדוגמה, בסורקים של סימנס, ניתן לבצע זאת על ידי הפעלת 'twix'. הנתונים הגולמיים הנרכשים נלחצים באמצעות לחצן העכבר הימני מרכישות הרשימה ונבחר "העתק קובץ פשיטה כולל".
3. תיקון תנועה של מדידות העובר
- בנה מחדש סדרות בזמן אמת (רזולוציה טמפורלית: 370 אלפיות השנייה, תצוגות רדיאליות: 64) מהנתונים הנרכשים באמצעות CS עם 15 איטרציות של מיטוב ירידה הדרגתית מצומדת תוך ניצול שונות כוללת מרחבית (STV, משקל: 0.008) ושונות כוללת זמנית (TTV, משקל: 0.08) רגולריזציה כפי שמיוצגת על ידי הסכימה באיור 1B.
- בחר אזור עניין (ROI) המקיף את כלי העניין משחזור ראשון זה בזמן אמת באמצעות ממשק משתמש גרפי שפותח ב- MATLAB. בשלב זה, על המשתמש לצייר קווי מתאר התוחמים את האנטומיה העוברית, כגון כלי הדם הגדולים של המטרה או הלב העוברי.
- בצע מעקב תנועה קשיח של הגוף עם elastix 30 (מבוסס על מידע הדדי מנורמל עם פרמטרים ממוטבים אמפירית: 4 רמות פירמידה,300 איטרציות וטרנספורמציות תרגום).
- דחה מסגרות במעקב בזמן אמת המשתפות מידע הדדי (MI) נמוך עם כל המסגרות האחרות (לפיהן MI קטן מפי 1.5 מהטווח הבין-רבעוני מה- MI הממוצע). מסגרות אלה נחשבות כמיוצגות באמצעות תנועת מישור או תנועה עוברית גסה.
- השתמש בנתוני MRI המתאימים לסדרה הארוכה ביותר של מסגרות רציפות בזמן אמת (ללא רווחים) מהמסגרות הנותרות כתקופה השקטה המשמשת לשחזור נוסף.
- אינטרפולציה של פרמטרים לתיקון תנועה תרגומית מהרזולוציה הזמנית של הסדרה בזמן אמת (370 מילישניות) ועד TR של הרכישה השקטה (5.75 מילישניות).
- החל פרמטרים שעברו אינטרפולציה על התקופה השקטה המוגדרת של נתוני ה- MRI על-ידי אפנון השלב כמו ב:
כאשר s' הוא הנתונים המתוקנים בתנועה, k x ו- k y הם הקואורדינטות במרחב k, s הוא הנתונים הלא מתוקנים הנרכשים, Δ x ו- Δ y הם התזוזות הנמצאות במעקב במרחב, ו- j מייצג
.
הערה: כל הערכים המספריים של מקדמי הרגולריזציה בעבודה זו היו ממוטבים בניסויים קודמים. זה הושג באמצעות חיפוש רשת בכוח הזרוע כדי למצוא את מקדמי ההסדרה שמזערו את השגיאה בין שחזורים של מערך נתוני ייחוס עוברי שנדגמו מאוד לבין מקרים של תת-דגימה בדיעבד מאותו מערך נתונים.
.4. פתרון לדופק העובר
- בנה מחדש סדרת תמונות שנייה בזמן אמת ברזולוציה טמפורלית גבוהה יותר (רזולוציה זמנית: 46 אלפיות השנייה, תצוגות רדיאליות: 8) באמצעות הנתונים הנרכשים באמצעות CS, שוב עם 15 איטרציות של אופטימיזציה של ירידה הדרגתית מצומדת עם STV (משקל: 0.008) ו- TTV (משקל: 0.08) רגולריזציה כפי שמיוצג על ידי הסכימה באיור 1C.
- בחר מחדש ROI המקיף את כלי העובר המעניין.
- הפעל MOG מולטיפרמטר על הסדרה בזמן אמת כדי להפיק את הדופק העוברי התלוי בזמן.
