Hier presenteren we een protocol voor het snel meten van de foetale bloedstroom met MRI en het retrospectief uitvoeren van bewegingscorrectie en cardiale gating.
Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is een belangrijk hulpmiddel voor de klinische beoordeling van cardiovasculaire morfologie en hartfunctie. Het is ook de erkende zorgstandaard voor bloedstroomkwantificering op basis van fasecontrast-MRI. Hoewel een dergelijke meting van de bloedstroom al tientallen jaren mogelijk is bij volwassenen, zijn er pas onlangs methoden ontwikkeld om dit vermogen uit te breiden naar de foetale bloedstroom.
Foetale bloedstroomkwantificering in belangrijke bloedvaten is belangrijk voor het monitoren van foetale pathologieën zoals aangeboren hartaandoeningen (CHD) en foetale groeibeperking (FGR). CHD veroorzaakt veranderingen in de hartstructuur en vasculatuur die de loop van het bloed bij de foetus veranderen. Bij FGR wordt het pad van de bloedstroom veranderd door de verwijding van shunts, zodat de zuurstofrijke bloedtoevoer naar de hersenen wordt verhoogd. Bloedstroomkwantificering maakt beoordeling van de ernst van de foetale pathologie mogelijk, wat op zijn beurt geschikt is voor utero-patiëntbeheer en planning voor postnatale zorg.
De belangrijkste uitdagingen van het toepassen van fasecontrast MRI op de menselijke foetus zijn kleine bloedvatgrootte, hoge foetale hartslag, potentiële MRI-gegevenscorruptie als gevolg van maternale ademhaling, onvoorspelbare foetale bewegingen en gebrek aan conventionele cardiale gatingmethoden om gegevensverzameling te synchroniseren. Hier beschrijven we recente technische ontwikkelingen uit ons laboratorium die de kwantificering van de foetale bloedstroom mogelijk hebben gemaakt met behulp van fasecontrast MRI, inclusief vooruitgang in versnelde beeldvorming, bewegingscompensatie en cardiale gating.
Uitgebreide beoordeling van de foetale circulatie is noodzakelijk voor het monitoren van foetale pathologieën zoals foetale groeibeperking (FGR) en congenitale hartziekte (CHD)1,2,3. In de baarmoeder zijn patiëntenbeheer en planning voor postnatale zorg afhankelijk van de ernst van de foetale pathologie 4,5,6,7. Haalbaarheid van foetale bloedstroomkwantificering met MRI en de toepassingen ervan bij het beoordelen van foetale pathologieën zijn onlangs aangetoond 3,8,9. De beeldvormingsmethode wordt echter geconfronteerd met uitdagingen, zoals verhoogde beeldvormingstijden om een hoge spatiotemporale resolutie te bereiken, gebrek aan hartsynchronisatiemethoden en onvoorspelbare foetale beweging10.
Foetale vasculatuur bestaat uit kleine structuren (~ 5 mm diameter voor grote bloedvaten die de dalende aorta, ductus arteriosus, opgaande aorta, hoofdlongslagader en superieure vena cava 11,12,13) omvatten. Om deze structuren op te lossen en de stroming te kwantificeren, is beeldvorming met een hoge ruimtelijke resolutie vereist. Bovendien is de foetale hartslag ongeveer twee keer die van een volwassene. Een hoge temporele resolutie is dus ook nodig om dynamische cardiale beweging en bloedstroom over de foetale hartcyclus op te lossen. Conventionele beeldvorming bij deze hoge spatiotemporale resolutie vereist relatief lange acquisitietijden. Om dit probleem aan te pakken, is versnelde foetale MRI 14,15,16 geïntroduceerd. Kortom, deze versnellingstechnieken omvatten undersampling in het frequentiedomein tijdens data-acquisitie en retrospectieve high-fidelity reconstructie met behulp van iteratieve technieken. Een dergelijke benadering is compressed sensing (CS) reconstructie, die reconstructie van afbeeldingen van zwaar onderbemonsterde gegevens mogelijk maakt wanneer het gereconstrueerde beeld schaars is in een bekend domein en undersampling artefacten onsamenhangend zijn17.
