Summary
우리는 신체 표면에서 다중 근전도 전극 센서 기록, 자기 공명 영상 및 자궁 전기 신호 재구성과 같은 절차를 포함하여 근전도 영상(EMMI)을 수행하기 위한 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
정상적인 임신 기간 동안 자궁 평활근인 근막은 임신 후기에 자궁 경부의 리모델링을 돕기 위해 약하고 조정되지 않은 수축을 하기 시작합니다. 분만 시 자궁근막은 태아를 분만하기 위해 강하고 조정된 수축을 합니다. 진통 시작을 예측하기 위해 자궁 수축 패턴을 모니터링하는 다양한 방법이 개발되었습니다. 그러나 현재 기술은 공간 커버리지와 특이성이 제한적입니다. 우리는 수축 중 자궁 전기 활동을 3차원 자궁 표면에 비침습적으로 매핑하기 위해 근전도 영상(EMMI)을 개발했습니다. EMMI의 첫 번째 단계는 T1 가중 자기 공명 영상을 사용하여 피사체별 체-자궁 형상을 획득하는 것입니다. 다음으로, 신체 표면에 배치된 최대 192개의 핀형 전극을 사용하여 근막에서 전기 기록을 수집합니다. 마지막으로, EMMI 데이터 처리 파이프라인은 체-자궁 기하학적 구조를 신체 표면 전기 데이터와 결합하여 자궁 표면의 자궁 전기 활동을 재구성하고 이미지화하기 위해 수행됩니다. EMMI는 자궁 전체의 초기 활성화 영역과 전파 패턴을 3차원으로 안전하고 비침습적으로 이미지화, 식별 및 측정할 수 있습니다.
Introduction
임상적으로 자궁 수축은 자궁 내 압력 카테터를 사용하거나 토코다이나모메트리(tocodynamometry)를 수행하여 측정한다1. 연구 환경에서 자궁 수축은 근전도(EMG)로 측정할 수 있으며, 복부 표면에 전극을 배치하여 2,3,4,5,6,7번 근막에서 생성된 생체 전기 신호를 측정합니다. EMG에서 파생된 전기 폭발 8,9,10,11,12의 크기, 주파수 및 전파 기능을 사용하여 조산의 진통 시작을 예측할 수 있습니다. 그러나, 종래의 근전도에서, 자궁 수축의 전기적 활동은 제한된 수의 전극(복부 표면의 중심에 2개의13 및 4개의 7,14,15,16, 하복부 표면에 64 17)을 가진 복부 표면의 작은 영역에서만 측정된다. 더욱이, 기존의 근전도는 전체 자궁의 평균적인 전기 활동만을 반영하고 수축 중 자궁 표면의 특정 전기 시작 및 활성화 패턴을 감지할 수 없기 때문에 분만 메커니즘을 연구하는 데 한계가 있습니다.
기존 근전도의 단점을 극복하기 위해 근전도 영상(EMMI)이라는 최근 개발이 도입되었습니다. EMMI는 자궁 수축 동안 전체 자궁근막의 전기적 활성화 시퀀스에 대한 비침습적 이미징을 가능하게 한다 18,19,20,21. 체-자궁 형상을 획득하기 위해 EMMI는 임신 중기 및 후기에 임산부에게 널리 사용되어 온 T1 가중 자기공명영상(MRI)22,23,24을 사용합니다. 다음으로, 신체 표면에 배치된 최대 192개의 핀형 전극을 사용하여 근막에서 전기 기록을 수집합니다. 마지막으로, EMMI 데이터 처리 파이프라인은 자궁 표면(21) 상의 전기적 활동을 재구성하고 이미지화하기 위해 체-자궁 기하학적 구조를 전기적 데이터와 결합하기 위해 수행된다. EMMI는 자궁 수축 중 자궁 수축 시작 및 이미지 전파 패턴을 3차원으로 정확하게 찾을 수 있습니다. 이 기사는 EMMI 절차를 제시하고 임산부로부터 얻은 대표적인 결과를 시연하는 것을 목표로 합니다.
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Protocol
여기에 설명된 모든 방법은 Washington University Institutional Review Board의 승인을 받았습니다.
1. MRI 안전 마커 패치, 전극 패치 및 눈금자(그림 1)
- MRI 및 전극 패치 템플릿(그림 1A)을 종이에 인쇄합니다.
