Waiting
Login processing...

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

Medicine

Manyetik Rezonans Görüntüleme ve Hareket Telafisi ile İnsan Fetal Kan Akımı Ölçümü

Published: January 7, 2021 doi: 10.3791/61953
Automatic Translation
1,2, 3,4, 4,5, 1,2
1Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 2Division of Translational Medicine, The Hospital for Sick Children, 3Labatt Family Heart Centre, The Hospital for Sick Children, 4Department of Pediatrics, University of Toronto, 5Division of Pediatric Cardiology, The Hospital for Sick Children

Summary

Burada MRG ile fetal kan akımını hızlı bir şekilde ölçmek, hareket düzeltmesi ve kardiyak geçişi retrospektif olarak gerçekleştirmek için bir protokol sunulmaktadır.

Abstract

Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), kardiyovasküler morfoloji ve kalp fonksiyonlarının klinik değerlendirilmesinde önemli bir araçtır. Aynı zamanda faz kontrast MRG'ye dayanan kan akışı ölçümü için tanınmış bir bakım standardıdır. Kan akışının bu şekilde ölçülmesi yetişkinlerde on yıllardır mümkün olsa da, bu yeteneği fetal kan akışına genişletme yöntemleri ancak yakın zamanda geliştirilmiştir.

Majör damarlarda fetal kan akımı miktarının belirlenmesi, konjenital kalp hastalığı (KKH) ve fetal büyüme kısıtlaması (FGR) gibi fetal patolojilerin izlenmesinde önemlidir. KKH, fetüste kanın seyrini değiştiren kardiyak yapıda ve vaskülattürde değişikliklere neden olur. FGR'de, kan akışının yolu, şantların genişlemesi yoluyla değiştirilir, böylece beyne oksijenli kan akışı artar. Kan akımı miktarı, fetal patolojinin ciddiyetinin değerlendirilmesini sağlar ve bu da uygun utero hasta yönetimi ve doğum sonrası bakım planlamasına izin verir.

Faz kontrastlı MRG'nin insan fetüsüne uygulanmasının başlıca zorlukları arasında küçük kan damarı boyutu, yüksek fetal kalp atış hızı, maternal solunuma bağlı potansiyel MRG veri bozulması, öngörülemeyen fetal hareketler ve veri toplamayı senkronize etmek için geleneksel kardiyak geçiş yöntemlerinin eksikliği sayılabilir. Burada, hızlandırılmış görüntüleme, hareket telafisi ve kardiyak geçişteki ilerlemeler de dahil olmak üzere, faz kontrast MRG kullanılarak fetal kan akışının ölçülmesini sağlayan laboratuvarımızdaki son teknik gelişmeleri açıklıyoruz.

Introduction

Fetal büyüme kısıtlılığı (FGR) ve konjenital kalp hastalığı (KKH) gibi fetal patolojilerin izlenmesi için fetal dolaşımın kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi gereklidir 1,2,3. Utero'da hasta yönetimi ve doğum sonrası bakım planlaması fetal patolojinin ciddiyetine bağlıdır 4,5,6,7. MRG ile fetal kan akımı niceliğinin fizibilitesi ve fetal patolojilerin değerlendirilmesindeki uygulamaları son zamanlarda gösterilmiştir 3,8,9. Bununla birlikte, görüntüleme yöntemi, yüksek uzaysal zamansal çözünürlük elde etmek için artan görüntüleme süreleri, kardiyak senkronizasyon yöntemlerinin eksikliği ve öngörülemeyen fetal hareket10 gibi zorluklarla karşı karşıyadır.

Fetal vaskülatür küçük yapılardan oluşur (inen aort, duktus arteriyozus, asendan aort, ana pulmoner arter ve superior vena kava 11,12,13'ü içeren majör kan damarları için ~5 mm çapında). Bu yapıları çözmek ve akışı ölçmek için, yüksek uzamsal çözünürlükte görüntüleme gereklidir. Dahası, fetal kalp atış hızı bir yetişkinin yaklaşık iki katıdır. Bu nedenle, fetal kardiyak döngü boyunca dinamik kardiyak hareketi ve kan akışını çözmek için yüksek bir zamansal çözünürlük de gereklidir. Bu yüksek mekansal zamansal çözünürlükte geleneksel görüntüleme, nispeten uzun edinme süreleri gerektirir. Bu sorunu çözmek için, hızlandırılmış fetal MRG 14,15,16 tanıtılmıştır. Kısaca, bu hızlandırma teknikleri, veri toplama sırasında frekans alanında yetersiz örneklemeyi ve yinelemeli teknikler kullanılarak geriye dönük yüksek doğrulukta rekonstrüksiyonu içerir. Böyle bir yaklaşım, yeniden yapılandırılmış görüntü bilinen bir etki alanında seyrek olduğunda ve az örnekleme yapıtları tutarsız olduğunda ağır şekilde az örneklenmiş verilerden görüntülerin yeniden yapılandırılmasına izin veren sıkıştırılmış algılama (CS) yeniden yapılandırmasıdır17.

