Summary
Presentiamo un protocollo per la conduzione dell'imaging elettromiometriale (EMMI), che include le seguenti procedure: registrazioni multiple del sensore dell'elettrodo dell'elettromiografia dalla superficie corporea, risonanza magnetica e ricostruzione del segnale elettrico uterino.
Abstract
Durante la gravidanza normale, la muscolatura liscia uterina, il miometrio, inizia ad avere contrazioni deboli e scoordinate alla fine della gestazione per aiutare la cervice a rimodellarsi. Durante il travaglio, il miometrio ha contrazioni forti e coordinate per far nascere il feto. Sono stati sviluppati vari metodi per monitorare i modelli di contrazione uterina per prevedere l'insorgenza del travaglio. Tuttavia, le tecniche attuali hanno una copertura spaziale e una specificità limitate. Abbiamo sviluppato l'imaging elettromiometriale (EMMI) per mappare in modo non invasivo l'attività elettrica uterina sulla superficie uterina tridimensionale durante le contrazioni. Il primo passo nell'EMMI consiste nell'utilizzare la risonanza magnetica pesata in T1 per acquisire la geometria corpo-utero specifica del soggetto. Successivamente, vengono utilizzati fino a 192 elettrodi a spillo posizionati sulla superficie del corpo per raccogliere registrazioni elettriche dal miometrio. Infine, la pipeline di elaborazione dei dati EMMI viene eseguita per combinare la geometria corpo-utero con i dati elettrici della superficie corporea per ricostruire e visualizzare le attività elettriche uterine sulla superficie uterina. L'EMMI è in grado di visualizzare, identificare e misurare in modo sicuro e non invasivo le regioni di attivazione precoce e i modelli di propagazione in tutto l'utero in tre dimensioni.
Introduction
Dal punto di vista clinico, le contrazioni uterine vengono misurate utilizzando un catetere a pressione intrauterina o eseguendo la tocodinamometria1. Nell'ambito della ricerca, le contrazioni uterine possono essere misurate mediante elettromiografia (EMG), in cui gli elettrodi vengono posizionati sulla superficie addominale per misurare i segnali bioelettrici generati dal miometrio 2,3,4,5,6,7. Si possono utilizzare le caratteristiche di magnitudo, frequenza e propagazione delle esplosioni elettriche 8,9,10,11,12 derivate dall'EMG per prevedere l'inizio del travaglio nel pretermine. Tuttavia, nell'EMG convenzionale, l'attività elettrica delle contrazioni uterine viene misurata solo da una piccola regione della superficie addominale con un numero limitato di elettrodi (due13 e quattro 7,14,15,16 al centro della superficie addominale e 64 17 alla superficie addominale inferiore). Inoltre, l'EMG convenzionale è limitato nella sua capacità di studiare i meccanismi del travaglio, in quanto riflette solo le attività elettriche medie dell'intero utero e non è in grado di rilevare gli specifici modelli di iniziazione e attivazione elettrica sulla superficie uterina durante le contrazioni.
Un recente sviluppo chiamato imaging elettromiometriale (EMMI) è stato introdotto per superare le carenze dell'EMG convenzionale. L'EMMI consente l'imaging non invasivo dell'intera sequenza di attivazione elettrica del miometrio durante le contrazioni uterine 18,19,20,21. Per acquisire la geometria corpo-utero, l'EMMI utilizza la risonanza magnetica per immagini (MRI) pesata in T122,23,24, che è stata ampiamente utilizzata per le donne in gravidanza durante il secondo e il terzo trimestre. Successivamente, vengono utilizzati fino a 192 elettrodi a spillo posizionati sulla superficie del corpo per raccogliere registrazioni elettriche dal miometrio. Infine, la pipeline di elaborazione dei dati EMMI viene eseguita per combinare la geometria corpo-utero con i dati elettrici per ricostruire e visualizzare le attività elettriche sulla superficie uterina21. L'EMMI è in grado di localizzare con precisione l'inizio delle contrazioni uterine e i modelli di propagazione delle immagini durante le contrazioni uterine in tre dimensioni. Questo articolo ha lo scopo di presentare le procedure EMMI e dimostrare i risultati rappresentativi ottenuti dalle donne in gravidanza.
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Protocol
Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato di revisione istituzionale dell'Università di Washington.