- תנועת הפח תיקנה את נתוני ה-MRI ל-15 פאזות לב באמצעות צורת הגל הנגזרת של קצב הלב. בשלב זה, הגבולות הזמניים של שלבי הלב מחושבים באמצעות קצב הלב מהצעד הקודם. לדוגמה, הגבולות עבור השלב i th בפעימת הלב kth ניתנים על ידי:
כאשר HR(K) הוא הזמן שבו מתרחשת פעימות הלב k th. חותמת הזמן של הרכישה הרדיאלית nth ניתנת על ידי (n x TR). נתונים עם חותמות זמן הנופלות בגבולות שלב לב מוקצים לשלב זה.
הערה: MOG היא טכניקת gating26 הכוללת שילוב איטרטיבי של הנתונים הנרכשים בהתבסס על מודל דופק עוברי מרובה פרמטרים כדי ליצור תמונות CINE הממטבות מדד תמונה על פני אזור עניין.
5. שחזור של CINEs עוברי
- בנה מחדש CINEs של זרימה עוברית באמצעות נתוני MRI מתוקנים בתנועה משולבת ו- CS עם 10 איטרציות של מיטוב ירידה הדרגתית מצומדת עם STV (משקל: 0.025) ו- TTV (משקל: 0.01) רגולריה. שני CINEs מיוצרים בשלב זה: אחד עבור הרכישה המפוצה של התזרים, CFC, ואחד עם הנתונים המקודדים של הזרימה, CFE, כפי שהם מיוצגים בסכימה באיור 1D.
- חשב את תמונת המהירות הניתנת על ידי הפאזה של המכפלה היסודית של CFE והצמד המרוכב שלC FC.
- החל תיקון פאזה ברקע31 כדי לתקן את האפקטים הנוכחיים של eddy. בקצרה, בשלב אוטומטי זה, מטוס מותאם לשלב של רקמות עובריות ואימהיות סטטיות. התיקון מתבצע על ידי חיסור המישור מהפאזה הרגישה למהירות המחושבת ב-4.2.
- כתוב נתונים משוחזרים בקובצי DICOM.
- טען DICOMs לתוכנת ניתוח זרימה, כגון מקטע v2.232.
- צייר החזר השקעה המקיף את לומן של כלי הדם המעניין באמצעות תמונות רגישות אנטומיות ומהירות.
- להפיץ את ההחזר על ההשקעה לכל שלבי הלב ולתקן לשינויים בקוטר כלי השיט.
- הקלט מדידות זרימה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
באופן כללי, בדיקות MRI פאזה של זרימה מכוונות לשישה כלי דם עובריים עיקריים: אבי העורקים היורד, אבי העורקים העולה, עורק הריאה הראשי, דוקטוס ארטריוסוס, הווריד הנבוב העליון ווריד הטבור. כלי דם אלה מעניינים את המטפל מכיוון שהם מעורבים לעתים קרובות ב- CHD ו- FGR, ומשפיעים על התפלגות הדם ברחבי העובר9. משך סריקה טיפוסי עם MRI ניגודיות פאזה רדיאלית הוא 17 שניות לכל כלי כך שהסריקות קצרות תוך מתן זמן לאיסוף נתונים מספיק לשחזור CINE. זמן הרכישה הכולל, כולל לוקלייזרים ו-MRI ניגודיות פאזה, עבור התוצאות המייצגות היה 3 דקות. במחקר זה מוצגות תוצאות מייצגות באמצעות נתוני רכישת זרימה מאבי העורקים היורד בשני עוברים אנושיים: עובר 1 ועובר 2 עם גילי הריון (שבוע + ימים) של 35+4 ו-37+3, בהתאמה.
כמו באיור 1, שחזורים ראשוניים בזמן אמת (רזולוציה זמנית: 370 מילישניות) שבוצעו לצורך מעקב אחר תנועה ארכו 45 שניות לכל פרוסה משוחזרת. מעקב אחר תנועת התרגום ארך 2 דקות לכל פרוסה. פרמטרי התנועה שחולצו עבור עובר 1 (איור 2 A1, תזוזה מרבית: 1.6 מ"מ) ועובר 2 (איור 2 A2, תזוזה מרבית: 1.3 מ"מ) מתארים את התנועה של אבי העורקים היורד לאורך משך הסריקה. המידע ההדדי המשותף של כל מסגרת בזמן אמת עם כל המסגרות האחרות שנרשמו במשותף מוצג באיור 2 B1 (עובר 1) ובאיור 2 B2 (עובר 2). במקרים אלה, כל המסגרות שיתפו מידע הדדי מעל הקריטריונים שנחתכו, ולכן לא נדחו נתונים. השחזורים השניים בזמן אמת (רזולוציה זמנית: 46 אלפיות השנייה), ששימשו להפקת מידע על גזירת הלב, ארכו 10 דקות עבור כל פרוסה. MOG גזר את מרווחי פעימות הלב העובריות (RR) באמצעות מודל מולטיפרמטר, כפי שמוצג באיור 2 C1 (עובר 1, מרווח RR: 521 ± 20 אלפיות השנייה) ובאיור 2 C2 (עובר 2 , מרווח RR: 457 ± 9 אלפיות השנייה).
