Количественная оценка кровотока плода человека с помощью магнитно-резонансной томографии и компенсации движения

Резюме

Здесь мы представляем протокол быстрого измерения кровотока плода с помощью МРТ и ретроспективного выполнения коррекции движения и сердечного тара.

Аннотация

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является важным инструментом для клинической оценки сердечно-сосудистой морфологии и функции сердца. Это также признанный стандарт медицинской помощи для количественной оценки кровотока на основе фазовой контрастной МРТ. Хотя такое измерение кровотока было возможно у взрослых в течение десятилетий, методы расширения этой способности на кровоток плода были разработаны только недавно.

Количественная оценка кровотока плода в основных сосудах важна для мониторинга патологий плода, таких как врожденные пороки сердца (ИБС) и ограничение роста плода (FGR). ИБС вызывает изменения в сердечной структуре и сосудистой системе, которые изменяют ход крови у плода. В FGR путь кровотока изменяется через расширение шунтов таким образом, что насыщенное кислородом кровоснабжение мозга увеличивается. Количественная оценка кровотока позволяет оценить тяжесть патологии плода, что, в свою очередь, позволяет адекватно вести внутриутробную болезнь пациентов и планировать послеродовой уход.

Основные проблемы применения фазовой контрастной МРТ к плоду человека включают небольшой размер кровеносных сосудов, высокую частоту сердечных сокращений плода, потенциальное повреждение данных МРТ из-за материнского дыхания, непредсказуемые движения плода и отсутствие традиционных методов сердечного контроля для синхронизации сбора данных. Здесь мы описываем последние технические разработки из нашей лаборатории, которые позволили количественно оценить кровоток плода с помощью фазово-контрастной МРТ, включая достижения в ускоренной визуализации, компенсации движения и сердечной рвоте.

Введение

Комплексная оценка кровообращения плода необходима для мониторинга патологий плода, таких как ограничение роста плода (ФГР) и врожденные пороки сердца (ИБС)^1,2,3. Внутриутробно ведение пациентки и планирование послеродового ухода зависят от тяжести патологии плода 4,5,6,7. Недавно была продемонстрирована возможность количественной оценки кровотока плода с помощью МРТ и ее применения при оценке патологий плода ^3,8,9. Метод визуализации, однако, сталкивается с проблемами, такими как увеличение времени визуализации для достижения высокого пространственно-временного разрешения, отсутствие методов сердечной синхронизации и непредсказуемое движение плода¹⁰.

Сосудистая система плода содержит небольшие структуры (диаметр ~ 5 мм для крупных кровеносных сосудов, которые включают нисходящую аорту, артериальный проток, восходящую аорту, главную легочную артерию и верхнюю полую вену 11,12,13). Для разрешения этих структур и количественной оценки потока требуется визуализация с высоким пространственным разрешением. Более того, частота сердечных сокращений плода примерно в два раза выше, чем у взрослого человека. Таким образом, высокое временное разрешение также требуется для разрешения динамических сердечных движений и кровотока через сердечный цикл плода. Обычная визуализация при таком высоком пространственно-временном разрешении требует относительно длительного времени получения. Для решения этой проблемы была введена ускоренная МРТ плода ^14,15,16. Короче говоря, эти методы ускорения включают недодискретизацию в частотной области во время сбора данных и ретроспективную реконструкцию высокой точности с использованием итеративных методов. Одним из таких подходов является реконструкция сжатого зондирования (CS), которая позволяет реконструировать изображения из сильно недодискретизированных данных, когда реконструированное изображение разрежено в известной области, а артефакты недостаточной выборки являются некогерентными¹⁷.

Движение в визуализации плода представляет собой серьезную проблему. Повреждение движения может возникать в результате движения дыхания матери, объемного движения матери или грубого движения плода. Материнское дыхание приводит к периодическим трансляциям плода, тогда как движения плода более сложны. Движения плода можно классифицировать как локализованные или грубые^10,18. Локализованные движения предполагают движение только сегментов тела. Они обычно длятся около 10-14 с, и их частота увеличивается с беременностью (~ 90 в час в срок)¹⁰. Эти движения, как правило, вызывают небольшие повреждения и не влияют на область изображения, представляющую интерес. Тем не менее, грубые движения плода могут привести к серьезному повреждению изображения с компонентами движения плоскости. Эти движения представляют собой движения всего тела, опосредованные позвоночником и длящиеся в течение 60-90 с.

