Summary
We presenteren een protocol voor het uitvoeren van elektromyometriale beeldvorming (EMMI), inclusief de volgende procedures: meervoudige elektrodesensoropnames van het lichaamsoppervlak, magnetische resonantiebeeldvorming en reconstructie van het elektrische signaal van de baarmoeder.
Abstract
Tijdens een normale zwangerschap begint de gladde baarmoederspier, het myometrium, zwakke, ongecoördineerde samentrekkingen te krijgen bij de late zwangerschap om de baarmoederhals te helpen hermodelleren. Tijdens de bevalling heeft het myometrium sterke, gecoördineerde samentrekkingen om de foetus ter wereld te brengen. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om de contractiepatronen van de baarmoeder te volgen om het begin van de bevalling te voorspellen. De huidige technieken hebben echter een beperkte ruimtelijke dekking en specificiteit. We ontwikkelden elektromyometriale beeldvorming (EMMI) om de elektrische activiteit van de baarmoeder tijdens weeën op niet-invasieve wijze in kaart te brengen op het driedimensionale baarmoederoppervlak. De eerste stap in EMMI is het gebruik van T1-gewogen magnetische resonantiebeeldvorming om de onderwerpspecifieke lichaams-baarmoedergeometrie te verkrijgen. Vervolgens worden tot 192 pin-type elektroden die op het lichaamsoppervlak worden geplaatst, gebruikt om elektrische opnames van het myometrium te verzamelen. Ten slotte wordt de EMMI-gegevensverwerkingspijplijn uitgevoerd om de geometrie van het lichaam en de baarmoeder te combineren met elektrische gegevens van het lichaamsoppervlak om de elektrische activiteiten van de baarmoeder op het baarmoederoppervlak te reconstrueren en in beeld te brengen. EMMI kan veilig en niet-invasief vroege activeringsregio's en voortplantingspatronen over de hele baarmoeder in drie dimensies in beeld brengen, identificeren en meten.
Introduction
Klinisch worden samentrekkingen van de baarmoeder gemeten met behulp van een intra-uteriene drukkatheter of door tocodynamometrie1 uit te voeren. In de onderzoekssetting kunnen samentrekkingen van de baarmoeder worden gemeten door middel van elektromyografie (EMG), waarbij elektroden op het buikoppervlak worden geplaatst om de bio-elektrische signalen te meten die worden gegenereerd door het myometrium 2,3,4,5,6,7. Men kan de omvang, frequentie en voortplantingskenmerken van elektrische uitbarstingen 8,9,10,11,12 afgeleid van EMG gebruiken om het begin van de bevalling te vroeg te voorspellen. Bij conventionele EMG wordt de elektrische activiteit van samentrekkingen van de baarmoeder echter gemeten vanaf slechts een klein deel van het buikoppervlak met een beperkt aantal elektroden (twee13 en vier 7,14,15,16 in het midden van het buikoppervlak en 64 17 op het onderbuikoppervlak). Bovendien is conventioneel EMG beperkt in zijn vermogen om de mechanismen van arbeid te bestuderen, omdat het alleen de gemiddelde elektrische activiteiten van de hele baarmoeder weerspiegelt en de specifieke elektrische initiatie- en activeringspatronen op het baarmoederoppervlak tijdens weeën niet kan detecteren.
Een recente ontwikkeling genaamd elektromyometriale beeldvorming (EMMI) is geïntroduceerd om de tekortkomingen van conventionele EMG te verhelpen. EMMI maakt niet-invasieve beeldvorming mogelijk van de elektrische activeringssequentie van het gehele myometrium tijdens samentrekkingen van de baarmoeder 18,19,20,21. Om de geometrie van het lichaam en de baarmoeder te verkrijgen, maakt EMMI gebruik van T1-gewogen magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)22,23,24, die veel wordt gebruikt voor zwangere vrouwen tijdens hun tweede en derde trimester. Vervolgens worden tot 192 pin-type elektroden die op het lichaamsoppervlak worden geplaatst, gebruikt om elektrische opnames van het myometrium te verzamelen. Ten slotte wordt de EMMI-gegevensverwerkingspijplijn uitgevoerd om de geometrie van het lichaam en de baarmoeder te combineren met de elektrische gegevens om elektrische activiteiten op het baarmoederoppervlak te reconstrueren en in beeld te brengen21. EMMI kan het initiëren van samentrekkingen van de baarmoeder nauwkeurig lokaliseren en voortplantingspatronen tijdens samentrekkingen van de baarmoeder in drie dimensies in beeld brengen. Dit artikel is bedoeld om de EMMI-procedures te presenteren en de representatieve resultaten van zwangere vrouwen te demonstreren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle hier beschreven methoden zijn goedgekeurd door de Washington University Institutional Review Board.