שחזורים סופיים של CINE תוך שימוש בנתונים שעברו תיקון תנועה רטרוספקטיבי ומגודרים ארכו 3 דקות לכל פרוסה. השחזורים האנטומיים והמהירות של עובר 1 ועובר 2 בשיא הסיסטולה מוצגים באיור 3. שחזורים עם תיקון תנועה מראים כלים עם קירות חדים יותר. ללא תיקון תנועה, אבי העורקים היורד מטושטש יותר ובולט פחות. עקומות הזרימה הנמדדות מכל עובר (איור 4) מראות זרימות שיא וממוצע גבוהות יותר בשחזורים ללא תיקון תנועה ([ממוצע שיא]: עובר 1 [25.2 9.8] מ"ל/שנייה, עובר 2 [34.6 10.3] מ"ל/שנייה]) מאשר בעקומות עם תיקון תנועה ([ממוצע שיא]: עובר 1 [23.5 9.2] מ"ל/שנייה, עובר 2 [28.7 9.7] מ"ל/שנייה]).
איור 1: צינור לשחזור נתוני MRI של ניגודיות פאזה עוברית. (A) שלב 1: נתוני MRI של ניגודיות פאזה רדיאלית בזווית זהובה (צבע מקודד כ: פיצוי זרימה = אדום וקידוד מישור = כחול). הצבעים המתחלפים מתארים כי הרכישות המקודדות של תגמולי זרימה ומישור דרך מתרחשות באותם תדרים מרחביים. (B) שלב 2: חלונות זמניים של 370 אלפיות השנייה לשחזור בזמן אמת באמצעות CS עם אילוצי דלילות (STV ו- TTV). תיקון תנועה ודחיית נתונים מבוצעים. (C) שלב 3: חלונות זמניים של 46 אלפיות השנייה נוצרים לשחזור בזמן אמת עם CS (עם אילוצי דלילות STV ו- TTV) עבור MOG. (D) שלב 4: הנתונים מאוגדים לשלבי לב (CP), ו-CS משמש ליצירת CINE של זרימה עוברית, עם אילוצי דלילות (STV ו-TTV). שחזורים מייצגים מכל שלב בפקולטה למדעי המחשב מוצגים בעמודה שחזורים. שחזורים עבור שלבים 3 ו-4 מוצגים עבור נקודת זמן המתאימה לשיא הסיסטולה. סרגלי שינוי גודל בפינה השמאלית העליונה של התמונות האנטומיות מציינים 10 מ"מ בתמונה. מפרטי הזמן, בשניות, המסומנים באפור מייצגים את משכי הזמן של השלבים המתאימים. STV: וריאציה כוללת מרחבית, TTV: וריאציה כוללת זמנית, CS: חישה דחוסה, MOG: gating ממוטב מטרי, CINE: שחזור דינמי מגודר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: תזוזה מייצגת ועקומות דופק. A1 ו- A2 מתארים עקומת תזוזה במעקב רטרוספקטיבי עבור הסריקות בעובר 1 ובעובר 2, בהתאמה. B1 ו- B2 מציגים את סכום המידע ההדדי של מסגרת נתונה עם כל המסגרות האחרות עבור עובר 1 ועובר 2, בהתאמה. הקווים המקווקווים האדומים מייצגים טווח בין-רבעוני של פי 1.5 שמתחתיו הנתונים נדחים. C1 ו- C2 מתארים את מרווחי ה- RR הנגזרים עם MOG בעובר 1 ובעובר 2, בהתאמה. מרווח RR: זמן בין פעימות לב רצופות, MOG: מטרי מותאם gating. