Kvantificering af human føtal blodgennemstrømning med magnetisk resonansbilleddannelse og bevægelseskompensation

Summary

Her præsenterer vi en protokol til måling af fostrets blodgennemstrømning hurtigt med MR og retrospektivt udførelse af bevægelseskorrektion og hjertegasning.

Abstract

Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er et vigtigt redskab til klinisk vurdering af kardiovaskulær morfologi og hjertefunktion. Det er også den anerkendte standard-of-care for kvantificering af blodgennemstrømning baseret på fasekontrast-MR. Mens en sådan måling af blodgennemstrømning har været mulig hos voksne i årtier, er metoder til at udvide denne evne til føtal blodgennemstrømning først for nylig blevet udviklet.

Kvantificering af føtal blodgennemstrømning i større kar er vigtig for overvågning af føtale patologier såsom medfødt hjertesygdom (CHD) og føtal vækstbegrænsning (FGR). CHD forårsager ændringer i hjertestrukturen og vaskulaturen, der ændrer blodets forløb i fosteret. I FGR ændres blodgennemstrømningsvejen gennem udvidelse af shunts, således at den iltede blodforsyning til hjernen øges. Kvantificering af blodgennemstrømningen muliggør vurdering af sværhedsgraden af fosterpatologien, hvilket igen giver mulighed for egnet til behandling af livmoderpatienter og planlægning af postnatal pleje.

De primære udfordringer ved at anvende fasekontrast-MR til det menneskelige foster inkluderer lille blodkarstørrelse, høj føtal puls, potentiel MR-datakorruption på grund af moderens åndedræt, uforudsigelige fosterbevægelser og mangel på konventionelle hjertegatingmetoder til at synkronisere dataindsamling. Her beskriver vi den seneste tekniske udvikling fra vores laboratorium, der har muliggjort kvantificering af fostrets blodgennemstrømning ved hjælp af fasekontrast-MR, herunder fremskridt inden for accelereret billeddannelse, bevægelseskompensation og hjertegasning.

Introduction

Omfattende vurdering af fostercirkulationen er nødvendig for at overvåge føtale patologier såsom føtal vækstbegrænsning (FGR) og medfødt hjertesygdom (CHD)^1,2,3. I utero afhænger patientstyring og planlægning af postnatal pleje af sværhedsgraden af fosterpatologien 4,5,6,7. Gennemførligheden af kvantificering af fostrets blodgennemstrømning med MR og dets anvendelser til vurdering af fosterpatologier er for nylig blevet påvist ^3,8,9. Billeddannelsesmetoden står imidlertid over for udfordringer, såsom øgede billeddannelsestider for at opnå høj spatiotemporal opløsning, mangel på hjertesynkroniseringsmetoder og uforudsigelig føtal bevægelse¹⁰.

Føtal vaskulatur omfatter små strukturer (~ 5 mm diameter for større blodkar, der omfatter den faldende aorta, ductus arteriosus, stigende aorta, hovedlungearterie og overlegen vena cava^11,12,13). For at løse disse strukturer og kvantificere flow kræves billeddannelse ved høj rumlig opløsning. Desuden er fostrets puls ca. dobbelt så høj som en voksen. En høj tidsmæssig opløsning er således også nødvendig for at løse dynamisk hjertebevægelse og blodgennemstrømning over fostrets hjertecyklus. Konventionel billeddannelse ved denne høje spatiotemporale opløsning kræver relativt lange anskaffelsestider. For at løse dette problem er accelereret føtal MR^14,15,16 blevet introduceret. Kort fortalt involverer disse accelerationsteknikker undersampling i frekvensdomænet under dataindsamling og retrospektiv high-fidelity-rekonstruktion ved hjælp af iterative teknikker. En sådan tilgang er komprimeret sensing (CS) rekonstruktion, som tillader rekonstruktion af billeder fra stærkt undersamplede data, når det rekonstruerede billede er sparsomt i et kendt domæne, og undersamplingartefakter er usammenhængende¹⁷.