1. MRI-veilige markerpleisters, elektrodepleisters en linialen (Figuur 1)
- Druk de MRI- en elektrodepleistersjablonen (Afbeelding 1A) af op papier.
- Snijd doorzichtige vinyl- en siliconenrubbervellen (materiaaltabel) in 22 (vinyl) en 44 (rubber) rechthoekige (120 mm x 60 mm) en 4 (vinyl) en 8 (siliconenrubber) vierkante (60 mm x 60 mm) patches.
- Maak MRI-veilige markerpleisters: Bedek een sjabloon met een doorzichtige vinylpleister en lijm MRI-veilige markeringen (vitamine D vloeibare softgels) op de vinylpleister in het midden van de cirkels, die de holtes van de elektrodehouder op de sjabloon vertegenwoordigen (Figuur 1B).
- Elektrodepleisters maken: Label de cirkellocaties op de siliconenrubberen pleisters en prik op die plaatsen gaten met een ponsset met een diameter van 8 mm.
- Bevestig elektrodehouders over elk gat met dubbelzijdige zelfklevende kragen (Tabel met materialen). Lijn de omtrek van de holte van de elektrodehouder uit met de omtrek van het gat dat op de siliconenplaat is geponst.
- Installeer de X-ring in de holte bovenop de elektrodehouder, bedek de houder met het kleurgecodeerde siliconenvel en steek de actieve elektrode van het pintype door de X-ring in de houder. De elektrode is gecentreerd in de holte van de elektrodehouder. De elektrodekabels moeten tussen de twee lagen siliconenvellen en in het midden van de twee rijen houders langs de lange rand gaan. Pas de lengte van de elektrodekabel aan door deze indien nodig om de elektrodehouder te draaien. De montage van een elektrodepleister is voltooid (Figuur 1C).
- Breng drie stroken dubbelzijdige tape van medische kwaliteit aan op de elektrodepleister tussen de rijen elektroden langs de lange zijde van de pleister.
- Knip zes meetlinten op hun 30 cm markeringen. Houd het bovenste gedeelte vast van 0 cm tot 30 cm. Om een horizontale liniaal te maken, lijmt u de randen op 0 cm van twee meetlinten op een lang stuk vinylstrook met een opening in de breedte van het meetlint. Breng dubbelzijdig plakband aan op elke liniaal.
- Bewaar de pleisters en linialen in een opbergdoos met gesloten deksel.
2. MRI-scan
OPMERKING: De MRI-scan is gepland op een zwangerschapsduur (GA) van 36-40 weken, voorafgaand aan de verwachte bevallingsdatum van de moeder, bepaald op basis van het schema van de proefpersoon en de aanbeveling van haar verpleegkundige. De geschatte tijdsduur voor deze stap is 2 uur.
- Nadat de proefpersoon het toestemmingsformulier heeft ondertekend, vraagt u de proefpersoon om haar straatkleding uit te trekken in de MR-veilige broek en jas die door de MRI-technicus zijn verstrekt. Plaats MR-veilige markerpleisters (Figuur 1B) op het lichaamsoppervlak in de onderzoeksruimte.
- Plaats pleisters op het achteroppervlak.
- Instrueer de proefpersoon om op een medisch onderzoeksbed te gaan zitten. Trek de voering van de dubbelzijdige tape en breng een verticale liniaal aan langs de ruggengraat van het onderwerp, met het uiteinde van de liniaal bij het bildecolleté.
- Plaats een horizontale liniaal ter hoogte van de bekkenkam, waarbij het midden de verticale liniaal kruist. Trek de voering van de dubbelzijdige tape op de pleisters.
- Breng twee rechthoekige patches aan op de achterkant, zodat de lange randen van de patches naast de verticale liniaal liggen en de hoeken van de patches op het snijpunt van de linialen.
- Plaats extra pleisters links en rechts van de eerste twee pleisters, zodat de pleisters bilateraal symmetrisch zijn. Breng voor onderwerpen van gemiddelde grootte vier rechthoekige vlakken aan elke kant aan (Figuur 1E).
- Plaats pleisters op het buikoppervlak.