Чтобы избежать артефактов от движения плода, сначала предпринимаются шаги, чтобы свести к минимуму материнские движения. Беременные женщины становятся более расслабленными, используя поддерживающие подушки на кровати сканера и одетые в удобные халаты, и их партнеры могут присутствовать рядом со сканером, чтобы уменьшить клаустрофобию^19,20. Чтобы смягчить последствия дыхания матери, исследования провели МР-обследования плода при задержке дыхания матери 21,22,23. Тем не менее, такие приобретения должны быть короткими (~ 15 с), учитывая сниженную толерантность к задержке дыхания беременных субъектов. В последнее время внедрены методы ретроспективной коррекции движений для МРТ плода 14,15,16. Эти методы отслеживают движение плода с помощью инструментов регистрации и корректируют движение или отбрасывают неисправимые части полученных данных.

Наконец, постнатальные МРТ-изображения сердца обычно получаются с использованием электрокардиограммы (ЭКГ) для синхронизации сбора данных с сердечным циклом. Без гатинга движение сердца и пульсирующий поток на протяжении всего сердечного цикла объединяются, производя артефакты. К сожалению, сигнал ЭКГ плода страдает от помех от материнского сигнала ЭКГ²⁴ и искажений от магнитного поля²⁵. Следовательно, были предложены альтернативные неинвазивные подходы к сердечному гаттингу плода, включая самообеспечение, метрическое оптимизированное гатирование (MOG) и допплеровское ультразвуковое измерение 21,26,27,28.

Как описано в следующих разделах, наш подход МРТ для количественной оценки кровотока плода использует новый метод измерения MOG, разработанный в нашей лаборатории и сочетающийся с коррекцией движения и итеративной реконструкцией ускоренных приобретений МРТ. Подход основан на конвейере в ранее опубликованном исследовании¹⁴ и состоит из следующих пяти этапов: (1) приобретение кровотока плода, (2) реконструкции в режиме реального времени, (3) коррекция движения, (4) сердечная решетка и (5) закрытые реконструкции.

протокол

Все МРТ-сканирования были выполнены с информированного согласия добровольцев в рамках исследования, одобренного нашим институциональным советом по этике исследований.

ПРИМЕЧАНИЕ: Методы, описанные ниже, были использованы на системе МРТ 3T. Сбор осуществляется с использованием радиально-фазовой контрастной последовательности МРТ. Эта последовательность была подготовлена путем изменения траектории считывания (для достижения звездчатого рисунка) декартовой фазовой контрастной МРТ производителя. Протоколы последовательности и образцов доступны по запросу через нашу платформу обмена C²P. Все реконструкции в этой работе были выполнены на стандартном настольном компьютере со следующими характеристиками: 32 ГБ памяти, процессор 3,40 ГГц с 8 ядрами и 2 ГБ видеокарты с 1024 ядрами compute unified device architecture (CUDA). Реконструкция изображения выполнена на MATLAB. Неоднородное быстрое преобразование Фурье (NUFFT)²⁹ было выполнено на графическом процессоре (GPU). Параметры коррекции движения рассчитывались с помощью elastix³⁰. На рисунке 1 протокол изображен в хронологическом порядке, отслеживая, как полученные коды скоростей (цвет, обозначенный на рисунке 1) обрабатываются репрезентативными изображениями на каждом этапе реконструкции. Код реконструкции доступен по адресу https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI. Хотя мы предоставляем шаги в протоколе здесь, большинство из этих шагов алгоритма автоматизированы в нашем конвейере.

