磁気共鳴画像法と運動補償によるヒト胎児血流定量化

要約

ここでは、MRIで胎児の血流を迅速に測定し、動き補正と心同期を後方視的に行うためのプロトコルを紹介します。

要約

磁気共鳴画像法(MRI)は、心血管形態と心機能の臨床評価のための重要なツールです。また、位相差MRIに基づく血流定量化の標準治療として認められています。このような血流の測定は何十年にもわたって成人で可能でしたが、この能力を胎児の血流に拡張する方法は最近開発されたばかりです。

主要血管における胎児血流の定量化は、先天性心疾患(CHD)や胎児発育制限(FGR)などの胎児の病状を監視するために重要です。CHDは、胎児の血液の流れを変える心臓構造と血管系の変化を引き起こします。FGRでは、血流の経路はシャントの拡張によって変化し、脳への酸素化された血液供給が増加します。血流の定量化により、胎児の病状の重症度を評価することができ、子宮内患者の管理や産後ケアの計画に適しています。

位相差MRIをヒト胎児に適用する際の主な課題には、血管サイズが小さく、胎児の心拍数が高い、母体呼吸によるMRIデータの破損の可能性、予測不可能な胎児の動き、データ収集を同期させるための従来の心臓同期法の欠如などがあります。ここでは、位相差MRIを用いた胎児血流の定量化を可能にした当研究室の最近の技術開発について、加速イメージング、運動補償、心同期の進歩などについて述べる。

概要

胎児発育制限(FGR)や先天性心疾患(CHD)などの胎児の病状を監視するには、胎児循環の包括的な評価が必要です^1,2,3。子宮内では、出生後ケアの患者管理と計画は、胎児の病状の重症度に依存します^4,5,6,7。MRIによる胎児血流定量の実現可能性と胎児の病状の評価におけるその応用が最近実証されました^3,8,9。しかし、イメージング法は、高い時空間分解能を達成するためのイメージング時間の増加、心臓同期法の欠如、予測不可能な胎児の動きなどの課題に直面しています¹⁰。

胎児血管系は小さな構造(下行大動脈、動脈管、上行大動脈、主肺動脈、上大静脈を構成する主要血管の直径~5mm)で構成されています11,12,13)。これらの構造を分解し、流れを定量化するためには、高い空間分解能でのイメージングが必要です。さらに、胎児の心拍数は成人の約2倍です。したがって、胎児の心周期全体の動的な心臓運動と血流を解決するには、高い時間分解能も必要です。この高い時空間分解能での従来のイメージングには、比較的長い取得時間が必要です。この問題に対処するために、加速胎児MRI14,15,16が導入されました。簡単に言うと、これらの加速技術には、データ収集中の周波数領域でのアンダーサンプリングと、反復技術を使用した遡及的な高忠実度再構成が含まれます。そのようなアプローチの1つは、圧縮センシング(CS)再構成であり、再構成された画像が既知のドメインでまばらであり、アンダーサンプリングアーティファクトがインコヒーレントである場合に、高度にアンダーサンプリングされたデータから画像を再構成する^{ことを可能にする17}。

胎児イメージングにおける動きは大きな課題を提示します。運動の腐敗は、母親の呼吸運動、母親のバルク運動、または胎児の肉眼的運動から発生する可能性があります。母親の呼吸は胎児の周期的な翻訳につながりますが、胎児の動きはより複雑です。胎児の動きは、局所的または肉眼的^10,18として分類できます。局所的な動きには、体のセグメントのみの動きが含まれます。それらは通常約10〜14秒間続き、その頻度は妊娠とともに増加します(正期産期では1時間あたり~90)¹⁰。これらの動きは一般に小さな破損を引き起こし、関心のあるイメージング領域には影響しません。ただし、胎児の全体的な動きは、平面運動コンポーネントを介した深刻な画像の破損につながる可能性があります。これらの動きは、脊椎によって媒介される全身の動きであり、60〜90秒間続きます。