Fetal görüntülemede hareket büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Hareket yolsuzluğu maternal solunum hareketi, maternal bulk hareketi veya brüt fetal hareketten kaynaklanabilir. Maternal solunum fetüsün periyodik çevirilerine yol açarken, fetal hareketler daha karmaşıktır. Fetal hareketler lokalize veya brüt10,18 olarak sınıflandırılabilir. Lokalize hareketler vücudun sadece bölümlerinin hareketini içerir. Tipik olarak yaklaşık 10-14 s sürerler ve sıklıkları gebelikle birlikte artar (termde saatte ~ 90)10. Bu hareketler genellikle küçük çaplı bozulmalara neden olur ve görüntüleme ilgi alanını etkilemez. Bununla birlikte, kaba fetal hareketler, düzlem hareketi bileşenleri ile ciddi görüntü bozulmasına yol açabilir. Bu hareketler omurganın aracılık ettiği tüm vücut hareketleridir ve 60-90 sn sürer.

Fetal hareketten kaynaklanan artefaktlardan kaçınmak için, önce maternal hareketleri en aza indirgemek için adımlar atılır. Hamile kadınlar, tarayıcı yatağındaki destekleyici yastıklar kullanılarak daha rahat hale getirilir ve rahat önlükler giydirilir ve klostrofobiyi azaltmak için ortakları tarayıcının yanında bulunabilir19,20. Maternal solunum hareketinin etkilerini azaltmak için, çalışmalar maternal nefes tutma21,22,23 altında fetal MR muayeneleri gerçekleştirmiştir. Bununla birlikte, bu tür kazanımlar, hamile deneklerin nefes tutma toleransının azalması göz önüne alındığında kısa (~ 15 s) olmalıdır. Son yıllarda fetal MRG 14,15,16 için retrospektif hareket düzeltme yöntemleri kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntemler, kayıt araç setlerini kullanarak fetal hareketi izler ve hareketi düzeltir veya elde edilen verilerin düzeltilemeyen kısımlarını atar.

Son olarak, doğum sonrası kardiyak MR görüntüleri, veri toplamayı kardiyak siklusa senkronize etmek için elektrokardiyogram (EKG) geçidi kullanılarak geleneksel olarak elde edilir. Geçit olmadan, kardiyak hareket ve kardiyak döngü boyunca pulsatil akış birleştirilerek artefaktlar üretilir. Ne yazık ki, fetal EKG sinyali, maternal EKG sinyali24'ten gelen parazit ve manyetik alan25'ten kaynaklanan bozulmalardan muzdariptir. Bu nedenle, fetal kardiyak geçitlemeye alternatif non-invaziv yaklaşımlar, kendi kendine geçitli, metrik optimize geçit (MOG) ve doppler ultrason geçidi 21,26,27,28 dahil olmak üzere önerilmiştir.

Aşağıdaki bölümlerde açıklandığı gibi, fetal kan akışını ölçmek için MRG yaklaşımımız, laboratuvarımızda geliştirilen ve hızlandırılmış MRG edinimlerinin hareket düzeltmesi ve yinelemeli rekonstrüksiyonu ile birleştirilen yeni bir geçit yöntemi olan MOG'dan yararlanmaktadır. Yaklaşım, daha önce yayınlanmış bir çalışma14'teki bir boru hattına dayanmaktadır ve aşağıdaki beş aşamadan oluşmaktadır: (1) fetal kan akımı kazanımı, (2) gerçek zamanlı rekonstrüksiyonlar, (3) hareket düzeltme, (4) kardiyak geçit ve (5) kapılı rekonstrüksiyonlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Tüm MRG taramaları, kurumsal araştırma etik kurulumuz tarafından onaylanan bir çalışmanın parçası olarak gönüllülerden bilgilendirilmiş onam alınarak gerçekleştirilmiştir.

