Cuantificación del flujo sanguíneo fetal humano con imágenes por resonancia magnética y compensación de movimiento

Summary

Aquí presentamos un protocolo para medir el flujo sanguíneo fetal rápidamente con resonancia magnética y realizar retrospectivamente la corrección del movimiento y la activación cardíaca.

Abstract

La resonancia magnética (RM) es una herramienta importante para la evaluación clínica de la morfología cardiovascular y la función cardíaca. También es el estándar de atención reconocido para la cuantificación del flujo sanguíneo basado en la resonancia magnética de contraste de fase. Si bien tal medición del flujo sanguíneo ha sido posible en adultos durante décadas, los métodos para extender esta capacidad al flujo sanguíneo fetal solo se han desarrollado recientemente.

La cuantificación del flujo sanguíneo fetal en los vasos principales es importante para controlar patologías fetales como la cardiopatía congénita (CHD) y la restricción del crecimiento fetal (FGR). La cardiopatía coronaria provoca alteraciones en la estructura cardíaca y la vasculatura que cambian el curso de la sangre en el feto. En FGR, la ruta del flujo sanguíneo se altera a través de la dilatación de las derivaciones de tal manera que aumenta el suministro de sangre oxigenada al cerebro. La cuantificación del flujo sanguíneo permite evaluar la gravedad de la patología fetal, lo que a su vez permite un manejo adecuado del paciente en el útero y la planificación de la atención postnatal.

Los principales desafíos de aplicar la resonancia magnética de contraste de fase al feto humano incluyen el tamaño pequeño de los vasos sanguíneos, la alta frecuencia cardíaca fetal, la posible corrupción de los datos de resonancia magnética debido a la respiración materna, los movimientos fetales impredecibles y la falta de métodos convencionales de activación cardíaca para sincronizar la adquisición de datos. Aquí, describimos los desarrollos técnicos recientes de nuestro laboratorio que han permitido la cuantificación del flujo sanguíneo fetal utilizando resonancia magnética de contraste de fase, incluidos los avances en imágenes aceleradas, compensación de movimiento y activación cardíaca.

Introduction

La evaluación integral de la circulación fetal es necesaria para el seguimiento de patologías fetales como la restricción del crecimiento fetal (FGR) y la cardiopatía congénita (CHD)^1,2,3. En el útero, el manejo del paciente y la planificación de la atención postnatal dependen de la gravedad de la patología fetal 4,5,6,7. La viabilidad de la cuantificación del flujo sanguíneo fetal con RM y sus aplicaciones en la evaluación de patologías fetales han sido demostradas recientemente ^3,8,9. Sin embargo, el método de imagen enfrenta desafíos, como el aumento de los tiempos de imagen para lograr una alta resolución espaciotemporal, la falta de métodos de sincronización cardíaca y el movimiento fetal impredecible¹⁰.

La vasculatura fetal comprende estructuras pequeñas (~5 mm de diámetro para los vasos sanguíneos principales que comprenden la aorta descendente, el conducto arterial, la aorta ascendente, la arteria pulmonar principal y la vena cava superior^11,12,13). Para resolver estas estructuras y cuantificar el flujo, se requieren imágenes a alta resolución espacial. Además, la frecuencia cardíaca fetal es aproximadamente el doble que la de un adulto. Por lo tanto, también se requiere una alta resolución temporal para resolver el movimiento cardíaco dinámico y el flujo sanguíneo a lo largo del ciclo cardíaco fetal. Las imágenes convencionales a esta alta resolución espaciotemporal requieren tiempos de adquisición relativamente largos. Para abordar este problema, se ha introducido la resonancia magnética fetal acelerada^14,15,16. Brevemente, estas técnicas de aceleración implican submuestreo en el dominio de la frecuencia durante la adquisición de datos y la reconstrucción retrospectiva de alta fidelidad utilizando técnicas iterativas. Uno de estos enfoques es la reconstrucción de detección comprimida (CS), que permite la reconstrucción de imágenes a partir de datos muy submuestreados cuando la imagen reconstruida es escasa en un dominio conocido y los artefactos de submuestreo son incoherentes¹⁷.

