孕妇子宫收缩的肌电图成像

摘要

我们提出了进行肌电成像 （EMMI） 的方案，包括以下程序：来自体表的多个肌电图电极传感器记录、磁共振成像和子宫电信号重建。

摘要

在正常怀孕期间，子宫平滑肌（子宫肌层）在妊娠晚期开始出现微弱、不协调的收缩，以帮助子宫颈重塑。在分娩时，子宫肌层具有强烈、协调的收缩来分娩胎儿。已经开发了各种方法来监测子宫收缩模式以预测分娩开始。然而，目前的技术具有有限的空间覆盖范围和特异性。我们开发了肌电成像 （EMMI），以在宫缩期间无创地将子宫电活动映射到三维子宫表面。EMMI 的第一步是使用 T1 加权磁共振成像来获取受试者特定的身体-子宫几何形状。接下来，使用放置在体表上的多达 192 个针型电极来收集子宫肌层的电记录。最后，执行EMMI数据处理流水线，将体-子宫几何形状与体表电数据相结合，对子宫表面的子宫电活动进行重建和成像。EMMI可以安全、无创地对整个子宫的早期激活区域和传播模式进行三维成像、识别和测量。

引言

临床上，通过使用宫内压力导管或进行宫缩力测定法来测量子宫收缩¹.在研究环境中，可以通过肌电图 （EMG） 测量子宫收缩，其中将电极放置在腹部表面以测量子宫肌层²、^3、4、⁵、^6、7 产生的生物电信号。人们可以使用源自肌电图的电爆发⁸、⁹、¹⁰、^11、12 的幅度^、频率和传播特征来预测早产儿分娩的开始。然而，在传统的肌电图中，子宫收缩的电活动仅从腹表面的一个小区域测量，电极数量有限（腹面中央的两个 13 和四个⁷、14、^15、16，下腹表面 ^{64 17}）。此外，传统的肌电图在研究分娩机制方面的能力有限，因为它只能反映整个子宫的平均电活动，而无法检测宫缩期间子宫表面的特定电启动和激活模式。

最近引入了一种称为肌电成像 （EMMI） 的发展，以克服传统肌电图的缺点。EMMI能够在子宫收缩期间对整个子宫肌层的电激活序列进行无创成像18,19,20,21。为了获得体与子宫的几何形状，EMMI 使用 T1 加权磁共振成像 （MRI）²²、^23、24，该成像已广泛用于孕中期和孕晚期的孕妇。接下来，使用放置在体表上的多达 192 个针型电极来收集子宫肌层的电记录。最后，执行EMMI数据处理流水线，将体-子宫几何形状与电数据相结合，以重建和成像子宫表面的电活动²¹。EMMI可以在三维空间上准确定位子宫收缩的开始和子宫收缩过程中的图像传播模式。本文旨在介绍EMMI程序并展示从孕妇那里获得的代表性结果。

研究方案

此处描述的所有方法均已获得华盛顿大学机构审查委员会的批准。

1. MRI安全标记贴片、电极贴片和标尺（图1）

1. 将MRI和电极贴片模板（图1A）打印在纸上。
2. 将透明乙烯基和硅橡胶板（材料表）切割成 22（乙烯基）和 44（橡胶）矩形 （120 mm x 60 mm） 以及 4 个（乙烯基）和 8（硅橡胶）方形 （60 mm x 60 mm） 补丁。
3. 制作MRI安全标记贴片：用透明乙烯基贴片覆盖模板，并将MRI安全标记物（维生素D液体软胶囊）粘在圆圈中心的乙烯基贴片上，代表模板上的电极支架空腔（图1B）。
4. 制作电极贴片：在硅橡胶贴片上标记圆形位置，并使用直径为 8 毫米的打孔套件在这些位置打孔。
5. 用双面胶环将电极支架连接到每个孔上（材料表）。将电极支架腔的周长与硅胶片上打孔的周长对齐。
6. 将 X 形环安装到电极支架顶部的空腔中，用颜色编码的硅胶片盖住支架，然后将针型有源电极通过 X 形环插入支架。电极位于电极支架的空腔中。电极电缆应位于两层硅胶片之间，并沿长边位于两排支架的中间。如果需要，通过将电极电缆缠绕在电极支架上来调整电极电缆的长度。电极贴片的组装完成（图1C）。
7. 将三条医用级双面胶带贴在沿贴片长边的电极行之间的电极贴片上。
8. 在 30 厘米处剪下六卷卷尺。将顶部保持在 0 厘米到 30 厘米之间。要制作水平尺，请将两卷卷尺 0 厘米处的边缘粘在一条长长的乙烯基条上，胶带宽度有间隙。在每把尺子上贴上双面胶带。
9. 将贴片和尺子存放在盖上盖的储物盒中。