- Til het hoofdeinde van het onderzoeksbed op tot ongeveer 40° en leid de proefpersoon om in de positie van Fowler te gaan liggen. Plaats een verticale liniaal langs de middellijn van de buik, met de markering van 3 cm in de buurt van het fundusgebied bepaald door handmatige palpatie.
- Breng een horizontale liniaal aan zodat het midden zich op de 6 cm markering van de verticale liniaal bevindt en zich naar links en rechts lateraal uitstrekt langs de natuurlijke kromming van de buik.
- Plaats de eerste rechthoekige vlek boven de horizontale liniaal en links van de verticale liniaal, zodat de lange zijde evenwijdig is aan de horizontale liniaal en een hoek van de lap zich op het snijpunt van de twee linialen bevindt.
- Plaats de tweede rechthoekige lap links van de eerste lap, met de lange zijde langs de horizontale liniaal. Plaats de derde en vierde patch direct onder de horizontale liniaal en verticaal uitgelijnd met de eerste en tweede patch.
- Plaats de vijfde rechthoekige lap onder de derde lap, met de korte zijde langs de verticale liniaal. Plaats de zesde rechthoekige patch naast de vijfde aan de linkerkant. Plaats het zevende vlak onder het vijfde vlak, met de korte zijde langs de verticale liniaal. Laat openingen van 2-3 cm tussen plekken 3, 5 en 7 voor de kromming van de buik.
- Plaats de twee vierkante patches (s1 en s2) onder de zesde en zevende patch, verticaal uitgelijnd met respectievelijk de zesde en zevende patch. Plaats pleisters op het rechterbuikoppervlak zodat ze bilateraal symmetrisch zijn met die aan de linkerkant (Figuur 1F).
- Plaats pleisters op het achteroppervlak.
- Maak foto's en aantekeningen van de patchlay-out om de posities van de linialen ten opzichte van elkaar en de navel van het onderwerp vast te leggen.
- Laat een MR-technicus de proefpersoon screenen volgens de MRI-veiligheidsregels en -voorschriften in zone II van de MRI-faciliteit. Leid het onderwerp vervolgens door Zone III naar Zone IV, waar een 3 T MR-scanner zich bevindt.
- Begeleid de patiënt om in rugligging op het MRI-bed te gaan liggen en geef haar een MR-veilige microfoon, een koptelefoonset en een signaalknijpbal. Bedek de onderbuik van de proefpersoon met een MRI-spoel met 32 arrays (Figuur 2A). Start de MR-scanning.
OPMERKING: Een snelle T1-gewogen sequentie met radiaal volume geïnterpoleerd ademinhoudingsonderzoek werd gebruikt om MRI uit te voeren op de gehele buik met behulp van een 3 T Siemens Prisma- of Vida-scanner. De resulterende MR-beelden hadden een resolutie van 1,56 mm x 1,56 mm en een plakdikte van 4 mm.
- Begeleid de patiënt om in rugligging op het MRI-bed te gaan liggen en geef haar een MR-veilige microfoon, een koptelefoonset en een signaalknijpbal. Bedek de onderbuik van de proefpersoon met een MRI-spoel met 32 arrays (Figuur 2A). Start de MR-scanning.
- Gebruik de localizer om het gezichtsveld aan te passen om de hele baarmoeder en baarmoederhals te bedekken. Voer vervolgens een MRI-scan uit met een T1-gewogen sequentie met het volume-geïnterpoleerde ademinhoudingsonderzoek (herhalingstijd [TR] = 4,07 ms, echotijd [TE] = 1,78 ms, fliphoek = 10°) en multiplanaire reconstructie van de dataset (gezichtsveld [FOV] = 500 mm x 500 mm, matrix = 320 x 320, voxelgrootte = 1,56 x 1,56 x 4 mm3).
- Sla de gegevens op in DICOM-formaat (Digital Imaging and Communications in Medicine).
- Verwijder de MRI-pleisters en linialen van het onderwerp en reinig de buik en rug met babydoekjes.
- Verwijder de dubbelzijdige tape van de pleisters, desinfecteer de pleisters met kiemdodende wegwerpdoekjes en breng nieuwe dubbelzijdige tape aan voor het volgende experiment.
3. Bio-elektriciteit in kaart brengen en 3D optische scan
NOTITIE: Breng bio-elektriciteit in kaart nadat de proefpersoon is opgenomen op de arbeids- en bevallingsafdeling en haar baarmoederhals is verwijd tot ongeveer 4 cm. De geschatte tijdsduur voor deze stap is 2 uur.