1. Cerotti marcatori, cerotti per elettrodi e righelli sicuri per la risonanza magnetica (Figura 1)
- Stampare su carta i modelli di patch per risonanza magnetica ed elettrodi (Figura 1A).
- Tagliare fogli di vinile trasparente e gomma siliconica (Tabella dei materiali) in 22 (vinile) e 44 (gomma) rettangolari (120 mm x 60 mm) e 4 (vinile) e 8 (gomma siliconica) quadrati (60 mm x 60 mm).
- Creare cerotti per marcatori sicuri per la risonanza magnetica: sovrapporre un modello con un cerotto in vinile trasparente e incollare i marcatori sicuri per la risonanza magnetica (softgel liquidi di vitamina D) al cerotto in vinile al centro dei cerchi, che rappresentano le cavità del portaelettrodo sulla dima (Figura 1B).
- Realizzare cerotti per elettrodi: etichettare le posizioni dei cerchi sui cerotti in gomma siliconica e praticare i fori in tali posizioni utilizzando un set di punzoni con un diametro di 8 mm.
- Fissare i portaelettrodi su ciascun foro con collari biadesivi (Tabella dei materiali). Allineare la circonferenza della cavità del portaelettrodo con la circonferenza del foro praticato sul foglio di silicone.
- Installare l'X-ring nella cavità sopra il portaelettrodo, coprire il supporto con il foglio di silicone con codice colore e inserire l'elettrodo attivo a perno attraverso l'X-ring nel supporto. L'elettrodo è centrato nella cavità del portaelettrodo. I cavi degli elettrodi devono passare tra i due strati di fogli di silicone e al centro delle due file di supporti lungo il bordo lungo. Regolare la lunghezza del cavo dell'elettrodo attorcigliandolo attorno al portaelettrodo, se necessario. L'assemblaggio di un cerotto per elettrodi è concluso (Figura 1C).
- Applicare tre strisce di nastro biadesivo di grado medico al cerotto dell'elettrodo tra le file di elettrodi lungo il bordo lungo del cerotto.
- Taglia sei nastri di misurazione ai loro segni di 30 cm. Mantenere la parte superiore da 0 cm a 30 cm. Per realizzare un righello orizzontale, incolla i bordi a 0 cm di due nastri di misurazione su un lungo pezzo di striscia di vinile con uno spazio nella larghezza del nastro. Applicare del nastro biadesivo su ogni righello.
- Conserva i cerotti e i righelli in una scatola con coperchio chiuso.
2. Risonanza magnetica
NOTA: La risonanza magnetica è programmata a un'età gestazionale (GA) di 36-40 settimane, prima della data prevista per il parto della madre, determinata in base al programma del soggetto e alla raccomandazione dell'infermiera. La durata stimata per questo passaggio è di 2 ore.
- Dopo che il soggetto ha firmato il modulo di consenso, chiedi al soggetto di togliersi l'abbigliamento da strada con i pantaloni e il camice sicuri per la risonanza magnetica forniti dal tecnico della risonanza magnetica. Posizionare i cerotti marcatori sicuri per la risonanza magnetica (Figura 1B) sulla superficie del corpo nella sala d'esame.
- Posizionare le toppe sulla superficie posteriore.
- Istruire il soggetto a sedersi su un lettino per esami medici. Stacca la fodera dal nastro biadesivo e applica un righello verticale lungo la colonna vertebrale del soggetto, con l'estremità del righello sulla scollatura dei glutei.
- Posiziona un righello orizzontale a livello della cresta iliaca, con il centro che attraversa il righello verticale. Stacca la fodera dal nastro biadesivo sulle toppe.
- Applicare due toppe rettangolari sul retro, in modo che i bordi lunghi delle toppe siano accanto al righello verticale e gli angoli delle toppe si trovino all'intersezione dei righelli.
- Posizionare i cerotti aggiuntivi a sinistra e a destra dei primi due cerotti in modo che i cerotti siano bilateralmente simmetrici. Per i soggetti di taglia media, applicare quattro cerotti rettangolari su ciascun lato (Figura 1E).
- Posizionare i cerotti sulla superficie addominale.
- Sollevare la testa del lettino d'esame a circa 40° e guidare il soggetto a sdraiarsi nella posizione di Fowler. Posizionare un righello verticale lungo la linea mediana dell'addome, con il segno di 3 cm vicino alla regione del fondo oculare determinata dalla palpazione manuale.