NOT: Aşağıda açıklanan yöntemler bir 3T MRI sisteminde kullanılmıştır. Elde etme, radyal faz kontrastlı MRG dizisi kullanılarak gerçekleştirilir. Bu sekans, üreticinin Kartezyen faz kontrast MRG'sinin okuma yörüngesini değiştirerek (yıldız paterni elde etmek için) hazırlanmıştır. Dizi ve örnek protokoller, talep üzerine C2P değişim platformumuz aracılığıyla temin edilebilir. Bu çalışmadaki tüm yeniden yapılandırmalar, aşağıdaki özelliklere sahip standart bir masaüstü bilgisayarda gerçekleştirildi: 32 GB bellek, 8 çekirdekli 3,40 GHz işlemci ve 1024 bilgi işlem birleşik cihaz mimarisi (CUDA) çekirdeğine sahip 2 GB grafik kartı. MATLAB üzerinde görüntü rekonstrüksiyonu yapıldı. Grafik işlem biriminde (GPU) tekdüze olmayan hızlı Fourier dönüşümü (NUFFT)29 gerçekleştirildi. Hareket düzeltme parametreleri elastix30 kullanılarak hesaplandı. Şekil 1, protokolü kronolojik bir sırayla göstermekte ve elde edilen hızın kodlandığını (Şekil 1'de renk kodlu) yeniden yapılandırmanın her aşamasında temsili görüntülerle nasıl işlendiğini izlemektedir. Yeniden yapılanma kodu https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI'de mevcuttur. Protokoldeki adımları burada sağlarken, bu algoritma adımlarının çoğu işlem hattımızda otomatikleştirilmiştir.

1. Konu konumlandırma ve yerelleştirici sınavları

  1. Annenin, MRG muayenesi için tercih ettiği rahat pozisyonda, genellikle sırtüstü veya lateral dekübit pozisyonlarında kendisini MRG masasına konumlandırmasına yardımcı olun.
  2. Kalp bobinini annenin karın bölgesine yerleştirin.
  3. MRI masasını mıknatıs deliğine yükleyin ve anneye taramanın başlamak üzere olduğunu bildirin.
  4. Fetal cismi bulmak için bir lokalize muayenesi yapın (çözünürlük: 0.9 x 0.9 x 10 mm3, TE/TR: 5.0/15.0 ms, FOV: 450 x 450 mm2, dilimler: 6).
  5. Fetal vaskülatürü fetal kalp merkezli dilim grubuyla bulmak için rafine bir lokalize muayene yapın (çözünürlük 1.1 x 1.1 x 6.0 mm3, TE/TR: 2.69/1335.4 ms, FOV: 350 x 350 mm2, dilimler: 10, oryantasyon: fetüse eksenel).
  6. Fetal damarların daha net bir görünümü için rafine lokalizatörleri sagital ve koronal yönelimlerle tekrarlayın.
  7. Rafine lokalizörleri brüt fetal hareket durumlarında tekrarlayın.

2. Fetal kan akımı verilerinin elde edilmesi

  1. Lokalizör muayenelerini kullanarak fetal damarları bulun. Örneğin, alçalan aort, sagital düzlemlerde omurganın yakınında uzun düz bir damardır. Asendan aort ve ana pulmoner arterler sırasıyla sol ve sağ ventriküllerden ayrılan damarlar olarak tanımlanabilir. Duktus arteriyozus, inen aortun proksimalindeki ana pulmoner arterin aşağı akış segmenti olarak izlenebilir. Superior vena kava, fetal kalbin tabanına yakın eksenel düzlemlerden, yükselen aort bitişiğindeki damar olarak tanımlanabilir.
  2. İlgilenilen fetal damarın eksenine dik bir dilim reçete edin. MRI konsolu bilgisayarındaki dilim kılavuzunu döndürün ve hedef damarla dik olarak kesişecek şekilde hareket ettirin.
  3. Tarama parametrelerini ayarlayın (edinme türü: radyal faz kontrastı MRG, çözünürlük: 1,3 x 1,3 x 5,0 mm 3, yankı süresi (TE)/ tekrarlama süresi (TR):3,25/5,75 ms, görüş alanı (FOV): 240 x 240 mm2, dilim: 1, ilgili gemiye bağlı olarak hız kodlaması: 100-150 cm/s, hız kodlama yönü: düzlem boyunca, radyal görünümler: kodlama başına 1500, serbest solunum).
  4. Taramayı çalıştırın ve MRI konsol bilgisayarında gerçekleştirilen ve görüntülenen ilk ortalama rekonstrüksiyona göre reçeteyi doğrulayın. Hedef damar ilk yeniden yapılandırmada yoksa veya tanımlanamıyorsa yerelleştirici ve faz kontrastı taramalarını tekrarlayın. Elde edilen ham veriler, Şekil 1A'daki şemada, sırasıyla kırmızı ve mavi olarak kodlanmış hız telafi edilmiş ve düzlem alımları yoluyla renk kodlanmış olarak temsil edilir.
  5. Her hedef kan damarı için fetal kan akışı veri toplamayı tekrarlayın.
    NOT: Elde edilen ham veriler (biçim: DAT dosyaları) çevrimdışı yeniden yapılandırma için aktarılmalıdır. Örneğin, Siemens tarayıcılarında bu, 'twix' çalıştırılarak gerçekleştirilebilir. Elde edilen ham veriler liste edinimlerinden sağ tıklanır ve "toplam baskın dosyasını kopyala" seçilir.