- Bereid de elektrodepleisters voor: Vul geleidende gel in een irrigatiespuit met gebogen punt. Voeg de gel met behulp van de spuit toe aan de holtes van de elektrodehouder op elke elektrodepleister. Verwijder de voeringen van de dubbelzijdige tapes.
- Breng de elektrodepleisters aan volgens dezelfde procedures als beschreven in stap 2.1, volgens de plaatsingslay-out die wordt beschreven in de foto's en aantekeningen die in stap 2.2 zijn gemaakt.
- Sluit de stroom- en datakabels van de optische 3D-scanner aan. Open de 3D-scansoftware (Tabel met materialen). Houd de draagbare optische scanner (Materiaaltabel) rechtop, met de knipperende camera's naar het onderwerp gericht.
- Druk op de Start-knop op de scanner om het scannen te starten en druk nogmaals op de Start-knop om het scannen op te nemen. Beweeg de scanner rond het onderwerp om optische 3D-scans te maken om de elektrodelocaties vast te leggen.
NOTITIE: Optische scans van het onderrugoppervlak worden gemaakt na het plaatsen van elektrodepleisters op het achteroppervlak. Optische scans van het buikoppervlak worden gemaakt na het plaatsen van elektrodepleisters op het buikoppervlak. - Druk op de Stop-knop op de scanner om het 3D-scannen te voltooien.
- Druk op de Start-knop op de scanner om het scannen te starten en druk nogmaals op de Start-knop om het scannen op te nemen. Beweeg de scanner rond het onderwerp om optische 3D-scans te maken om de elektrodelocaties vast te leggen.
- Maak foto's en aantekeningen van de lay-out van de patch. Let op de posities van de linialen ten opzichte van elkaar en de navel van de proefpersoon.
- Plaats vier aardelektroden, met de "LL"-elektrode op de linker onderbuik, de "LA"-elektrode op de linker bovenborst, de "RA"-elektrode op de rechter bovenborst en de "DRL"-elektrode op het buikoppervlak nabij de navel of de rechter onderbuik.
- Sluit de componenten van de hardware voor het in kaart brengen van bio-elektriciteit aan, waaronder de laptop, analoog-naar-digitaal (AD) box, batterijbak, elektrodepatch, aardingselektrodekabels, glasvezel en USB2-ontvanger (Afbeelding 1D).
- Open de software Active View op de laptop en zet de AD-box aan.
NOTITIE: Als het statuslampje op de AD-box geel is, hebben de aardelektroden slecht contact met de huid. Verwijder in dit geval de aardelektroden, voeg meer gel toe en plaats ze terug op hun plaats. Herhaal dit totdat het statuslampje blauw wordt. - Controleer de module Elektrodeoffset in de actieve weergave. Als elektroden een grote offset hebben (meer dan een kwart van de grootste offset), verbeter dan het contact met de huid door ze vast te zetten met medische papieren tapes of door ze opnieuw te installeren (verwijderen, meer gel toevoegen en ze terug op hun plaats plaatsen).
- Klik op Bestand starten > Gepauzeerd om de gegevensstromen van het bio-elektriciteitssignaal in realtime op te slaan. Klik na een opname van 900 seconden op Opslaan > stoppen pauzeren om de opname te beëindigen en de meting van meerdere elektroden op te slaan in een binair gegevensbestand (BDF).
- Herhaal stap 3.9 vier keer nadat de onderzoeksassistent heeft gecontroleerd of de proefpersoon zich op zijn gemak voelt en bereid is om door te gaan.
- Schakel na de laatste opname (meestal vier opnamen in totaal) de AD-box uit en koppel de elektrodepatches, aardingselektroden, glasvezel en USB-kabel los.
- Verwijder de elektrodepleisters en aardelektroden van het onderwerp.
- Reinig de buik en onderrug van de proefpersoon met een handdoek of babydoekjes.
- Pak alle apparatuur in en berg de elektrodepleisters en aardelektroden op voor reiniging.
- Reinig de elektrodepleisters en aardelektroden in lauw water met afwasmiddel in de reinigingsruimte. Desinfecteer ze met kiemdodende doekjes.
- Laat de pleisters aan de lucht drogen en breng dubbelzijdige montagetape aan op de pleisters en linialen voor het volgende experiment.
4. Genereren van de geometrie van het lichaam en de baarmoeder
- Voer segmentatie van de MRI-gegevens uit met behulp van een softwaretoepassing voor gegevensanalyse.