1. Предметное позиционирование и экзамены по локализации

1. Помогите матери расположить себя на столе МРТ в ее предпочтительном удобном положении, обычно лежачем или боковом пролежневом положении, для обследования МРТ.
2. Поместите сердечную катушку над брюшной областью матери.
3. Загрузите таблицу МРТ в магнитное отверстие и сообщите матери, что сканирование вот-вот начнется.
4. Запустите локализатор, чтобы найти тело плода (разрешение: 0,9 x 0,9 x 10 мм³, TE / TR: 5,0 / 15,0 мс, FOV: 450 x 450 мм², срезы: 6).
5. Проведите исследование уточненного локализатора, чтобы найти сосудистую систему плода с группой срезов, сосредоточенных на сердце плода (разрешение 1,1 x 1,1 x 6,0 мм³, TE / TR: 2,69 / 1335,4 мс, FOV: 350 x 350 мм², срезы: 10, ориентация: осевая для плода).
6. Повторите уточненные локализаторы с сагиттальной и корональной ориентациями для более четкого обзора сосудов плода.
7. Повторяют рафинированные локализаторы в случаях грубого движения плода.

2. Получение данных о кровотоке плода

1. Определите местонахождение сосудов плода с помощью локализаторских исследований. Например, нисходящая аорта представляет собой длинный прямой сосуд возле позвоночника в сагиттальных плоскостях. Восходящая аорта и главные легочные артерии могут быть идентифицированы как сосуды, выходящие из левого и правого желудочков соответственно. Артериальный проток может быть отслежен как нисходящий сегмент главной легочной артерии, проксимальный к нисходящей аорте. Верхняя полая вена может быть идентифицирована по осевым плоскостям вблизи основания сердца плода как сосуд, прилегающий к восходящей аорте.
2. Назначают срез перпендикулярно оси интересующего плода сосуда. Поверните и переместите направляющую среза на консольном компьютере МРТ так, чтобы она перпендикулярно пересекала целевой сосуд.
3. Задайте параметры сканирования (тип съемки: радиально-фазовый контраст МРТ, разрешение: 1,3 x 1,3 x 5,0 мм³, время эха (TE)/ время повторения (TR): 3,25/5,75 мс, поле зрения (FOV): 240 x 240 мм², срез: 1, кодирование скорости: 100-150 см/с в зависимости от интересующего сосуда, направление кодирования скорости: через плоскость, радиальные виды: 1500 на кодирование, свободное дыхание).
4. Запустите сканирование и проверьте рецепт на основе первоначальной усредненной по времени реконструкции, выполненной и отображаемой на консольном компьютере МРТ. Повторите сканирование локализатора и фазового контраста, если целевой сосуд отсутствует или неидентифицируется при первоначальной реконструкции. Полученные необработанные данные представлены на схеме на фиг.1А с компенсированной скоростью и через плоскостные захваты цветом, обозначенным как красный и синий соответственно.
5. Повторите сбор данных о кровотоке плода для каждого целевого кровеносного сосуда.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Полученные необработанные данные (формат: файлы DAT) должны быть переданы для автономной реконструкции. Например, на сканерах Siemens это можно выполнить, запустив «twix». Полученные необработанные данные щелкают правой кнопкой мыши из списка приобретений и выбирается «копировать общий raid-файл».

3. Коррекция движения измерений плода

1. Реконструируйте ряды реального времени (временное разрешение: 370 мс, радиальные виды: 64) из полученных данных с помощью CS с 15 итерациями оптимизации сопряженного градиентного спуска с использованием пространственной суммарной вариации (STV, вес: 0,008) и временной суммарной вариации (TTV, вес: 0,08) регуляризации, как показано в схеме на рисунке 1B.
2. Выберите интересующую область (ROI), охватывающую интересующее судно из этой первой реконструкции в режиме реального времени, используя графический пользовательский интерфейс, разработанный в MATLAB. На этом этапе пользователь должен нарисовать контур, который охватывает анатомию плода, такую как целевые крупные сосуды или сердце плода.
3. Отслеживание движения твердого тела с помощью elastix³⁰ (на основе нормированной взаимной информации с эмпирически оптимизированными параметрами: 4 уровня пирамиды, 300 итераций и поступательных преобразований).
4. Отклоняйте отслеживаемые кадры реального времени, которые разделяют низкую взаимную информацию (MI) со всеми другими кадрами (при этом MI составляет менее 1,5x межквартильного диапазона от среднего MI). Эти кадры считаются представленными через плоское движение или грубое движение плода.
5. Используйте данные МРТ, соответствующие самой длинной серии непрерывных кадров реального времени (без пробелов) из оставшихся кадров в качестве периода покоя, используемого для дальнейшей реконструкции.
6. Интерполировать параметры коррекции поступательного движения от временного разрешения рядов реального времени (370 мс) к TR покоящегося захвата (5,75 мс).
7. Примените интерполированные параметры к определенному периоду покоя данных МРТ, модулируя фазу следующим образом:
   