3. Fetal ölçümlerin hareket düzeltmesi

  1. Elde edilen verilerden gerçek zamanlı serileri (zamansal çözünürlük: 370 ms, radyal görünümler: 64), Şekil 1B'deki şematik ile temsil edildiği gibi uzamsal toplam varyasyon (STV, ağırlık: 0,008) ve zamansal toplam varyasyondan (TTV, ağırlık: 0,08) yararlanan bir eşlenik gradyan iniş optimizasyonunun 15 yinelemesiyle yeniden yapılandırın.
  2. MATLAB'da geliştirilen bir grafik kullanıcı arabirimi kullanarak bu ilk gerçek zamanlı yeniden yapılandırmadan ilgilenilen gemiyi kapsayan bir ilgi alanı (ROI) seçin. Bu adımda, kullanıcı hedef büyük damarlar veya fetal kalp gibi fetal anatomiyi çevreleyen bir kontur çizmelidir.
  3. elastix30 ile sert cisim hareketi izleme gerçekleştirin (ampirik olarak optimize edilmiş parametrelerle normalleştirilmiş karşılıklı bilgilere dayanarak: 4 piramit seviyesi, 300 yineleme ve translasyonel dönüşümler).
  4. Düşük karşılıklı bilgiyi (MI) diğer tüm karelerle paylaşan izlenen gerçek zamanlı kareleri reddedin (böylece MI, ortalama MI'den çeyrekler arası aralığın 1,5 katından azdır). Bu çerçevelerin düzlem hareketi veya brüt fetal hareket ile temsil edildiği kabul edilir.
  5. Kalan karelerden en uzun sürekli gerçek zamanlı kare serisine (boşluksuz) karşılık gelen MRI verilerini, daha fazla yeniden yapılanma için kullanılan sessiz dönem olarak kullanın.
  6. Translasyonel hareket düzeltme parametrelerini, gerçek zamanlı serinin (370 ms) zamansal çözünürlüğünden sessiz alımın TR'sine (5,75 ms) interpolasyon yapın.
  7. İnterpolasyonlu parametreleri, fazı aşağıdaki gibi modüle ederek MRI verilerinin tanımlanmış sessiz periyoduna uygulayın:
    Equation 1

    burada s' hareket düzeltilmiş veridir, k x ve k y k-uzayındaki koordinatlardır, s elde edilen düzeltilmemiş verilerdir, Δ x ve Δy uzayda izlenen yer değiştirmelerdir ve j temsil ederEquation 3.
    NOT: Bu çalışmadaki düzenlileştirme katsayılarının tüm sayısal değerleri daha önceki deneylerde optimize edilmiştir. Bu, yüksek oranda örneklenmiş bir fetal referans veri kümesinin rekonstrüksiyonları ile aynı veri kümesinden geriye dönük olarak az örneklenmiş vakalar arasındaki hatayı en aza indiren düzenlileştirme katsayılarını bulmak için kaba kuvvet ızgara araması kullanılarak gerçekleştirildi.