LET OP: Hier is gebruik gemaakt van Amira software- Start de data-analysesoftware en laad de MRI DICOM-gegevens. Ga naar de module Segmentatie en klik op Nieuw om een nieuw label aan te maken. Klik op Bewerken > Pas het bereik aan naar > histogram Gegevens om het beeldcontrast te wijzigen.
- Kies in de Sagittale weergave het gereedschap Penseel, label de baarmoedergrenzen van de MR-afbeeldingen, vul de gebieden in en voeg toe aan het labelbestand. Herhaal deze stap om de drie tot vijf plakjes.
- Selecteer de gesegmenteerde gebieden en klik op Selectie > Interpoleren > + om de segmentatie van alle segmenten te interpoleren. Dit voltooit de segmentatie van het baarmoederoppervlak.
- Klik op Nieuw om een nieuw labelbestand te maken. Kies de Toverstaf, plaats de maskeringsdrempel op het eerste lokale minimum van het gegevenshistogram en pas deze geleidelijk aan totdat het hele lichaam blauw is gemarkeerd.
- Kies Alle segmenten, klik op een blauw gebied en klik vervolgens op + om de segmentatie toe te voegen aan het labelbestand. Klik op Segmentatie > Gaten vullen > Alle plakjes > + om de gaten te repareren.
- Ga naar de module Segmentatie en klik op Nieuw om een nieuw label voor de baarmoeder aan te maken. Segmenteer de baarmoeder handmatig op de MR-beelden. Gebruik indien nodig Interpolate .
- Genereer in de module Project de oppervlaktegegevens uit de labelbestanden van de baarmoeder en het lichaamsoppervlak.
- Kies een oppervlaktebestand, verminder het aantal vlakken in de Vereenvoudigingseditor > Vereenvoudiging met 50% en klik op Nu vereenvoudigen. Kies het vereenvoudigde oppervlaktebestand en klik met de rechtermuisknop op Glad oppervlak (iteratie = 20, lambda = 0,6) > Toepassen. Kies vervolgens het gladde oppervlaktebestand en klik met de rechtermuisknop op Oppervlak opnieuw verlijmen (% 100) > Toepassen om opnieuw te mazen op elk oppervlak.
- Ga door met het uitvoeren van stap 4.1.7 totdat het lichaamsoppervlak ongeveer 18.000 gezichten omvat en het baarmoederoppervlak ongeveer 640 gezichten.
- Klik op Bestand > Gegevens exporteren als > STL ascii om de twee oppervlakken op te slaan in stereolithografie (STL)-indeling.
- Voer de nabewerking van de optische 3D-scangegevens uit.
- Laad het optische 3D-scanbestand van het buikoppervlak in Artec studio 12 professional.
- Selecteer de optische doelscan en dupliceer de scan.
- Klik op Autopilot om de geselecteerde scan te verwerken.
- Kies in de module Model maken de scankwaliteit (geometrie, textuur), objectgrootte, methode voor het vullen van gaten (waterdicht), enz. en klik op Volgende.
- Kies in de module Editor Lasso-selectie en wis de overbodige gebieden.
- Klik op Volgende om een automatische verfijning van de scan te maken.
- Klik op Editor > Lasso-selectie om onnodige regio's te verwijderen.
- Klik op Bestand > Exporteer mazen > STL-bestandsindeling om het oppervlak in STL-indeling op te slaan.
- Lijn de optische 3D-scangegevens uit met het MRI-lichaamsoppervlak en genereer de geometrie van het lichaam en de baarmoeder met de TCL-scripts (Tool Command Language) in de gegevensanalysesoftware.
- Laad de STL-formaatoppervlakken die zijn gegenereerd uit stappen 4.1 en 4.2 met een voorgeprogrammeerd softwareproject voor gegevensanalyse.
- Voer de prompt TCL-opdrachtregel uit om softwareobjecten voor gegevensanalyse voor te bereiden op stijve uitlijning voor het buikoppervlak.
- Klik op Twee viewers (horizontaal) en geef het oppervlak van de optische scan van de romp weer in de linkerviewer en het MRI-lichaamsoppervlak in de rechterviewer.
- Plaats vijf of zes oriëntatiepunten op beide oppervlakken en voer de prompt TCL-opdrachtregel uit om de stijve uitlijning toe te passen.
- Herhaal stap 4.3.2-4.3.4 voor het achteroppervlak.
- Klik op Eén viewer en geef het stijf uitgelijnde optisch gescande lichaamsoppervlak weer in de viewer .
- Voer de prompt TCL-opdrachtregel uit om softwareobjecten voor gegevensanalyse voor te bereiden op niet-rigide uitlijning.
