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चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और गति मुआवजे के साथ मानव भ्रूण रक्त प्रवाह परिमाणीकरण

Published: January 7, 2021 doi: 10.3791/61953
Automatic Translation
1,2, 3,4, 4,5, 1,2
1Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 2Division of Translational Medicine, The Hospital for Sick Children, 3Labatt Family Heart Centre, The Hospital for Sick Children, 4Department of Pediatrics, University of Toronto, 5Division of Pediatric Cardiology, The Hospital for Sick Children

Summary

यहां हम एमआरआई के साथ भ्रूण के रक्त प्रवाह को तेजी से मापने और पूर्वव्यापी रूप से गति सुधार और कार्डियक गेटिंग करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।

Abstract

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) कार्डियोवैस्कुलर आकृति विज्ञान और हृदय समारोह के नैदानिक मूल्यांकन के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है। यह चरण कंट्रास्ट एमआरआई के आधार पर रक्त प्रवाह परिमाणीकरण के लिए मान्यता प्राप्त मानक-देखभाल भी है। जबकि दशकों से वयस्कों में रक्त प्रवाह का ऐसा माप संभव है, भ्रूण के रक्त प्रवाह के लिए इस क्षमता का विस्तार करने के तरीके हाल ही में विकसित किए गए हैं।

जन्मजात हृदय रोग (सीएचडी) और भ्रूण विकास प्रतिबंध (एफजीआर) जैसे भ्रूण के रोगों की निगरानी के लिए प्रमुख वाहिकाओं में भ्रूण रक्त प्रवाह परिमाणीकरण महत्वपूर्ण है। सीएचडी हृदय संरचना और वाहिका में परिवर्तन का कारण बनता है जो भ्रूण में रक्त के पाठ्यक्रम को बदलता है। एफजीआर में, शंट के फैलाव के माध्यम से रक्त प्रवाह का मार्ग बदल जाता है जैसे कि मस्तिष्क को ऑक्सीजन युक्त रक्त की आपूर्ति बढ़ जाती है। रक्त प्रवाह परिमाणीकरण भ्रूण विकृति की गंभीरता का आकलन करने में सक्षम बनाता है, जो बदले में गर्भाशय रोगी प्रबंधन और प्रसवोत्तर देखभाल के लिए योजना बनाने में उपयुक्त होने की अनुमति देता है।

मानव भ्रूण के लिए चरण कंट्रास्ट एमआरआई को लागू करने की प्राथमिक चुनौतियों में छोटे रक्त वाहिका का आकार, उच्च भ्रूण हृदय गति, मातृ श्वसन के कारण संभावित एमआरआई डेटा भ्रष्टाचार, अप्रत्याशित भ्रूण आंदोलनों और डेटा अधिग्रहण को सिंक्रनाइज़ करने के लिए पारंपरिक कार्डियक गेटिंग विधियों की कमी शामिल है। यहां, हम अपनी प्रयोगशाला से हाल के तकनीकी विकास का वर्णन करते हैं जिसने चरण कंट्रास्ट एमआरआई का उपयोग करके भ्रूण के रक्त प्रवाह की मात्रा का ठहराव सक्षम किया है, जिसमें त्वरित इमेजिंग, गति मुआवजा और कार्डियक गेटिंग में प्रगति शामिल है।

Introduction

भ्रूण के विकास प्रतिबंध (एफजीआर) और जन्मजात हृदय रोग (सीएचडी) 1,2,3 जैसे भ्रूण विकृति की निगरानी के लिए भ्रूण परिसंचरण का व्यापक मूल्यांकन आवश्यक है। गर्भाशय में, प्रसवोत्तर देखभाल के लिए रोगी प्रबंधन और योजना भ्रूण विकृति 4,5,6,7 की गंभीरता पर निर्भर करती है। एमआरआई के साथ भ्रूण के रक्त प्रवाह की मात्रा का ठहराव और भ्रूण विकृति का आकलन करने में इसके अनुप्रयोगों की व्यवहार्यता हाल ही में 3,8,9 का प्रदर्शन किया गया है। इमेजिंग विधि, हालांकि, चुनौतियों का सामना करती है, जैसे कि उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए इमेजिंग समय में वृद्धि, कार्डियक सिंक्रनाइज़ेशन विधियों की कमी, और अप्रत्याशित भ्रूण गति10।

भ्रूण वाहिका में छोटी संरचनाएं शामिल होती हैं (प्रमुख रक्त वाहिकाओं के लिए ~ 5 मिमी व्यास जिसमें अवरोही महाधमनी, डक्टस धमनी, आरोही महाधमनी, मुख्य फुफ्फुसीय धमनी और बेहतर वेना कावा11,12,13 शामिल हैं)। इन संरचनाओं को हल करने और प्रवाह को मापने के लिए, उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन पर इमेजिंग की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, भ्रूण की हृदय गति एक वयस्क की तुलना में लगभग दोगुनी है। इस प्रकार भ्रूण के हृदय चक्र में गतिशील हृदय गति और रक्त प्रवाह को हल करने के लिए एक उच्च अस्थायी संकल्प की भी आवश्यकता होती है। इस उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन पर पारंपरिक इमेजिंग को अपेक्षाकृत लंबे अधिग्रहण समय की आवश्यकता होती है। इस मुद्दे को हल करने के लिए, त्वरित भ्रूण एमआरआई 14,15,16 पेश किया गया है। संक्षेप में, इन त्वरण तकनीकों में पुनरावृत्ति तकनीकों का उपयोग करके डेटा अधिग्रहण और पूर्वव्यापी उच्च-निष्ठा पुनर्निर्माण के दौरान आवृत्ति डोमेन में अंडरसैंपलिंग शामिल है। ऐसा ही एक दृष्टिकोण संपीड़ित संवेदन (सीएस) पुनर्निर्माण है, जो भारी नमूने वाले डेटा से छवियों के पुनर्निर्माण की अनुमति देता है जब पुनर्निर्मित छवि एक ज्ञात डोमेन में विरल होती है और अंडरसैंपलिंग कलाकृतियांअसंगत होती हैं।