4. Fetal kalp atış hızı için çözme

  1. İkinci bir gerçek zamanlı görüntü serisini CS kullanarak elde edilen verileri kullanarak daha yüksek bir zamansal çözünürlükte (zamansal çözünürlük: 46 ms, radyal görünümler: 8), yine Şekil 1C'deki şema ile gösterildiği gibi STV (ağırlık: 0,008) ve TTV (ağırlık: 0,08) düzenlileştirme ile eşlenik gradyan iniş optimizasyonunun 15 yinelemesiyle yeniden oluşturun.
  2. İlgilenilen fetal damarı kapsayan bir ROI'yi yeniden seçin.
  3. Zamana bağlı fetal kalp atış hızını türetmek için gerçek zamanlı seride çok parametreli MOG çalıştırın.
  4. Bin hareketi, türetilmiş kalp atış hızı dalga formunu kullanarak MRI verilerini 15 kardiyak faza düzeltti. Bu adımda, kardiyak fazların zamansal sınırları, önceki adımdaki kalp atış hızı kullanılarak hesaplanır. Örneğin, k. kalp atışındaki i. fazın sınırları şu şekilde verilir:
    Equation 2a
    Equation 2b
    burada HR(K), k. kalp atışının gerçekleştiği zamandır. N. radyal edinimin zaman damgası (n x TR) tarafından verilir. Kardiyak fazın sınırları içinde kalan zaman damgalarına sahip veriler bu faza atanır.
    NOT: MOG, bir görüntü metriğini ilgilenilen bir bölge üzerinde optimize eden CINE görüntüleri oluşturmak için çok parametreli bir fetal kalp atış hızı modeline dayalı olarak elde edilen verilerin yinelemeli olarak birleştirilmesini içeren bir geçit tekniği26'dır.

5. Fetal CINE'lerin rekonstrüksiyonu

  1. STV (ağırlık: 0.025) ve TTV (ağırlık: 0.01) düzenlileştirme ile konjugat gradyan iniş optimizasyonunun 10 yinelemesi ile bağlanmış hareket düzeltilmiş MRG verilerini ve CS'yi kullanarak fetal akış CINE'lerini yeniden yapılandırın. Bu adımda iki CIE üretilir: biri akış dengelemeli alım, CFC, diğeri ise Şekil 1D'deki şematikte gösterildiği gibi akış kodlu veriler olan CFE için.
  2. CFE'nin elementer çarpımının fazı ve CFC'nin karmaşık eşleniği tarafından verilen hız görüntüsünü hesaplayın.
  3. Girdap akımı efektlerini düzeltmek için arka plan faz düzeltmesi31'i uygulayın. Kısaca, bu otomatik adımda, statik fetal ve maternal dokuların fazına bir düzlem takılır. Düzeltme, düzlemin 4.2'de hesaplanan hıza duyarlı fazdan çıkarılmasıyla gerçekleştirilir.
  4. Yeniden yapılandırılmış verileri DICOM dosyalarına yazın.
  5. DICOM'ları Segment v2.232 gibi akış analizi yazılımlarına yükleyin.
  6. Anatomik ve hıza duyarlı görüntüleri kullanarak ilgilenilen kan damarının lümenini kapsayan bir yatırım getirisi çizin.
  7. ROI'yi tüm kardiyak fazlara yayın ve damar çapındaki değişiklikleri düzeltin.
  8. Akış ölçümlerini kaydedin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Genel olarak, akımın faz MRG incelemeleri altı ana fetal damarı hedef alır: inen aort, yükselen aort, ana pulmoner arter, duktus arteriyozus, superior vena kava ve umbilikal ven. Bu damarlar, sıklıkla CHD ve FGR ile ilişkili oldukları ve fetüs9 boyunca kanın dağılımını etkilediği için klinisyen için ilgi çekicidir. Radyal faz kontrastlı MRG ile tipik bir tarama süresi, damar başına 17 s'dir, böylece taramalar kısadır ve aynı zamanda CINE rekonstrüksiyonu için yeterli veri toplama için zaman sağlar. Temsili sonuçlar için lokalizatörler ve faz kontrast MRG dahil olmak üzere toplam edinme süresi 3 dakika idi. Bu çalışmada, temsili sonuçlar, iki insan fetüsünde inen aorttan akış elde edilen veriler kullanılarak sunulmuştur: Fetus 1 ve Fetus 2, gestasyonel yaşları (hafta + gün) sırasıyla 35 + 4 ve 37 + 3 idi.