El movimiento en las imágenes fetales presenta un gran desafío. La corrupción del movimiento puede surgir del movimiento respiratorio materno, el movimiento masivo materno o el movimiento fetal grueso. La respiración materna conduce a traducciones periódicas del feto, mientras que los movimientos fetales son más complejos. Los movimientos fetales pueden clasificarse como localizados o macroscópicos^10,18. Los movimientos localizados implican el movimiento de sólo segmentos del cuerpo. Por lo general, duran alrededor de 10-14 s y su frecuencia aumenta con la gestación (~ 90 por hora a término)¹⁰. Estos movimientos generalmente causan pequeñas corrupciones y no afectan el área de interés de la imagen. Sin embargo, los movimientos fetales gruesos pueden conducir a una corrupción grave de la imagen con componentes de movimiento a través del plano. Estos movimientos son movimientos de todo el cuerpo mediados por la columna vertebral y duran entre 60 y 90 s.

Para evitar los artefactos del movimiento fetal, primero se toman medidas para minimizar los movimientos maternos. Las mujeres embarazadas se relajan más utilizando almohadas de apoyo en la cama del escáner y vestidas con batas cómodas y pueden tener a sus parejas presentes al lado del escáner para reducir la claustrofobia^19,20. Para mitigar los efectos del movimiento respiratorio materno, los estudios han realizado exámenes de RM fetal bajo retención de la respiración materna^21,22,23. Sin embargo, tales adquisiciones deben ser cortas (~ 15 s) dada la tolerancia reducida a la retención de la respiración de las sujetos embarazadas. Recientemente, se han introducido métodos retrospectivos de corrección de movimiento para la RM fetal^14,15,16. Estos métodos rastrean el movimiento fetal utilizando kits de herramientas de registro y corrigen el movimiento o descartan partes no corregibles de los datos adquiridos.

Finalmente, las imágenes de RM cardíaca postnatal se adquieren convencionalmente mediante la activación del electrocardiograma (ECG) para sincronizar la adquisición de datos con el ciclo cardíaco. Sin gating, el movimiento cardíaco y el flujo pulsátil de todo el ciclo cardíaco se combinan, produciendo artefactos. Desafortunadamente, la señal del ECG fetal sufre de interferencia de la señal de ECG materna²⁴ y distorsiones del campo magnético²⁵. Por lo tanto, se han propuesto enfoques alternativos no invasivos para la activación cardíaca fetal, incluida la autoactivación, la activación optimizada métrica (MOG) y la activación por ultrasonido doppler^21,26,27,28.

Como se describe en las siguientes secciones, nuestro enfoque de resonancia magnética para cuantificar el flujo sanguíneo fetal aprovecha un nuevo método de compuerta, MOG, desarrollado en nuestro laboratorio y combinado con la corrección de movimiento y la reconstrucción iterativa de adquisiciones aceleradas de resonancia magnética. El enfoque se basa en una tubería en un estudio publicado anteriormente¹⁴ y se compone de las siguientes cinco etapas: (1) adquisición del flujo sanguíneo fetal, (2) reconstrucciones en tiempo real, (3) corrección de movimiento, (4) activación cardíaca y (5) reconstrucciones cerradas.

Protocol

Todas las imágenes por resonancia magnética se realizaron con el consentimiento informado de voluntarios como parte de un estudio aprobado por nuestra junta de ética de investigación institucional. NOTA: Los métodos descritos a continuación se han utilizado en un sistema de resonancia magnética 3T. La adquisición se realiza utilizando una secuencia de resonancia magnética de contraste de fase radial. Esta secuencia se preparó modificando la trayectoria de lectura (para lograr un patr…

Representative Results

En general, los exámenes de RM de fase del flujo se dirigen a seis vasos fetales principales: la aorta descendente, la aorta ascendente, la arteria pulmonar principal, el conducto arterial, la vena cava superior y la vena umbilical. Esos vasos son de interés para el clínico, ya que a menudo están implicados en CHD y FGR, influyendo en la distribución de la sangre en todo el feto9. Una duración típica de la exploración con la resonancia magnética de contraste de fase radial es de 17 s por …

Discussion

Este método permite la medición no invasiva del flujo sanguíneo en grandes vasos fetales humanos y permite la corrección retrospectiva del movimiento y la activación cardíaca mediante el uso de técnicas de reconstrucción iterativa. La cuantificación del flujo sanguíneo fetal se ha realizado con resonancia magnética en los últimos 1,3,8,9. Estos estud…

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