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: שחזורי CINE רגישים למהירות ייצוגית בשיא הסיסטולה. כל רביע מתאר את השחזורים האנטומיים והמהירות. השורה העליונה מציגה את ה- CINE עם תיקון תנועה בעובר 1 ובעובר 2, בהתאמה. השורה התחתונה מציגה את ה- CINE ללא תיקון תנועה בעובר 1 ובעובר 2, בהתאמה. החצים האדומים והכחולים מתארים את אבי העורקים היורד. פסי קנה מידה בפינה השמאלית העליונה של התמונות האנטומיות מציינים 10 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: עקומות זרימה מייצגות באבי העורקים היורד של העובר. קווי הנתונים המוצקים והמקווקווים מתארים את עקומות הזרימה המתקבלות משחזורי CINE עם ובלי תיקון תנועה, בהתאמה, בעובר 1 (משמאל) ובעובר 2 (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שיטה זו מאפשרת מדידה לא פולשנית של זרימת הדם בכלי הדם הגדולים של העובר האנושי ומאפשרת תיקון תנועה רטרוספקטיבי וגריטת לב על ידי שימוש בטכניקות שחזור איטרטיבי. כימות זרימת הדם העוברית בוצע באמצעות MRI ב-1,3,8,9 השנים האחרונות. למחקרים אלה הייתה גישה פרוספקטיבית לצמצום השחתת התנועה, לפיה הסריקות יחזרו על עצמן אם תנועת העובר הגסה תזוהה באופן חזותי משחזור ראשוני בסורק. הפרוטוקול הנוכחי משפר זאת על ידי דחייה בדיעבד של נתונים שהושחתו על ידי תנועה עוברית גסה ותיקונים נוספים עבור תזוזות במישור הנובעות מתנועות עובריות עדינות או מתנועה נשימתית אימהית.
פרוטוקול זה עושה שימוש במודל מולטיפרמטר עבור MOG לפיו מחושב מרווח RR עבור כל פעימת לב עוברית. שימוש במודל דופק בפרמטרים נמוכים (כגון 2 פרמטרים) מקובל בדרך כלל לסריקות קצרות מכיוון שלדופק עוברי בריא יש שונות נמוכה33. עם זאת, מודלים של פרמטרים נמוכים הופכים בעייתיים עבור סריקות ארוכות יותר או במקרים של פתולוגיות כגון arrythmia. מודל רב-תכליתי ב- MOG יכול לעקוב אחר מרווחי RR משתנים אלה, ולספק זרימות מדויקות יותר.
הפרוטוקול הנוכחי מאפשר כמה שינויים. ראשית, ניתן להחליף תוכנות צד שלישי ששימשו במחקר זה למעקב אחר תנועה וניתוח זרימה בחבילות תוכנה זמינות אחרות. שנית, ניתן להגדיל את מספר האיטרציות באלגוריתמי הירידה ההדרגתית המצומדת עבור CS. במחקר זה, מספר האיטרציות בכל שלב נקבע בערך שמעבר לו היו שיפורים מינימליים בהתבסס על שחזורים קודמים. בעבודה זו נסרקו רק הריונות בשליש השלישי. בהריונות מוקדמים יותר, העובר קטן יותר וייתכן שיש יותר מקום לתנועה. עם זאת, מכיוון שתקופות שקטות בסריקה מזוהות בדיעבד עבור שחזורי CINE, פרוטוקול זה אמור להיות מוצלח להדמיית זרימה בגילאים מוקדמים אלה. ייתכן שתידרש עלייה ברזולוציה של הסריקות כדי לספק קוטרי כלי שיט קטנים יותר בגיל הריון נמוך יותר. עבור פרוטוקול זה, זמני השחזור המדווחים באיור 1 ובתוצאות תלויים במידה רבה בכוח החישובי הזמין. לדוגמה, עם מעבדים גרפיים טובים יותר ומעבדים חזקים יותר, ניתן להפחית משמעותית את זמני השחזור.