भ्रूण इमेजिंग में गति एक बड़ी चुनौती प्रस्तुत करती है। गति भ्रष्टाचार मातृ श्वसन गति, मातृ थोक गति या सकल भ्रूण आंदोलन से उत्पन्न हो सकता है। मातृ श्वसन भ्रूण के आवधिक अनुवाद की ओर जाता है, जबकि भ्रूण के आंदोलन अधिक जटिल होते हैं। भ्रूण के आंदोलनों को स्थानीयकृत या सकल10,18 के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। स्थानीय आंदोलनों में शरीर के केवल खंडों की गति शामिल होती है। वे आम तौर पर लगभग 10-14 सेकंड तक रहते हैं और उनकी आवृत्ति गर्भावस्था के साथ बढ़ जाती है (~ 90 प्रति घंटे अवधि में) 10। ये आंदोलन आम तौर पर छोटे भ्रष्टाचार का कारण बनते हैं और रुचि के इमेजिंग क्षेत्र को प्रभावित नहीं करते हैं। हालांकि, सकल भ्रूण आंदोलनों से विमान गति घटकों के माध्यम से गंभीर छवि भ्रष्टाचार हो सकता है। ये आंदोलन रीढ़ की हड्डी द्वारा मध्यस्थता वाले पूरे शरीर के आंदोलन हैं और 60-90 सेकंड तक चलते हैं।

भ्रूण की गति से कलाकृतियों से बचने के लिए, पहले मातृ गतियों को कम करने के लिए कदम उठाए जाते हैं। गर्भवती महिलाओं को स्कैनर बेड पर सहायक तकिए का उपयोग करके अधिक आराम से बनाया जाता है और आरामदायक गाउन पहनाया जाता है और क्लौस्ट्रोफोबिया 19,20 को कम करने के लिए स्कैनर के बगल में उनके साथी मौजूद हो सकते हैं। मातृ श्वसन गति के प्रभाव को कम करने के लिए, अध्ययनों ने मातृसांस-पकड़ 21,22,23 के तहत भ्रूण एमआर परीक्षा एं की हैं। हालांकि, गर्भवती व्यक्तियों की कम सांस-पकड़ सहनशीलता को देखते हुए इस तरह के अधिग्रहण कम (~ 15 सेकंड) होने चाहिए। हाल ही में, भ्रूण एमआरआई 14,15,16 के लिए पूर्वव्यापी गति सुधार विधियों को पेश किया गया है। ये विधियां पंजीकरण टूलकिट का उपयोग करके भ्रूण की गति को ट्रैक करती हैं और गति के लिए सही होती हैं या अधिग्रहित डेटा के अपरिवर्तनीय भागों को छोड़ देती हैं।

अंत में, प्रसवोत्तर कार्डियक एमआर छवियों को पारंपरिक रूप से इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) गेटिंग का उपयोग करके कार्डियक चक्र में डेटा अधिग्रहण को सिंक्रनाइज़ करने के लिए अधिग्रहित किया जाता है। गेटिंग के बिना, पूरे हृदय चक्र से कार्डियक गति और पल्सटाइल प्रवाह संयुक्त होते हैं, जो कलाकृतियों का उत्पादन करते हैं। दुर्भाग्य से, भ्रूण ईसीजी सिग्नल मातृ ईसीजी सिग्नल24 से हस्तक्षेप और चुंबकीय क्षेत्र25 से विकृतियों से ग्रस्त है। इसलिए, भ्रूण कार्डियक गेटिंग के लिए वैकल्पिक गैर-इनवेसिव दृष्टिकोण प्रस्तावित किए गए हैं, जिसमें सेल्फ-गेटिंग, मीट्रिक ऑप्टिमाइज़्ड गेटिंग (एमओजी) और डॉप्लर अल्ट्रासाउंड गेटिंग 21,26,27,28 शामिल हैं।

जैसा कि निम्नलिखित खंडों में वर्णित है, भ्रूण के रक्त प्रवाह को मापने के लिए हमारा एमआरआई दृष्टिकोण हमारी प्रयोगशाला में विकसित एक नई गेटिंग विधि, एमओजी का लाभ उठाता है और गति सुधार और त्वरित एमआरआई अधिग्रहण के पुनरावृत्ति पुनर्निर्माण के साथ संयुक्त है। दृष्टिकोण पहले प्रकाशित अध्ययन14 में एक पाइपलाइन पर आधारित है और निम्नलिखित पांच चरणों से बना है: (1) भ्रूण रक्त प्रवाह अधिग्रहण, (2) वास्तविक समय पुनर्निर्माण, (3) गति सुधार, (4) कार्डियक गेटिंग, और (5) गेटेड पुनर्निर्माण।