胎児の動きによるアーティファクトを避けるために、最初に母親の動きを最小限に抑えるための措置が取られます。妊娠中の女性は、スキャナーベッドの支持枕を使用してよりリラックスし、快適なガウンを着て、閉所恐怖症を軽減するためにスキャナーの横にパートナーがいる場合があります^19,20。母親の呼吸運動の影響を軽減するために、研究では母親の息止め下で胎児MR検査を実施しました^21,22,23。ただし、そのような取得は、妊娠中の被験者の息止め耐性の低下を考えると、短く(~15秒)でなければなりません。.最近、胎児MRI14,15,16に対して遡及的動き補正法が導入されている。これらの方法は、登録ツールキットを使用して胎児の動きを追跡し、動きを補正するか、取得したデータの修正不可能な部分を破棄します。

最後に、出生後の心臓MR画像は、従来、心電図(ECG)ゲーティングを使用して取得され、データ収集を心周期に同期させます。ゲーティングなしでは、心周期全体からの心臓の動きと拍動の流れが組み合わされ、アーティファクトが生成されます。残念なことに、胎児心電図信号は、母体心電図^信号24からの干渉および磁場²⁵からの歪みに苦しんでいる。したがって、セルフゲーティング、メトリック最適化ゲーティング(MOG)およびドップラー超音波ゲーティング^21,26,27,28を含む、胎児心臓ゲーティングに対する代替の非侵襲的アプローチが提案されている。

次のセクションで説明するように、胎児の血流を定量化する私たちのMRIアプローチは、私たちの研究室で開発され、加速されたMRI取得の動き補正と反復再構成を組み合わせた新しいゲーティング法MOGを活用しています。このアプローチは、以前に発表された研究¹⁴のパイプラインに基づいており、次の5つの段階で構成されています:(1)胎児血流取得、(2)リアルタイム再構成、(3)運動補正、(4)心臓ゲーティング、および(5)ゲート再構成。

プロトコル

すべてのMRIスキャンは、私たちの機関研究倫理委員会によって承認された研究の一環として、ボランティアからのインフォームドコンセントで実施されました。

注意: 以下に説明する方法は、3T MRIシステムで使用されています。取得は、放射状位相差MRIシーケンスを用いて行われる。このシーケンスは、メーカーのデカルト位相差MRIの読み出し軌道を変更することによって(星状パターンを達成するために)準備されました。シーケンスおよびサンプルプロトコルは、当社のC²P交換プラットフォームを通じてリクエストに応じて入手できます。この作業のすべての再構築は、32 GBメモリ、8コアの3.40 GHzプロセッサ、および1024コンピューティング統合デバイスアーキテクチャ(CUDA)コアを備えた2GBグラフィックカードを備えた標準のデスクトップコンピューターで実行されました。画像再構成はMATLABで実施した。不一様高速フーリエ変換(NUFFT)²⁹は、グラフィックスプロセッシングユニット(GPU)で実行されました。動き補正パラメータは、エラスティックス³⁰を用いて計算した。図1は、プロトコルを時系列で示しており、取得した速度エンコード(図1では色分け)が再構成の各段階で代表的な画像でどのように処理されるかを追跡しています。再構築コードは https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI で入手できます。ここではプロトコルの手順を提供しますが、これらのアルゴリズムの手順のほとんどはパイプラインで自動化されています。

1. 科目のポジショニングとローカライザー試験

1. MRI検査のために、母親がMRI台上で好みの快適な位置、通常は仰臥位または側褥瘡位に身を置くのを支援します。
2. 心臓コイルを母親の腹部の上に置きます。
3. MRIテーブルをマグネットボアにロードし、スキャンが開始されようとしていることを母親に通知します。
4. ローカライザー検査を実行して、胎児の体を特定します(解像度:0.9 x 0.9 x 10 mm³、TE / TR:5.0 / 15.0ミリ秒、FOV:450 x 450 mm²、スライス:6)。
5. 洗練されたローカライザー検査を実行して、胎児の心臓を中心としたスライスグループで胎児血管系を見つけます(解像度1.1 x 1.1 x 6.0 mm³、TE / TR:2.69 / 1335.4ミリ秒、FOV:350 x 350 mm²、スライス:10、向き:胎児に対して軸方向)。
6. 胎児の血管をより明確に見るために、矢状および冠状の向きで洗練されたローカライザーを繰り返します。
7. 全体的な胎児の動きの場合には洗練されたローカライザーを繰り返します。

