Elektromyometrisk avbildning av livmodersammandragningar hos gravida kvinnor
Summary
Vi presenterar ett protokoll för att genomföra elektromyometrisk avbildning (EMMI), inklusive följande procedurer: multipla elektromyografielektrodsensorinspelningar från kroppsytan, magnetisk resonanstomografi och rekonstruktion av livmoderns elektriska signaler.
Abstract
Under normal graviditet börjar livmoderns glatta muskulatur, myometriet, att ha svaga, okoordinerade sammandragningar vid sen dräktighet för att hjälpa livmoderhalsen att omformas. Under förlossningen har myometriet starka, koordinerade sammandragningar för att förlösa fostret. Olika metoder har utvecklats för att övervaka livmoderns sammandragningsmönster för att förutsäga förlossningsstart. De nuvarande teknikerna har dock begränsad rumslig täckning och specificitet. Vi utvecklade elektromyometrisk avbildning (EMMI) för att icke-invasivt kartlägga livmoderns elektriska aktivitet på den tredimensionella livmoderytan under sammandragningar. Det första steget i EMMI är att använda T1-viktad magnetisk resonanstomografi för att få fram den individspecifika kropps-livmodergeometrin. Därefter används upp till 192 elektroder av stifttyp placerade på kroppsytan för att samla in elektriska registreringar från myometriet. Slutligen utförs EMMI-databehandlingspipelinen för att kombinera kropps-livmodergeometrin med kroppsytans elektriska data för att rekonstruera och avbilda livmoderns elektriska aktiviteter på livmoderns yta. EMMI kan på ett säkert och icke-invasivt sätt avbilda, identifiera och mäta tidiga aktiveringsregioner och förökningsmönster över hela livmodern i tre dimensioner.
Introduction
Kliniskt mäts livmoderkontraktioner antingen med hjälp av en intrauterin tryckkateter eller genom att utföra tokodynamometri1. I forskningsmiljön kan livmoderns sammandragningar mätas med elektromyografi (EMG), där elektroder placeras på bukytan för att mäta de bioelektriska signalerna som genereras av myometrium 2,3,4,5,6,7. Man kan använda magnitud, frekvens och utbredningsegenskaper hos elektriska utbrott 8,9,10,11,12 som härrör från EMG för att förutsäga förlossningens början i förtid. Vid konventionell EMG mäts dock den elektriska aktiviteten av livmodersammandragningar från endast ett litet område av bukytan med ett begränsat antal elektroder (två13 och fyra 7,14,15,16 i mitten av bukytan och 64 17 vid nedre bukytan). Dessutom är konventionell EMG begränsad i sin förmåga att studera förlossningsmekanismerna, eftersom den endast återspeglar de genomsnittliga elektriska aktiviteterna från hela livmodern och inte kan upptäcka de specifika elektriska initierings- och aktiveringsmönstren på livmoderns yta under sammandragningar.
En ny utveckling som kallas elektromyotrial imaging (EMMI) har introducerats för att övervinna bristerna med konventionell EMG. EMMI möjliggör icke-invasiv avbildning av hela myometriumets elektriska aktiveringssekvens under livmoderns sammandragningar 18,19,20,21. För att få fram geometrin mellan kropp och livmoder använder EMMI T1-viktad magnetisk resonanstomografi (MRT)22,23,24, som har använts i stor utsträckning för gravida kvinnor under andra och tredje trimestern. Därefter används upp till 192 elektroder av stifttyp placerade på kroppsytan för att samla in elektriska registreringar från myometriet. Slutligen utförs EMMI-databehandlingspipelinen för att kombinera kropps-livmodergeometrin med elektriska data för att rekonstruera och avbilda elektriska aktiviteter på livmoderns yta21. EMMI kan exakt lokalisera initieringen av livmodersammandragningar och bildutbredningsmönster under livmodersammandragningar i tre dimensioner. Syftet med denna artikel är att presentera EMMI-procedurerna och visa representativa resultat från gravida kvinnor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elektromyografi har indikerat att frekvensen och amplituden för livmoderns elektriska signaler förändras under graviditetsperioden 2,16,25. Flera studier har undersökt livmoderns förökningsmönster för livmodersammandragningar hos patienter i aktiv förlossning 10,17,26,27,28.<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Deborah Frank för redigeringen av detta manuskript och Jessica Chubiz för att ha organiserat projektet. Finansiering: Detta arbete stöddes av March of Dimes Center Grant (22-FY14-486), genom bidrag från NIH/National Institute of Child Health and Human Development (R01HD094381 till PIs Wang/Cahill; R01HD104822 till PIs Wang/Schwartz/Cahill), genom bidrag från Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 till PI Wang) och genom bidrag från Bill and Melinda Gates Foundation (INV-005417, INV-035476 och INV-037302 till PI Wang).