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Protocol

हमारे संस्थागत अनुसंधान नैतिकता बोर्ड द्वारा अनुमोदित एक अध्ययन के हिस्से के रूप में स्वयंसेवकों से सूचित सहमति के साथ सभी एमआरआई स्कैन किए गए थे।

नोट: नीचे वर्णित विधियों का उपयोग 3 टी एमआरआई सिस्टम पर किया गया है। अधिग्रहण एक रेडियल चरण कंट्रास्ट एमआरआई अनुक्रम का उपयोग करके किया जाता है। यह अनुक्रम निर्माता के कार्टेशियन चरण कंट्रास्ट एमआरआई के रीडआउट प्रक्षेपवक्र (स्टेलेट पैटर्न प्राप्त करने के लिए) को संशोधित करके तैयार किया गया था। अनुक्रम और नमूना प्रोटोकॉल हमारे सी2पी एक्सचेंज प्लेटफॉर्म के माध्यम से अनुरोध पर उपलब्ध हैं। इस काम में सभी पुनर्निर्माण निम्नलिखित विनिर्देशों के साथ एक मानक डेस्कटॉप कंप्यूटर पर किए गए थे: 32 जीबी मेमोरी, 8 कोर के साथ 3.40 गीगाहर्ट्ज प्रोसेसर, और 1024 कंप्यूट एकीकृत डिवाइस आर्किटेक्चर (सीयूडीए) कोर के साथ 2 जीबी ग्राफिक कार्ड। छवि पुनर्निर्माण MATLAB पर किया गया था। नॉनयूनिफॉर्म फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (NUFFT)29 ग्राफिक्स प्रोसेसिंग यूनिट (GPU) पर किया गया था। गति सुधार मापदंडों की गणना इलास्टिक्स30 का उपयोग करके की गई थी। चित्रा 1 प्रोटोकॉल को कालानुक्रमिक क्रम में दर्शाता है, यह ट्रैक करता है कि पुनर्निर्माण के प्रत्येक चरण में प्रतिनिधि छवियों के साथ अधिग्रहित वेग एन्कोड (चित्रा 1 में कोडित रंग) कैसे संसाधित किया जाता है। पुनर्निर्माण कोड https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI पर उपलब्ध है। जबकि हम यहां प्रोटोकॉल में चरण प्रदान करते हैं, इनमें से अधिकांश एल्गोरिदम चरण हमारी पाइपलाइन में स्वचालित हैं।

1. विषय स्थिति और स्थानीय परीक्षा

  1. एमआरआई परीक्षा के लिए मां को उसकी पसंदीदा आरामदायक स्थिति में एमआरआई टेबल पर खुद को रखने में सहायता करें, आमतौर पर लापरवाह या पार्श्व डेक्यूबिटस स्थिति।
  2. कार्डियक कॉइल को मां के पेट के क्षेत्र पर रखें।
  3. मैग्नेट बोर में एमआरआई टेबल लोड करें और मां को सूचित करें कि स्कैन शुरू होने वाला है।
  4. भ्रूण के शरीर का पता लगाने के लिए एक स्थानीय परीक्षा चलाएं (रिज़ॉल्यूशन: 0.9 x 0.9 x 10 मिमी3, टीई / टीआर: 5.0/15.0 एमएस, एफओवी: 450 x 450 मिमी2, स्लाइस: 6)।
  5. भ्रूण के दिल पर केंद्रित स्लाइस समूह के साथ भ्रूण वाहिका का पता लगाने के लिए एक परिष्कृत स्थानीयकरण परीक्षा चलाएं (रिज़ॉल्यूशन 1.1 x 1.1 x 6.0 मिमी3, टीई / टीआर: 2.69/1335.4 एमएस, एफओवी: 350 x 350 मिमी2, स्लाइस: 10, अभिविन्यास: अक्षीय से भ्रूण)।
  6. भ्रूण वाहिकाओं के स्पष्ट दृश्य के लिए परिष्कृत स्थानीयकरण को धनु और कोरोनल झुकाव के साथ दोहराएं।
  7. सकल भ्रूण गति के मामलों में परिष्कृत स्थानीयकरण दोहराएं।

