Quantificazione del flusso sanguigno fetale umano con risonanza magnetica e compensazione del movimento

Summary

Qui presentiamo un protocollo per misurare rapidamente il flusso sanguigno fetale con la risonanza magnetica ed eseguire retrospettivamente la correzione del movimento e il gating cardiaco.

Abstract

La risonanza magnetica (MRI) è uno strumento importante per la valutazione clinica della morfologia cardiovascolare e della funzione cardiaca. È anche lo standard di cura riconosciuto per la quantificazione del flusso sanguigno basato sulla risonanza magnetica a contrasto di fase. Mentre tale misurazione del flusso sanguigno è stata possibile negli adulti per decenni, i metodi per estendere questa capacità al flusso sanguigno fetale sono stati sviluppati solo di recente.

La quantificazione del flusso sanguigno fetale nei vasi principali è importante per il monitoraggio delle patologie fetali come la cardiopatia congenita (CHD) e la restrizione della crescita fetale (FGR). CHD provoca alterazioni nella struttura cardiaca e vascolare che cambiano il corso del sangue nel feto. In FGR, il percorso del flusso sanguigno viene alterato attraverso la dilatazione degli shunt in modo tale che l’apporto di sangue ossigenato al cervello sia aumentato. La quantificazione del flusso sanguigno consente di valutare la gravità della patologia fetale, che a sua volta consente un’adeguata gestione del paziente in utero e la pianificazione per l’assistenza postnatale.

Le sfide principali dell’applicazione della risonanza magnetica a contrasto di fase al feto umano includono piccole dimensioni dei vasi sanguigni, alta frequenza cardiaca fetale, potenziale corruzione dei dati MRI dovuta alla respirazione materna, movimenti fetali imprevedibili e mancanza di metodi di gating cardiaco convenzionali per sincronizzare l’acquisizione dei dati. Qui, descriviamo i recenti sviluppi tecnici del nostro laboratorio che hanno permesso la quantificazione del flusso sanguigno fetale utilizzando la risonanza magnetica a contrasto di fase, compresi i progressi nell’imaging accelerato, nella compensazione del movimento e nel gating cardiaco.

Introduction

Una valutazione completa della circolazione fetale è necessaria per monitorare patologie fetali come la restrizione della crescita fetale (FGR) e la cardiopatia congenita (CHD)^1,2,3. In utero, la gestione del paziente e la pianificazione per l’assistenza postnatale dipendono dalla gravità della patologia fetale 4,5,6,7. La fattibilità della quantificazione del flusso sanguigno fetale con la risonanza magnetica e le sue applicazioni nella valutazione delle patologie fetali sono state recentemente dimostrate ^3,8,9. Il metodo di imaging, tuttavia, deve affrontare sfide, come l’aumento dei tempi di imaging per ottenere un’elevata risoluzione spaziotemporale, la mancanza di metodi di sincronizzazione cardiaca e il movimento fetale imprevedibile¹⁰.

La vascolarizzazione fetale comprende piccole strutture (~ 5 mm di diametro per i principali vasi sanguigni che comprendono l’aorta discendente, il dotto arterioso, l’aorta ascendente, l’arteria polmonare principale e la vena cava superiore^11,12,13). Per risolvere queste strutture e quantificare il flusso, è necessaria l’imaging ad alta risoluzione spaziale. Inoltre, la frequenza cardiaca fetale è circa il doppio di quella di un adulto. È quindi necessaria anche un’elevata risoluzione temporale per risolvere il movimento cardiaco dinamico e il flusso sanguigno attraverso il ciclo cardiaco fetale. L’imaging convenzionale a questa elevata risoluzione spaziotemporale richiede tempi di acquisizione relativamente lunghi. Per risolvere questo problema, è stata introdotta la risonanza magnetica fetale accelerata^14,15,16. In breve, queste tecniche di accelerazione comportano il sottocampionamento nel dominio della frequenza durante l’acquisizione dei dati e la ricostruzione retrospettiva ad alta fedeltà utilizzando tecniche iterative. Uno di questi approcci è la ricostruzione del rilevamento compresso (CS), che consente la ricostruzione di immagini da dati fortemente sottocampionati quando l’immagine ricostruita è sparsa in un dominio noto e gli artefatti di sottocampionamento sono incoerenti¹⁷.

