Quantifizierung des menschlichen fetalen Blutflusses mit Magnetresonanztomographie und Bewegungskompensation

Summary

Hier präsentieren wir ein Protokoll zur schnellen Messung des fetalen Blutflusses mit MRT und zur retrospektiven Durchführung von Bewegungskorrektur und Herz-Gating.

Abstract

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges Werkzeug zur klinischen Beurteilung der kardiovaskulären Morphologie und Herzfunktion. Es ist auch der anerkannte Behandlungsstandard für die Quantifizierung des Blutflusses auf der Grundlage der Phasenkontrast-MRT. Während eine solche Messung des Blutflusses bei Erwachsenen seit Jahrzehnten möglich ist, wurden erst kürzlich Methoden entwickelt, um diese Fähigkeit auf den fetalen Blutfluss auszudehnen.

Die Quantifizierung des fetalen Blutflusses in großen Gefäßen ist wichtig für die Überwachung fetaler Pathologien wie angeborener Herzfehler (KHK) und fetaler Wachstumsrestriktion (FGR). KHK verursacht Veränderungen in der Herzstruktur und im Gefäßsystem, die den Blutverlauf im Fötus verändern. Bei FGR wird der Weg des Blutflusses durch die Erweiterung der Shunts so verändert, dass die sauerstoffreiche Blutversorgung des Gehirns erhöht wird. Die Quantifizierung des Blutflusses ermöglicht die Beurteilung des Schweregrads der fetalen Pathologie, was wiederum ein geeignetes In-utero-Patientenmanagement und eine Planung für die postnatale Versorgung ermöglicht.

Zu den primären Herausforderungen bei der Anwendung der Phasenkontrast-MRT auf den menschlichen Fötus gehören eine kleine Blutgefäßgröße, eine hohe fetale Herzfrequenz, eine mögliche MRT-Datenkorruption aufgrund der mütterlichen Atmung, unvorhersehbare fetale Bewegungen und das Fehlen konventioneller kardialer Gating-Methoden zur Synchronisierung der Datenerfassung. Hier beschreiben wir die jüngsten technischen Entwicklungen aus unserem Labor, die die Quantifizierung des fetalen Blutflusses mittels Phasenkontrast-MRT ermöglicht haben, einschließlich Fortschritten in der beschleunigten Bildgebung, Bewegungskompensation und Herz-Gating.

Introduction

Eine umfassende Beurteilung des fetalen Kreislaufs ist für die Überwachung fetaler Pathologien wie fetale Wachstumsrestriktion (FGR) und angeborene Herzfehler (KHK) ^{erforderlich1,2,3}. In utero hängen das Patientenmanagement und die Planung der postnatalen Versorgung von der Schwere der fetalen Pathologie^{ab 4,5,6,7}. Die Durchführbarkeit der fetalen Blutflussquantifizierung mit MRT und ihre Anwendungen bei der Beurteilung fetaler Pathologien wurden kürzlich nachgewiesen ^3,8,9. Das bildgebende Verfahren steht jedoch vor Herausforderungen, wie z. B. erhöhten Bildgebungszeiten, um eine hohe raumzeitliche Auflösung zu erreichen, fehlenden Herzsynchronisationsmethoden und unvorhersehbaren fetalen Bewegungen¹⁰.

Das fetale Gefäßsystem umfasst kleine Strukturen (~ 5 mm Durchmesser für große Blutgefäße, die die absteigende Aorta, den Ductus arteriosus, die aufsteigende Aorta, die Hauptlungenarterie und die obere Hohlvene^11,12,13 umfassen). Um diese Strukturen aufzulösen und die Strömung zu quantifizieren, ist eine Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung erforderlich. Darüber hinaus ist die fetale Herzfrequenz etwa doppelt so hoch wie die eines Erwachsenen. Eine hohe zeitliche Auflösung ist daher auch erforderlich, um die dynamische Herzbewegung und den Blutfluss über den fetalen Herzzyklus aufzulösen. Konventionelle Bildgebung bei dieser hohen raumzeitlichen Auflösung erfordert relativ lange Aufnahmezeiten. Um dieses Problem anzugehen, wurde die beschleunigte fetale MRT^14,15,16 eingeführt. Kurz gesagt, diese Beschleunigungstechniken beinhalten Undersampling im Frequenzbereich während der Datenerfassung und retrospektive High-Fidelity-Rekonstruktion mit iterativen Techniken. Ein solcher Ansatz ist die CS-Rekonstruktion (Compressed Sensing), die die Rekonstruktion von Bildern aus stark unterbewerteten Daten ermöglicht, wenn das rekonstruierte Bild in einem bekannten Bereich spärlich ist und Undersampling-Artefakte inkohärent sind¹⁷.