Şekil 1'de olduğu gibi, hareket izleme için gerçekleştirilen ilk gerçek zamanlı rekonstrüksiyonlar (zamansal çözünürlük: 370 ms), yeniden yapılandırılmış dilim başına 45 s sürdü. Çeviri hareketi izleme her dilim için 2 dakika sürdü. Fetus 1 (Şekil 2 A1, maksimum yer değiştirme: 1.6 mm) ve Fetus 2 (Şekil 2 A2, maksimum yer değiştirme: 1.3 mm) için ekstrakte edilen hareket parametreleri, inen aortun tarama süresi boyunca hareketini göstermektedir. Her bir gerçek zamanlı çerçevenin diğer tüm ortak kayıtlı çerçevelerle paylaşılan karşılıklı bilgileri Şekil 2 B1 (Fetüs 1) ve Şekil 2 B2'de (Fetüs 2) gösterilmiştir. Bu gibi durumlarda, tüm çerçeveler kesme kriterlerinin üzerinde karşılıklı bilgi paylaştı, bu nedenle hiçbir veri reddedilmedi. Kardiyak geçit bilgilerini elde etmek için kullanılan ikinci gerçek zamanlı rekonstrüksiyonlar (zamansal çözünürlük: 46 ms), her dilim için 10 dakika sürdü. MOG, fetal kalp atışı (RR) aralıklarını, Şekil 2 C1 (Fetüs 1, RR aralığı: 521 ± 20 ms) ve Şekil 2 C2'de (Fetüs 2, RR aralığı: 457 ± 9 ms) gösterildiği gibi çok parametreli bir model kullanarak türetmiştir.

Geriye dönük olarak hareket düzeltilmiş ve kapılı verileri kullanan son CINE rekonstrüksiyonları, dilim başına 3 dakika sürdü. Fetus 1 ve Fetus 2 için pik sistoldeki anatomik ve hız rekonstrüksiyonları Şekil 3'te gösterilmiştir. Hareket düzeltmeli rekonstrüksiyonlar, daha keskin duvarlara sahip kapları gösterir. Hareket düzeltmesi olmadan, inen aort daha bulanık ve daha az belirgindir. Her fetüsten ölçülen akış eğrileri (Şekil 4), hareket düzeltmesi olmayan rekonstrüksiyonlarda ([tepe ortalaması]: Fetüs 1 [25.2 9.8] ml/s, Fetüs 2 [34.6 10.3] ml/s]) hareket düzeltmesi olanlara göre ([tepe ortalaması]: Fetüs 1 [23.5 9.2] ml/s, Fetüs 2 [28.7 9.7] ml/s]) daha yüksek pik ve ortalama akışlar göstermektedir.

Figure 1
Şekil 1: Fetal faz kontrastı MRG verilerini yeniden yapılandırmak için boru hattı. (A) Adım 1: Altın açılı radyal faz kontrastı MRG verileri (renk kodlu: akış telafisi = kırmızı ve düzlem boyunca kodlama = mavi). Alternatif renkler, akış dengelemeli ve düzlem boyunca kodlanmış alımların aynı uzamsal frekanslarda gerçekleştiğini gösterir. (B) Adım 2: Seyreklik kısıtlamaları (STV ve TTV) ile CS kullanarak gerçek zamanlı rekonstrüksiyon için 370 ms'lik zamansal pencereler. Hareket düzeltme ve veri reddetme işlemleri gerçekleştirilir. (C) Adım 3: MOG için CS (STV ve TTV seyreklik kısıtlamaları ile) ile gerçek zamanlı rekonstrüksiyon için 46 ms'lik zamansal pencereler oluşturulur. (D) Adım 4: Veriler kardiyak fazlara (SP) bağlanır ve CS, seyreklik kısıtlamaları (STV ve TTV) olan bir fetal akış CINE oluşturmak için kullanılır. Her CS adımından temsili rekonstrüksiyonlar Rekonstrüksiyonlar sütununda gösterilir. Adım 3 ve 4 için rekonstrüksiyonlar, tepe sistolüne karşılık gelen bir zaman noktası için gösterilir. Anatomik görüntülerin sol üst köşesindeki ölçek çubukları, görüntüdeki 10 mm'yi gösterir. Gri renkle vurgulanan saniye cinsinden zaman özellikleri, ilgili adımların sürelerini temsil eder. STV: uzamsal toplam varyasyon, TTV: zamansal toplam varyasyon, CS: sıkıştırılmış algılama, MOG: metrik optimize edilmiş geçitleme, CINE: kapılı dinamik rekonstrüksiyon. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Temsili yer değiştirme ve kalp atış hızı eğrileri. A1 ve A2, sırasıyla Fetus 1 ve Fetus 2'deki taramalar için geriye dönük olarak izlenen yer değiştirme eğrisini göstermektedir. B1 ve B2, belirli bir çerçevenin karşılıklı bilgisinin sırasıyla Fetus 1 ve Fetus 2 için diğer tüm çerçevelerle toplamını gösterir. Kırmızı noktalı çizgiler, altında verilerin reddedildiği 1,5x çeyrekler arası aralığı temsil eder. C1 ve C2, sırasıyla Fetus 1 ve Fetus 2'de MOG ile türetilen RR aralıklarını göstermektedir. RR aralığı: ardışık kalp atışları arasındaki süre, MOG: metrik olarak optimize edilmiş geçit. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure3
Şekil 3: Tepe sistolünde temsili hıza duyarlı CINE rekonstrüksiyonları. Her kadran anatomik ve hız rekonstrüksiyonlarını tasvir eder. Üst sırada, sırasıyla Fetus 1 ve Fetus 2'de hareket düzeltmeli CINE gösterilmektedir. Alt sırada, sırasıyla Fetus 1 ve Fetus 2'de hareket düzeltmesi olmadan CINE gösterilmektedir. Kırmızı ve mavi oklar alçalan aortu tasvir eder. Anatomik görüntülerin sol üst köşesindeki ölçek çubukları 10 mm'yi gösterir.