- 투명 비닐 및 실리콘 고무 시트(재료 표)를 22개(비닐) 및 44개(고무) 직사각형(120mm x 60mm) 패치와 4개(비닐) 및 8개(실리콘 고무) 정사각형(60mm x 60mm) 패치로 자릅니다.
- MRI 안전 마커 패치 만들기: 투명 비닐 패치로 템플릿을 오버레이하고 템플릿의 전극 홀더 공동을 나타내는 원 중앙의 비닐 패치에 MRI 안전 마커(비타민 D 액체 소프트젤)를 붙입니다(그림 1B).
- 전극 패치 만들기: 실리콘 고무 패치의 원 위치에 레이블을 지정하고 직경 8mm의 펀치 세트를 사용하여 해당 위치에 구멍을 뚫습니다.
- 양면 접착 칼라를 사용하여 각 구멍 위에 전극 홀더를 부착합니다(재료 표). 전극 홀더 캐비티의 둘레를 실리콘 시트에 펀칭된 구멍의 둘레에 맞춥니다.
- 전극 홀더 상단의 캐비티에 X-링을 설치하고 색상으로 구분된 실리콘 시트로 홀더를 덮고 X-링을 통해 핀형 활성 전극을 홀더에 삽입합니다. 전극은 전극 홀더의 캐비티 중앙에 있습니다. 전극 케이블은 실리콘 시트의 두 층 사이와 긴 가장자리를 따라 두 줄의 홀더 중간에 있어야 합니다. 필요한 경우 전극 홀더 주위에 전극 케이블을 꼬아 길이를 조정합니다. 전극 패치의 조립이 완료되었습니다(그림 1C).
- 의료용 양면 테이프 3스트립을 패치의 긴 가장자리를 따라 전극 줄 사이의 전극 패치에 붙입니다.
- 6개의 측정 테이프를 30cm 표시로 자릅니다. 상단 부분을 0cm에서 30cm로 유지하십시오. 수평 눈금자를 만들려면 테이프 너비에 틈이 있는 긴 비닐 스트립 조각에 두 개의 측정 테이프 0cm 가장자리를 붙입니다. 각 눈금자에 양면 접착 테이프를 붙입니다.
- 패치와 눈금자는 뚜껑이 닫힌 보관 상자에 보관하십시오.
2. MRI 스캔
참고: MRI 스캔은 산모의 예상 분만일 이전인 36-40주의 재태 연령(GA)에 예정되어 있으며, 피험자의 일정과 간호사의 권고에 따라 결정됩니다. 이 단계의 예상 시간은 2시간입니다.
- 피험자가 동의서에 서명한 후, 피험자에게 MRI 기술자가 제공한 MR 안전 바지와 가운으로 갈아입으라고 요청한다. MR 안전 마커 패치(그림 1B)를 검사실의 신체 표면에 놓습니다.
- 뒷면에 패치를 붙입니다.
- 피험자에게 건강 검진 침대에 앉도록 지시한다. 양면 테이프에서 라이너를 떼어내고 눈금자의 끝이 엉덩이 골짜기에 오도록 피사체의 척추를 따라 수직 자를 붙입니다.
- 장골 볏 높이에 수평 눈금자를 배치하고 중심이 수직 눈금자 위에 교차하도록 합니다. 패치의 양면 테이프에서 라이너를 떼어냅니다.
- 뒷면에 두 개의 직사각형 패치를 적용하여 패치의 긴 가장자리가 세로 눈금자 옆에 있고 패치의 모서리가 눈금자의 교차점에 있도록 합니다.
- 패치가 양방향 대칭이 되도록 처음 두 패치의 왼쪽과 오른쪽에 추가 패치를 배치합니다. 평균 크기의 피사체의 경우 양쪽에 4개의 직사각형 패치를 적용합니다(그림 1E).
- 복부에 패치를 붙입니다.
- 검사 침대의 머리를 약 40°로 올리고 피험자가 파울러의 자세로 눕도록 안내합니다. 복부의 정중선을 따라 수직 자를 놓고 안저 부위 근처의 3cm 표시는 수동 촉진으로 결정됩니다.
- 중심이 세로 눈금자의 6cm 표시에 있고 복부의 자연스러운 곡률을 따라 왼쪽과 오른쪽 측면으로 확장되도록 수평 눈금자를 적용합니다.