- Klik op Project > Object > oriëntatiepunten maken en voeg oriëntatiepunten toe op de elektrodelocaties op het optisch gescande lichaamsoppervlak.
- Klik op Bestand > Gegevens exporteren als > LandmarkSet Ascii om de oriëntatiepuntbestanden te exporteren voor niet-rigide uitlijning.
- Voer de module Geometrie uit in de EMMI-gegevensverwerkingspijplijn om een niet-stijve uitlijning uit te voeren.
- Voer de TCL-opdrachtregelprompt uit om de automatisch uitgelijnde elektrodeoriëntatiepunten te importeren en de precisie van de elektrodeoriëntatiepunten te verbeteren met verwijzing naar de opmerkingen en foto's die worden beschreven in stap 2.3 en 3.3.
- Klik op Bestand > Gegevens exporteren als > LandmarkStel Ascii in om oriëntatiepuntbestanden voor de elektrodelocaties te exporteren.
- Voer de EMMI-module voor pijplijngeometrie voor gegevensverwerking uit om de STL-bestanden en LandmarkSet-bestanden te laden en de lichaam-baarmoedergeometrie in MAT-indeling te genereren.
5. Voorbewerking van elektrische signalen
- Voer de EMMI-gegevensverwerkingspijplijn-EMG-voorverwerkingsmodule uit om het BDF-bestand te laden en het ruwe elektrische signaal te verwerken met een Butterworth-filter met de frequentieband 0.34-1 Hz.
- Voer de EMMI-module voor het detecteren van artefacten voor gegevensverwerking uit om automatisch de lokale en globale artefacten in het gefilterde signaal te detecteren.
6. Reconstructie en karakterisering van het elektrische signaal van de baarmoeder
- Voer de EMMI-module voor de reconstructie van de pijplijn voor gegevensverwerking uit om de geometrie van het lichaam en de baarmoeder en de voorbewerkte elektrische signaalgegevens te laden en de elektrische signalen op het baarmoederoppervlak te berekenen.
- Voer de EMMI-gegevensverwerkingspijplijn-EMG-signaalanalysemodule uit om automatisch het begin en de verschuiving van elke EMG-uitbarsting op het baarmoederoppervlak te detecteren.
- Kies het observatievenster op de clusterfiguuroverlay om de activeringstijd op elke baarmoederlocatie voor elk observatievenster te berekenen en maak een isochroon voor elk observatievenster.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representatieve MRI-veilige pleisters en elektrodepleisters worden weergegeven in figuur 1B,C, gemaakt op basis van de sjabloon die wordt weergegeven in figuur 1A. De hardware voor het in kaart brengen van bio-elektriciteit wordt weergegeven in figuur 1C, waarbij de aansluitingen van elk onderdeel in detail zijn gemarkeerd. Figuur 2 toont de volledige EMMI-procedure, inclusief een MRI-scan van de proefpersoon die MRI-pleisters draagt (Figuur 2A), 3D optische scanning (Figuur 2B), het in kaart brengen van bio-elektriciteit (Figuur 2C), het genereren van lichaams-baarmoedergeometrie (Figuur 2D) en een schema van de EMMI-gegevens (Figuur 2E).
Figuur 3A toont een representatief elektrogram van het ruwe lichaamsoppervlak met een bemonsteringsfrequentie van 2.048 Hz. Het ruwe signaal wordt significant beïnvloed door baseline-drift, maternale elektrocardiografische signaal, maternale ademhaling en andere factoren. Bij de voorbewerking van elektrische signalen (sectie 5 in het protocol) werden een Butterworth-banddoorlaatfilter met afsnijfrequenties van 0,34-1 Hz en een downsample van een factor 20 toegepast om het gefilterde signaal te genereren dat wordt weergegeven in figuur 3B. Drie duidelijke EMG-uitbarstingen zijn gemarkeerd met groene lijnen in figuur 3B.
Figuur 4A-F toont zes opeenvolgende potentiaalkaarten van het baarmoederoppervlak met een onderlinge afstand van 0,2 s in voor-, linker-, achter- en rechteraanzicht. De warme kleuren vertegenwoordigen positieve potentialen en de koele kleuren vertegenwoordigen negatieve potentialen. De respectievelijke tijd van elke baarmoederpotentiaal is gelabeld in het elektrogram in figuur 4G, dat afkomstig is van de plaatsen die zijn aangegeven met sterretjes in figuur 4A-F. Een gebied met een hoog positief potentieel begint op de plaats die is gemarkeerd met een asterisk (Figuur 4A), wordt groter (Figuur 4B-E) en neemt uiteindelijk af (Figuur 4F). Deze EMMI-gegenereerde potentiaalkaarten stellen onderzoekers in staat om de dynamische progressie van samentrekkingen van de baarmoeder in drie dimensies te visualiseren.