- Applicare un righello orizzontale in modo che il suo centro si trovi al segno di 6 cm del righello verticale e si estenda lateralmente a sinistra e a destra lungo la curvatura naturale dell'addome.
- Posiziona la prima patch rettangolare sopra il righello orizzontale e a sinistra del righello verticale, in modo che il suo lato lungo sia parallelo al righello orizzontale e un angolo della patch si trovi all'intersezione dei due righelli.
- Posiziona la seconda patch rettangolare a sinistra della prima patch, con il bordo lungo lungo il righello orizzontale. Posiziona la terza e la quarta patch direttamente sotto il righello orizzontale e allineala verticalmente con la prima e la seconda.
- Posiziona la quinta toppa rettangolare sotto la terza, con il bordo corto lungo il righello verticale. Posiziona la sesta toppa rettangolare accanto alla quinta sul lato sinistro. Posiziona la settima toppa sotto la quinta, con il bordo corto lungo il righello verticale. Lasciare spazi di 2-3 cm tra i cerotti 3, 5 e 7 per la curvatura dell'addome.
- Posiziona le due patch quadrate (s1 e s2) sotto la sesta patch e la settima, allineate verticalmente rispettivamente con la sesta e la settima patch. Posizionare i cerotti sulla superficie addominale destra in modo che siano bilateralmente simmetrici con quelli a sinistra (Figura 1F).
- Posizionare le toppe sulla superficie posteriore.
- Scatta foto e prendi appunti del layout della patch per registrare le posizioni dei righelli l'uno rispetto all'altro e all'ombelico del soggetto.
- Far eseguire a screening il soggetto da parte di un tecnico RM secondo le norme e i regolamenti di sicurezza della risonanza magnetica nella Zona II della struttura di risonanza magnetica. Quindi, guidare il soggetto attraverso la Zona III fino alla Zona IV, dove risiede uno scanner RM da 3 T.
- Guidare il paziente a sdraiarsi sul lettino per risonanza magnetica in posizione supina e fornirgli un microfono sicuro per la risonanza magnetica, un set di cuffie e una sfera di compressione di segnalazione. Coprire il basso addome del soggetto con una bobina per risonanza magnetica a 32 array (Figura 2A). Avviare la scansione RM.
NOTA: Per eseguire la risonanza magnetica sull'intero addome è stata utilizzata una sequenza rapida di apnea interpolata a volume radiale per eseguire la risonanza magnetica sull'intero addome utilizzando uno scanner Siemens Prisma o Vida da 3 T. Le immagini RM risultanti avevano una risoluzione di 1,56 mm x 1,56 mm e uno spessore della fetta di 4 mm.
- Guidare il paziente a sdraiarsi sul lettino per risonanza magnetica in posizione supina e fornirgli un microfono sicuro per la risonanza magnetica, un set di cuffie e una sfera di compressione di segnalazione. Coprire il basso addome del soggetto con una bobina per risonanza magnetica a 32 array (Figura 2A). Avviare la scansione RM.
- Usa il localizzatore per regolare il campo visivo in modo da coprire l'intero utero e la cervice. Quindi, eseguire una risonanza magnetica con una sequenza pesata in T1 con l'esame dell'apnea interpolato in volume (tempo di ripetizione [TR] = 4,07 ms, tempo di eco [TE] = 1,78 ms, angolo di capovolgimento = 10°) e ricostruzione multiplanare del set di dati (campo visivo [FOV] = 500 mm x 500 mm, matrice = 320 x 320, dimensione voxel = 1,56 x 1,56 x 4 mm3).
- Memorizza i dati in formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).
- Rimuovere i cerotti e i righelli per la risonanza magnetica dal soggetto e pulire l'addome e la schiena con salviette per neonati.
- Rimuovere il nastro biadesivo dai cerotti, disinfettare i cerotti con salviette germicide monouso e applicare un nuovo nastro biadesivo per l'esperimento successivo.
3. Mappatura bioelettrica e scansione ottica 3D
NOTA: Eseguire la mappatura bioelettrica dopo che il soggetto è stato ricoverato nell'unità di travaglio e parto e la sua cervice si è dilatata a circa 4 cm. La durata stimata per questo passaggio è di 2 ore.