2. 胎児血流データの取得

1. ローカライザー検査を使用して胎児血管を見つけます。例えば、下行大動脈は矢状面の脊椎近くの長いまっすぐな血管です。上行大動脈と主肺動脈は、それぞれ左心室と右心室を離れる血管として識別できます。動脈管は、下行大動脈の近位にある主肺動脈の下流セグメントとして追跡できます。上大静脈は、胎児の心臓の基部近くの軸面から、上行大動脈に隣接する血管として識別できます。
2. 対象の胎児血管の軸に垂直なスライスを処方します。MRIコンソールコンピュータ上のスライスガイドラインを回転および移動して、ターゲット血管と垂直に交差させます。
3. スキャンパラメータを設定します(取得タイプ:ラジアル位相差MRI、分解能:1.3 x 1.3 x 5.0 mm 3、エコー時間(TE)/繰り返し時間(TR):^3.25 / 5.75 ms、視野(FOV):240 x 240 mm²、スライス:1、速度エンコーディング:対象容器に応じて100-150 cm / s、速度エンコーディング方向:スループレーン、ラジアルビュー:エンコードあたり1500、フリーブリージング)。
4. スキャンを実行し、実行され、MRIコンソールコンピューターに表示された最初の時間平均再構成に基づいて処方を確認します。ローカライザースキャンと位相差スキャンを繰り返します ターゲット容器が存在しないか、最初の再構成から識別できない場合。集録された生データは、図1Aの回路図に、速度補償された平面取得とスループレーンの取得がそれぞれ赤と青で色分けされて表されます。
5. 対象血管ごとに胎児血流データ取得を繰り返す。
   注:取得した生データ(形式:DATファイル)は、オフラインで再構築するために転送する必要があります。たとえば、シーメンスのスキャナーでは、「twix」を実行することでこれを実行できます。取得した生データをリストから右クリックし、「合計RAIDファイルをコピー」を選択します。

3.胎児測定値の動き補正

1. 図1Bの回路図で表される空間的全変動(STV、重み:0.008)と時間的全変動(TTV、重み:0.08)の正則化を利用した共役勾配降下最適化を15回反復してCSを使用して、取得したデータからリアルタイム系列(時間分解能:370ミリ秒、放射状ビュー:64)を再構築します。
2. MATLABで開発されたグラフィックユーザーインターフェイスを使用して、この最初のリアルタイム再構成から関心のある容器を含む関心領域(ROI)を選択します。このステップでは、ユーザは、標的大血管または胎児の心臓などの胎児の解剖学的構造を囲む輪郭を描画しなければならない。
3. elastix³⁰ を使用して剛体モーショントラッキングを実行します (経験的に最適化されたパラメーターを持つ正規化された相互情報に基づく: 4 つのピラミッド レベル、300 回の反復、並進変換)。
4. 他のすべてのフレームと低い相互情報量(MI)を共有する追跡されたリアルタイムフレームを拒否します(MIは平均MIの四分位範囲の1.5倍未満です)。これらのフレームは、平面運動または総胎児運動によって表されると見なされます。
5. 残りのフレームからの連続リアルタイムフレーム(ギャップなし)の最も長いシリーズに対応するMRIデータを、さらなる再構成に使用される静止期間として使用します。
6. 並進モーション補正パラメータを、リアルタイム系列の時間分解能(370ms)から静止時の集録のTR(5.75ms)まで補間します。
7. 補間されたパラメータをMRIデータの定義された静止期間に適用するには、次のように位相を変調します。
   