Figuur 5A toont een door EMMI gegenereerde isochroonkaart vanuit vier weergaven. In de afbeeldingen vertegenwoordigen warme kleuren vroege activering, koele kleuren vertegenwoordigen late activering en donkerblauw vertegenwoordigt geen activering in het specifieke observatievenster. Deze isochroenkaart toont een contractiesequentie van de baarmoeder waarbij de activering van de baarmoeder wordt geïnitieerd bij de rechter fundus en zich voortplant naar de voorste en rechterkant. Er trad geen activering op in het linker achterste. Drie representatieve baarmoederelektrogrammen van de plaatsen a, b en c worden weergegeven in figuur 5B. De rode en blauwe lijnen markeren respectievelijk de begin- en eindtijd van de isochroonkaart in figuur 5A. De EMG-uitbarsting op plaats a vond eerder plaats dan die op plaats b en c. Met deze door EMMI gegenereerde isochroonkaarten kunnen onderzoekers de samentrekkingsvolgorde van de baarmoeder visualiseren.
Figuur 1: Ontwerp van de elektrodepleister . (A) Sjabloon voor het maken van MRI-veilige markerpleisters en elektrodepleisters, met afmetingen in millimeters. (B) MRI-veilige markerpleister. (C) Elektrodehouder, pin-type elektrode en elektrodepleister. (D) Hardware voor het in kaart brengen van bio-elektriciteit, waarbij elk onderdeel is geëtiketteerd. (E) Lay-out van de pleister op het buikoppervlak. (F) Patch-lay-out op het achteroppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Stroomschema van het EMMI-systeem . (A) MRI-scan van het onderlichaam. (B) Een optische 3D-scan van het lichaamsoppervlak met de elektroden op hun plaats. (C) In kaart brengen van bio-elektriciteit. (D) Geometrie van lichaam en baarmoeder en voorbewerking van elektrische signalen. (E) Reconstructie en karakterisering van het elektrische signaal van de baarmoeder. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Representatief elektrogram van het lichaamsoppervlak . (A) Een ruw signaal van 375 s, opgenomen door een pin-type elektrode op het lichaamsoppervlak. (B) Signaal van A na een Butterworth bandpass en downsampling. De groene lijnen markeren de tijden van EMG-uitbarstingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Representatieve potentiaalkaarten van het baarmoederoppervlak. (A-F) Potentiaalkaarten weergegeven in vier weergaven, soms gemarkeerd in het elektrogram in G met rode stippen. De warme kleuren vertegenwoordigen positieve potentialen en de koele kleuren vertegenwoordigen negatieve potentialen. (G) Elektrogram op de plaats met een asterisk in A-F. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Representatieve isochroenkaart en elektrogrammen van de baarmoeder . (A) Een isochroonkaart weergegeven in vier weergaven, met warme kleuren die vroege activering vertegenwoordigen, koele kleuren die late activering vertegenwoordigen en donkerblauw die niet-activering vertegenwoordigt. (B) Baarmoederelektrogrammen van plaatsen a, b en c. De rode en blauwe verticale lijnen markeren respectievelijk het begin en het einde van het waarnemingsvenster voor deze isochroonkaart. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Elektromyografie heeft aangetoond dat de frequentie en amplitude van elektrische signalen van de baarmoeder veranderen tijdens de zwangerschapsperiode 2,16,25. Verschillende onderzoeken hebben de voortplantingspatronen van de baarmoeder onderzocht bij patiënten die actief aan het bevallen zijn: 10,17,26,27,28. Toch is er geen sluitende voortplantingsrichting gerapporteerd, vanwege het beperkte aantal en de beperkte dekking, evenals de niet-standaard configuratie van de elektroden van het lichaamsoppervlak. De afwezigheid van de overheersende voortplantingsrichting kan ook te wijten zijn aan de niet-vaste pacemaker in het myometrium16,29, maar er is geen overtuigend direct bewijs gerapporteerd. EMMI implementeert een volledige dekking van de elektroden op het lichaamsoppervlak en past een omgekeerde berekening toe om de elektrische activiteiten op het baarmoederoppervlak te reconstrueren. EMMI maakt het mogelijk om de elektrische voortplanting van de samentrekking van de baarmoeder over het hele baarmoederoppervlak te karakteriseren, door weer te geven waar de weeën beginnen en hoe ze zich voortplanten. Bovendien kan EMMI, met zijn hoge temporele resolutie, de evolutie van samentrekkingen van de baarmoeder analyseren naarmate de bevalling vordert met isochroonkaarten. Een grondige analyse van samentrekkingen van de baarmoeder zou veelbelovend zijn om nieuwe inzichten te verschaffen in de elektrische rijping van het menselijk myometrium en om het klinische beheer van menselijke arbeid te verbeteren.
