通过磁共振成像和运动补偿进行人胎儿血流定量

摘要

在这里，我们提出了一种用MRI快速测量胎儿血流的协议，并回顾性地进行运动矫正和心脏门控。

摘要

磁共振成像（MRI）是临床评估心血管形态和心脏功能的重要工具。它也是基于相差MRI的血流量化的公认护理标准。虽然这种血流测量在成人中已经存在了几十年，但将这种能力扩展到胎儿血流的方法直到最近才被开发出来。

主要血管中的胎儿血流定量对于监测先天性心脏病 （CHD） 和胎儿生长受限 （FGR） 等胎儿病理非常重要。冠心病引起心脏结构和脉管系统的改变，从而改变胎儿的血液过程。在FGR中，通过扩张分流器改变血流路径，从而增加大脑的含氧血液供应。血流定量可以评估胎儿病理的严重程度，这反过来又允许适合子宫内的患者管理和产后护理计划。

将相差MRI应用于人类胎儿的主要挑战包括血管体积小，胎心率高，由于母亲呼吸而导致的潜在MRI数据损坏，不可预测的胎儿运动以及缺乏传统的心脏门控方法来同步数据采集。在这里，我们描述了我们实验室的最新技术发展，这些技术发展能够使用相差MRI量化胎儿血流，包括加速成像，运动补偿和心脏门控方面的进展。

引言

对胎儿循环进行全面评估对于监测胎儿病变（如胎儿生长受限 （FGR） 和先天性心脏病 （^CHD））是必要的1，^2，3。在子宫内，患者管理和产后护理计划取决于胎儿病理的严重程度⁴，⁵，^6，7。最近证明了使用MRI定量胎儿血流的可行性及其在评估胎儿病理学中的应用³，^8，9。然而，成像方法面临着挑战，例如增加成像时间以实现高时空分辨率，缺乏心脏同步方法以及不可预测的胎儿运动¹⁰。

胎儿脉管系统由小结构组成（包括降主动脉、动脉导管、升主动脉、主动脉、主肺动脉和上腔静脉的主要血管直径 ~5 mm）¹¹，^12，13）。为了解析这些结构并量化流量，需要高空间分辨率的成像。此外，胎儿的心率大约是成人的两倍。因此，还需要高时间分辨率来解析整个胎儿心动周期的动态心脏运动和血流。在这种高时空分辨率下进行传统成像需要相对较长的采集时间。为了解决这个问题，引入了加速胎儿MRI¹⁴，^15，16。简而言之，这些加速技术涉及数据采集期间频域欠采样和使用迭代技术的回顾性高保真重建。其中一种方法是压缩感知（CS）重建，当重建的图像在已知域中稀疏并且欠采样伪影不相干时，它允许从严重欠采样的数据中重建图像¹⁷。

胎儿成像中的运动是一项重大挑战。运动不良可能由母亲的呼吸运动、母亲的大量运动或胎儿的粗大运动引起。母体呼吸导致胎儿的周期性翻译，而胎动则更为复杂。胎动可分为局部或粗大^10，18。局部运动仅涉及身体部分的运动。它们通常持续约10-14秒，并且其频率随着妊娠而增加（足月时每小时~90次）¹⁰。这些移动通常会导致小的损坏，并且不会影响感兴趣的成像区域。然而，胎儿的剧烈运动会导致通过平面运动组件的严重图像损坏。这些运动是由脊柱介导的全身运动，持续60-90秒。

为避免胎动造成的伪影，首先采取措施尽量减少母体运动。孕妇在扫描仪床上使用支撑枕头并穿着舒适的长袍，并可能让她们的伴侣在扫描仪旁边以减少幽闭恐惧症^19，20。为了减轻母亲呼吸运动的影响，研究在母亲屏气的情况下进行了胎儿MR检查²¹，^22，23。然而，鉴于怀孕受试者的屏气耐受性降低，这种获取必须很短（~15 s）。最近，针对胎儿MRI引入了回顾性运动矫正方法¹⁴，^15，16。这些方法使用注册工具包跟踪胎儿运动，并纠正运动或丢弃采集数据的不可纠正部分。

最后，通常使用心电图（ECG）门控获取产后心脏MR图像，以使数据采集与心动周期同步。在没有门控的情况下，整个心动周期的心脏运动和脉动流结合在一起，产生伪影。不幸的是，胎儿心电信号受到母体心电信号²⁴的干扰和磁场²⁵的失真。因此，已经提出了胎儿心脏门控的替代非侵入性方法，包括自门控，度量优化门控（MOG）和多普勒超声门控²¹，²⁶，^27，28。

