자기 공명 영상 및 모션 보상을 통한 인간 태아 혈류 정량화

요약

여기에서는 MRI로 태아의 혈류를 빠르게 측정하고 동작 보정 및 심장 게이팅을 후향적으로 수행하는 프로토콜을 제시합니다.

초록

자기 공명 영상 (MRI)은 심혈관 형태 및 심장 기능의 임상 평가에 중요한 도구입니다. 또한 위상차 MRI를 기반으로 한 혈류 정량화에 대해 인정된 표준 치료입니다. 이러한 혈류 측정은 수십 년 동안 성인에서 가능했지만이 기능을 태아 혈류로 확장하는 방법은 최근에야 개발되었습니다.

주요 혈관의 태아 혈류 정량화는 선천성 심장병(CHD) 및 태아 성장 제한(FGR)과 같은 태아 병리를 모니터링하는 데 중요합니다. CHD는 태아의 혈액 경로를 변화시키는 심장 구조와 혈관계의 변화를 일으 킵니다. FGR에서는 션트의 확장을 통해 혈류 경로가 변경되어 뇌로의 산소 혈액 공급이 증가합니다. 혈류 정량화는 태아 병리의 중증도를 평가할 수있게하여 자궁 환자 관리 및 산후 관리 계획에 적합합니다.

위상차 MRI를 인간 태아에 적용할 때의 주요 과제에는 작은 혈관 크기, 높은 태아 심박수, 산모 호흡으로 인한 잠재적인 MRI 데이터 손상, 예측할 수 없는 태아 움직임, 데이터 획득을 동기화하는 기존 심장 게이팅 방법의 부족이 포함됩니다. 여기에서는 가속 영상, 동작 보정 및 심장 게이팅의 발전을 포함하여 위상차 MRI를 사용하여 태아 혈류를 정량화할 수 있게 한 우리 실험실의 최근 기술 개발에 대해 설명합니다.

서문

태아 성장 제한(FGR) 및 선천성 심장병(CHD^)1,2,3과 같은 태아 병리를 모니터링하려면 태아 순환에 대한 포괄적인 평가가 필요합니다. 자궁에서 산후 관리를위한 환자 관리 및 계획은 태아 병리 ^4,5,6,7의 중증도에 따라 다릅니다. MRI를 이용한 태아 혈류 정량화의 타당성과 태아 병리 평가에서의 응용이 최근 입증되었습니다 ^3,8,9. 그러나 이미징 방법은 높은 시공간 해상도를 달성하기 위한 이미징 시간 증가, 심장 동기화 방법의 부족, 예측할 수 없는 태아 움직임¹⁰과 같은 문제에 직면해 있습니다.

태아 혈관계는 작은 구조(하행 대동맥, 동맥관, 상행 대동맥, 주요 폐동맥 및 상대정맥^11,12,13을 구성하는 주요 혈관의 경우 ~5mm 직경)로 구성됩니다. 이러한 구조를 해결하고 흐름을 정량화하려면 높은 공간 분해능의 이미징이 필요합니다. 또한 태아의 심박수는 성인의 약 두 배입니다. 따라서 태아 심장 주기를 가로지르는 동적 심장 운동과 혈류를 해결하기 위해서는 높은 시간적 분해능도 필요합니다. 이러한 높은 시공간 해상도의 기존 이미징은 상대적으로 긴 획득 시간이 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 가속 태아 MRI^14,15,16이 도입되었습니다. 간단히 말해서, 이러한 가속 기술은 데이터 수집 중에 주파수 영역에서 언더샘플링하고 반복 기술을 사용한 후향적 고충실도 재구성을 포함합니다. 하나의 그러한 접근법은 압축 감지(CS) 재구성이며, 이는 재구성된 이미지가 알려진 도메인에서 희소하고 언더샘플링 아티팩트가 일관성이 없을 때 심하게 언더샘플링된 데이터로부터 이미지의 재구성을 허용한다(¹⁷).

