القياس الكمي لتدفق دم الجنين البشري مع التصوير بالرنين المغناطيسي وتعويض الحركة
Summary
نقدم هنا بروتوكولا لقياس تدفق دم الجنين بسرعة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وإجراء تصحيح الحركة بأثر رجعي وبوابات القلب.
Abstract
يعد التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أداة مهمة للتقييم السريري لمورفولوجيا القلب والأوعية الدموية ووظيفة القلب. وهو أيضا معيار الرعاية المعترف به لقياس كمية تدفق الدم بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي على النقيض من الطور. في حين أن مثل هذا القياس لتدفق الدم كان ممكنا لدى البالغين منذ عقود ، إلا أن طرق توسيع هذه القدرة لتشمل تدفق دم الجنين لم يتم تطويرها إلا مؤخرا.
يعد القياس الكمي لتدفق دم الجنين في الأوعية الرئيسية أمرا مهما لمراقبة أمراض الجنين مثل أمراض القلب الخلقية (CHD) وتقييد نمو الجنين (FGR). يسبب CHD تغيرات في بنية القلب والأوعية الدموية التي تغير مسار الدم في الجنين. في FGR ، يتم تغيير مسار تدفق الدم من خلال تمدد التحويلات بحيث يتم زيادة تدفق الدم المؤكسج إلى الدماغ. يتيح القياس الكمي لتدفق الدم تقييم شدة أمراض الجنين ، والتي بدورها تسمح بمناسبة في إدارة مرضى الرحم والتخطيط لرعاية ما بعد الولادة.
تشمل التحديات الأساسية لتطبيق التصوير بالرنين المغناطيسي على تباين الطور على الجنين البشري صغر حجم الأوعية الدموية ، وارتفاع معدل ضربات قلب الجنين ، وتلف بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المحتمل بسبب تنفس الأم ، وحركات الجنين غير المتوقعة ، ونقص طرق بوابات القلب التقليدية لمزامنة الحصول على البيانات. هنا ، نصف التطورات التقنية الأخيرة من مختبرنا والتي مكنت من قياس تدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي على تباين الطور ، بما في ذلك التقدم في التصوير المتسارع ، وتعويض الحركة ، وبوابات القلب.
Introduction
التقييم الشامل لدوران الجنين ضروري لمراقبة أمراض الجنين مثل تقييد نمو الجنين (FGR) وأمراض القلب الخلقية (CHD)1،2،3. في الرحم ، تعتمد إدارة المريض والتخطيط لرعاية ما بعد الولادة على شدة أمراض الجنين4،5،6،7. تم مؤخرا إثبات جدوى القياس الكمي لتدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وتطبيقاته في تقييم أمراض الجنين3،8،9. ومع ذلك ، تواجه طريقة التصوير تحديات ، مثل زيادة أوقات التصوير لتحقيق دقة زمانية مكانية عالية ، ونقص طرق مزامنة القلب ، وحركة الجنين غير المتوقعة10.
يتكون الأوعية الدموية الجنينية من هياكل صغيرة (~ قطر 5 مم للأوعية الدموية الرئيسية التي تتكون من الشريان الأورطي النازل ، والقناة الشريانية ، والشريان الأورطي الصاعد ، والشريان الرئوي الرئيسي ، والوريد الأجوفالعلوي 11،12،13). لحل هذه الهياكل وقياس التدفق ، يلزم التصوير بدقة مكانية عالية. علاوة على ذلك ، فإن معدل ضربات قلب الجنين يبلغ حوالي ضعف معدل ضربات قلب الشخص البالغ. وبالتالي ، يلزم أيضا دقة زمنية عالية لحل حركة القلب الديناميكية وتدفق الدم عبر الدورة القلبية للجنين. يتطلب التصوير التقليدي بهذه الدقة الزمانية المكانية العالية أوقات اكتساب طويلة نسبيا. لمعالجة هذه المشكلة ، تم إدخال التصوير بالرنين المغناطيسي للجنينالمعجل 14،15،16. باختصار ، تتضمن تقنيات التسريع هذه أخذ عينات ناقصة في مجال التردد أثناء الحصول على البيانات وإعادة البناء عالية الدقة بأثر رجعي باستخدام التقنيات التكرارية. أحد هذه الأساليب هو إعادة بناء الاستشعار المضغوط (CS) ، والذي يسمح بإعادة بناء الصور من البيانات التي تم أخذ عينات ناقصة بشكل كبير عندما تكون الصورة المعاد بناؤها متناثرة في مجال معروف وتكون القطع الأثرية التي يتم أخذ عينات ناقصة غير متماسكة17.