Bewegung in der fetalen Bildgebung stellt eine große Herausforderung dar. Bewegungsverfälschung kann durch mütterliche Atembewegung, mütterliche Massenbewegung oder grobe fetale Bewegung entstehen. Die mütterliche Atmung führt zu periodischen Übersetzungen des Fötus, während fetale Bewegungen komplexer sind. Fetale Bewegungen können als lokalisiert oder brutto^10,18 klassifiziert werden. Lokalisierte Bewegungen beinhalten die Bewegung von nur Segmenten des Körpers. Sie dauern typischerweise etwa 10-14 s und ihre Häufigkeit nimmt mit der Schwangerschaft zu (~ 90 pro Stunde zum Semester)¹⁰. Diese Bewegungen verursachen im Allgemeinen kleine Korruptionen und beeinflussen den interessierenden Bildbereich nicht. Grobe fetale Bewegungen können jedoch zu einer schweren Bildverfälschung mit Komponenten der Bewegung durch die Ebene führen. Diese Bewegungen sind Ganzkörperbewegungen, die durch die Wirbelsäule vermittelt werden und 60-90 s dauern.

Um Artefakte aus der fetalen Bewegung zu vermeiden, werden zunächst Schritte unternommen, um die mütterlichen Bewegungen zu minimieren. Schwangere Frauen werden mit Stützkissen auf dem Scannerbett entspannter gemacht und in bequeme Kittel gekleidet und können ihre Partner neben dem Scanner anwesend haben, um Klaustrophobie^{zu reduzieren 19,20}. Um die Auswirkungen der mütterlichen Atembewegung zu mildern, haben Studien fetale MR-Untersuchungen unter mütterlichem Atemanhalten^{durchgeführt 21,22,23}. Solche Akquisitionen müssen jedoch kurz sein (~ 15 s) angesichts der reduzierten Atemanhaltetoleranz von schwangeren Probanden. Vor kurzem wurden retrospektive Bewegungskorrekturmethoden für die fetale MRT^14,15,16 eingeführt. Diese Methoden verfolgen die fetale Bewegung mithilfe von Registrierungs-Toolkits und korrigieren für Bewegung oder verwerfen nicht korrigierbare Teile der erfassten Daten.

Schließlich werden postnatale kardiale MR-Bilder konventionell mit Elektrokardiogramm (EKG) aufgenommen, um die Datenerfassung mit dem Herzzyklus zu synchronisieren. Ohne Gating werden Herzbewegung und pulsierender Fluss aus dem gesamten Herzzyklus kombiniert, wodurch Artefakte entstehen. Leider leidet das fetale EKG-Signal unter Störungen durch das mütterliche EKG-Signal²⁴ und Verzerrungen durch das Magnetfeld²⁵. Daher wurden alternative nicht-invasive Ansätze für das fetale kardiale Gating vorgeschlagen, einschließlich Self-Gating, metrisch optimiertes Gating (MOG) und Doppler-Ultraschall-Gating^21,26,27,28.

Wie in den folgenden Abschnitten beschrieben, nutzt unser MRT-Ansatz zur Quantifizierung des fetalen Blutflusses eine neuartige Gating-Methode, MOG, die in unserem Labor entwickelt und mit Bewegungskorrektur und iterativer Rekonstruktion beschleunigter MRT-Akquisitionen kombiniert wird. Der Ansatz basiert auf einer Pipeline in einer zuvor veröffentlichten Studie¹⁴ und besteht aus den folgenden fünf Phasen: (1) fetale Blutflussakquisition, (2) Echtzeit-Rekonstruktionen, (3) Bewegungskorrektur, (4) Herz-Gating und (5) Gated Rekonstruktionen.

Protocol

Alle MRT-Scans wurden mit informierter Zustimmung von Freiwilligen im Rahmen einer Studie durchgeführt, die von unserem institutionellen Forschungsethikrat genehmigt wurde. HINWEIS: Die unten beschriebenen Methoden wurden an einem 3T-MRT-System angewendet. Die Erfassung erfolgt mittels radialer Phasenkontrast-MRT-Sequenz. Diese Sequenz wurde durch Modifizierung der Auslesetrajektorie (um ein Sternmuster zu erzielen) der kartesischen Phasenkontrast-MRT des Herstellers vorbereitet. Die Sequenz-…

Representative Results

Im Allgemeinen zielen Phasen-MRT-Untersuchungen des Flusses auf sechs große fetale Gefäße ab: die absteigende Aorta, die aufsteigende Aorta, die Hauptpulmonalarterie, den Ductus arteriosus, die obere Hohlvene und die Nabelvene. Diese Gefäße sind für den Kliniker von Interesse, da sie oft mit KHK und FGR in Verbindung gebracht werden und die Blutverteilung im gesamten Fötus beeinflussen9. Eine typische Scandauer mit der radialen Phasenkontrast-MRT beträgt 17 s pro Gefäß, so dass die Scans…

Discussion

Diese Methode ermöglicht die nicht-invasive Messung des Blutflusses in menschlichen fetalen großen Gefäßen und ermöglicht eine retrospektive Bewegungskorrektur und Herz-Gating unter Verwendung iterativer Rekonstruktionstechniken. Die Quantifizierung des fetalen Blutflusses wurde in der Vergangenheit^mit MRT durchgeführt 1,3,8,9. Diese Studien hatten einen p…

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