태아 영상에서 움직임은 큰 도전 과제입니다. 운동 손상은 산모의 호흡 운동, 산모의 대량 운동 또는 태아의 총 움직임으로 인해 발생할 수 있습니다. 모성 호흡은 태아의 주기적 번역으로 이어지는 반면 태아의 움직임은 더 복잡합니다. 태아의 움직임은 국소화 또는 총^10,18로 분류 할 수 있습니다. 국부적 인 움직임은 신체의 일부의 움직임만을 포함합니다. 일반적으로 약 10-14초 동안 지속되며 임신 기간과 함께 빈도가 증가합니다(임기 시 시간당 ~90회)¹⁰. 이러한 움직임은 일반적으로 작은 손상을 일으키며 관심 이미징 영역에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 태아의 심한 움직임은 평면 모션 구성 요소를 통해 심각한 이미지 손상을 초래할 수 있습니다. 이러한 움직임은 척추에 의해 매개되는 전신 움직임이며 60-90 초 동안 지속됩니다.

태아의 움직임으로 인한 인공물을 피하기 위해 먼저 산모의 움직임을 최소화하기 위한 조치를 취합니다. 임산부는 스캐너 침대에서지지 베개를 사용하고 편안한 가운을 입고 밀실 공포증을 줄이기 위해 스캐너 옆에 파트너가있을 수 있습니다^19,20. 산모의 호흡 운동의 영향을 완화하기 위해 연구에서는 산모의 호흡 유지^21,22,23에서 태아 MR 검사를 수행했습니다. 그러나 이러한 획득은 임신 한 피험자의 호흡 참기 내성 감소를 고려할 때 짧아야합니다 (~ 15 초). 최근에는 태아 MRI^14,15,16에 대한 후향적 동작 보정 방법이 도입되었습니다. 이러한 방법은 등록 툴킷을 사용하여 태아의 움직임을 추적하고 움직임을 수정하거나 획득한 데이터의 수정할 수 없는 부분을 폐기합니다.

마지막으로, 출생 후 심장 MR 이미지는 일반적으로 데이터 수집을 심장 주기와 동기화하기 위해 심전도(ECG) 게이팅을 사용하여 획득됩니다. 게이팅이 없으면 심장 주기 전체의 심장 운동과 박동성 흐름이 결합되어 인공물을 생성합니다. 불행하게도, 태아 ECG 신호는 모체 ECG 신호(²⁴)로부터의 간섭 및 자기장(²⁵)으로부터의 왜곡을 겪는다. 따라서, 자가 게이팅, 메트릭 최적화 게이팅(MOG) 및 도플러 초음파 게이팅^21,26,27,28을 포함하는 태아 심장 게이팅에 대한 대안적인 비침습적 접근법이 제안되었다.

다음 섹션에서 설명한 바와 같이, 태아 혈류를 정량화하기 위한 당사의 MRI 접근 방식은 당사 실험실에서 개발되고 동작 보정 및 가속화된 MRI 획득의 반복 재구성과 결합된 새로운 게이팅 방법인 MOG를 활용합니다. 이 접근법은 이전에 발표된 연구(¹⁴)의 파이프라인을 기반으로 하며, 다음의 5단계로 구성된다: (1) 태아 혈류 획득, (2) 실시간 재구성, (3) 동작 보정, (4) 심장 게이팅, 및 (5) 게이트 재구성.

프로토콜

모든 MRI 스캔은 기관 연구 윤리위원회에서 승인 한 연구의 일환으로 자원 봉사자의 정보에 입각 한 동의하에 수행되었습니다.