לפרוטוקול יש מגבלות מסוימות. ראשית, איכות שחזור CINE תלויה בכמות הנתונים שנדחו בשלב תיקון התנועה. עם עלייה באפיזודות של תנועות עובר ברוטו במהלך סריקה, נתונים רבים יותר נדחים. כתוצאה מכך, יחס האות לרעש (SNR) המתקבל בשחזורים של CINE יקטן. SNR נמוך מגביר את אי הוודאות בתמונות המהירות34 ואת כימות הזרימה המתקבל. לפיכך, הביצועים ישתפרו עם שקט עוברי גדול יותר. שנית, השיטה תלויה בהגדרה של ROIs לתיקון תנועה ו- MOG. ביישום הנוכחי, שלב זה מבוצע באופן ידני. מצאנו כי השחזור יציב עד הבדלים קטנים במיקום ההחזר על ההשקעה, אך תהליך זה גורם לזמני המתנה בין רכישת הנתונים לבין שחזורי CINE (מכיוון שישנם שני שלבי מיקום ROI בין שלושת שלבי השחזור האיטרטיבי). זה הופך להיות מסורבל יותר כאשר יש מספר רב של פרוסות שנרכשו. ביישומים עתידיים של הפרוטוקול, מיקום ההחזר על ההשקעה יהיה אוטומטי.
נכון לעכשיו, אנו משתמשים בפרוטוקול המוצג במחקרים באישור ועדת האתיקה המקומית. הפרוטוקול יכול לשמש גם במקרים בהם התנועה היא בעיה פוטנציאלית במהלך בדיקת MRI, כגון ביילודים או בנבדקים שאינם משתפים פעולה. כיוונים עתידיים של השיטה כוללים חקירת מסלולים ספירליים35,36, המספקים דגימה יעילה יותר ואפשרות לחקור זרימת עובר בזמן אמת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ללא.
Acknowledgments
ללא.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| elastix | Image Sciences Institute, University Medical Center Utrecht | Image registration software | |
| Geforce GTX 960 | Nvidia | 04G-P4-3967-KR | |
| gpuNUFFT | CAI²R | Non-uniform fast Fourier transform | |
| MAGNETOM Prisma | Siemens | 10849583 | |
| MATLAB | MathWorks | ||
| Radial Phase Contrast MRI sequence | Trajectory modification of manufacturer's Cartesian Phase Contrast sequence | ||
| Segment | Medvisio | Data analysis | |
| VENGEANCE | Corsair | LPX DDR4-2666 |
References
- Zhu, M. Y., et al. The hemodynamics of late-onset intrauterine growth restriction by MRI. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 214 (3), 1-17 (2016).
- Zhu, M. Y., Jaeggi, E., Roy, C. W., Macgowan, C. K., Seed, M. Reduced combined ventricular output and increased oxygen extraction fraction in a fetus with complete heart block demonstrated by MRI. HeartRhythm Case Reports. 2 (2), 164-168 (2016).
- Sun, L., et al. Reduced Fetal Cerebral Oxygen Consumption is Associated With Smaller Brain Size in Fetuses With Congenital Heart Disease. Circulation. 131 (15), 1313-1323 (2015).
- Freud, L. R., et al. Fetal aortic valvuloplasty for evolving hypoplastic left heart syndrome: postnatal outcomes of the first 100 patients. Circulation. 130 (8), 638-645 (2014).
- Peleg, D., Kennedy, C. M., Hunter, S. K. Intrauterine growth restriction: identification and management. American Family Physician. 58 (2), 453-467 (1998).
- Krishna, U., Bhalerao, S. Placental Insufficiency and Fetal Growth Restriction. Journal of Obstetrics and Gynaecology of India. 61 (5), 505-511 (2011).
- Seravalli, V., Miller, J. L., Block-Abraham, D., Baschat, A. A. Ductus venosus Doppler in the assessment of fetal cardiovascular health: an updated practical approach. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 95 (6), 635-644 (2016).
- Seed, M., et al. Feasibility of quantification of the distribution of blood flow in the normal human fetal circulation using CMR: a cross-sectional study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 14 (1), 79 (2012).
- Prsa, M., et al. Reference ranges of blood flow in the major vessels of the normal human fetal circulation at term by phase-contrast magnetic resonance imaging. Circulation. Cardiovascular Imaging. 7 (4), 663-670 (2014).
- Piontelli, A. Development of Normal Fetal Movements: The Last 15 Weeks of Gestation. , Springer-Verlag. Mailand. (2015).
- Cartier, M., et al. The normal diameter of the fetal aorta and pulmonary artery: echocardiographic evaluation in utero. American Journal of Roentgenology. 149 (5), 1003-1007 (1987).