Bevægelse i fosterbilleddannelse udgør en stor udfordring. Bevægelseskorruption kan opstå ved moderens åndedrætsbevægelse, moderens bulkbevægelse eller grov fosterbevægelse. Maternal respiration fører til periodiske oversættelser af fosteret, mens fosterbevægelser er mere komplekse. Fosterbevægelser kan klassificeres som lokaliserede eller brutto^10,18. Lokaliserede bevægelser involverer bevægelse af kun segmenter af kroppen. De varer typisk i ca. 10-14 s, og deres frekvens stiger med drægtighed (~ 90 i timen ved termin)¹⁰. Disse bevægelser forårsager generelt små korruptioner og påvirker ikke billeddannelsesområdet af interesse. Imidlertid kan grove fosterbevægelser føre til alvorlig billedkorruption med gennemgående flybevægelseskomponenter. Disse bevægelser er hele kropsbevægelser formidlet af rygsøjlen og varer i 60-90 s.

For at undgå artefakter fra fosterbevægelse tages der først skridt til at minimere moderens bevægelser. Gravide kvinder gøres mere afslappede ved hjælp af støttende puder på scannersengen og klædt i behagelige kjoler og kan have deres partnere til stede ved siden af scanneren for at reducere klaustrofobi ^19,20. For at afbøde virkningerne af moderens åndedrætsbevægelse har undersøgelser udført føtale MR-undersøgelser under moderens åndedrætsgreb^21,22,23. Sådanne erhvervelser skal dog være korte (~ 15 s) i betragtning af den reducerede åndedrætstolerance hos gravide forsøgspersoner. For nylig er retrospektive bevægelseskorrektionsmetoder blevet introduceret til føtal MR^14,15,16. Disse metoder sporer fosterbevægelse ved hjælp af registreringsværktøjssæt og korrigerer for bevægelse eller kasserer ukorrekte dele af erhvervede data.

Endelig erhverves postnatal hjerte MR-billeder konventionelt ved hjælp af elektrokardiogram (EKG) gating for at synkronisere dataindsamling til hjertecyklussen. Uden gating kombineres hjertebevægelse og pulsatilstrøm fra hele hjertecyklussen og producerer artefakter. Desværre lider fosterets EKG-signal af interferens fra moderens EKG-signal²⁴ og forvrængninger fra magnetfeltet²⁵. Derfor er der foreslået alternative ikke-invasive tilgange til føtal hjerte-gating, herunder selvgating, metrisk optimeret gating (MOG) og doppler ultralyd gating^21,26,27,28.

Som beskrevet i de følgende afsnit udnytter vores MR-tilgang til kvantificering af føtal blodgennemstrømning en ny gating-metode, MOG, udviklet i vores laboratorium og kombineret med bevægelseskorrektion og iterativ rekonstruktion af accelererede MR-erhvervelser. Tilgangen er baseret på en pipeline i en tidligere offentliggjort undersøgelse¹⁴ og består af følgende fem faser: (1) føtal blodgennemstrømning, (2) rekonstruktioner i realtid, (3) bevægelseskorrektion, (4) hjertegating og (5) gated rekonstruktioner.

Protocol

Alle MR-scanninger blev udført med informeret samtykke fra frivillige som en del af en undersøgelse godkendt af vores institutionelle forskningsetiske råd. BEMÆRK: Metoderne beskrevet nedenfor er blevet brugt på et 3T MR-system. Erhvervelsen udføres ved hjælp af en radial fasekontrast MR-sekvens. Denne sekvens blev fremstillet ved at ændre udlæsningsbanen (for at opnå et stellatmønster) af producentens kartesiske fasekontrast MR. Sekvens- og prøveprotokollerne er tilgængelige efte…

Representative Results

Generelt er fase MR-undersøgelser af flow rettet mod seks store fosterkar: den faldende aorta, stigende aorta, hovedlungearterie, ductus arteriosus, overlegen vena cava og navlestreng. Disse fartøjer er af interesse for klinikeren, da de ofte er impliceret i CHD og FGR, hvilket påvirker blodfordelingen i hele fosteret9. En typisk scanningsvarighed med radialfasekontrast-MR er 17 s pr. fartøj, således at scanningerne er korte, samtidig med at der er tid til tilstrækkelig dataindsamling til CN…

Discussion

Denne metode muliggør ikke-invasiv måling af blodgennemstrømning i menneskelige føtale store kar og giver mulighed for retrospektiv bevægelseskorrektion og hjertegating ved hjælp af iterative rekonstruktionsteknikker. Føtal blodgennemstrømningskvantificering er blevet udført med MR i de sidste 1,3,8,9. Disse undersøgelser havde en prospektiv tilgang ti…

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