2. भ्रूण रक्त प्रवाह डेटा का अधिग्रहण

  1. स्थानीयकरण परीक्षाओं का उपयोग करके भ्रूण वाहिकाओं का पता लगाएं। उदाहरण के लिए, अवरोही महाधमनी धनु विमानों में रीढ़ की हड्डी के पास एक लंबा सीधा पोत है। आरोही महाधमनी और मुख्य फुफ्फुसीय धमनियों को क्रमशः बाएं और दाएं वेंट्रिकल छोड़ने वाली वाहिकाओं के रूप में पहचाना जा सकता है। डक्टस आर्टेरियोस को अवरोही महाधमनी के समीप मुख्य फुफ्फुसीय धमनी के डाउनस्ट्रीम खंड के रूप में ट्रैक किया जा सकता है। बेहतर वेना कावा को भ्रूण के दिल के आधार के पास अक्षीय विमानों से आरोही महाधमनी से सटे पोत के रूप में पहचाना जा सकता है।
  2. रुचि के भ्रूण पोत की धुरी के लंबवत एक टुकड़ा निर्धारित करें। एमआरआई कंसोल कंप्यूटर पर स्लाइस दिशानिर्देश को घुमाएं और स्थानांतरित करें ताकि यह लक्ष्य पोत को लंबवत रूप से प्रतिच्छेद कर दे।
  3. स्कैन पैरामीटर सेट करें (अधिग्रहण प्रकार: रेडियल फेज कंट्रास्ट एमआरआई, रिज़ॉल्यूशन: 1.3 x 1.3 x 5.0 मिमी3, इको टाइम (टीई)/पुनरावृत्ति समय (टीआर): 3.25/5.75 एमएस, फील्ड-ऑफ-व्यू (एफओवी):240 x 240 मिमी 2, स्लाइस: 1, वेग एन्कोडिंग: 100-150 सेमी /
  4. स्कैन चलाएं और एमआरआई कंसोल कंप्यूटर पर किए गए और प्रदर्शित प्रारंभिक समय-औसत पुनर्निर्माण के आधार पर नुस्खे को सत्यापित करें। यदि लक्ष्य पोत प्रारंभिक पुनर्निर्माण से अनुपस्थित या अज्ञात है तो स्थानीयकरण और चरण कंट्रास्ट स्कैन दोहराएं। अधिग्रहित कच्चे डेटा को चित्रा 1 ए में योजनाबद्ध रूप से दर्शाया गया है, जिसमें वेग की भरपाई की गई है और विमान अधिग्रहण के माध्यम से रंग को क्रमशः लाल और नीले रंग के रूप में कोडित किया गया है।
  5. प्रत्येक लक्षित रक्त वाहिका के लिए भ्रूण रक्त प्रवाह डेटा अधिग्रहण को दोहराएं।
    नोट: अधिग्रहित कच्चे डेटा (प्रारूप: डीएटी फाइलें) को ऑफ़लाइन पुनर्निर्माण के लिए स्थानांतरित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, सीमेंस स्कैनर पर, यह 'ट्विक्स' चलाकर किया जा सकता है। अधिग्रहित कच्चे डेटा को सूची अधिग्रहण से सही क्लिक किया जाता है और "कॉपी कुल रेड फ़ाइल" चुना जाता है।

3. भ्रूण माप की गति सुधार

  1. सीएस का उपयोग करके अधिग्रहित डेटा से वास्तविक समय श्रृंखला (अस्थायी रिज़ॉल्यूशन: 370 एमएस, रेडियल व्यू: 64) का पुनर्निर्माण करें, जिसमें स्थानिक कुल भिन्नता (एसटीवी, वजन: 0.008) और अस्थायी कुल भिन्नता (टीटीवी, वजन: 0.08) नियमितीकरण का फायदा उठाते हुए संयुग्म ढाल वंश अनुकूलन के 15 पुनरावृत्तियां शामिल हैं, जैसा कि चित्रा 1 बी में योजनाबद्ध द्वारा दर्शाया गया है।
  2. MATLAB में विकसित ग्राफिक यूजर इंटरफेस का उपयोग करके इस पहले वास्तविक समय के पुनर्निर्माण से रुचि के पोत को शामिल करने वाले रुचि के क्षेत्र (ROI) का चयन करें। इस चरण में, उपयोगकर्ता को एक समोच्च खींचना होगा जो भ्रूण की शारीरिक रचना को घेरता है, जैसे कि लक्ष्य महान वाहिकाओं या भ्रूण के दिल।
  3. इलास्टिक्स30 के साथ कठोर-शरीर गति ट्रैकिंग करें (अनुभवजन्य रूप से अनुकूलित मापदंडों के साथ सामान्यीकृत पारस्परिक जानकारी के आधार पर: 4 पिरामिड स्तर, 300 पुनरावृत्तियां और ट्रांसलेशनल ट्रांसफॉर्म)।
  4. ट्रैक किए गए वास्तविक समय के फ्रेम को अस्वीकार करें जो अन्य सभी फ्रेम के साथ कम पारस्परिक जानकारी (एमआई) साझा करते हैं (जिससे एमआई औसत एमआई से इंटरक्वार्टाइल रेंज 1.5 गुना से कम है)। इन फ्रेम को विमान गति या सकल भ्रूण गति के माध्यम से दर्शाया जाता है।
  5. एमआरआई डेटा का उपयोग शेष फ्रेम से निरंतर वास्तविक समय फ्रेम (अंतराल के बिना) की सबसे लंबी श्रृंखला के अनुरूप करें, जैसा कि आगे के पुनर्निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली अवधि के रूप में किया जाता है।
  6. इंटरपोल ट्रांसलेशनल गति सुधार पैरामीटर वास्तविक समय श्रृंखला (370 एमएस) के अस्थायी रिज़ॉल्यूशन से क्विसेंट अधिग्रहण के टीआर (5.75 एमएस) तक।
  7. चरण को संशोधित करके एमआरआई डेटा की परिभाषित क्वीसेंट अवधि के लिए इंटरपोलेटेड पैरामीटर लागू करें:
    Equation 1