تمثل الحركة في تصوير الجنين تحديا كبيرا. يمكن أن ينشأ تلف الحركة من حركة تنفس الأم أو حركة الأم السائبة أو حركة الجنين الإجمالية. يؤدي تنفس الأم إلى ترجمات دورية للجنين ، في حين أن حركات الجنين أكثر تعقيدا. يمكن تصنيف حركات الجنين على أنها موضعية أو إجمالية10,18. الحركات الموضعية تنطوي على حركة أجزاء فقط من الجسم. تستمر عادة لحوالي 10-14 ثانية ويزداد تواترها مع الحمل (~ 90 في الساعة عند الفصل الدراسي)10. تتسبب هذه الحركات بشكل عام في حدوث فساد صغير ولا تؤثر على منطقة التصوير محل الاهتمام. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي حركات الجنين الإجمالية إلى تلف شديد في الصورة من خلال مكونات الحركة المستوية. هذه الحركات هي حركات الجسم كله بوساطة العمود الفقري وتستمر لمدة 60-90 ثانية.
لتجنب القطع الأثرية من حركة الجنين ، يتم اتخاذ الخطوات أولا لتقليل حركات الأم. يتم جعل النساء الحوامل أكثر استرخاء باستخدام الوسائد الداعمة على سرير الماسح الضوئي وارتداء العباءات المريحة وقد يكون شركاؤهن حاضرين بجانب الماسح الضوئي لتقليل رهاب الأماكن المغلقة19,20. للتخفيف من آثار حركة الجهاز التنفسي للأم ، أجرت الدراسات فحوصات الرنين المغناطيسي للجنين تحت حبس أنفاس الأم21،22،23. ومع ذلك ، يجب أن تكون عمليات الاستحواذ هذه قصيرة (~ 15 ثانية) نظرا لانخفاض تحمل حبس النفس لدى الحوامل. في الآونة الأخيرة ، تم إدخال طرق تصحيح الحركة بأثر رجعي للتصوير بالرنين المغناطيسي للجنين14،15،16. تتعقب هذه الطرق حركة الجنين باستخدام مجموعات أدوات التسجيل وتصحح الحركة أو تتجاهل الأجزاء غير القابلة للتصحيح من البيانات المكتسبة.
أخيرا ، يتم الحصول على صور التصوير بالرنين المغناطيسي للقلب بعد الولادة بشكل تقليدي باستخدام بوابات مخطط كهربية القلب (ECG) لمزامنة الحصول على البيانات مع الدورة القلبية. بدون بوابات ، يتم الجمع بين حركة القلب والتدفق النابض من جميع أنحاء الدورة القلبية ، مما ينتج عنه قطع أثرية. لسوء الحظ ، تعاني إشارة تخطيط القلب الجنينية من تداخل من إشارة ECGللأم 24 وتشوهات من المجال المغناطيسي25. ومن ثم ، تم اقتراح طرق بديلة غير جراحية لبوابات قلب الجنين ، بما في ذلك البوابة الذاتية ، والبوابات المحسنة المترية (MOG) وبوابة الموجات فوق الصوتيةدوبلر 21،26،27،28.