- Preparare i cerotti per elettrodi: Riempire il gel conduttivo in una siringa per irrigazione a punta curva. Aggiungere il gel nelle cavità del portaelettrodo su ciascun cerotto dell'elettrodo utilizzando la siringa. Rimuovere le fodere dei nastri biadesivi.
- Applicare i cerotti degli elettrodi secondo le stesse procedure descritte al punto 2.1, seguendo lo schema di posizionamento descritto nelle foto e negli appunti presi al punto 2.2.
- Collegare i cavi di alimentazione e dati dello scanner ottico 3D. Aprire il software di scansione 3D (Tabella dei materiali). Tenere lo scanner ottico portatile (Tabella dei materiali) in posizione verticale, con le fotocamere lampeggianti rivolte verso il soggetto.
- Premere il pulsante Start sullo scanner per avviare la scansione, quindi premere nuovamente il pulsante Start per registrare la scansione. Spostare lo scanner intorno al soggetto per eseguire scansioni ottiche 3D per acquisire le posizioni degli elettrodi.
NOTA: Le scansioni ottiche della superficie lombare vengono eseguite dopo aver posizionato i cerotti degli elettrodi sulla superficie posteriore. Le scansioni ottiche della superficie addominale vengono eseguite dopo aver posizionato i cerotti degli elettrodi sulla superficie addominale. - Premere il pulsante Stop sullo scanner per terminare la scansione 3D.
- Premere il pulsante Start sullo scanner per avviare la scansione, quindi premere nuovamente il pulsante Start per registrare la scansione. Spostare lo scanner intorno al soggetto per eseguire scansioni ottiche 3D per acquisire le posizioni degli elettrodi.
- Scatta foto e prendi appunti del layout della patch. Nota le posizioni dei righelli l'uno rispetto all'altro e l'ombelico del soggetto.
- Posizionare quattro elettrodi di messa a terra, con l'elettrodo "LL" sull'addome inferiore sinistro, l'elettrodo "LA" sulla parte superiore sinistra del torace, l'elettrodo "RA" sulla parte superiore destra del torace e l'elettrodo "DRL" sulla superficie addominale vicino all'ombelico o all'addome inferiore destro.
- Collegare i componenti dell'hardware di mappatura della bioelettricità, tra cui il laptop, la scatola da analogico a digitale (AD), la scatola della batteria, la patch dell'elettrodo, i cavi dell'elettrodo di messa a terra, la fibra ottica e il ricevitore USB2 (Figura 1D).
- Apri il software Active View sul laptop e accendi la casella AD.
NOTA: Se la spia di stato è gialla sulla scatola AD, gli elettrodi di messa a terra hanno uno scarso contatto con la pelle. In questo caso, rimuovere gli elettrodi di messa a terra, aggiungere altro gel e riposizionarli nelle loro posizioni. Ripetere l'operazione finché la spia di stato non diventa blu. - Controllare il modulo Offset elettrodo in Active View. Se alcuni elettrodi hanno un offset grande (oltre un quarto dell'offset più grande), migliorarne il contatto con la pelle fissandoli con nastri di carta medica o reinstallandoli (rimuovendoli, aggiungendo altro gel e riposizionandoli nelle loro posizioni).
- Fare clic su Avvia file > In pausa per salvare i flussi di dati del segnale bioelettrico in tempo reale. Dopo una registrazione di 900 s, fare clic su Sospendi salvataggio > Interrompi per terminare la registrazione e memorizzare la misurazione multielettrodo in un file di file di dati binari (BDF).
- Ripetere il passaggio 3.9 quattro volte dopo che l'assistente di ricerca ha controllato per assicurarsi che il soggetto sia a suo agio e disposto a continuare.
- Dopo l'ultima registrazione (di solito quattro registrazioni in totale), spegnere la scatola AD e scollegare i cerotti degli elettrodi, gli elettrodi di messa a terra, la fibra ottica e il cavo USB.
- Rimuovere le toppe degli elettrodi e gli elettrodi di messa a terra dal soggetto.
- Pulisci l'addome e la parte bassa della schiena del soggetto con un asciugamano o salviette per neonati.
- Imballare tutta l'attrezzatura e conservare le toppe degli elettrodi e gli elettrodi di messa a terra per la pulizia.
- Pulire i cerotti degli elettrodi e gli elettrodi di messa a terra in acqua tiepida con detersivo per piatti nella stanza di pulizia. Disinfettali con salviette germicide.