- 첫 번째 직사각형 패치를 가로 눈금자 위와 세로 눈금자의 왼쪽에 배치하여 긴 가장자리가 가로 눈금자와 평행하고 패치의 한쪽 모서리가 두 눈금자의 교차점에 오도록 합니다.
- 두 번째 직사각형 패치를 첫 번째 패치의 왼쪽에 놓고 긴 가장자리가 가로 눈금자를 따라 놓습니다. 세 번째 및 네 번째 패치를 가로 눈금자 바로 아래에 배치하고 첫 번째 및 두 번째 패치와 세로로 정렬합니다.
- 다섯 번째 직사각형 패치를 세 번째 패치 아래에 놓고 세로 눈금자를 따라 짧은 가장자리를 놓습니다. 왼쪽의 다섯 번째 옆에 여섯 번째 직사각형 패치를 놓습니다. 일곱 번째 패치를 다섯 번째 패치 아래에 놓고 짧은 가장자리가 세로 눈금자를 따라 놓도록 합니다. 복부의 만곡을 위해 패치 3, 5, 7 사이에 2-3cm의 간격을 두십시오.
- 두 개의 정사각형 패치(s1 및 s2)를 각각 여섯 번째 패치와 일곱 번째 패치와 세로로 정렬하여 여섯 번째 패치와 일곱 번째 패치 아래에 배치합니다. 오른쪽 복부 표면에 패치를 배치하여 왼쪽의 패치와 양측 대칭이 되도록 합니다(그림 1F).
- 뒷면에 패치를 붙입니다.
- 패치 레이아웃의 사진과 메모를 찍어 서로에 대한 눈금자의 위치와 피사체의 배꼽을 기록합니다.
- MR 기술자가 MRI 시설의 Zone II에서 MRI 안전 규칙 및 규정에 따라 피험자를 선별하도록 합니다. 그런 다음 피사체를 Zone III을 통해 3 T MR 스캐너가 있는 Zone IV로 안내합니다.
- 환자가 누운 자세로 MRI 침대에 눕도록 안내하고 MR 안전 마이크, 헤드폰 세트 및 신호 스퀴즈 볼을 제공합니다. 피험자의 하복부를 32어레이 MRI 코일로 덮습니다(그림 2A). MR 스캔을 시작합니다.
참고: 3 T Siemens Prisma 또는 Vida 스캐너를 사용하여 전체 복부에 MRI를 수행하기 위해 방사형 부피 보간 숨참기 검사 빠른 T1 가중 시퀀스를 사용했습니다. 결과 MR 이미지의 해상도는 1.56mm x 1.56mm이고 슬라이스 두께는 4mm입니다.
- 환자가 누운 자세로 MRI 침대에 눕도록 안내하고 MR 안전 마이크, 헤드폰 세트 및 신호 스퀴즈 볼을 제공합니다. 피험자의 하복부를 32어레이 MRI 코일로 덮습니다(그림 2A). MR 스캔을 시작합니다.
- 로컬라이저를 사용하여 전체 자궁과 자궁경부를 덮도록 시야를 조정합니다. 그런 다음 부피 보간된 숨참기 검사(반복 시간[TR] = 4.07ms, 에코 시간[TE] = 1.78ms, 플립 각도 = 10°) 및 데이터 세트의 다중 평면 재구성(시야[FOV] = 500mm x 500mm, 매트릭스 = 320 x 320, 복셀 크기 = 1.56 x 1.56 x 4mm3)과 함께 T1 가중 시퀀스로 MRI 스캔을 수행합니다.
- 데이터를 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 형식으로 저장합니다.
- 피험자에서 MRI 패치와 자를 제거하고 아기 물티슈로 복부와 등을 청소합니다.
- 패치에서 양면 테이프를 제거하고 살균 일회용 물티슈로 패치를 소독하고 다음 실험을 위해 새 양면 테이프를 붙입니다.
3. 생체 전기 매핑 및 3D 광학 스캔
비고: 피험자가 분만 및 분만실에 입원하고 자궁경부가 약 4cm로 확장된 후 생체 전기 지도를 작성한다. 이 단계의 예상 시간은 2시간입니다.
- 전극 패치 준비: 전도성 겔을 구부러진 팁 관개 주사기에 채웁니다. 주사기를 사용하여 각 전극 패치의 전극 홀더 구멍에 젤을 추가합니다. 양면 테이프의 라이너를 제거합니다.
- 2.1단계에서 촬영한 사진 및 메모에 설명된 배치 레이아웃에 따라 2.2단계에서 설명한 것과 동일한 절차에 따라 전극 패치를 적용합니다.