알림: 아래에 설명된 방법은 3T MRI 시스템에서 사용되었습니다. 획득은 방사형 위상차 MRI 시퀀스를 사용하여 수행됩니다. 이 시퀀스는 제조업체의 데카르트 위상차 MRI의 판독 궤적 (별 모양을 달성하기 위해)을 수정하여 준비되었습니다. 시퀀스 및 샘플 프로토콜은 요청 시 C²P 교환 플랫폼을 통해 제공됩니다. 이 작업의 모든 재구성은 32GB 메모리, 8 코어의 3.40GHz 프로세서 및 1024 CUDA (컴퓨팅 통합 장치 아키텍처) 코어가있는 2GB 그래픽 카드 사양의 표준 데스크톱 컴퓨터에서 수행되었습니다. 이미지 재구성은 MATLAB에서 수행되었습니다. 불균일 고속 푸리에 변환(NUFFT)²⁹는 그래픽 처리 장치(GPU)에서 수행되었습니다. 모션 보정 파라미터는 탄성³⁰을 사용하여 계산하였다. 그림 1은 프로토콜을 시간순으로 보여 주며, 획득 한 속도 인코딩 (그림 1에서 색상으로 구분 됨)이 재구성의 각 단계에서 대표 이미지로 처리되는 방법을 추적합니다. 재구성 코드는 https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI 에서 확인할 수 있습니다. 여기에서 프로토콜의 단계를 제공하지만 이러한 알고리즘 단계의 대부분은 파이프라인에서 자동화됩니다.

1. 과목 포지셔닝 및 로컬라이저 시험

1. MRI 검사를 위해 어머니가 선호하는 편안한 자세, 일반적으로 앙와위 또는 측면 욕창 자세로 MRI 테이블에 자신을 배치하도록 돕습니다.
2. 심장 코일을 어머니의 복부에 놓습니다.
3. 자석 구멍에 MRI 테이블을 넣고 어머니에게 스캔이 시작될 것임을 알립니다.
4. 지역화 검사를 실행하여 태아의 신체를 찾습니다(해상도: 0.9 x 0.9 x 10mm³, TE/TR: 5.0/15.0ms, FOV: 450 x 450mm², 슬라이스: 6).
5. 정제된 위치 파악기 검사를 실행하여 슬라이스 그룹이 태아 심장을 중심으로 한 태아 혈관구조를 찾습니다(해상도 1.1 x 1.1 x 6.0 mm³, TE/TR: 2.69/1335.4 ms, FOV: 350 x 350 mm², 슬라이스: 10, 방향: 축 방향에서 태아까지).
6. 태아 혈관을보다 명확하게 볼 수 있도록 시상 및 관상 방향으로 정제 된 국소화기를 반복하십시오.
7. 태아의 움직임이 심한 경우 정제된 로컬라이저를 반복합니다.

2. 태아 혈류 데이터 획득

1. 지역화 검사를 사용하여 태아 혈관을 찾습니다. 예를 들어, 하강 대동맥은 시상면의 척추 근처에있는 긴 직선 혈관입니다. 오름차순 대동맥과 주요 폐동맥은 각각 좌심실과 우심실을 떠나는 혈관으로 식별 할 수 있습니다. 동맥관은 하행 대동맥에 인접한 주 폐동맥의 하류 부분으로 추적 할 수 있습니다. 상 대정맥은 태아 심장 기저부 근처의 축 평면에서 오름차순 대동맥에 인접한 혈관으로 식별 할 수 있습니다.
2. 관심있는 태아 혈관의 축에 수직 인 슬라이스를 처방하십시오. MRI 콘솔 컴퓨터에서 슬라이스 가이드 라인을 회전하고 이동하여 대상 혈관과 수직으로 교차합니다.
3. 스캔 파라미터를 설정합니다(획득 유형: 방사형 위상차 MRI, 해상도: 1.3 x 1.3 x 5.0mm3, 에코 시간(TE)/반복 시간(TR): 3.25/5.75ms, 시야각(FOV): 240 x 240mm2, 슬라이스: 1, 속도 인코딩: 관심 용기에 따라 100-150cm/s, 속도 인코딩 방향: 관통 평면, 방사형 보기: 인코딩당 1500, 자유 호흡).
4. 스캔을 실행하고 MRI 콘솔 컴퓨터에 수행되고 표시된 초기 시간 평균 재구성을 기반으로 처방을 확인합니다. 대상 용기가 없거나 초기 재구성에서 식별할 수 없는 경우 로컬라이저 및 위상차 스캔을 반복합니다. 수집된 원시 데이터는 그림 1A의 회로도에 속도 보정 및 관통 평면 획득이 각각 빨간색과 파란색으로 색상으로 코딩되어 표시됩니다.
5. 각 표적 혈관에 대해 태아 혈류 데이터 획득을 반복한다.
   참고: 오프라인 재구성을 위해 획득한 원시 데이터(형식: DAT 파일)를 전송해야 합니다. 예를 들어 Siemens 스캐너에서는 'twix'를 실행하여 이 작업을 수행할 수 있습니다. 획득 목록에서 획득한 원시 데이터를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "총 RAID 파일 복사"를 선택합니다.