- Asciuga i cerotti all'aria e applica del nastro biadesivo di montaggio sui cerotti e sui righelli per il prossimo esperimento.
4. Generazione della geometria corpo-utero
- Eseguire la segmentazione dei dati della risonanza magnetica utilizzando un'applicazione software di analisi dei dati.
NOTA: In questo caso è stato utilizzato il software Amira- Avviare il software di analisi dei dati e caricare i dati DICOM della risonanza magnetica. Vai al modulo Segmentazione e fai clic su Nuovo per creare una nuova etichetta. Fare clic su Modifica > Regolare l'intervallo su > Istogramma Dati per modificare il contrasto dell'immagine.
- In Vista sagittale, scegliete lo strumento Pennello, etichettate i contorni dell'utero delle immagini RM, riempite le regioni e aggiungetele al file di etichetta. Ripeti questo passaggio ogni tre o cinque fette.
- Selezionate le regioni segmentate e fate clic su Selezione > Interpola > + per interpolare la segmentazione di tutte le sezioni. Questo completa la segmentazione della superficie uterina.
- Fare clic su Nuovo per creare un nuovo file di etichette. Scegliete lo strumento bacchetta magica, posizionate la soglia di mascheramento al minimo locale iniziale dell'istogramma dei dati e regolatela gradualmente fino a quando l'intero corpo non viene evidenziato in blu.
- Scegli Tutte le sezioni, fai clic su un'area blu, quindi fai clic su + per aggiungere la segmentazione nel file di etichetta. Fare clic su Segmentazione > Riempi fori > Tutte le sezioni > + per correggere i fori.
- Vai al modulo Segmentazione e fai clic su Nuovo per creare una nuova etichetta per l'utero. Segmentare manualmente l'utero sulle immagini RM. Se necessario , utilizzare Interpolazione .
- Nel modulo Progetto, generare i dati di superficie dai file di etichette dell'utero e della superficie del corpo.
- Scegliere un file di superficie, ridurre del 50% il numero di facce nell'Editor semplificazione > Semplifica e fare clic su Semplifica. Scegliete il file di superficie semplificata e fate clic con il pulsante destro del mouse su Superficie liscia (iterazione = 20, lambda = 0,6) > su Applica (Apply). Quindi, scegliete il file di superficie levigata e fate clic con il pulsante destro del mouse su Superficie mesh (% 100) > Applica (Apply) per ricreare la mesh su ciascuna superficie.
- Continuare a eseguire il passaggio 4.1.7 fino a quando la superficie corporea comprende circa 18.000 facce e la superficie uterina comprende circa 640 facce.
- Fate clic su File > Esporta dati come > STL ascii per salvare le due superfici in formato stereolitografico (STL).
- Eseguire la post-elaborazione dei dati di scansione ottica 3D.
- Carica il file di scansione ottica 3D della superficie addominale in Artec studio 12 professional.
- Selezionare la scansione ottica di destinazione e duplicare la scansione.
- Fare clic su Autopilot per avviare l'elaborazione della scansione selezionata.
- Nel modulo Creazione modello, scegliere la qualità di scansione (geometria, texture), le dimensioni dell'oggetto, il metodo di riempimento dei fori (a tenuta stagna) e così via, quindi fare clic su Avanti.
- Nel modulo Editor, scegliete Selezione lazo e cancellate le aree ridondanti.
- Fare clic su Avanti per creare un perfezionamento automatico della scansione.
- Fare clic su Editor > selezione lazo per rimuovere le aree non necessarie.
- Fate clic su File > Esporta mesh > formato file STL (STL) per salvare la superficie in formato STL.
- Allinea i dati della scansione ottica 3D alla superficie del corpo della risonanza magnetica e genera la geometria corpo-utero con gli script TCL (Tool Command Language) nel software di analisi dei dati.
- Caricare le superfici in formato STL generate dai passi 4.1 e 4.2 con il progetto software di analisi dei dati pre-programmato.
- Eseguire la riga di comando TCL prompt per preparare gli oggetti software di analisi dei dati per l'allineamento rigido per la superficie addominale.
- Fare clic su Due visualizzatori (orizzontale) e visualizzare la superficie del busto a scansione ottica nel visualizzatore sinistro e la superficie del corpo della risonanza magnetica nel visualizzatore destro.