- 3D 광학 스캐너의 전원 코드와 데이터 코드를 연결합니다. 3D 스캐닝 소프트웨어(재료 목차)를 엽니다. 휴대용 광학 스캐너(Table of Materials)를 똑바로 잡고 깜박이는 카메라가 피사체를 향하도록 합니다.
- 스캐너의 시작 버튼을 눌러 스캔을 시작하고 시작 버튼을 다시 눌러 스캔을 기록합니다. 스캐너를 피사체 주위로 움직여 3D 광학 스캔을 수행하여 전극 위치를 캡처합니다.
알림: 후면 하단의 광학 스캔은 후면에 전극 패치를 부착한 후 촬영합니다. 복부 표면의 광학 스캔은 복부 표면에 전극 패치를 부착한 후 촬영합니다. - 스캐너의 중지 버튼을 눌러 3D 스캔을 마칩니다.
- 스캐너의 시작 버튼을 눌러 스캔을 시작하고 시작 버튼을 다시 눌러 스캔을 기록합니다. 스캐너를 피사체 주위로 움직여 3D 광학 스캔을 수행하여 전극 위치를 캡처합니다.
- 패치 레이아웃의 사진과 메모를 찍습니다. 서로에 대한 눈금자의 위치와 피사체의 배꼽에 유의하십시오.
- 왼쪽 하복부에 "LL" 전극, 왼쪽 가슴 상부에 "LA" 전극, 오른쪽 가슴 상부에 "RA" 전극, 배꼽 또는 오른쪽 하복부 근처의 복부에 "DRL" 전극이 있는 4개의 접지 전극을 배치합니다.
- 노트북, 아날로그-디지털(AD) 상자, 배터리 상자, 전극 패치, 접지 전극 케이블, 광섬유 및 USB2 수신기를 포함한 생체 전기 매핑 하드웨어의 구성 요소를 연결합니다(그림 1D).
- 노트북에서 Active View 소프트웨어를 열고 광고 상자를 켭니다.
알림: AD 상자의 상태 표시등이 노란색이면 접지 전극이 피부와 잘 접촉하지 않는 것입니다. 이 경우 접지 전극을 제거하고 젤을 더 추가한 다음 해당 위치에 다시 놓습니다. 상태 표시등이 파란색으로 바뀔 때까지 반복합니다. - Active View에서 전극 오프셋 모듈을 확인합니다. 전극에 큰 오프셋(가장 큰 오프셋의 1/4 이상)이 있는 경우 의료용 종이 테이프를 사용하여 전극을 고정하거나 다시 설치(제거하고 젤을 더 추가한 다음 해당 위치에 다시 배치)하여 피부와의 접촉을 개선합니다.
- 딸깍 하는 소리 파일 시작 > 일시 중지 되어 생체 전기 신호 데이터 스트림을 실시간으로 저장합니다. 900초 기록 후 저장 일시 중지 > 중지 를 클릭하여 기록을 완료하고 다중 전극 측정을 BDF(Binary Data File) 파일에 저장합니다.
- 연구 조교가 피험자가 편안하고 계속할 의향이 있는지 확인한 후 3.9단계를 네 번 반복합니다.
- 마지막 녹음(일반적으로 총 4회 녹음) 후 AD 상자를 끄고 전극 패치, 접지 전극, 광섬유 및 USB 케이블을 분리합니다.
- 피사체에서 전극 패치와 접지 전극을 제거합니다.
- 수건이나 아기 물티슈로 피험자의 복부와 허리를 닦습니다.
- 모든 장비를 포장하고 청소를 위해 전극 패치와 접지 전극을 보관하십시오.
- 청정실에서 주방 세제를 사용하여 미지근한 물에 전극 패치와 접지 전극을 청소하십시오. 살균 물티슈로 소독하십시오.
- 패치를 자연 건조시키고 다음 실험을 위해 패치와 자에 양면 장착 테이프를 붙입니다.
4. 체-자궁 기하학의 생성
- 데이터 분석 소프트웨어 응용 프로그램을 사용하여 MRI 데이터의 분할을 수행합니다.
참고: 여기서는 Amira 소프트웨어가 사용되었습니다- 데이터 분석 소프트웨어를 실행하고 MRI DICOM 데이터를 로드합니다. 세그멘테이션 모듈로 이동하고 새로 만들기 를 클릭하여 새 레이블을 만듭니다. Edit(편집) > Adjust the range to > Data histogram(데이터 히스토그램으로 범위 조정 )을 클릭하여 이미지 대비를 변경합니다.
