Количественная оценка кровотока плода человека с помощью магнитно-резонансной томографии и компенсации движения

Summary

Здесь мы представляем протокол быстрого измерения кровотока плода с помощью МРТ и ретроспективного выполнения коррекции движения и сердечного тара.

Abstract

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является важным инструментом для клинической оценки сердечно-сосудистой морфологии и функции сердца. Это также признанный стандарт медицинской помощи для количественной оценки кровотока на основе фазовой контрастной МРТ. Хотя такое измерение кровотока было возможно у взрослых в течение десятилетий, методы расширения этой способности на кровоток плода были разработаны только недавно.

Количественная оценка кровотока плода в основных сосудах важна для мониторинга патологий плода, таких как врожденные пороки сердца (ИБС) и ограничение роста плода (FGR). ИБС вызывает изменения в сердечной структуре и сосудистой системе, которые изменяют ход крови у плода. В FGR путь кровотока изменяется через расширение шунтов таким образом, что насыщенное кислородом кровоснабжение мозга увеличивается. Количественная оценка кровотока позволяет оценить тяжесть патологии плода, что, в свою очередь, позволяет адекватно вести внутриутробную болезнь пациентов и планировать послеродовой уход.

Основные проблемы применения фазовой контрастной МРТ к плоду человека включают небольшой размер кровеносных сосудов, высокую частоту сердечных сокращений плода, потенциальное повреждение данных МРТ из-за материнского дыхания, непредсказуемые движения плода и отсутствие традиционных методов сердечного контроля для синхронизации сбора данных. Здесь мы описываем последние технические разработки из нашей лаборатории, которые позволили количественно оценить кровоток плода с помощью фазово-контрастной МРТ, включая достижения в ускоренной визуализации, компенсации движения и сердечной рвоте.

Introduction

Комплексная оценка кровообращения плода необходима для мониторинга патологий плода, таких как ограничение роста плода (ФГР) и врожденные пороки сердца (ИБС)^1,2,3. Внутриутробно ведение пациентки и планирование послеродового ухода зависят от тяжести патологии плода 4,5,6,7. Недавно была продемонстрирована возможность количественной оценки кровотока плода с помощью МРТ и ее применения при оценке патологий плода ^3,8,9. Метод визуализации, однако, сталкивается с проблемами, такими как увеличение времени визуализации для достижения высокого пространственно-временного разрешения, отсутствие методов сердечной синхронизации и непредсказуемое движение плода¹⁰.

Сосудистая система плода содержит небольшие структуры (диаметр ~ 5 мм для крупных кровеносных сосудов, которые включают нисходящую аорту, артериальный проток, восходящую аорту, главную легочную артерию и верхнюю полую вену 11,12,13). Для разрешения этих структур и количественной оценки потока требуется визуализация с высоким пространственным разрешением. Более того, частота сердечных сокращений плода примерно в два раза выше, чем у взрослого человека. Таким образом, высокое временное разрешение также требуется для разрешения динамических сердечных движений и кровотока через сердечный цикл плода. Обычная визуализация при таком высоком пространственно-временном разрешении требует относительно длительного времени получения. Для решения этой проблемы была введена ускоренная МРТ плода ^14,15,16. Короче говоря, эти методы ускорения включают недодискретизацию в частотной области во время сбора данных и ретроспективную реконструкцию высокой точности с использованием итеративных методов. Одним из таких подходов является реконструкция сжатого зондирования (CS), которая позволяет реконструировать изображения из сильно недодискретизированных данных, когда реконструированное изображение разрежено в известной области, а артефакты недостаточной выборки являются некогерентными¹⁷.

Движение в визуализации плода представляет собой серьезную проблему. Повреждение движения может возникать в результате движения дыхания матери, объемного движения матери или грубого движения плода. Материнское дыхание приводит к периодическим трансляциям плода, тогда как движения плода более сложны. Движения плода можно классифицировать как локализованные или грубые^10,18. Локализованные движения предполагают движение только сегментов тела. Они обычно длятся около 10-14 с, и их частота увеличивается с беременностью (~ 90 в час в срок)¹⁰. Эти движения, как правило, вызывают небольшие повреждения и не влияют на область изображения, представляющую интерес. Тем не менее, грубые движения плода могут привести к серьезному повреждению изображения с компонентами движения плоскости. Эти движения представляют собой движения всего тела, опосредованные позвоночником и длящиеся в течение 60-90 с.

Чтобы избежать артефактов от движения плода, сначала предпринимаются шаги, чтобы свести к минимуму материнские движения. Беременные женщины становятся более расслабленными, используя поддерживающие подушки на кровати сканера и одетые в удобные халаты, и их партнеры могут присутствовать рядом со сканером, чтобы уменьшить клаустрофобию^19,20. Чтобы смягчить последствия дыхания матери, исследования провели МР-обследования плода при задержке дыхания матери 21,22,23. Тем не менее, такие приобретения должны быть короткими (~ 15 с), учитывая сниженную толерантность к задержке дыхания беременных субъектов. В последнее время внедрены методы ретроспективной коррекции движений для МРТ плода 14,15,16. Эти методы отслеживают движение плода с помощью инструментов регистрации и корректируют движение или отбрасывают неисправимые части полученных данных.

Наконец, постнатальные МРТ-изображения сердца обычно получаются с использованием электрокардиограммы (ЭКГ) для синхронизации сбора данных с сердечным циклом. Без гатинга движение сердца и пульсирующий поток на протяжении всего сердечного цикла объединяются, производя артефакты. К сожалению, сигнал ЭКГ плода страдает от помех от материнского сигнала ЭКГ²⁴ и искажений от магнитного поля²⁵. Следовательно, были предложены альтернативные неинвазивные подходы к сердечному гаттингу плода, включая самообеспечение, метрическое оптимизированное гатирование (MOG) и допплеровское ультразвуковое измерение 21,26,27,28.

Как описано в следующих разделах, наш подход МРТ для количественной оценки кровотока плода использует новый метод измерения MOG, разработанный в нашей лаборатории и сочетающийся с коррекцией движения и итеративной реконструкцией ускоренных приобретений МРТ. Подход основан на конвейере в ранее опубликованном исследовании¹⁴ и состоит из следующих пяти этапов: (1) приобретение кровотока плода, (2) реконструкции в режиме реального времени, (3) коррекция движения, (4) сердечная решетка и (5) закрытые реконструкции.

Protocol

Все МРТ-сканирования были выполнены с информированного согласия добровольцев в рамках исследования, одобренного нашим институциональным советом по этике исследований. ПРИМЕЧАНИЕ: Методы, описанные ниже, были использованы на системе МРТ 3T. Сбор осуществляется с использ…

Representative Results

В целом, фазовые МРТ-исследования потока нацелены на шесть основных сосудов плода: нисходящую аорту, восходящую аорту, главную легочную артерию, артериальный проток, верхнюю полую вену и пупочную вену. Эти сосуды представляют интерес для клинициста, поскольку они часто участвуют в ИБС ?…

Discussion

Этот метод позволяет неинвазивно измерять кровоток в крупных сосудах плода человека и позволяет проводить ретроспективную коррекцию движения и сердечные меры с использованием методов итеративной реконструкции. Количественная оценка кровотока плода была выполнена…

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