   
   где s' — данные с поправкой на движение, k_x и k_y — координаты в k-пространстве, s — полученные нескорректированные данные, Δ_x и Δ_y — отслеживаемые смещения в пространстве, а j — .
   ПРИМЕЧАНИЕ: Все числовые значения коэффициентов регуляризации в данной работе были оптимизированы в более ранних экспериментах. Это было достигнуто с помощью поиска по сетке методом перебора для поиска коэффициентов регуляризации, которые сводили к минимуму ошибку между реконструкциями эталонного набора данных плода с высокой степенью выборки и ретроспективно недооцененными случаями из того же набора данных.

4. Решение для частоты сердечных сокращений плода

1. Реконструируйте второй ряд изображений в реальном времени с более высоким временным разрешением (временное разрешение: 46 мс, радиальные виды: 8), используя полученные данные с помощью CS, опять же с 15 итерациями сопряженной градиентной оптимизации спуска с регуляризацией STV (вес: 0,008) и TTV (вес: 0,08), как показано схемой на рисунке 1C.
2. Повторно выберите ROI, охватывающий интересующий плодный сосуд.
3. Запустите многопараметрический MOG в рядах реального времени, чтобы получить зависящую от времени частоту сердечных сокращений плода.
4. Движение бункера корректировало данные МРТ в 15 сердечных фаз, используя полученную форму сигнала сердечного ритма. На этом этапе временные границы сердечных фаз вычисляются с использованием частоты сердечных сокращений от предыдущего шага. Например, границы для ^i-й фазы в ^k-м сердцебиении задаются следующим образом:
   
   
   где HR(K) — время, в которое происходит ^k-е сердцебиение. Временная метка ^n-го радиального приобретения задается (n x TR). Данные с временными метками, попадающими в границы сердечной фазы, присваиваются этой фазе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: MOG - это метод²⁶ гатинга, который включает в себя итеративное бинирование полученных данных на основе многопараметрической модели сердечного ритма плода для создания изображений CINE, которые оптимизируют метрику изображения над интересующей областью.

5. Реконструкция CINES плода

1. Реконструировать СИНИ кровотока плода с помощью скорректированных данных МРТ и CS с 10 итерациями оптимизации сопряженного градиентного спуска с регуляризацией STV (вес: 0,025) и TTV (вес: 0,01). На этом этапе создаются два CINE: один для получения с компенсацией потока, C_FC, и один с данными, закодированными потоком, C_FE, как показано на схеме на рисунке 1D.
2. Вычислите изображение скорости, заданное фазой элементарного произведения C_FE и комплексного сопряжения C_FC.
3. Примените коррекцию фоновой фазы³¹ для коррекции вихретоковых эффектов. Вкратце, на этом автоматическом шаге плоскость устанавливается на фазу статических тканей плода и матери. Коррекция выполняется путем вычитания плоскости из чувствительной к скорости фазы, вычисляемой в 4.2.
4. Запись восстановленных данных в файлы DICOM.
5. Загрузите DICOM в программное обеспечение для анализа потоков, например Сегмент v2.2³².
6. Нарисуйте ROI, охватывающий просвет интересующего кровеносного сосуда, используя анатомические и чувствительные к скорости изображения.
7. Распространите ROI на все сердечные фазы и скорректируйте изменения диаметра сосуда.
8. Запись измерений расхода.

Результаты

В целом, фазовые МРТ-исследования потока нацелены на шесть основных сосудов плода: нисходящую аорту, восходящую аорту, главную легочную артерию, артериальный проток, верхнюю полую вену и пупочную вену. Эти сосуды представляют интерес для клинициста, поскольку они часто участвуют в ИБС ?...

Обсуждение

Этот метод позволяет неинвазивно измерять кровоток в крупных сосудах плода человека и позволяет проводить ретроспективную коррекцию движения и сердечные меры с использованием методов итеративной реконструкции. Количественная оценка кровотока плода была выполнена...

Материалы

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