    जहां 's' गति सही डेटा है, kx और ky k-space में निर्देशांक हैं, s अधिग्रहित असंशोधित डेटा है, त्रिभुजx और त्रिभुजy अंतरिक्ष में ट्रैक किए गए विस्थापन हैं, और j का प्रतिनिधित्व करता Equation 3है।
    नोट: इस काम में नियमितीकरण गुणांक के सभी संख्यात्मक मूल्यों को पहले के प्रयोगों में अनुकूलित किया गया था। यह नियमितीकरण गुणांक खोजने के लिए एक ब्रूट-फोर्स ग्रिड खोज का उपयोग करके पूरा किया गया था जो एक अत्यधिक नमूना भ्रूण संदर्भ डेटासेट के पुनर्निर्माण और पूर्वव्यापी रूप से एक ही डेटासेट से कम नमूने वाले मामलों के बीच त्रुटि को कम करता है।

4. भ्रूण की हृदय गति के लिए समाधान

  1. सीएस का उपयोग करके अधिग्रहित डेटा का उपयोग करके एक उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन (अस्थायी रिज़ॉल्यूशन: 46 एमएस, रेडियल व्यू: 8) पर एक दूसरी वास्तविक समय छवि श्रृंखला का पुनर्निर्माण करें, फिर से एसटीवी (वजन: 0.008) और टीटीवी (वजन: 0.08) नियमितीकरण के साथ संयुग्म ढाल वंश अनुकूलन के 15 पुनरावृत्तियों के साथ जैसा कि चित्रा 1 सी में योजनाबद्ध द्वारा दर्शाया गया है।
  2. रुचि के भ्रूण पोत को शामिल करने वाले आरओआई का फिर से चयन करें।
  3. समय-निर्भर भ्रूण हृदय गति प्राप्त करने के लिए वास्तविक समय श्रृंखला पर मल्टीपैरामीटर एमओजी चलाएं।
  4. बिन मोशन ने व्युत्पन्न हृदय गति तरंग का उपयोग करके एमआरआई डेटा को 15 हृदय चरणों में सही किया। इस चरण में, हृदय चरणों की अस्थायी सीमाओं की गणना पिछले चरण से हृदय गति का उपयोग करके की जाती है। उदाहरण के लिए, दिल की धड़कन में ith चरण के लिए सीमाएं निम्नलिखित द्वारा दी गई हैं:
    Equation 2a
    Equation 2b
    जहां HR (K) वह समय है जिस पर k thदिल की धड़कन होती है। एनथ रेडियल अधिग्रहण का टाइमस्टैम्प (एन एक्स टीआर) द्वारा दिया गया है। कार्डियक चरण की सीमाओं के भीतर आने वाले टाइमस्टैम्प वाले डेटा को उस चरण को सौंपा जाता है।
    नोट: एमओजी एक गेटिंग तकनीक26 है जिसमें एक बहु-पैरामीटर भ्रूण हृदय गति मॉडल के आधार पर अधिग्रहित डेटा की पुनरावृत्ति बिनिंग शामिल है ताकि सिने छवियां बनाई जा सकें जो रुचि के क्षेत्र पर छवि मीट्रिक को अनुकूलित करती हैं।

5. भ्रूण सीआईएनई का पुनर्निर्माण

  1. एसटीवी (वजन: 0.025) और टीटीवी (वजन: 0.01) नियमितीकरण के साथ संयुग्म ढाल वंश अनुकूलन के 10 पुनरावृत्तियों के साथ बिन्ड मोशन सही एमआरआई डेटा और सीएस का उपयोग करके भ्रूण प्रवाह सीआईएनई का पुनर्निर्माण करें। इस चरण में दो सीआईएनई का उत्पादन किया जाता है: एक प्रवाह क्षतिपूर्ति अधिग्रहण के लिए, सीएफसी, और एक प्रवाह एन्कोडेड डेटा, सीएफई के साथ, जैसा कि चित्रा 1 डी में योजनाबद्ध में दर्शाया गया है।
  2. सीएफई के तत्ववार उत्पाद के चरण और सी एफसी के जटिल संयुग्म द्वारा दिए गए वेग छवि की गणनाकरें।
  3. एडी वर्तमान प्रभावों को सही करने के लिए पृष्ठभूमि चरण सुधार31 लागू करें। संक्षेप में, इस स्वचालित चरण में, एक विमान को स्थिर भ्रूण और मातृ ऊतकों के चरण में फिट किया जाता है। सुधार 4.2 में गणना किए गए वेग संवेदनशील चरण से विमान को घटाकर किया जाता है।
  4. पुनर्निर्मित डेटा को DICOM फ़ाइलों में लिखें।
  5. डीआईसीओएम को प्रवाह विश्लेषण सॉफ्टवेयर में लोड करें, जैसे कि सेगमेंट v2.232.
  6. शारीरिक और वेग संवेदनशील छवियों का उपयोग करके रुचि की रक्त वाहिका के लुमेन को शामिल करते हुए एक आरओआई बनाएं।
  7. आरओआई को सभी हृदय चरणों में प्रचारित करें और पोत के व्यास में परिवर्तन के लिए सही करें।
  8. रिकॉर्ड प्रवाह माप।