- [Sagittal View]에서 [브러시 도구]를 선택하고, MR 이미지의 자궁 경계에 레이블을 지정하고, 영역을 채우고, 레이블 파일에 추가합니다. 3-5 슬라이스마다 이 단계를 반복합니다.
- 세그먼트화된 영역을 선택하고 선택(Selection) > 보간(Interpolate > + )을 클릭하여 모든 슬라이스의 세그먼트화를 보간합니다. 이것으로 자궁 표면의 분할이 완료됩니다.
- 새로 만들기를 클릭하여 새 레이블 파일을 만듭니다. [마술 지팡이] 도구를 선택하고 마스킹 임계값을 데이터 히스토그램의 초기 로컬 최소값에 배치한 다음 몸체 전체가 파란색으로 강조 표시될 때까지 점진적으로 조정합니다.
- All slices(모든 조각)를 선택하고 파란색 영역을 클릭한 다음 +를 클릭하여 레이블 파일에 세그멘테이션을 추가합니다. 세그멘테이션(Segmentation) > 구멍 채우기(Fill holes) > 모든 슬라이스(All slices) > +를 클릭하여 구멍을 고정합니다.
- 세그멘테이션 모듈로 이동하고 새로 만들기 를 클릭하여 자궁에 대한 새 레이블을 만듭니다. MR 영상에서 자궁을 수동으로 분할합니다. 필요한 경우 보간 을 사용합니다.
- 프로젝트 모듈에서 자궁 및 신체 표면의 레이블 파일에서 표면 데이터를 생성합니다.
- 곡면 파일을 선택하고 단순화 편집기 > 단순화에서 면 수를 50% 줄인 다음 지금 단순화를 클릭합니다. 단순화된 곡면 파일을 선택하고 Smooth Surface (iteration = 20, lambda = 0.6)를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한 > 적용(Apply)을 클릭합니다. 그런 다음 스무딩된 표면 파일을 선택하고 Remesh Surface (% 100) > Apply to re-mesh to each surface를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다.
- 신체 표면이 약 18,000개의 얼굴로 구성되고 자궁 표면이 약 640개의 얼굴로 구성될 때까지 4.1.7단계를 계속 수행합니다.
- 파일(File) > STL ASCII> 다른 이름으로 데이터 내보내기(Export Data As Data As STL ascii )를 클릭하여 두 서피스를 STL(Stereolithography) 형식으로 저장합니다.
- 광학 3D 스캔 데이터의 후처리를 수행합니다.
- 복부 표면의 광학 3D 스캐닝 파일을 Artec studio 12 professional에 로드합니다.
- 대상 광학 스캔을 선택하고 스캔을 복제합니다.
- Autopilot을 클릭하여 선택한 검사 처리를 시작합니다.
- 모델 생성 모듈에서 스캔 품질(형상, 텍스처), 개체 크기, 구멍 채우기 방법(수밀) 등을 선택하고 다음을 클릭합니다.
- 편집기 모듈에서 올가미 선택을 선택하고 중복 영역을 지웁니다.
- 다음을 클릭하여 스캔을 자동으로 구체화합니다.
- 편집기 > 올가미 선택을 클릭하여 불필요한 영역을 제거합니다.
- 파일(File) > 메쉬 내보내기(Export Meshes > STL File Format)를 클릭하여 서피스를 STL 형식으로 저장합니다.
- 광학 3D 스캔 데이터를 MRI 신체 표면에 정렬하고 데이터 분석 소프트웨어의 도구 명령 언어(TCL) 스크립트를 사용하여 체-자궁 형상을 생성합니다.
- 4.1단계와 4.2단계에서 생성된 STL 형식 표면을 사전 프로그래밍된 데이터 분석 소프트웨어 프로젝트로 로드합니다.
- 프롬프트 TCL 명령줄을 실행하여 복부 표면에 대한 강체 정렬을 위한 데이터 분석 소프트웨어 객체를 준비합니다.
- 두 개의 뷰어(가로)를 클릭하고 왼쪽 뷰어에 광학 스캔 몸통 표면을 표시하고 오른쪽 뷰어에 MRI 본체 표면을 표시합니다.