- Ruano, R., de Fátima Yukie Maeda, M., Niigaki, J. I., Zugaib, M. Pulmonary artery diameters in healthy fetuses from 19 to 40 weeks' gestation. Journal of Ultrasound in Medicine. 26 (3), 309-316 (2007).
- Nowak, D., Kozłowska, H., Żurada, A., Gielecki, J. Diameter of the ductus arteriosus as a predictor of patent ductus arteriosus (PDA). Central European Journal of Medicine. 6 (4), 418-424 (2011).
- Goolaub, D. S., et al. Multidimensional fetal flow imaging with cardiovascular magnetic resonance: a feasibility study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 20 (1), 77 (2018).
- Roy, C. W., Seed, M., Kingdom, J. C., Macgowan, C. K. Motion compensated cine CMR of the fetal heart using radial undersampling and compressed sensing. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 19 (1), 29 (2017).
- van Amerom, J. F. P., et al. Fetal cardiac cine imaging using highly accelerated dynamic MRI with retrospective motion correction and outlier rejection. Magnetic Resonance in Medicine. 79 (1), 327-338 (2018).
- Lustig, M., Donoho, D., Pauly, J. M. Sparse MRI: The application of compressed sensing for rapid MR imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1182-1195 (2007).
- Edwards, D. D., Edwards, J. S. Fetal movement: development and time course. Science. 169 (3940), New York, N.Y. 95-97 (1970).
- Malamateniou, C., et al. Motion-Compensation Techniques in Neonatal and Fetal MR Imaging. American Journal of Neuroradiology. 34 (6), 1124-1136 (2013).
- Rutherford, M., et al. MR imaging methods for assessing fetal brain development. Developmental Neurobiology. 68 (6), 700-711 (2008).
- Haris, K., et al. Self-gated fetal cardiac MRI with tiny golden angle iGRASP: A feasibility study: Self-Gated Fetal Cardiac MRI with iGRASP. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 46 (1), 207-217 (2017).
- Glenn, O. A.
- Rodríguez-Soto, A. E., et al. MRI Quantification of Human Fetal O2 Delivery Rate in the Second and Third Trimesters of Pregnancy. Magnetic Resonance in Medicine. 80 (3), 1148-1157 (2018).
- Sameni, R., Clifford, G. D. A Review of Fetal ECG Signal Processing; Issues and Promising Directions. The Open Pacing, Electrophysiology & Therapy Journal. 3, 4-20 (2010).
- Millis, R. Advances in Electrocardiograms: Methods and Analysis. BoD - Books on Demand. , (2012).
- Jansz, M. S., et al. Metric optimized gating for fetal cardiac MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1304-1314 (2010).
- Yamamura, J., et al. Cardiac MRI of the fetal heart using a novel triggering method: initial results in an animal model. Journal of Magnetic Resonance Imaging: JMRI. 35 (5), 1071-1076 (2012).
- Larson, A. C., et al.
- Knoll, F., Schwarzl, A., Diwoky, C., Sodickson, D. K. gpuNUFFT-An open source GPU library for 3D regridding with direct Matlab interface. Proceedings of the 22nd Annual Meeting of ISMRM. , (2014).
- Klein, S., Staring, M., Murphy, K., Viergever, M. A., Pluim, J. P. W. elastix: a toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (1), 196-205 (2010).
- Walker, P. G., et al. Semiautomated method for noise reduction and background phase error correction in MR phase velocity data. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 3 (3), 521-530 (1993).
- Heiberg, E., et al. Design and validation of Segment - freely available software for cardiovascular image analysis. BMC Medical Imaging. 10 (1), 1 (2010).
- Inder, T. E., Volpe, J. J. Chapter 17 - Intrauterine, Intrapartum Assessments in the Term Infant. Volpe's Neurology of the Newborn (Sixth Edition). , 458-483 (2018).
- Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Quarterly. 7 (4), 229-254 (1991).
- Steeden, J. A., Atkinson, D., Hansen, M. S., Taylor, A. M., Muthurangu, V. Rapid flow assessment of congenital heart disease with high-spatiotemporal-resolution gated spiral phase-contrast MR imaging. Radiology. 260 (1), 79-87 (2011).
- Kowalik, G. T., Knight, D., Steeden, J. A., Muthurangu, V. Perturbed spiral real-time phase-contrast MR with compressive sensing reconstruction for assessment of flow in children. Magnetic Resonance in Medicine. 83 (6), 2077-2091 (2020).