   
   ここで、s' はモーション補正データ、k x と k y は k-空間の座標、s は取得した未補正データ、Δ _x と Δ _y は空間内の追跡変位、j は を表します。
   注:この作業の正則化係数のすべての数値は、以前の実験で最適化されました。これは、ブルートフォースグリッド検索を使用して、高度にサンプリングされた胎児参照データセットの再構成と同じデータセットからの遡及的にアンダーサンプリングされた症例との間の誤差を最小限に抑える正則化係数を見つけることで達成されました。

4.胎児の心拍数を解く

1. CSを使用して取得したデータを使用して、より高い時間分解能(時間分解能:46ミリ秒、放射状ビュー:8)で2番目のリアルタイム画像シリーズを再構築し、図1Cの回路図で表されるように、STV(重み:0.008)およびTTV(重み:0.08)正則化を使用した共役勾配降下最適化を15回繰り返します。
2. 目的の胎児血管を含むROIを再選択します。
3. リアルタイム系列でマルチパラメータMOGを実行して、時間依存の胎児心拍数を導き出します。
4. ビンモーションは、導出された心拍数波形を使用してMRIデータを15の心相に補正しました。このステップでは、前のステップの心拍数を使用して心相の時間的境界が計算されます。たとえば、k番目のハートビートのi^番目のフェーズの境界は、次のように与えられます。
   
   
   ここで、HR(K) は k^番目のハートビートが発生する時刻です。n^番目のラジアル取得のタイムスタンプは、(n x TR)で与えられます。心臓相の境界内にあるタイムスタンプを持つデータは、その段階に割り当てられます。
   注:MOGは、関心領域にわたって画像メトリックを最適化するCINE画像を作成するために、マルチパラメータ胎児心拍数モデルに基づいて取得されたデータの反復ビニングを含むゲーティング技術²⁶である。

5. 胎児CINEの再建

1. STV(重み:0.025)およびTTV(重量:0.01)正則化による共役勾配降下最適化の10回の反復で、ビンモーション補正MRIデータとCSを使用して胎児流CINEを再構築します。このステップでは、図1Dの回路図に示すように、フロー補償集録C_FC用とフローエンコードデータC_FE用の2つのCINEが生成されます。
2. C FEの元素単位積とC_FCの複素共役の位相によって与えられる速度像を計算します。
3. バックグラウンド位相補正³¹を適用して、渦電流効果を補正します。簡単に言えば、この自動ステップでは、平面が静的な胎児および母体組織の相にフィットする。補正は、4.2で計算された速度に敏感な位相から平面を引くことによって実行されます。
4. 再構築されたデータを DICOM ファイルに書き込みます。
5. DICOMをセグメントv2.2³²などのフロー解析ソフトウェアにロードします。
6. 解剖学的および速度に敏感な画像を使用して、対象の血管の内腔を含むROIを描画します。
7. ROIをすべての心臓相に伝播し、血管の直径の変化を補正します。
8. 流量測定値を記録します。

結果

一般に、フローのフェーズMRI検査は、下行大動脈、上行大動脈、主肺動脈、動脈管、上大静脈、および臍帯静脈の6つの主要な胎児血管を対象としています。これらの血管は、CHDおよびFGRに関与していることが多く、胎児全体の血液分布に影響を与えるため、臨床医にとって興味深いものです⁹。放射状位相差MRIの一般的なスキャン時間は血管あたり17秒であるため、スキャン...

ディスカッション

この方法は、ヒト胎児大血管の血流の非侵襲的測定を可能にし、反復再構成技術を利用することにより、遡及的運動補正および心ゲーティングを可能にする。胎児の血流の定量化は、過去にMRIで行われています^1,3,8,9。これらの研究では、スキャナーでの最初の再構成から...

資料

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Radial Phase Contrast MRI sequence			Trajectory modification of manufacturer's Cartesian Phase Contrast sequence
Segment	Medvisio		Data analysis
VENGEANCE	Corsair	LPX DDR4-2666