- Posizionate cinque o sei punti di riferimento su entrambe le superfici ed eseguite la riga di comando TCL prompt per applicare l'allineamento rigido.
- Ripetere i passaggi 4.3.2-4.3.4 per la superficie posteriore.
- Fare clic su Visualizzatore singolo e visualizzare la superficie del corpo a scansione ottica allineata rigidamente nel visualizzatore.
- Eseguire la riga di comando TCL prompt per preparare gli oggetti software di analisi dei dati per l'allineamento non rigido.
- Fate clic su Proietta > Create Object > Landmarks ( Create Object Landmarks ) e aggiungete i punti di riferimento in corrispondenza delle posizioni degli elettrodi sulla superficie del corpo scansionato otticamente.
- Fare clic su File > Esporta dati come > LandmarkSet Ascii per esportare i file dei punti di riferimento per un allineamento non rigido.
- Eseguire il modulo Geometria nella pipeline di elaborazione dei dati EMMI per eseguire un allineamento non rigido.
- Eseguire il prompt della riga di comando TCL per importare i punti di riferimento degli elettrodi allineati automaticamente e migliorare la precisione dei punti di riferimento degli elettrodi in riferimento alle note e alle foto descritte nei passaggi 2.3 e 3.3.
- Fare clic su File > Esporta dati come > LandmarkSet Ascii per esportare i file di riferimento per le posizioni degli elettrodi.
- Eseguire il modulo EMMI data processing pipeline-geometry per caricare i file STL e LandmarkSet e generare la geometria corpo-utero in formato MAT.
5. Pre-elaborazione del segnale elettrico
- Eseguire il modulo di pre-elaborazione EMMI Data processing pipeline-EMG per caricare il file BDF ed elaborare il segnale elettrico grezzo con un filtro Butterworth con la banda di frequenza 0,34-1 Hz.
- Eseguire il modulo EMMI Data Processing Pipeline- Artfacts Detection per rilevare automaticamente gli artefatti locali e globali nel segnale filtrato.
6. Ricostruzione e caratterizzazione del segnale elettrico uterino
- Eseguire il modulo di ricostruzione della pipeline di elaborazione dati EMMI per caricare la geometria corpo-utero e i dati del segnale elettrico pre-elaborati e calcolare i segnali elettrici sulla superficie uterina.
- Eseguire il modulo di analisi del segnale EMMI Data processing pipeline-EMG per rilevare automaticamente le insorgenze e gli offset di ogni esplosione EMG sulla superficie uterina.
- Scegliere la finestra di osservazione sulla sovrapposizione della figura del cluster per calcolare il tempo di attivazione in ogni posizione uterina per ogni finestra di osservazione e creare un'isocrona per ogni finestra di osservazione.
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Representative Results
I cerotti rappresentativi sicuri per la risonanza magnetica e i cerotti per elettrodi sono mostrati nella Figura 1B,C, creati dal modello mostrato nella Figura 1A. L'hardware di mappatura della bioelettricità è mostrato nella Figura 1C, con le connessioni di ciascun componente contrassegnate in dettaglio. La Figura 2 mostra l'intera procedura EMMI, compresa una scansione MRI del soggetto che indossa i cerotti MRI (Figura 2A), la scansione ottica 3D (Figura 2B), la mappatura bioelettrica (Figura 2C), la generazione della geometria corpo-utero (Figura 2D) e uno schema dei dati EMMI (Figura 2E).
La Figura 3A mostra un elettrogramma rappresentativo della superficie corporea grezza con una frequenza di campionamento di 2.048 Hz. Il segnale grezzo è significativamente influenzato dalla deriva basale, dal segnale elettrocardiografico materno, dalla respirazione materna e da altri fattori. Nella pre-elaborazione del segnale elettrico (sezione 5 del protocollo), è stato applicato un filtro passa-banda di Butterworth con frequenze di taglio di 0,34-1 Hz e un downsampling di un fattore 20 per generare il segnale filtrato mostrato nella Figura 3B. Tre lampi EMG chiari sono contrassegnati da linee verdi nella Figura 3B.