Il movimento nell’imaging fetale rappresenta una grande sfida. La corruzione del movimento può derivare dal movimento respiratorio materno, dal movimento di massa materno o dal movimento fetale grossolano. La respirazione materna porta a traduzioni periodiche del feto, mentre i movimenti fetali sono più complessi. I movimenti fetali possono essere classificati come localizzati o lordi^10,18. I movimenti localizzati comportano il movimento di soli segmenti del corpo. In genere durano circa 10-14 s e la loro frequenza aumenta con la gestazione (~90 all’ora a termine)¹⁰. Questi movimenti generalmente causano piccole corruzioni e non influiscono sull’area di interesse dell’imaging. Tuttavia, i movimenti fetali grossolani possono portare a gravi danni dell’immagine con componenti di movimento del piano passante. Questi movimenti sono movimenti di tutto il corpo mediati dalla colonna vertebrale e durano per 60-90 s.

Per evitare artefatti dal movimento fetale, vengono prima prese misure per ridurre al minimo i movimenti materni. Le donne incinte sono rese più rilassate usando cuscini di supporto sul letto dello scanner e vestite con abiti comodi e possono avere i loro partner presenti accanto allo scanner per ridurre la claustrofobia^19,20. Per mitigare gli effetti del movimento respiratorio materno, gli studi hanno eseguito esami MR fetali in apneale^{materna 21,22,23}. Tuttavia, tali acquisizioni devono essere brevi (~15 s) data la ridotta tolleranza al respiro delle soggetti gravide. Recentemente, sono stati introdotti metodi di correzione retrospettiva del movimento per la risonanza magnetica fetale^14,15,16. Questi metodi tracciano il movimento fetale utilizzando toolkit di registrazione e correggono il movimento o scartano porzioni non correggibili dei dati acquisiti.

Infine, le immagini di RM cardiaca postnatale vengono acquisite convenzionalmente utilizzando il gating dell’elettrocardiogramma (ECG) per sincronizzare l’acquisizione dei dati con il ciclo cardiaco. Senza gating, il movimento cardiaco e il flusso pulsatile da tutto il ciclo cardiaco sono combinati, producendo artefatti. Sfortunatamente, il segnale ECG fetale soffre di interferenze dal segnale ECG materno²⁴ e distorsioni dal campo magnetico²⁵. Pertanto, sono stati proposti approcci alternativi non invasivi al gating cardiaco fetale, tra cui self-gating, gating metrico ottimizzato (MOG) e gating ecografico doppler^21,26,27,28.

Come descritto nelle sezioni seguenti, il nostro approccio MRI per quantificare il flusso sanguigno fetale sfrutta un nuovo metodo di gating, MOG, sviluppato nel nostro laboratorio e combinato con la correzione del movimento e la ricostruzione iterativa delle acquisizioni MRI accelerate. L’approccio si basa su una pipeline in uno studio precedentemente pubblicato¹⁴ ed è composto dalle seguenti cinque fasi: (1) acquisizione del flusso sanguigno fetale, (2) ricostruzioni in tempo reale, (3) correzione del movimento, (4) gating cardiaco e (5) ricostruzioni gated.

Protocol

Tutte le scansioni MRI sono state eseguite con il consenso informato dei volontari come parte di uno studio approvato dal nostro comitato etico di ricerca istituzionale. NOTA: I metodi descritti di seguito sono stati utilizzati su un sistema di risonanza magnetica 3T. L’acquisizione viene eseguita utilizzando una sequenza MRI a contrasto di fase radiale. Questa sequenza è stata preparata modificando la traiettoria di lettura (per ottenere un modello stellato) della risonanza magnetica a contr…

Representative Results

In generale, gli esami di fase MRI del flusso mirano a sei vasi fetali principali: l’aorta discendente, l’aorta ascendente, l’arteria polmonare principale, il dotto arterioso, la vena cava superiore e la vena ombelicale. Questi vasi sono di interesse per il clinico in quanto sono spesso implicati in CHD e FGR, influenzando la distribuzione del sangue in tutto il feto9. Una durata tipica della scansione con la risonanza magnetica a contrasto di fase radiale è di 17 s per vaso, in modo tale che le …

Discussion

Questo metodo consente la misurazione non invasiva del flusso sanguigno nei grandi vasi fetali umani e consente la correzione retrospettiva del movimento e il gating cardiaco facendo uso di tecniche di ricostruzione iterativa. La quantificazione del flusso sanguigno fetale è stata eseguita con la risonanza magnetica negli ultimi ^1,3,8,9. Questi studi avevano un…

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