- 양쪽 표면에 5개 또는 6개의 랜드마크를 배치하고 프롬프트 TCL 명령행을 실행하여 강체 정렬을 적용합니다.
- 뒷면에 대해 4.3.2-4.3.4단계를 반복합니다.
- Single Viewer(단일 뷰어)를 클릭하고 뷰어에 고정적으로 정렬된 광학 스캔 본체 표면을 표시합니다.
- 프롬프트 TCL 명령줄을 실행하여 비강체 정렬을 위한 데이터 분석 소프트웨어 객체를 준비합니다.
- 프로젝트(Project) > 오브젝트 > 랜드마크 생성(Create Object Landmarks)을 클릭하고 광학 스캔 본체 표면의 전극 위치에 랜드마크를 추가합니다.
- 파일(File) > 다른 이름으로 데이터 내보내기(Export Data As)를 > 랜드마크(Landmark)Set Ascii를 클릭하여 비강체 정렬을 위해 랜드마크 파일을 내보냅니다.
- EMMI 데이터 처리 파이프라인에서 지오메트리 모듈을 실행하여 비강성 정렬을 수행합니다.
- TCL 명령줄 프롬프트를 실행하여 자동으로 정렬된 전극 랜드마크를 가져오고 2.3단계 및 3.3단계에 설명된 메모 및 사진을 참조하여 전극 랜드마크의 정밀도를 향상시킵니다.
- 파일(File) > 데이터를 다른 이름으로 내보내기(Export Data As) > LandmarkSet Ascii 를 클릭하여 전극 위치에 대한 랜드마크 파일을 내보냅니다.
- EMMI 데이터 처리 파이프라인 기하 도형 모듈을 실행하여 STL 파일 및 LandmarkSet 파일을 로드하고 MAT 형식으로 체-자궁 기하 도형을 생성합니다.
5. 전기 신호 전처리
- EMMI 데이터 처리 파이프라인-EMG 전처리 모듈을 실행하여 BDF 파일을 로드하고 주파수 대역이 0.34-1Hz인 버터워스 필터로 원시 전기 신호를 처리합니다.
- EMMI 데이터 처리 파이프라인 - 아티팩트 감지 모듈을 실행하여 필터링된 신호에서 로컬 및 전역 아티팩트를 자동으로 감지합니다.
6. 자궁 전기 신호 재구성 및 특성화
- EMMI 데이터 처리 파이프라인 재구성 모듈을 실행하여 체-자궁 기하학적 구조와 전처리된 전기 신호 데이터를 불러오고 자궁 표면의 전기 신호를 계산합니다.
- EMMI 데이터 처리 파이프라인-EMG 신호 분석 모듈을 실행하여 자궁 표면에서 각 EMG 버스트의 시작과 오프셋을 자동으로 감지합니다.
- 군집 Figure 오버레이에서 관측 창을 선택하여 모든 관측 윈도우에 대해 각 자궁 위치에서의 활성화 시간을 계산하고 각 관측 윈도우에 대한 등시성을 생성합니다.
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Representative Results
대표적인 MRI 안전 패치 및 전극 패치는 그림 1A에 표시된 템플릿에서 생성된 그림 1B,C에 나와 있습니다. 생체 전기 매핑 하드웨어는 그림 1C에 나와 있으며 각 구성 요소의 연결이 자세히 표시되어 있습니다. 그림 2는 MRI 패치를 착용한 피험자의 MRI 스캔(그림 2A), 3D 광학 스캔(그림 2B), 생체 전기 매핑(그림 2C), 체-자궁 형상 생성(그림 2D) 및 EMMI 데이터 개략도(그림 2E)를 포함한 전체 EMMI 절차를 보여줍니다.
그림 3A 는 샘플링 속도가 2,048Hz인 대표적인 원시 신체 표면 일렉트로그램을 보여줍니다. 원시 신호는 기준선 드리프트, 산모의 심전도 신호, 산모의 호흡 및 기타 요인에 의해 크게 영향을 받습니다. 전기 신호 전처리(프로토콜의 섹션 5)에서 차단 주파수가 0.34-1Hz인 버터워스 대역통과 필터와 20배의 다운샘플을 적용하여 그림 3B에 표시된 필터링된 신호를 생성했습니다. 세 개의 명확한 EMG 버스트는 그림 3B에서 녹색 선으로 표시되어 있습니다.