La Figura 4A-F mostra sei mappe successive del potenziale della superficie uterina distanti 0,2 s l'una dall'altra nelle viste anteriore, sinistra, posteriore e destra. I colori caldi rappresentano i potenziali positivi e i colori freddi rappresentano i potenziali negativi. Il tempo rispettivo di ciascun potenziale uterino è etichettato nell'elettrogramma nella Figura 4G, che proviene dai siti indicati con asterischi nella Figura 4A-F. Una regione ad alto potenziale positivo inizia nel sito contrassegnato da un asterisco (Figura 4A), si ingrandisce (Figura 4B-E) e infine diminuisce (Figura 4F). Queste mappe del potenziale generate da EMMI consentono agli investigatori di visualizzare la progressione dinamica delle contrazioni uterine in tre dimensioni.
La Figura 5A mostra una mappa isocrona generata da EMMI da quattro viste. Nelle immagini, i colori caldi rappresentano l'attivazione precoce, i colori freddi rappresentano l'attivazione tardiva e il blu scuro rappresenta l'assenza di attivazione nella finestra di osservazione specifica. Questa mappa isocrona mostra una sequenza di contrazione uterina in cui l'attivazione uterina viene avviata dal fondo oculare destro e propagata all'anteriore e alla destra. Non si è verificata alcuna attivazione nella parte posteriore sinistra. Nella Figura 5B sono mostrati tre elettrogrammi uterini rappresentativi dei siti a, b e c. Le linee rosse e blu segnano rispettivamente l'ora di inizio e di fine della mappa isocrona nella Figura 5A. L'esplosione EMG nel sito a si è verificata prima di quelle nei siti b e c. Queste mappe isocrone generate da EMMI consentono ai ricercatori di visualizzare la sequenza di contrazione uterina.
Figura 1: Progettazione del cerotto dell'elettrodo . (A) Modello per la realizzazione di cerotti marcatori e cerotti per elettrodi sicuri per la risonanza magnetica, con misure indicate in millimetri. (B) Cerotto marcatore sicuro per la risonanza magnetica. (C) Portaelettrodo, elettrodo a perno e patch dell'elettrodo. (D) Hardware per la mappatura della bioelettricità con ogni componente etichettato. (E) Disposizione del cerotto sulla superficie addominale. (F) Layout della patch sulla superficie posteriore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Diagramma di flusso del sistema EMMI . (A) Risonanza magnetica della parte inferiore del corpo. (B) Una scansione ottica 3D della superficie del corpo con gli elettrodi in posizione. (C) Mappatura della bioelettricità. (D) Geometria corpo-utero e preprocessing del segnale elettrico. (E) Ricostruzione e caratterizzazione del segnale elettrico uterino. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Elettrogramma rappresentativo della superficie corporea . (A) Un segnale grezzo di 375 s registrato da un elettrodo a spillo sulla superficie del corpo. (B) Segnale proveniente da A dopo un passaggio di banda di Butterworth e un downsampling. Le linee verdi indicano i tempi delle esplosioni EMG. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Mappe rappresentative del potenziale della superficie uterina. (A-F) Mappe del potenziale mostrate in quattro viste a volte contrassegnate nell'elettrogramma in G con punti rossi. I colori caldi rappresentano i potenziali positivi e i colori freddi rappresentano i potenziali negativi. (G) Elettrogramma nel sito etichettato con un asterisco in A-F. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Mappa isocrona uterina rappresentativa ed elettrogrammi. (A) Una mappa isocrona mostrata in quattro viste, con colori caldi che rappresentano l'attivazione precoce, colori freddi che rappresentano l'attivazione tardiva e blu scuro che rappresenta la non attivazione. (B) Elettrogrammi uterini dai siti a, b e c. Le linee verticali rosse e blu segnano rispettivamente l'inizio e la fine della finestra di osservazione di questa mappa isocrona. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
L'elettromiografia ha indicato che la frequenza e l'ampiezza dei segnali elettrici uterini alterano durante il periodo gestazionale 2,16,25. Diversi studi hanno esplorato i modelli di propagazione uterina delle contrazioni uterine in pazienti in travaglio attivo 10,17,26,27,28. Tuttavia, non è stata riportata alcuna direzione di propagazione conclusiva, a causa del numero e della copertura limitati, nonché della configurazione non standard degli elettrodi della superficie corporea. L'assenza della direzione di propagazione predominante può anche essere dovuta al pacemaker non fisso nel miometrio16,29, ma non sono state riportate prove dirette convincenti. EMMI implementa una copertura completa degli elettrodi sulla superficie corporea e applica un calcolo inverso per ricostruire le attività elettriche sulla superficie uterina. L'EMMI permette di caratterizzare la propagazione elettrica della contrazione uterina su tutta la superficie uterina, visualizzando dove iniziano le contrazioni e come si propagano. Inoltre, con la sua elevata risoluzione temporale, EMMI è in grado di analizzare l'evoluzione delle contrazioni uterine man mano che il travaglio progredisce con mappe isocrone. Un'analisi approfondita delle contrazioni uterine sarebbe promettente per fornire nuove informazioni sulla maturazione elettrica del miometrio umano e migliorare la gestione clinica del travaglio umano.