Figure 4
Şekil 4: Fetal inen aortta temsili akım eğrileri. Katı ve kesikli veri çizgileri, sırasıyla Fetus 1 (solda) ve Fetus 2'de (sağda) hareket düzeltmeli ve hareketsiz CINE rekonstrüksiyonlarından elde edilen akış eğrilerini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yöntem, insan fetal büyük damarlarındaki kan akışının non-invaziv ölçümünü sağlar ve yinelemeli rekonstrüksiyon tekniklerini kullanarak retrospektif hareket düzeltmesi ve kardiyak geçişe izin verir. Son 1,3,8,9 yılında MRG ile fetal kan akımı ölçümü yapılmıştır. Bu çalışmalar, hareket bozulmasını azaltmak için ileriye dönük bir yaklaşıma sahipti; bu sayede brüt fetal hareket, tarayıcıdaki ilk rekonstrüksiyondan görsel olarak tanımlanırsa taramalar tekrarlanacaktı. Mevcut protokol, brüt fetal hareket tarafından bozulan verileri retrospektif olarak reddederek bunu geliştirir ve ince fetal hareketlerden veya maternal solunum hareketinden kaynaklanan düzlem içi yer değiştirmeleri düzeltir.

Bu protokol, MOG için her fetal kalp atışı için RR aralığının hesaplandığı çok parametreli bir model kullanır. Düşük parametreli bir kalp atış hızı modeli (2 parametre gibi) kullanmak, sağlıklı fetal kalp atış hızı düşük bir değişkenliğe sahip olduğundan kısa taramalar için genellikle kabul edilebilir33. Bununla birlikte, düşük parametreli modeller daha uzun taramalar için veya aritmi gibi patolojilerde sorunlu hale gelir. MOG'daki çok parametreli bir model, bu değişen RR aralıklarını izleyerek daha doğru akışlar sağlayabilir.

Mevcut protokol bazı değişikliklere izin verir. İlk olarak, bu çalışmada hareket izleme ve akış analizi için kullanılan üçüncü taraf yazılımlar, mevcut diğer yazılım paketleri ile değiştirilebilir. İkincisi, CS için eşlenik gradyan iniş algoritmalarındaki yineleme sayısı artırılabilir. Bu çalışmada, her adımdaki yineleme sayısı, önceki rekonstrüksiyonlara dayanan minimum iyileştirmelerin olduğu bir değere ayarlanmıştır. Bu çalışmada sadece üçüncü trimester gebelikleri taranmıştır. Daha erken gebeliklerde, fetüs daha küçüktür ve hareket için daha fazla yer olabilir. Ancak Çİ rekonstrüksiyonları için taramadaki sessiz periyotlar retrospektif olarak tanımlandığından, bu protokol bu erken yaşlarda flow görüntüleme için başarılı olmalıdır. Düşük gebelik çağında daha küçük damar çaplarına hitap etmek için taramaların çözünürlüğünde bir artış gerekebilir. Bu protokol için, Şekil 1'de bildirilen yeniden yapılandırma süreleri ve Sonuçlar, büyük ölçüde mevcut hesaplama gücüne bağlıdır. Örneğin, daha iyi GPU'lar ve daha güçlü işlemcilerle, yeniden yapılandırma süreleri önemli ölçüde azaltılabilir.