그림 4A-F는 전방, 좌측, 후방 및 우측 보기에서 0.2초 떨어진 6개의 연속적인 자궁 표면 전위 지도를 보여줍니다. 따뜻한 색은 양의 전위를 나타내고 차가운 색은 음의 전위를 나타냅니다. 각 자궁 전위의 각 시간은 그림 4G의 전기도에 표시되어 있으며, 이는 그림 4A-F에서 별표로 표시된 부위에서 나온 것입니다. 높은 양의 전위 영역은 별표로 표시된 부위에서 시작하여 확대되고(그림 4B-E), 마지막으로 감소합니다(그림 4F). 이러한 EMMI로 생성된 전위 지도를 통해 조사관은 자궁 수축의 동적 진행을 3차원으로 시각화할 수 있습니다.
그림 5A 는 4개의 뷰에서 EMMI로 생성된 등시성 맵을 보여줍니다. 이미지에서 따뜻한 색은 초기 활성화를 나타내고, 차가운 색은 늦은 활성화를 나타내며, 진한 파란색은 특정 관찰 창에서 활성화되지 않음을 나타냅니다. 이 등시성 지도는 자궁 활성화가 오른쪽 안저에서 시작되어 앞쪽과 오른쪽으로 전파되는 자궁 수축 시퀀스를 보여줍니다. 왼쪽 후방에서는 활성화가 발생하지 않았습니다. 부위 a, b, c의 세 가지 대표적인 자궁 전자화가 그림 5B에 나와 있습니다. 빨간색과 파란색 선은 그림 5A에서 등시성 맵의 시작 및 종료 시간을 각각 표시합니다. 사이트 a의 EMG 파열은 사이트 b와 c의 파열보다 먼저 발생했습니다. 이러한 EMMI 생성 등시성 맵을 통해 조사관은 자궁 수축 시퀀스를 시각화할 수 있습니다.
그림 1: 전극 패치의 디자인. (A) MRI 안전 마커 패치 및 전극 패치를 만들기 위한 템플릿으로, 측정값은 밀리미터 단위로 표시됩니다. (B) MRI 안전 마커 패치. (C) 전극 홀더, 핀형 전극 및 전극 패치. (D) 각 구성 요소에 라벨이 붙은 생체 전기 매핑 하드웨어. (E) 복부 표면의 패치 레이아웃. (F) 뒷면의 패치 레이아웃. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: EMMI 시스템의 흐름도 . (A) 하체의 MRI 스캔. (B) 전극이 제자리에 있는 신체 표면의 3D 광학 스캔. (C) 생체 전기 매핑. (D) 체-자궁 기하학 및 전기 신호 전처리. (E) 자궁 전기 신호 재구성 및 특성화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 대표적인 신체 표면 일렉트로그램 . (A) 본체 표면의 핀형 전극에서 기록된 375초 원시 신호. (B) 버터워스 대역통과 및 다운샘플링 후 A 의 신호. 녹색 선은 EMG 파열 시간을 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 대표적인 자궁 표면 전위 지도. (A-F) G의 일렉트로그램에 빨간색 점으로 표시된 4개의 보기에서 표시된 전위 지도. 따뜻한 색은 양의 전위를 나타내고 차가운 색은 음의 전위를 나타냅니다. (G) A-F에 별표로 표시된 부위의 일렉트로그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 대표적인 자궁 등시성 맵과 일렉트로그램 . (A) 4개의 보기로 표시된 등시성 맵으로, 따뜻한 색은 초기 활성화, 차가운 색은 늦은 활성화, 진한 파란색은 비활성화를 나타냅니다. (B) 부위 a, b, c의 자궁 전자사진. 빨간색과 파란색 수직선은 각각 이 등시성 지도에 대한 관측 창의 시작과 끝을 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
근전도 검사는 자궁 전기 신호의 주파수와 진폭이 재태 기간 동안 변한다는 것을 보여주었다 2,16,25. 여러 연구에서 분만 환자의 자궁 수축에 대한 자궁 전파 패턴을 조사했다 10,17,26,27,28. 그럼에도 불구하고 제한된 수와 적용 범위, 체면 전극의 비표준 구성으로 인해 결정적인 전파 방향은 보고되지 않았습니다. 우세한 전파 방향의 부재는 또한 근막에 고정되지 않은 심장 박동기 때문일 수 있지만(16,29), 설득력 있는 직접적인 증거는 보고되지 않았다. EMMI는 신체 표면의 전극 전체를 커버하고 역 계산을 적용하여 자궁 표면의 전기적 활동을 재구성합니다. EMMI를 사용하면 전체 자궁 표면에서 자궁 수축의 전기적 전파를 특성화하여 수축이 시작되는 위치와 전파 방법을 표시할 수 있습니다. 또한 EMMI는 높은 시간 분해능을 통해 등시성 맵을 사용하여 진통이 진행됨에 따라 자궁 수축의 진화를 분석할 수 있습니다. 자궁 수축에 대한 철저한 분석은 인간 근막의 전기적 성숙에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 인간 노동의 임상 관리를 개선할 수 있는 가능성을 제시할 것입니다.