كما هو موضح في الأقسام التالية ، فإن نهج التصوير بالرنين المغناطيسي الخاص بنا لتحديد تدفق دم الجنين يستفيد من طريقة بوابات جديدة ، MOG ، تم تطويرها في مختبرنا ودمجها مع تصحيح الحركة وإعادة البناء التكراري لعمليات الاستحواذ المتسارعة بالرنين المغناطيسي. يعتمد هذا النهج على خط أنابيب في دراسة منشورة سابقا14 ويتكون من المراحل الخمس التالية: (1) اكتساب تدفق دم الجنين ، (2) إعادة البناء في الوقت الفعلي ، (3) تصحيح الحركة ، (4) بوابات القلب ، و (5) إعادة البناء المسورة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتيح هذه الطريقة القياس غير الجراحي لتدفق الدم في الأوعية الكبيرة للجنين البشري وتسمح بتصحيح الحركة بأثر رجعي وبوابات القلب من خلال الاستفادة من تقنيات إعادة البناء التكرارية. تم إجراء القياس الكمي لتدفق دم الجنين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي فيالماض?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
اي.
Materials
| 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 |
Referencias
- Zhu, M. Y., et al. The hemodynamics of late-onset intrauterine growth restriction by MRI. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 214 (3), 1-17 (2016).
- Zhu, M. Y., Jaeggi, E., Roy, C. W., Macgowan, C. K., Seed, M. Reduced combined ventricular output and increased oxygen extraction fraction in a fetus with complete heart block demonstrated by MRI. HeartRhythm Case Reports. 2 (2), 164-168 (2016).
- Sun, L., et al. Reduced Fetal Cerebral Oxygen Consumption is Associated With Smaller Brain Size in Fetuses With Congenital Heart Disease. Circulation. 131 (15), 1313-1323 (2015).
- Freud, L. R., et al. Fetal aortic valvuloplasty for evolving hypoplastic left heart syndrome: postnatal outcomes of the first 100 patients. Circulation. 130 (8), 638-645 (2014).
- Peleg, D., Kennedy, C. M., Hunter, S. K. Intrauterine growth restriction: identification and management. American Family Physician. 58 (2), 453-467 (1998).
- Krishna, U., Bhalerao, S. Placental Insufficiency and Fetal Growth Restriction. Journal of Obstetrics and Gynaecology of India. 61 (5), 505-511 (2011).
- Seravalli, V., Miller, J. L., Block-Abraham, D., Baschat, A. A. Ductus venosus Doppler in the assessment of fetal cardiovascular health: an updated practical approach. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 95 (6), 635-644 (2016).
- Seed, M., et al. Feasibility of quantification of the distribution of blood flow in the normal human fetal circulation using CMR: a cross-sectional study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 14 (1), 79 (2012).
- Prsa, M., et al. Reference ranges of blood flow in the major vessels of the normal human fetal circulation at term by phase-contrast magnetic resonance imaging. Circulation. Cardiovascular Imaging. 7 (4), 663-670 (2014).
- Piontelli, A. . Development of Normal Fetal Movements: The Last 15 Weeks of Gestation. , (2015).
- Cartier, M., et al. The normal diameter of the fetal aorta and pulmonary artery: echocardiographic evaluation in utero. American Journal of Roentgenology. 149 (5), 1003-1007 (1987).
- Ruano, R., de Fátima Yukie Maeda, M., Niigaki, J. I., Zugaib, M. Pulmonary artery diameters in healthy fetuses from 19 to 40 weeks’ gestation. Journal of Ultrasound in Medicine. 26 (3), 309-316 (2007).
- Nowak, D., Kozłowska, H., Żurada, A., Gielecki, J. Diameter of the ductus arteriosus as a predictor of patent ductus arteriosus (PDA). Central European Journal of Medicine. 6 (4), 418-424 (2011).
- Goolaub, D. S., et al. Multidimensional fetal flow imaging with cardiovascular magnetic resonance: a feasibility study. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 20 (1), 77 (2018).
