磁気共鳴画像法と運動補償によるヒト胎児血流定量化
Summary
ここでは、MRIで胎児の血流を迅速に測定し、動き補正と心同期を後方視的に行うためのプロトコルを紹介します。
Abstract
磁気共鳴画像法(MRI)は、心血管形態と心機能の臨床評価のための重要なツールです。また、位相差MRIに基づく血流定量化の標準治療として認められています。このような血流の測定は何十年にもわたって成人で可能でしたが、この能力を胎児の血流に拡張する方法は最近開発されたばかりです。
主要血管における胎児血流の定量化は、先天性心疾患(CHD)や胎児発育制限(FGR)などの胎児の病状を監視するために重要です。CHDは、胎児の血液の流れを変える心臓構造と血管系の変化を引き起こします。FGRでは、血流の経路はシャントの拡張によって変化し、脳への酸素化された血液供給が増加します。血流の定量化により、胎児の病状の重症度を評価することができ、子宮内患者の管理や産後ケアの計画に適しています。
位相差MRIをヒト胎児に適用する際の主な課題には、血管サイズが小さく、胎児の心拍数が高い、母体呼吸によるMRIデータの破損の可能性、予測不可能な胎児の動き、データ収集を同期させるための従来の心臓同期法の欠如などがあります。ここでは、位相差MRIを用いた胎児血流の定量化を可能にした当研究室の最近の技術開発について、加速イメージング、運動補償、心同期の進歩などについて述べる。
Introduction
胎児発育制限(FGR)や先天性心疾患(CHD)などの胎児の病状を監視するには、胎児循環の包括的な評価が必要です1,2,3。子宮内では、出生後ケアの患者管理と計画は、胎児の病状の重症度に依存します4,5,6,7。MRIによる胎児血流定量の実現可能性と胎児の病状の評価におけるその応用が最近実証されました3,8,9。しかし、イメージング法は、高い時空間分解能を達成するためのイメージング時間の増加、心臓同期法の欠如、予測不可能な胎児の動きなどの課題に直面しています10。
胎児血管系は小さな構造(下行大動脈、動脈管、上行大動脈、主肺動脈、上大静脈を構成する主要血管の直径~5mm)で構成されています11,12,13)。これらの構造を分解し、流れを定量化するためには、高い空間分解能でのイメージングが必要です。さらに、胎児の心拍数は成人の約2倍です。したがって、胎児の心周期全体の動的な心臓運動と血流を解決するには、高い時間分解能も必要です。この高い時空間分解能での従来のイメージングには、比較的長い取得時間が必要です。この問題に対処するために、加速胎児MRI14,15,16が導入されました。簡単に言うと、これらの加速技術には、データ収集中の周波数領域でのアンダーサンプリングと、反復技術を使用した遡及的な高忠実度再構成が含まれます。そのようなアプローチの1つは、圧縮センシング(CS)再構成であり、再構成された画像が既知のドメインでまばらであり、アンダーサンプリングアーティファクトがインコヒーレントである場合に、高度にアンダーサンプリングされたデータから画像を再構成することを可能にする17。
胎児イメージングにおける動きは大きな課題を提示します。運動の腐敗は、母親の呼吸運動、母親のバルク運動、または胎児の肉眼的運動から発生する可能性があります。母親の呼吸は胎児の周期的な翻訳につながりますが、胎児の動きはより複雑です。胎児の動きは、局所的または肉眼的10,18として分類できます。局所的な動きには、体のセグメントのみの動きが含まれます。それらは通常約10〜14秒間続き、その頻度は妊娠とともに増加します(正期産期では1時間あたり~90)10。これらの動きは一般に小さな破損を引き起こし、関心のあるイメージング領域には影響しません。ただし、胎児の全体的な動きは、平面運動コンポーネントを介した深刻な画像の破損につながる可能性があります。これらの動きは、脊椎によって媒介される全身の動きであり、60〜90秒間続きます。
胎児の動きによるアーティファクトを避けるために、最初に母親の動きを最小限に抑えるための措置が取られます。妊娠中の女性は、スキャナーベッドの支持枕を使用してよりリラックスし、快適なガウンを着て、閉所恐怖症を軽減するためにスキャナーの横にパートナーがいる場合があります19,20。母親の呼吸運動の影響を軽減するために、研究では母親の息止め下で胎児MR検査を実施しました21,22,23。ただし、そのような取得は、妊娠中の被験者の息止め耐性の低下を考えると、短く(~15秒)でなければなりません。.最近、胎児MRI14,15,16に対して遡及的動き補正法が導入されている。これらの方法は、登録ツールキットを使用して胎児の動きを追跡し、動きを補正するか、取得したデータの修正不可能な部分を破棄します。
最後に、出生後の心臓MR画像は、従来、心電図(ECG)ゲーティングを使用して取得され、データ収集を心周期に同期させます。ゲーティングなしでは、心周期全体からの心臓の動きと拍動の流れが組み合わされ、アーティファクトが生成されます。残念なことに、胎児心電図信号は、母体心電図信号24からの干渉および磁場25からの歪みに苦しんでいる。したがって、セルフゲーティング、メトリック最適化ゲーティング(MOG)およびドップラー超音波ゲーティング21,26,27,28を含む、胎児心臓ゲーティングに対する代替の非侵襲的アプローチが提案されている。
次のセクションで説明するように、胎児の血流を定量化する私たちのMRIアプローチは、私たちの研究室で開発され、加速されたMRI取得の動き補正と反復再構成を組み合わせた新しいゲーティング法MOGを活用しています。このアプローチは、以前に発表された研究14のパイプラインに基づいており、次の5つの段階で構成されています:(1)胎児血流取得、(2)リアルタイム再構成、(3)運動補正、(4)心臓ゲーティング、および(5)ゲート再構成。
Protocol
Representative Results
Discussion
この方法は、ヒト胎児大血管の血流の非侵襲的測定を可能にし、反復再構成技術を利用することにより、遡及的運動補正および心ゲーティングを可能にする。胎児の血流の定量化は、過去にMRIで行われています1,3,8,9。これらの研究では、スキャナーでの最初の再構成から…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
何一つ。
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).