如以下各节所述，我们量化胎儿血流量的MRI方法利用了我们实验室开发的新型门控方法MOG，并结合了加速MRI采集的运动校正和迭代重建。该方法基于先前发表的研究¹⁴中的管道，由以下五个阶段组成:（1）胎儿血流采集，（2）实时重建，（3）运动校正，（4）心脏门控和（5）门控重建。

研究方案

所有MRI扫描都是在志愿者的知情同意下进行的，这是我们机构研究伦理委员会批准的一项研究的一部分。

注意:下面描述的方法已用于3T MRI系统。采集使用径向相衬MRI序列进行。该序列是通过修改制造商的笛卡尔相衬MRI的读出轨迹（以实现星状模式）来制备的。序列和样品实验方案可应要求通过我们的C²P交换平台获得。这项工作中的所有重建都是在具有以下规格的标准台式计算机上进行的:32 GB 内存、8 核 3.40 GHz 处理器和 2GB 显卡，1024 个计算统一设备架构 （CUDA） 核。在MATLAB上进行了图像重建。在图形处理单元（GPU）上执行非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）²⁹。使用弹性³⁰ 计算运动校正参数。图1按时间顺序描述了该协议，跟踪了在重建的每个阶段如何使用代表性图像处理获取的速度编码（图1中的颜色编码）。重建代码可在 https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI 获得。虽然我们在此处提供了协议中的步骤，但这些算法步骤中的大多数都是在我们的管道中自动化的。

1. 学科定位和本地化考试

1. 协助母亲将自己放在 MRI 台上，以她喜欢的舒适姿势（通常是仰卧位或侧卧位）进行 MRI 检查。
2. 将心脏线圈放在母亲的腹部区域。
3. 将MRI工作台装入磁铁孔中，并通知母亲扫描即将开始。
4. 进行定位器检查以定位胎儿体（分辨率:0.9 x 0.9 x 10 mm³，TE/TR:5.0/15.0 毫秒，视场:450 x 450 mm²，切片:6）。
5. 进行精确的定位检查，以定位以胎儿心脏为中心的切片组的胎儿脉管系统（分辨率 1.1 x 1.1 x 6.0 mm³，TE/TR:2.69/1335.4 ms，FOV:350 x 350 mm²，切片:10，方向:轴向至胎儿）。
6. 重复具有矢状和冠状方向的精细定位器，以获得更清晰的胎儿血管视图。
7. 在胎儿粗大运动的情况下重复精细定位器。

2. 胎儿血流数据的获取

1. 使用定位器检查定位胎儿血管。例如，降主动脉是矢状面脊柱附近的一条长直血管。升主动脉和主肺动脉可分别识别为离开左心室和右心室的血管。动脉导管可作为降主动脉近端的主肺动脉的下游段进行追踪。上腔静脉可以从靠近胎儿心脏底部的轴向平面识别为与升主动脉相邻的血管。
2. 规定垂直于感兴趣的胎儿血管轴线的切片。在MRI控制台计算机上旋转并移动切片指南，使其垂直与目标血管相交。
3. 设置扫描参数（采集类型:径向相衬MRI，分辨率:1.3 x 1.3 x 5.0 mm 3，回波时间（TE）/重复时间（TR）:^3.25/5.75毫秒，视场（FOV）:240 x 240 mm²，切片:1，速度编码:100-150 cm/s，具体取决于感兴趣的容器，速度编码方向:通过平面，径向视图:每次编码1500，自由呼吸）。
4. 运行扫描并根据在 MRI 控制台计算机上执行和显示的初始时间平均重建来验证处方。如果初始重建中目标血管不存在或无法识别，则重复定位器和相衬扫描。采集的原始数据在图1A的原理图中表示，速度经过补偿，通过平面采集的颜色分别编码为红色和蓝色。
5. 对每个目标血管重复胎儿血流数据采集。
   注意:必须传输获取的原始数据（格式:DAT文件）以进行脱机重建。例如，在西门子扫描仪上，这可以通过运行"twix"来执行。从获取列表中右键单击获取的原始数据，然后选择"复制总 raid 文件"。