3. 태아 측정의 동작 보정

1. 그림 1B의 회로도에 표시된 대로 공간 총 변동(STV, 가중치: 0.008) 및 시간 총 변동(TTV, 가중치: 0.08) 정규화를 활용하는 켤레 경사하강법 최적화를 15회 반복하여 CS를 사용하여 획득한 데이터에서 실시간 시리즈(시간 분해능: 370ms, 방사형 보기: 64)를 재구성합니다.
2. MATLAB에서 개발된 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 이 첫 번째 실시간 재구성에서 관심 선박을 포괄하는 관심 영역(ROI)을 선택합니다. 이 단계에서, 사용자는 태아 해부학적으로 표적 대혈관 또는 태아 심장과 같은 윤곽을 그려야 한다.
3. elastix 30으로 강체 동작 추적을 수행합니다(경험적으로 최적화된 매개변수가 있는 정규화된 상호 정보 기반: 4개의 피라미드 레벨,³⁰⁰개의 반복 및 변환 변환).
4. 다른 모든 프레임과 낮은 상호 정보(MI)를 공유하는 추적된 실시간 프레임을 거부합니다(MI는 평균 MI에서 사분위수 범위의 1.5배 미만임). 이러한 프레임은 평면 운동 또는 총 태아 운동을 통해 표현되는 것으로 간주됩니다.
5. 나머지 프레임에서 가장 긴 연속 실시간 프레임 시리즈(간격 없음)에 해당하는 MRI 데이터를 추가 재구성에 사용되는 정지 기간으로 사용합니다.
6. 실시간 시리즈의 시간 분해능(370ms)에서 대기 수집의 TR(5.75ms)까지 병진 동작 보정 파라미터를 보간합니다.
7. 보간된 파라미터를 MRI 데이터의 정의된 정지 기간에 다음과 같이 위상을 변조하여 적용합니다.
   
   
   여기서, s'는 모션 보정된 데이터이고, kx 및 ky는 k-공간에서의 좌표이고, s는 획득된 보정되지 않은 데이터이고, _Δx 및 _Δy는 공간에서의 추적된 변 위 이고, j는 나타낸다.
   참고 :이 작업에서 정규화 계수의 모든 수치 값은 이전 실험에서 최적화되었습니다. 이는 고도로 샘플링된 태아 참조 데이터 세트의 재구성과 동일한 데이터 세트의 소급적으로 과소 샘플링된 사례 간의 오류를 최소화하는 정규화 계수를 찾기 위해 무차별 대입 그리드 검색을 사용하여 수행되었습니다.