Protokolün belirli sınırlamaları vardır. İlk olarak, CINE rekonstrüksiyonunun kalitesi, hareket düzeltme adımında reddedilen veri miktarına bağlıdır. Bir tarama sırasında artan brüt fetal hareketler atağı ile, daha fazla veri reddedilir. Sonuç olarak, CINE rekonstrüksiyonlarında ortaya çıkan sinyal-gürültü oranı (SNR) azalacaktır. Düşük SNR, hız görüntülerindeki belirsizliğiartırır 34 ve bunun sonucunda ortaya çıkan akış ölçümü. Performans bu nedenle daha büyük fetal sessizlik ile artacaktır. İkincisi, yöntem hareket düzeltme ve MOG için yatırım getirilerinin tanımına bağlıdır. Geçerli uygulamada, bu adım el ile gerçekleştirilir. Yeniden yapılandırmanın ROI pozisyonundaki küçük farklılıklara karşı kararlı olduğunu bulduk, ancak bu süreç veri toplama ve CINE rekonstrüksiyonları arasında bekleme süreleriyle sonuçlanır (üç yinelemeli rekonstrüksiyon adımı arasında iki ROI yerleştirme adımı olduğundan). Bu, elde edilen çok sayıda dilim olduğunda daha hantal hale gelir. Protokolün gelecekteki uygulamalarında, yatırım getirisi yerleştirme otomatik hale getirilecektir.

Şu anda, sunulan protokolü yerel etik kurulun onayı ile araştırma çalışmalarında kullanıyoruz. Protokol ayrıca, yenidoğanlar veya işbirlikçi olmayan denekler gibi bir MRI muayenesi sırasında hareketin potansiyel bir sorun olduğu durumlarda da kullanılabilir. Yöntemin gelecekteki yönleri, daha verimli örnekleme ve gerçek zamanlı fetal akışı keşfetme imkanı sağlayan spiral yörüngelerin 35,36'nın araştırılmasını içerir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Hiç kimse.

Acknowledgments

Hiç kimse.

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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Peleg, D., Kennedy, C. M., Hunter, S. K. Intrauterine growth restriction: identification and management. American Family Physician. 58 (2), 453-467 (1998).
  6. Krishna, U., Bhalerao, S. Placental Insufficiency and Fetal Growth Restriction. Journal of Obstetrics and Gynaecology of India. 61 (5), 505-511 (2011).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Piontelli, A. Development of Normal Fetal Movements: The Last 15 Weeks of Gestation. , Springer-Verlag. Mailand. (2015).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Edwards, D. D., Edwards, J. S. Fetal movement: development and time course. Science. 169 (3940), New York, N.Y. 95-97 (1970).
  19. Malamateniou, C., et al. Motion-Compensation Techniques in Neonatal and Fetal MR Imaging. American Journal of Neuroradiology. 34 (6), 1124-1136 (2013).
  20. Rutherford, M., et al. MR imaging methods for assessing fetal brain development. Developmental Neurobiology. 68 (6), 700-711 (2008).
  21. 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).
  22. Glenn, O. A. MR imaging of the fetal brain. Pediatric Radiology. 40 (1), 68-81 (2010).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Millis, R. Advances in Electrocardiograms: Methods and Analysis. BoD - Books on Demand. , (2012).
  26. Jansz, M. S., et al. Metric optimized gating for fetal cardiac MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1304-1314 (2010).
  27. 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).
  28. Larson, A. C., et al. Self-gated cardiac cine MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (1), 93-102 (2004).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Heiberg, E., et al. Design and validation of Segment - freely available software for cardiovascular image analysis. BMC Medical Imaging. 10 (1), 1 (2010).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

Tıp Sayı 167 MRG ile fetal akım görüntüleme fetal faz kontrastlı MRG
Manyetik Rezonans Görüntüleme ve Hareket Telafisi ile İnsan Fetal Kan Akımı Ölçümü
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goolaub, D. S., Marini, D., Seed,… More

Goolaub, D. S., Marini, D., Seed, M., Macgowan, C. K. Human Fetal Blood Flow Quantification with Magnetic Resonance Imaging and Motion Compensation. J. Vis. Exp. (167), e61953, doi:10.3791/61953 (2021).

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