3. 胎儿测量的运动校正

1. 使用CS从采集的数据中重建实时序列（时间分辨率:370 ms，径向视图:64），利用空间总变异（STV，权重:0.008）和时间总变异（TTV，权重:0.08）正则化，利用空间总变异（STV，权重:0.008）进行15次共轭梯度下降优化，如图1B中的原理图所示。
2. 使用 MATLAB 中开发的图形用户界面从首次实时重建中选择包含感兴趣容器的感兴趣区域 （ROI）。在此步骤中，用户必须绘制一个包围胎儿解剖结构的轮廓，例如目标大血管或胎儿心脏。
3. 使用 elastix 30 执行刚体运动跟踪（基于具有经验优化参数的归一化互信息:4 个金字塔级别、³⁰⁰ 次迭代和平移变换）。
4. 拒绝与所有其他帧共享低互信息 （MI） 的跟踪实时帧（其中 MI 小于平均 MI 的四分位数范围的 1.5 倍）。这些框架被认为是通过平面运动或胎儿粗大运动来表示的。
5. 使用与剩余帧中最长的连续实时帧序列（无间隙）相对应的MRI数据作为用于进一步重建的静止周期。
6. 插值从实时序列的时间分辨率（370 ms）到静态采集的TR（5.75 ms）的平移运动校正参数。
7. 通过调制相位，将插值参数应用于MRI数据的定义静态周期，如下所示:
   
   
   其中 s' 是运动校正数据，k x 和 k y 是 k 空间中的坐标，s 是获取的未校正数据，Δ _x 和 Δ _y 是空间中的跟踪位移，j 表示 .
   注意:这项工作中正则化系数的所有数值都在早期的实验中进行了优化。这是使用蛮力网格搜索来找到正则化系数，该正则化系数使高采样胎儿参考数据集的重建与来自同一数据集的回顾性欠采样病例之间的误差最小化。

4.解决胎心率

1. 使用CS采集的数据以更高的时间分辨率（时间分辨率:46 ms，径向视图:8）重建第二个实时图像系列，再次使用STV（权重:0.008）和TTV（权重:0.08）正则化进行15次共轭梯度下降优化，如图1C中的原理图所示。
2. 重新选择包含感兴趣的胎儿血管的 ROI。
3. 在实时序列上运行多参数 MOG 以得出随时间变化的胎心率。
4. Bin Motion使用得出的心率波形将MRI数据校正为15个心相。在此步骤中，使用上一步的心率计算心动阶段的时间边界。例如，第 k^个心跳中第 i^个阶段的边界由下式给出:
   
   
   其中 HR（K） 是第 k^次心跳发生的时间。^{第 n 次}径向采集的时间戳由 （n x TR） 给出。时间戳落在心脏阶段边界内的数据被分配给该阶段。
   注意:MOG是一种门控技术²⁶，它包括基于多参数胎儿心率模型对采集的数据进行迭代分箱，以创建在感兴趣区域优化图像度量的CINE图像。

5. 胎儿CINE的重建

1. 使用分档运动校正 MRI 数据和 CS 重建胎流 CINE，使用 STV（权重:0.025）和 TTV（权重:0.01）正则化进行 10 次共轭梯度下降优化迭代。在此步骤中产生两个CINE:一个用于流量补偿采集C_FC，另一个用于流量编码数据C_FE，如图1D的原理图所示。
2. 计算由C_FE的元素乘积和C_FC的复共轭物的相位给出的速度图像。
3. 应用背景相位校正³¹以校正涡流效应。简而言之，在这个自动步骤中，将平面安装到静态胎儿和母体组织的阶段。校正是通过从 4.2 中计算的速度敏感相位中减去平面来执行的。
4. 将重建的数据写入 DICOM 文件。
5. 将DICOM加载到流量分析软件中，例如分段v2.2³²。
6. 使用解剖学和速度敏感图像绘制包含感兴趣血管管腔的ROI。
7. 将ROI传播到所有心脏阶段，并纠正血管直径的变化。
8. 记录流量测量值。

结果

一般来说，血流MRI相检查针对六大胎儿血管:降主动脉、升主动脉、主肺动脉、动脉导管、上腔静脉和脐静脉。临床医生对这些血管感兴趣，因为它们通常与冠心病和FGR有关，影响整个胎儿的血液^分布9。径向相衬MRI的典型扫描持续时间为每血管17秒，因此扫描时间短，同时也为CINE重建提供了足够的数据采集时间。代表性结果的总采集时间，包括定位器和相衬MRI，为3 min。在这项研...

讨论

该方法能够无创地测量人类胎儿大血管中的血流量，并允许通过使用迭代重建技术进行回顾性运动校正和心脏门控。^过去曾使用MRI进行胎儿血流定量1，³，^8，9。这些研究具有减轻运动损坏的前瞻性方法，如果从扫描仪上的初始重建中直观地识别出胎儿粗大运动，则将重复扫描...

材料

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