4. 태아 심박수 해결

1. CS를 사용하여 수집된 데이터를 사용하여 더 높은 시간 해상도(시간 해상도: 46ms, 방사형 보기: 8)로 두 번째 실시간 이미지 시리즈를 재구성하고, 그림 1C의 회로도에 표시된 대로 STV(가중치: 0.008) 및 TTV(가중치: 0.08) 정규화를 사용한 켤레 경사하강법 최적화를 15회 반복합니다.
2. 관심 있는 태아 혈관을 포함하는 ROI를 다시 선택합니다.
3. 실시간 시리즈에서 다중 파라미터 MOG를 실행하여 시간 종속 태아 심박수를 도출합니다.
4. Bin 모션은 파생된 심박수 파형을 사용하여 MRI 데이터를 15개의 심장 단계로 수정했습니다. 이 단계에서 심장 단계의 시간 경계는 이전 단계의 심박수를 사용하여 계산됩니다. 예를 들어, k 번째 하트 비트의 i^번째 단계에 대한 경계는 다음과 같이 지정됩니다.
   
   
   여기서 HR(K)는 k^번째 하트비트가 발생하는 시간입니다. n ^번째 방사형 획득의 타임 스탬프는 (n x TR)로 제공됩니다. 심장 단계의 경계 내에 속하는 타임스탬프가 있는 데이터는 해당 단계에 할당됩니다.
   참고: MOG는 관심 영역에 걸쳐 이미지 메트릭을 최적화하는 CINE 이미지를 생성하기 위해 다중 파라미터 태아 심박수 모델에 기초하여 획득된 데이터의 반복적인 비닝을 포함하는 게이팅 기술⁽²⁶)이다.

5. 태아 CINE의 재건

1. STV(가중치: 0.025) 및 TTV(가중치: 0.01) 정규화를 통한 접합체 경사하강법 최적화를 10회 반복하여 비닝된 동작 보정된 MRI 데이터 및 CS를 사용하여 태아 흐름 CINE를 재구성합니다. 이 단계에서 두 개의 CINE가 생성되는데, 하나는 흐름 보상 획득을_{위한 것이고,} 다른 하나는 도 1D의 개략도에 표시된 바와 같이 흐름 인코딩된 데이터_CF를 위한 것이다.
2. _FE의 원소 곱과 C_FC의 복소 켤레의 위상으로 주어진 속도 이미지를 계산합니다.
3. 와전류 효과를 보정하기 위해 배경 위상 보정(³¹)을 적용한다. 간단히 말해서,이 자동 단계에서 평면은 정적 태아 및 모체 조직의 단계에 장착됩니다. 보정은 4.2에서 계산된 속도 감지 위상에서 평면을 빼서 수행됩니다.
4. 재구성된 데이터를 DICOM 파일에 씁니다.
5. DICOM을 세그먼트 v2.2³²와 같은 흐름 해석 소프트웨어에 로드합니다.
6. 해부학적 및 속도 민감성 이미지를 사용하여 관심 혈관의 내강을 포괄하는 ROI를 그립니다.
7. ROI를 모든 심장 단계에 전파하고 혈관 직경의 변화를 수정합니다.
8. 유량 측정을 기록합니다.

결과

일반적으로 흐름의 단계 MRI 검사는 하행 대동맥, 상행 대동맥, 주요 폐동맥, 동맥관, 상대정맥 및 제대 정맥의 6가지 주요 태아 혈관을 대상으로 합니다. 이 혈관은 종종 CHD 및 FGR과 관련이 있어 태아^전체의 혈액 분포에 영향을 미치기 때문에 임상의에게 관심이 있습니다9. 방사형 위상차 MRI의 일반적인 스캔 기간은 혈관당 17초이므로 스캔이 짧고 CINE 재구성을 위한 충분한 데이터...

토론

이 방법은 인간 태아 대 혈관에서 혈류의 비 침습적 측정을 가능하게하고 반복적 인 재건 기술을 사용하여 후 향적 동작 보정 및 심장 게이팅을 허용합니다. 태아 혈류 정량화는 과거 ^1,3,8,9에서 MRI로 수행되었습니다. 이러한 연구에는 스캐너의 초기 재구성에서 총 태아 움직?...

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