조산은 자궁경부 질환, 감염, 프로게스테론 작용 감소, 태반 병리, 비정상적인 자궁 수축 등과 같은 여러 병리학적 과정에 의해 발생할 수 있는 상태입니다.30,31. EMMI는 자궁 수축에 대한 높은 시간적 및 공간적 해상도의 전기 이미지를 제공함으로써 비정상적인 자궁 수축으로 인한 조산/출산의 예측 정확도를 향상시킬 수 있는 큰 가능성을 가지고 있습니다.
임산부에게 EMMI를 시행하는 데에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫째, 전극 패치는 MRI 안전 패치와 동일한 위치에 배치해야 합니다. 배치 지침(프로토콜 참조)을 따르는 것은 전극 위치 오류를 줄이는 데 중요합니다. 둘째, 적절한 양의 겔을 사용하고 전극과 피부 사이에 적절한 접촉을 설정하여 최적의 전기 신호 활동을 보장하는 것이 중요합니다. 셋째, 고품질 신체 표면 형상을 획득하기 위해 여러 광학 스캔이 필요할 수 있습니다.
현재 버전의 EMMI에는 두 가지 제한 사항이 있습니다. 한 가지 한계는 MRI가 비싸고 휴대가 불가능하다는 것입니다. 진통이 시작된 후 MRI를 찍는 것은 어렵기 때문에 진통이 시작되기 며칠 전에 MRI를 실시합니다. 만삭 환자보다 분만 예정일이 불확실한 조산의 경우, 24주, 28주, 32주, 37주(만삭이 되는 경우)에 여러 차례 MRI 스캔을 예약하여 가능한 한 진통에 가까운 체-자궁 형상을 기록했습니다. 그러나 임상적 타당성을 위해 EMMI의 잠재적 개선 사항은 임상 초음파를 활용하여 병상에서 환자별 체-자궁 형상을 얻는 것입니다. 이를 통해 EMMI의 전체 비용을 절감하고 전기 기록 직전 또는 도중에 실시간 형상 측정이 가능합니다. 또 다른 한계는 전극의 수가 많아 연구 비용이 증가하고 일상적인 임상 사용이 어려울 수 있다는 것입니다. 따라서 한편으로는 더 적은 전극으로 EMMI의 정확도에 대한 검증 테스트를 수행할 계획입니다. 다른 한편으로는, 탄성 재료(32,33,34)에 장착할 수 있는 더 저렴하고, 착용할 수 있고, 일회용이며, 인쇄된 전극을 통합할 계획이다. 앞으로 몇 가지 개선 사항이 있을 예정이지만 이 원고에 보고된 핵심 프로토콜은 변경되지 않습니다. 이 작업을 통해 다른 연구 그룹이 EMMI 작업을 재현할 수 있습니다.
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Disclosures
Y.W., A.G.C., P.C. 및 A.L.S.는 본 연구에서 기술된 EMMI 기술에 대해 "System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)"이라는 제목의 미국 임시 출원 No. 62/642,389를 제출했습니다. Y.W.는 메드트로닉의 과학 컨설턴트로 활동하고 있으며 NIH 연구 자금을 지원하고 있습니다.
Acknowledgments
이 원고를 편집해 준 Deborah Frank와 프로젝트를 준비해 준 Jessica Chubiz에게 감사드립니다. 자금 지원: 이 작업은 March of Dimes Center Grant(22-FY14-486), NIH/National Institute of Child Health and Human Development(PIs Wang/Cahill에 대한 R01HD094381; R01HD104822 PI Wang/Schwartz/Cahill), Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative(PI Wang에 NGP10119), Bill and Melinda Gates Foundation의 보조금(INV-005417, INV-035476 및 INV-037302)이 PI Wang에게 기부했습니다.
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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