Il travaglio pretermine è una condizione potenzialmente causata da molteplici processi patologici, come malattie cervicali, infezioni, declino dell'azione del progesterone, patologie placentari, contrazione uterina anomala, ecc.30,31. Fornendo immagini elettriche ad alta risoluzione temporale e spaziale delle contrazioni uterine, EMMI è molto promettente per migliorare l'accuratezza della previsione del travaglio/parto pretermine causato da contrazioni uterine anomale.
Ci sono diversi passaggi critici nell'esecuzione dell'EMMI nelle donne in gravidanza. Innanzitutto, i cerotti per elettrodi devono essere posizionati nelle stesse posizioni dei cerotti sicuri per la risonanza magnetica. Seguire le istruzioni di posizionamento (vedere il protocollo) è fondamentale per ridurre gli errori di localizzazione degli elettrodi. In secondo luogo, è fondamentale utilizzare la quantità appropriata di gel e stabilire un contatto adeguato tra gli elettrodi e la pelle per garantire un'attività ottimale del segnale elettrico. In terzo luogo, possono essere necessarie più scansioni ottiche per garantire l'acquisizione di una geometria della superficie corporea di alta qualità.
La versione corrente di EMMI presenta due limitazioni. Una limitazione è che la risonanza magnetica è costosa e non portatile. Poiché è difficile per le donne sottoporsi a risonanza magnetica dopo l'inizio del travaglio, la risonanza magnetica viene eseguita alcuni giorni prima che entrino in travaglio. Per quanto riguarda le pazienti pretermine, la cui data prevista per il travaglio è più incerta rispetto a quella delle pazienti a termine, abbiamo programmato più scansioni MRI a 24, 28, 32 e 37 settimane (se la paziente va a termine) per registrare la geometria corpo-utero il più vicino possibile al travaglio. Tuttavia, per la fattibilità clinica, un potenziale miglioramento per l'EMMI è quello di utilizzare gli ultrasuoni clinici per ottenere una geometria corpo-utero specifica per il paziente al letto del paziente. Ciò ridurrebbe la spesa complessiva dell'EMMI e consentirebbe la misurazione della geometria in tempo reale subito prima o durante la registrazione elettrica. L'altra limitazione è l'elevato numero di elettrodi, che aumenta il costo dello studio e può rendere difficile l'uso clinico quotidiano. Quindi, da un lato, abbiamo in programma di effettuare un test di convalida sull'accuratezza di EMMI con un minor numero di elettrodi. D'altra parte, prevediamo di incorporare elettrodi stampati più economici, indossabili, monouso che possono essere montati su un materiale elastico32,33,34. Anche se in futuro verranno apportati diversi miglioramenti, il protocollo di base riportato in questo manoscritto non cambierà. Questo lavoro consentirebbe ad altri gruppi di ricerca di riprodurre il nostro lavoro EMMI.
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Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. e A.L.S. hanno presentato la domanda provvisoria statunitense n. 62/642.389 intitolata "Sistema e metodo per l'imaging elettromiometriale non invasivo (EMMI)" per la tecnologia EMMI descritta in questo lavoro. Y.W. è consulente scientifico per Medtronic e ha finanziamenti per la ricerca NIH.
Acknowledgments
Ringraziamo Deborah Frank per l'editing di questo manoscritto e Jessica Chubiz per l'organizzazione del progetto. Finanziamento: Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione del March of Dimes Center (22-FY14-486), dalle sovvenzioni del NIH/National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 ai PI Wang/Cahill; R01HD104822 a PI Wang/Schwartz/Cahill), da sovvenzioni del Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 a PI Wang) e da sovvenzioni della Bill and Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 e INV-037302 a 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
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