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Representative Results

सामान्य तौर पर, प्रवाह के चरण एमआरआई परीक्षाएं छह प्रमुख भ्रूण वाहिकाओं को लक्षित करती हैं: अवरोही महाधमनी, आरोही महाधमनी, मुख्य फुफ्फुसीय धमनी, डक्टस धमनी, बेहतर वेना कावा, और गर्भनाल नस। ये वाहिकाएं चिकित्सक के लिए रुचि रखती हैं क्योंकि वे अक्सर सीएचडी और एफजीआर में फंस जाती हैं, पूरे भ्रूण9 में रक्त के वितरण को प्रभावित करती हैं। रेडियल चरण कंट्रास्ट एमआरआई के साथ एक विशिष्ट स्कैन अवधि 17 सेकंड प्रति पोत है जैसे कि स्कैन कम होते हैं जबकि सिने पुनर्निर्माण के लिए पर्याप्त डेटा अधिग्रहण के लिए समय की अनुमति देते हैं। प्रतिनिधि परिणामों के लिए स्थानीयकरण और चरण कंट्रास्ट एमआरआई सहित कुल अधिग्रहण समय 3 मिनट था। इस अध्ययन में, प्रतिनिधि परिणाम दो मानव भ्रूणों में अवरोही महाधमनी से प्रवाह अधिग्रहण डेटा का उपयोग करके प्रस्तुत किए जाते हैं: भ्रूण 1 और भ्रूण 2 क्रमशः 35 + 4 और 37 + 3 के गर्भकालीन आयु (सप्ताह + दिन) के साथ।

जैसा कि चित्र 1 में है, गति ट्रैकिंग के लिए किए गए प्रारंभिक वास्तविक समय पुनर्निर्माण (अस्थायी संकल्प: 370 एमएस) में प्रति पुनर्निर्मित स्लाइस 45 सेकंड लगे। अनुवाद गति ट्रैकिंग में प्रत्येक स्लाइस के लिए 2 मिनट लगे। भ्रूण 1 (चित्रा 2 ए 1, अधिकतम विस्थापन: 1.6 मिमी) और भ्रूण 2 (चित्रा 2 ए 2, अधिकतम विस्थापन: 1.3 मिमी) के लिए निकाले गए गति पैरामीटर स्कैन की अवधि में अवरोही महाधमनी की गति को दर्शाते हैं। अन्य सभी सह-पंजीकृत फ्रेम के साथ प्रत्येक वास्तविक समय सीमा की साझा पारस्परिक जानकारी चित्रा 2 बी 1 (भ्रूण 1) और चित्रा 2 बी 2 (भ्रूण 2) में दिखाई गई है। इन मामलों में, सभी फ्रेम ने कट ऑफ मानदंडों से ऊपर पारस्परिक जानकारी साझा की, इसलिए कोई डेटा अस्वीकार नहीं किया गया था। कार्डियक गेटिंग जानकारी प्राप्त करने के लिए उपयोग किए जाने वाले दूसरे वास्तविक समय के पुनर्निर्माण (अस्थायी संकल्प: 46 एमएस), प्रत्येक स्लाइस के लिए 10 मिनट लगे। एमओजी ने एक मल्टीपैरामीटर मॉडल का उपयोग करके भ्रूण के दिल की धड़कन (आरआर) अंतराल प्राप्त किया, जैसा कि चित्रा 2 सी 1 (भ्रूण 1, आरआर अंतराल: 521 ± 20 एमएस) और चित्रा 2 सी 2 (भ्रूण 2, आरआर अंतराल: 457 ± 9 एमएस) में दिखाया गया है।

पूर्वव्यापी गति-सही और गेटेड डेटा का उपयोग करके अंतिम सिने पुनर्निर्माण में प्रति स्लाइस 3 मिनट लगे। चरम सिस्टोल पर भ्रूण 1 और भ्रूण 2 के लिए शारीरिक और वेग पुनर्निर्माण चित्रा 3 में दिखाए गए हैं। गति सुधार के साथ पुनर्निर्माण तेज दीवारों वाले जहाजों को दिखाते हैं। गति सुधार के बिना, अवरोही महाधमनी धुंधली और कम विशिष्ट है। प्रत्येक भ्रूण से मापा प्रवाह वक्र (चित्रा 4) गति सुधार के बिना पुनर्निर्माण में उच्च शिखर और माध्य प्रवाह दिखाते हैं ([पीक माध्य]: भ्रूण 1 [25.2 9.8] मिलीलीटर / एस, भ्रूण 2 [34.6 10.3] मिलीलीटर /