Beweging in foetale beeldvorming vormt een grote uitdaging. Bewegingscorruptie kan ontstaan door maternale ademhalingsbeweging, maternale bulkbeweging of grove foetale beweging. Maternale ademhaling leidt tot periodieke vertalingen van de foetus, terwijl foetale bewegingen complexer zijn. Foetale bewegingen kunnen worden geclassificeerd als gelokaliseerd of bruto 10,18. Gelokaliseerde bewegingen omvatten beweging van alleen segmenten van het lichaam. Ze duren meestal ongeveer 10-14 s en hun frequentie neemt toe met de zwangerschap (~ 90 per uur op termijn)10. Deze bewegingen veroorzaken over het algemeen kleine beschadigingen en hebben geen invloed op het beeldgebied van belang. Grove foetale bewegingen kunnen echter leiden tot ernstige beeldcorruptie met doorgaande vlakbewegingscomponenten. Deze bewegingen zijn bewegingen van het hele lichaam gemedieerd door de wervelkolom en duren 60-90 s.
Om artefacten van foetale beweging te voorkomen, worden eerst stappen ondernomen om maternale bewegingen te minimaliseren. Zwangere vrouwen worden meer ontspannen gemaakt met behulp van ondersteunende kussens op het scannerbed en gekleed in comfortabele jurken en kunnen hun partners naast de scanner laten presenteren om claustrofobie19,20 te verminderen. Om de effecten van maternale ademhalingsbewegingen te verminderen, hebben studies foetale MR-onderzoeken uitgevoerd onder maternale adempauze 21,22,23. Dergelijke acquisities moeten echter kort zijn (~ 15 s) gezien de verminderde adempauzetolerantie van zwangere proefpersonen. Onlangs zijn retrospectieve bewegingscorrectiemethoden geïntroduceerd voor foetale MRI 14,15,16. Deze methoden volgen foetale beweging met behulp van registratietoolkits en corrigeren voor beweging of verwijderen niet-corrigeerbare delen van verkregen gegevens.
Ten slotte worden postnatale cardiale MR-beelden conventioneel verkregen met behulp van elektrocardiogram (ECG) gating om gegevensverzameling te synchroniseren met de hartcyclus. Zonder gating worden hartbeweging en pulsatiele stroom uit de hele hartcyclus gecombineerd, waardoor artefacten worden geproduceerd. Helaas lijdt het foetale ECG-signaal aan interferentie van het maternale ECG-signaal24 en vervormingen van het magnetisch veld25. Daarom zijn alternatieve niet-invasieve benaderingen van foetale cardiale gating voorgesteld, waaronder self-gating, metric optimized gating (MOG) en doppler ultrasound gating 21,26,27,28.
Zoals beschreven in de volgende secties, maakt onze MRI-benadering om de foetale bloedstroom te kwantificeren gebruik van een nieuwe gating-methode, MOG, ontwikkeld in ons laboratorium en gecombineerd met bewegingscorrectie en iteratieve reconstructie van versnelde MRI-acquisities. De aanpak is gebaseerd op een pijplijn in een eerder gepubliceerde studie14 en bestaat uit de volgende vijf fasen: (1) foetale bloedstroomacquisitie, (2) real-time reconstructies, (3) bewegingscorrectie, (4) cardiale gating en (5) gated reconstructies.
Deze methode maakt de niet-invasieve meting van de bloedstroom in menselijke foetale grote bloedvaten mogelijk en maakt retrospectieve bewegingscorrectie en cardiale gating mogelijk door gebruik te maken van iteratieve reconstructietechnieken. Foetale bloedstroomkwantificering is uitgevoerd met MRI in de afgelopen 1,3,8,9. Deze studies hadden een prospectieve be…
The authors have nothing to disclose.
Geen.
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 |