Materials
| 16 G Vinyl 54" Clear | Jo-Ann Stores | 1532449 | |
| 3 T Siemens Prisma | Siemens | N/A | MRI scanner |
| 3M double coated medical tape – transparent | MBK tape solutions | 1522 | Width – 0.5" |
| Active electrode holders with X -ring | Biosemi | N/A | 17 mm |
| Amira | Thermo Fisher Scientific | N/A | Data analysis software |
| Bella storage solution 28 Quart clear underbed storage tote | Mernards | 6455002 | |
| Extreme-temperature silicone rubber translucent | McMaster-Carr | 86465K71 | Thickness 1.32” |
| Gorilla super glue gel | Amazon | N/A | |
| LifeTime carbide punch and die set, 9 Pc. | Harbor Freight | 95547 | |
| Optical 3D scan | Artec 3D | Artec Eva Lite | |
| PDI super sani cloth germicidal wipes | McKesson medical supply company | Q55172 | Santi-cloth |
| Pin-type active electrodes | Biosemi | Pin-type | |
| REDUX electrolyte gel | Amazon | 67-05 | |
| Soft cloth measuring tape | Amazon | N/A | any brand can be used |
| Sterilite layer handle box | Walmart | 14228604 | Closed box |
| TD-22 Electrode collar 8 mm | Discount disposables | N/A | |
| Vida scanner | Siemens | N/A | MRI scanner |
| Vitamin E dl-Alpha 400 IU – 100 liquid softgels | Nature made | SU59FC52EE73DC3 |
References
- Hadar, E., Biron-Shental, T., Gavish, O., Raban, O., Yogev, Y. A comparison between electrical uterine monitor, tocodynamometer and intra uterine pressure catheter for uterine activity in labor. The Journal of Maternal-Fetal & Neonatal Medicine. 28 (12), 1367-1374 (2015).
- Schlembach, D., Maner, W. L., Garfield, R. E., Maul, H. Monitoring the progress of pregnancy and labor using electromyography. European Journal of Obstetrics, Gynecology, and Reproductive Biology. 144, S33-S39 (2009).
- Jacod, B. C., Graatsma, E. M., Van Hagen, E., Visser, G. H. A. A validation of electrohysterography for uterine activity monitoring during labour. The Journal of Maternal-Fetal & Neonatal Medicine. 23 (1), 17-22 (2009).
- Garfield, R. E., et al. Uterine Electromyography and light-induced fluorescence in the management of term and preterm labor. Journal of the Society for Gynecologic Investigation. 9 (5), 265-275 (2016).
- Devedeux, D., Marque, C., Mansour, S., Germain, G., Duchêne, J. Uterine electromyography: A critical review. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 169 (6), 1636-1653 (1993).
- Jain, S., Saad, A. F., Basraon, S. S. Comparing uterine electromyography & tocodynamometer to intrauterine pressure catheter for monitoring labor. Journal of Woman’s Reproductive Health. 1 (3), 22-30 (2016).
- Lucovnik, M., et al. Use of uterine electromyography to diagnose term and preterm labor. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 90 (2), 150-157 (2011).
- Garcia-Casado, J., et al. Electrohysterography in the diagnosis of preterm birth: a review. Physiological Measurement. 39 (2), 02 (2018).
- Maner, W. L., Garfield, R. E. Identification of human term and preterm labor using artificial neural networks on uterine electromyography data. Annals of Biomedical Engineering. 35 (3), 465-473 (2007).
- Rabotti, C., Mischi, M. Propagation of electrical activity in uterine muscle during pregnancy: a review. Acta Physiologica. 213 (2), 406-416 (2015).