Figure 1
चित्र 1: भ्रूण चरण कंट्रास्ट एमआरआई डेटा के पुनर्निर्माण के लिए पाइपलाइन। (ए) चरण 1: गोल्डन-एंगल रेडियल चरण कंट्रास्ट एमआरआई डेटा (रंग कोडित: प्रवाह मुआवजा = लाल और विमान एन्कोड = नीला के माध्यम से)। वैकल्पिक रंग दर्शाते हैं कि प्रवाह-क्षतिपूर्ति और थ्रू-प्लेन एन्कोडेड अधिग्रहण एक ही स्थानिक आवृत्तियों पर होते हैं। (बी) चरण 2: स्पर्श बाधाओं (एसटीवी और टीटीवी) के साथ सीएस का उपयोग करके वास्तविक समय के पुनर्निर्माण के लिए 370 एमएस की अस्थायी खिड़कियां। गति सुधार और डेटा अस्वीकृति का प्रदर्शन किया जाता है। (सी) चरण 3: एमओजी के लिए सीएस (एसटीवी और टीटीवी स्पर्श बाधाओं के साथ) के साथ वास्तविक समय के पुनर्निर्माण के लिए 46 एमएस की अस्थायी खिड़कियां बनाई गई हैं। (डी) चरण 4: डेटा को कार्डियक चरणों (सीपी) में विभाजित किया जाता है, और सीएस का उपयोग स्पर्श बाधाओं (एसटीवी और टीटीवी) के साथ भ्रूण प्रवाह सिने बनाने के लिए किया जाता है। प्रत्येक सीएस चरण से प्रतिनिधि पुनर्निर्माण पुनर्निर्माण कॉलम में दिखाए गए हैं। चरण 3 और 4 के लिए पुनर्निर्माण पीक सिस्टोल के अनुरूप समय बिंदु के लिए दिखाए गए हैं। शारीरिक छवियों के शीर्ष बाएं कोने में स्केल बार छवि में 10 मिमी को दर्शाते हैं। सेकंड में, ग्रे में हाइलाइट किए गए समय विनिर्देश संबंधित चरणों की अवधि का प्रतिनिधित्व करते हैं। एसटीवी: स्थानिक कुल भिन्नता, टीटीवी: अस्थायी कुल भिन्नता, सीएस: संपीड़ित संवेदन, एमओजी: मीट्रिक अनुकूलित गेटिंग, सिने: गेटेड गतिशील पुनर्निर्माण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: प्रतिनिधि विस्थापन और हृदय गति वक्र। ए 1 और ए 2 क्रमशः भ्रूण 1 और भ्रूण 2 में स्कैन के लिए पूर्वव्यापी रूप से ट्रैक किए गए विस्थापन वक्र को दर्शाते हैं। बी 1 और बी 2 क्रमशः भ्रूण 1 और भ्रूण 2 के लिए अन्य सभी फ्रेम के साथ दिए गए फ्रेम की पारस्परिक जानकारी का योग दिखाते हैं। लाल बिंदीदार रेखाएं 1.5 x इंटरक्वार्टाइल रेंज का प्रतिनिधित्व करती हैं जिसके नीचे डेटा अस्वीकार कर दिया जाता है। सी 1 और सी 2 क्रमशः भ्रूण 1 और भ्रूण 2 में एमओजी के साथ प्राप्त आरआर अंतराल को दर्शाते हैं। आरआर अंतराल: लगातार दिल की धड़कन के बीच का समय, एमओजी: मीट्रिक अनुकूलित गेटिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure3
चित्रा 3: पीक सिस्टोल पर प्रतिनिधि वेग संवेदनशील सिने पुनर्निर्माण। प्रत्येक चतुर्थांश शारीरिक और वेग पुनर्निर्माण को दर्शाता है। शीर्ष पंक्ति क्रमशः भ्रूण 1 और भ्रूण 2 में गति सुधार के साथ सिने को दिखाती है। नीचे की पंक्ति क्रमशः भ्रूण 1 और भ्रूण 2 में गति सुधार के बिना सिने दिखाती है। लाल और नीले तीर अवरोही महाधमनी को दर्शाते हैं। शारीरिक छवियों के ऊपरी बाएं कोने में स्केल बार 10 मिमी को दर्शाते हैं। कृपया इस आंकड़े के बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: भ्रूण अवरोही महाधमनी में प्रतिनिधि प्रवाह वक्र। ठोस और धराशायी डेटा लाइनें भ्रूण 1 (बाएं) और भ्रूण 2 (दाएं) में क्रमशः गति सुधार के साथ और बिना सिने पुनर्निर्माण से प्राप्त प्रवाह वक्रों को दर्शाती हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

यह विधि मानव भ्रूण की महान वाहिकाओं में रक्त प्रवाह के गैर-इनवेसिव माप को सक्षम बनाती है और पुनरावृत्ति पुनर्निर्माण तकनीकों का उपयोग करके पूर्वव्यापी गति सुधार और कार्डियक गेटिंग की अनुमति देती है। भ्रूण के रक्त प्रवाह का परिमाणीकरण पिछले 1,3,8,9 में एमआरआई के साथ किया गया है। इन अध्ययनों में गति भ्रष्टाचार को कम करने के लिए एक संभावित दृष्टिकोण था, जिससे स्कैनर पर प्रारंभिक पुनर्निर्माण से सकल भ्रूण की गति की पहचान की गई थी तो स्कैन दोहराया जाएगा। वर्तमान प्रोटोकॉल सकल भ्रूण गति द्वारा दूषित डेटा को पूर्वव्यापी रूप से अस्वीकार करके इस पर सुधार करता है और सूक्ष्म भ्रूण आंदोलनों या मातृ श्वसन गति से उत्पन्न होने वाले इन-प्लेन विस्थापन के लिए और सुधार करता है।

यह प्रोटोकॉल एमओजी के लिए एक मल्टीपैरामीटर मॉडल का उपयोग करता है जिससे प्रत्येक भ्रूण के दिल की धड़कन के लिए आरआर अंतराल की गणना की जाती है। कम पैरामीटर हृदय गति मॉडल (जैसे 2 पैरामीटर) का उपयोग करना आम तौर पर छोटे स्कैन के लिए स्वीकार्य है क्योंकि स्वस्थ भ्रूण हृदय गति में कम परिवर्तनशीलता33 है। हालांकि, कम पैरामीटर मॉडल लंबे स्कैन के लिए या एरिथमिया जैसे विकृति के मामलों में समस्याग्रस्त हो जाते हैं। एमओजी में एक मल्टीपैरामीटर मॉडल इन बदलते आरआर अंतरालों को ट्रैक कर सकता है, अधिक सटीक प्रवाह प्रदान कर सकता है।