- Roy, C. W., Seed, M., Kingdom, J. C., Macgowan, C. K. Motion compensated cine CMR of the fetal heart using radial undersampling and compressed sensing. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 19 (1), 29 (2017).
- van Amerom, J. F. P., et al. Fetal cardiac cine imaging using highly accelerated dynamic MRI with retrospective motion correction and outlier rejection. Magnetic Resonance in Medicine. 79 (1), 327-338 (2018).
- Lustig, M., Donoho, D., Pauly, J. M. Sparse MRI: The application of compressed sensing for rapid MR imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1182-1195 (2007).
- Edwards, D. D., Edwards, J. S. Fetal movement: development and time course. Science. 169 (3940), 95-97 (1970).
- Malamateniou, C., et al. Motion-Compensation Techniques in Neonatal and Fetal MR Imaging. American Journal of Neuroradiology. 34 (6), 1124-1136 (2013).
- Rutherford, M., et al. MR imaging methods for assessing fetal brain development. Developmental Neurobiology. 68 (6), 700-711 (2008).
- Haris, K., et al. Self-gated fetal cardiac MRI with tiny golden angle iGRASP: A feasibility study: Self-Gated Fetal Cardiac MRI with iGRASP. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 46 (1), 207-217 (2017).
- Glenn, O. A. MR imaging of the fetal brain. Pediatric Radiology. 40 (1), 68-81 (2010).
- Rodríguez-Soto, A. E., et al. MRI Quantification of Human Fetal O2 Delivery Rate in the Second and Third Trimesters of Pregnancy. Magnetic Resonance in Medicine. 80 (3), 1148-1157 (2018).
- Sameni, R., Clifford, G. D. A Review of Fetal ECG Signal Processing; Issues and Promising Directions. The Open Pacing, Electrophysiology & Therapy Journal. 3, 4-20 (2010).
- Millis, R. Advances in Electrocardiograms: Methods and Analysis. BoD – Books on Demand. , (2012).
- Jansz, M. S., et al. Metric optimized gating for fetal cardiac MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1304-1314 (2010).
- Yamamura, J., et al. Cardiac MRI of the fetal heart using a novel triggering method: initial results in an animal model. Journal of Magnetic Resonance Imaging: JMRI. 35 (5), 1071-1076 (2012).
- Larson, A. C., et al. Self-gated cardiac cine MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (1), 93-102 (2004).
- Knoll, F., Schwarzl, A., Diwoky, C., Sodickson, D. K. gpuNUFFT-An open source GPU library for 3D regridding with direct Matlab interface. Proceedings of the 22nd Annual Meeting of ISMRM. , (2014).
- Klein, S., Staring, M., Murphy, K., Viergever, M. A., Pluim, J. P. W. elastix: a toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (1), 196-205 (2010).
- Walker, P. G., et al. Semiautomated method for noise reduction and background phase error correction in MR phase velocity data. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 3 (3), 521-530 (1993).
- Heiberg, E., et al. Design and validation of Segment – freely available software for cardiovascular image analysis. BMC Medical Imaging. 10 (1), 1 (2010).
- Inder, T. E., Volpe, J. J. Chapter 17 – Intrauterine, Intrapartum Assessments in the Term Infant. Volpe’s Neurology of the Newborn (Sixth Edition). , 458-483 (2018).
- Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance Quarterly. 7 (4), 229-254 (1991).
- Steeden, J. A., Atkinson, D., Hansen, M. S., Taylor, A. M., Muthurangu, V. Rapid flow assessment of congenital heart disease with high-spatiotemporal-resolution gated spiral phase-contrast MR imaging. Radiology. 260 (1), 79-87 (2011).
- Kowalik, G. T., Knight, D., Steeden, J. A., Muthurangu, V. Perturbed spiral real-time phase-contrast MR with compressive sensing reconstruction for assessment of flow in children. Magnetic Resonance in Medicine. 83 (6), 2077-2091 (2020).