- Cohen, W. R. Clinical assessment of uterine contractions. International Journal of Gynaecology and Obstetrics. 139 (2), 137-142 (2017).
- Maner, W. L., Garfield, R. E., Maul, H., Olson, G., Saade, G. Predicting term and preterm delivery with transabdominal uterine electromyography. Obstetrics & Gynecology. 101 (6), 1254-1260 (2003).
- Leman, H., Marque, C., Gondry, J. Use of the electrohysterogram signal for characterization of contractions during pregnancy. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 46 (10), 1222-1229 (1999).
- Vasak, B., et al. Uterine electromyography for identification of first-stage labor arrest in term nulliparous women with spontaneous onset of labor. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 209 (3), e1-e8 (2013).
- Euliano, T. Y., et al. Monitoring uterine activity during labor: a comparison of 3 methods. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 208 (1), e1-e6 (2013).
- Garfield, R. E., Maner, W. L. Physiology and electrical activity of uterine contractions. Seminars in Cell & Developmental Biology. 18 (3), 289-295 (2007).
- Rabotti, C., Bijloo, R., Oei, G., Mischi, M. Vectorial analysis of the electrohysterogram for prediction of preterm delivery: a preliminary study. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE. , 3880-3883 (2011).
- Wu, W., et al. Noninvasive high-resolution electromyometrial imaging of uterine contractions in a translational sheep model. Science Translational Medicine. 11 (483), (2019).
- Wang, H., et al. Accuracy of electromyometrial imaging of uterine contractions in clinical environment. Computers in Biology and Medicine. 116, 103543 (2020).
- Cahill, A. G., et al. Analysis of electrophysiological activation of the uterus during human labor contractions. JAMA Network Open. 5 (6), 2214707 (2022).
- Wang, H., et al. Noninvasive electromyometrial imaging of human uterine maturation during term labor. Nature Communications. 14 (1), 1198 (2023).
- Kok, R. D., de Vries, M. M., Heerschap, A., vanden Berg, P. P. Absence of harmful effects of magnetic resonance exposure at 1.5 T in utero during the third trimester of pregnancy: A follow-up study. Magnetic Resonance Imaging. 22 (6), 851-854 (2004).
- Choi, J. S., et al. A case series of 15 women inadvertently exposed to magnetic resonance imaging in the first trimester of pregnancy. Journal of Obstetrics and Gynaecology. 35 (8), 871-872 (2015).
- Ray, J. G., Vermeulen, M. J., Bharatha, A., Montanera, W. J., Park, A. L. Association between MRI exposure during pregnancy and fetal and childhood outcomes. JAMA. 316 (9), 952-961 (2016).
- Benedetti, M. G., Agostini, V., Knaflitz, M., Bonato, P. Applications of EMG in clinical and sports medicine. Intech Open. , 117-130 (2012).
- Lange, L., et al. Velocity and directionality of the electrohysterographic signal propagation. PloS One. 9 (1), e86775 (2014).
- Planes, J. G., Morucci, J. P., Grandjean, H., Favretto, R. External recording and processing of fast electrical activity of the uterus in human parturition. Medical & Biological Engineering & Computing. 22 (6), 585-591 (1984).
- Mikkelsen, E., Johansen, P., Fuglsang-Frederiksen, A., Uldbjerg, N. Electrohysterography of labor contractions: propagation velocity and direction. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica. 92 (9), 1070-1078 (2013).
- Young, R. C. The uterine pacemaker of labor. Best Practice & Research. Clinical Obstetrics & Gynaecology. 52, 68-87 (2018).
- Goldenberg, R. L. The management of preterm labor. Obstetrics and Gynecology. 100 (5), 1020-1037 (2002).
- Rubens, C. E., et al. Prevention of preterm birth: harnessing science to address the global epidemic. Science Translational Medicine. 6 (262), 5 (2014).
- Shi, H., et al. Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures. Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116 (2019).
- Lo, L. W., et al. An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications. ACS Applied Materials and Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).
- Lo, L. W., et al. Stretchable sponge electrodes for long-term and motion-artifact-tolerant recording of high-quality electrophysiologic signals. ACS Nano. 16 (8), 11792-11801 (2022).