Vroeggeboorte is een aandoening die mogelijk wordt veroorzaakt door meerdere pathologische processen, zoals baarmoederhalsaandoeningen, infectie, een afname van de progesteronwerking, placentapathologieën, abnormale samentrekking van de baarmoeder, enz.30,31. Door elektrische beelden van samentrekkingen van de baarmoeder met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie te leveren, is EMMI veelbelovend om de voorspellingsnauwkeurigheid van vroeggeboorte/bevalling veroorzaakt door abnormale samentrekkingen van de baarmoeder te verbeteren.
Er zijn verschillende cruciale stappen bij het uitvoeren van EMMI bij zwangere vrouwen. Ten eerste moeten de elektrodepleisters op dezelfde plaatsen worden geplaatst als de MRI-veilige pleisters. Het volgen van de plaatsingsinstructies (zie het protocol) is van cruciaal belang om fouten in de elektrodelocatie te verminderen. Ten tweede is het van cruciaal belang om de juiste hoeveelheid gel te gebruiken en voldoende contact tussen elektroden en huid tot stand te brengen om een optimale elektrische signaalactiviteit te garanderen. Ten derde kunnen meerdere optische scans nodig zijn om ervoor te zorgen dat een hoogwaardige geometrie van het lichaamsoppervlak wordt verkregen.
We hebben twee beperkingen in de huidige versie van EMMI. Een beperking is dat MRI duur en niet draagbaar is. Omdat het voor vrouwen een uitdaging is om MRI te ondergaan nadat de bevalling is begonnen, wordt MRI uitgevoerd een paar dagen voordat ze naar verwachting gaan bevallen. Wat betreft de te vroeg geboren patiënten, van wie de verwachte bevallingsdatum onzekerder is dan die van voldragen patiënten, hebben we meerdere MRI-scans gepland na 24, 28, 32 en 37 weken (als de patiënt voldragen wordt) om de geometrie van het lichaam en de baarmoeder zo dicht mogelijk bij de bevalling vast te leggen. Voor de klinische haalbaarheid is een mogelijke verbetering voor EMMI echter het gebruik van klinische echografie om patiëntspecifieke lichaams-baarmoedergeometrie aan het bed te verkrijgen. Dit zou de totale kosten van EMMI verlagen en real-time geometriemetingen mogelijk maken vlak voor of tijdens de elektrische opname. De andere beperking is het grote aantal elektroden, wat de kosten van het onderzoek verhoogt en het moeilijk kan maken voor dagelijks klinisch gebruik. Zo zijn we aan de ene kant van plan om een validatietest uit te voeren over de nauwkeurigheid van EMMI met minder elektroden. Aan de andere kant zijn we van plan om goedkopere, draagbare, wegwerpbare, bedrukte elektroden op te nemen die op een elastisch materiaal kunnen worden gemonteerd32,33,34. Hoewel er in de toekomst verschillende verbeteringen zullen worden aangebracht, zal het kernprotocol dat in dit manuscript wordt vermeld, niet veranderen. Dit werk zou het voor andere onderzoeksgroepen mogelijk maken om ons EMMI-werk te reproduceren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. en A.L.S. dienden de Amerikaanse voorlopige aanvraag nr. 62/642.389 in met de titel "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)" voor de EMMI-technologie die in dit werk wordt beschreven. Y.W. werkt als wetenschappelijk adviseur voor Medtronic en heeft NIH-onderzoeksfinanciering.
Acknowledgments
We danken Deborah Frank voor het redigeren van dit manuscript en Jessica Chubiz voor het organiseren van het project. Financiering: Dit werk werd ondersteund door de March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), door subsidies van NIH/National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 aan PI's Wang/Cahill; R01HD104822 aan PI's Wang/Schwartz/Cahill), door subsidies van Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 aan PI Wang) en door subsidies van de Bill and Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 en INV-037302 aan 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).