वर्तमान प्रोटोकॉल कुछ संशोधनों की अनुमति देता है। सबसे पहले, गति ट्रैकिंग और प्रवाह विश्लेषण के लिए इस अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले तीसरे पक्ष के सॉफ़्टवेयर को अन्य उपलब्ध सॉफ़्टवेयर पैकेजों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। दूसरा, सीएस के लिए संयुग्म ढाल वंश एल्गोरिदम में पुनरावृत्तियों की संख्या बढ़ाई जा सकती है। इस अध्ययन में, प्रत्येक चरण में पुनरावृत्तियों की संख्या एक मूल्य पर निर्धारित की गई थी जिसके बाद पूर्व पुनर्निर्माण के आधार पर न्यूनतम सुधार थे। इस काम में, केवल तीसरी तिमाही गर्भधारण को स्कैन किया गया था। पहले गर्भधारण में, भ्रूण छोटा होता है और गति के लिए अधिक जगह हो सकती है। हालांकि, चूंकि स्कैन में क्वीसेंट अवधि को सिने पुनर्निर्माण के लिए पूर्वव्यापी रूप से पहचाना जाता है, इसलिए यह प्रोटोकॉल इन पहले की उम्र में प्रवाह इमेजिंग के लिए सफल होना चाहिए। कम गर्भकालीन आयु में छोटे पोत व्यास को पूरा करने के लिए स्कैन के संकल्प में वृद्धि की आवश्यकता हो सकती है। इस प्रोटोकॉल के लिए, चित्रा 1 में रिपोर्ट किए गए पुनर्निर्माण समय और परिणाम उपलब्ध कम्प्यूटेशनल शक्ति पर बहुत अधिक निर्भर हैं। उदाहरण के लिए, बेहतर जीपीयू और अधिक शक्तिशाली प्रोसेसर के साथ, पुनर्निर्माण के समय को काफी कम किया जा सकता है।

प्रोटोकॉल की कुछ सीमाएं हैं। सबसे पहले, सिने पुनर्निर्माण की गुणवत्ता गति सुधार चरण में अस्वीकार किए गए डेटा की मात्रा पर निर्भर करती है। स्कैन के दौरान सकल भ्रूण आंदोलनों के बढ़ते एपिसोड के साथ, अधिक डेटा अस्वीकार कर दिया जाता है। नतीजतन, सिने पुनर्निर्माण में परिणामी सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) कम हो जाएगा। कम एसएनआर वेग छवियों34 और परिणामस्वरूप प्रवाह परिमाणीकरण में अनिश्चितता को बढ़ाता है। इसलिए प्रदर्शन में अधिक भ्रूण की वृद्धि के साथ सुधार होगा। दूसरा, विधि गति सुधार और एमओजी के लिए आरओआई की परिभाषा पर निर्भर करती है। वर्तमान कार्यान्वयन में, यह चरण मैन्युअल रूप से किया जाता है। हमने पाया है कि पुनर्निर्माण आरओआई स्थिति में छोटे अंतर के लिए स्थिर है, लेकिन इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप डेटा अधिग्रहण और सिने पुनर्निर्माण के बीच प्रतीक्षा समय होता है (क्योंकि तीन पुनरावृत्ति पुनर्निर्माण चरणों के बीच दो आरओआई प्लेसमेंट चरण हैं)। यह तब और अधिक बोझिल हो जाता है जब बड़ी संख्या में स्लाइस प्राप्त होते हैं। प्रोटोकॉल के भविष्य के कार्यान्वयन में, ROI प्लेसमेंट स्वचालित होगा।

वर्तमान में, हम स्थानीय नैतिकता बोर्ड से अनुमोदन के साथ अनुसंधान अध्ययन में प्रस्तुत प्रोटोकॉल का उपयोग कर रहे हैं। प्रोटोकॉल का उपयोग उन मामलों में भी किया जा सकता है जिनमें एमआरआई परीक्षा के दौरान गति एक संभावित समस्या है, जैसे कि नवजात शिशुओं या असहयोगी विषयों में। विधि की भविष्य की दिशाओं में सर्पिल प्रक्षेपवक्र35,36 की जांच शामिल है, जो अधिक कुशल नमूनाकरण और वास्तविक समय भ्रूण प्रवाह की खोज के लिए एक संभावना प्रदान करते हैं।

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Disclosures

कोई नहीं।

Acknowledgments

कोई नहीं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 

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चिकित्सा अंक 167 एमआरआई के साथ भ्रूण प्रवाह इमेजिंग भ्रूण चरण कंट्रास्ट एमआरआई
चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और गति मुआवजे के साथ मानव भ्रूण रक्त प्रवाह परिमाणीकरण
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Goolaub, D. S., Marini, D., Seed, M., Macgowan, C. K. Human Fetal Blood Flow Quantification with Magnetic Resonance Imaging and Motion Compensation. J. Vis. Exp. (167), e61953, doi:10.3791/61953 (2021).

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