2. MRI扫描

注意：MRI 扫描安排在母亲预产期之前的胎龄 （GA） 为 36-40 周，根据受试者的日程安排和护士的建议确定。此步骤的估计持续时间为 2 小时。

1. 受试者签署同意书后，要求受试者换上 MRI 技术人员提供的 MR 安全裤子和长袍。将MR安全标记贴片（图1B）放在检查室的体表上。
   1. 在背面贴上补丁。
      1. 指示受试者坐在体检床上。从双面胶带上撕下衬垫，沿着受试者的脊柱使用垂直尺子，尺子的末端位于臀部处。
      2. 将水平尺放在髂嵴的水平，中心与垂直尺交叉。撕下贴片上的双面胶带上的衬垫。
      3. 在背面应用两个矩形色块，使色块的长边紧挨着垂直标尺，色块的角在标尺的交点处。
      4. 在前两个贴片的左侧和右侧放置其他贴片，使贴片双侧对称。对于中等大小的受试者，在每侧应用四个矩形贴片（图1E）。
   2. 在腹部表面贴上贴片。
      1. 将检查床的头部抬高到40°左右，并引导受试者以Fowler的姿势躺下。沿腹部中线放置垂直尺，通过手动触诊确定眼底区域附近的 3 厘米标记。
      2. 应用水平尺，使其中心位于垂直尺的 6 厘米标记处，并沿腹部的自然曲率向左右横向延伸。
      3. 将第一个矩形块放在水平标尺的上方和垂直标尺的左侧，使其长边与水平标尺平行，并且面片的一个角位于两个标尺的交点处。
      4. 将第二个矩形面片放在第一个面片的左侧，其长边沿水平标尺。将第三个和第四个面片直接放在水平标尺的正下方，并与第一个和第二个面片垂直对齐。
      5. 将第五个矩形面块放在第三个面块下方，其短边沿垂直标尺。将第六个矩形贴片放在左侧第五个矩形贴片旁边。将第七个面片放在第五个面片下方，短边沿垂直标尺。在 3、5 和 7 斑块之间留出 3-7 厘米的间隙，以形成腹部的曲率。
      6. 将两个方形面片（s1 和 s2）放在第六个面片和第七个面片下方，分别与第六个和第七个面片垂直对齐。将贴片放在右腹部表面，使它们与左侧的贴片双侧对称（图1F）。
2. 拍摄贴片布局的照片和笔记，以记录尺子彼此之间的相对位置以及受试者的脐部。
3. 让 MR 技术人员根据 MRI 安全规则和规定在 MRI 设施的 II 区对受试者进行筛查。然后，引导受试者穿过 III 区到达 IV 区，那里有一台 3 T MR 扫描仪。
   1. 引导患者仰卧在MRI床上，并为患者提供MR安全麦克风、耳机组和信号挤压球。用 32 阵列 MRI 线圈覆盖受试者的下腹部（图 2A）。开始 MR 扫描。
      注：径向容积插值屏气检查快速 T1 加权序列用于使用 3 T Siemens Prisma 或 Vida 扫描仪对整个腹部进行 MRI。生成的 MR 图像分辨率为 1.56 mm x 1.56 mm，切片厚度为 4 mm。
4. 使用定位器调整视野以覆盖整个子宫和子宫颈。然后，使用 T1 加权序列进行 MRI 扫描，并进行容积插值屏气检查（重复时间 [TR] = 4.07 ms，回声时间 [TE] = 1.78 ms，翻转角度 = 10°）和数据集的多平面重建（视野 [FOV] = 500 mm x 500 mm，矩阵 = 320 x 320，体素大小 = 1.56 x 1.56 x 4 mm³）。
5. 以医学数字成像和通信 （DICOM） 格式存储数据。
6. 从受试者身上取下 MRI 贴片和尺子，并用婴儿湿巾清洁腹部和背部。
7. 从贴片上取下双面胶带，用一次性杀菌湿巾对贴片进行消毒，并在下一次实验中使用新的双面胶带。

3. 生物电测绘和3D光学扫描

注意：在受试者被送入分娩室后，她的子宫颈扩张至约 4 厘米后进行生物电标测。此步骤的估计持续时间为 2 小时。

1. 准备电极贴片：将导电凝胶填充到弯曲的尖端冲洗注射器中。使用注射器将凝胶加入每个电极贴片上的电极支架腔中。取下双面胶带的衬垫。
2. 按照步骤 2.1 中描述的放置布局，按照步骤 2.2 中拍摄的照片和笔记中描述的放置布局应用电极贴片。
3. 连接 3D 光学扫描仪的电源线和数据线。打开3D扫描软件（材料表）。将手持式光学扫描仪（材料表）直立，使闪烁的相机朝向拍摄对象。
   1. 按扫描仪上的 “ 开始”按钮开始扫描，然后再次按 “开始 ”按钮记录扫描。在被摄体周围移动扫描仪以进行 3D 光学扫描以捕获电极位置。
      注意： 在背面放置电极贴片后，对下背部表面进行光学扫描。在腹部表面放置电极贴片后，对腹部表面进行光学扫描。
   2. 按扫描仪上的 停止 按钮完成3D扫描。
4. 拍摄补丁布局的照片和笔记。注意尺子彼此之间的相对位置和受试者的肚脐。
5. 放置四个接地电极，“LL”电极在左下腹部，“LA”电极在左上胸部，“RA”电极在右上胸部，“DRL”电极在靠近脐部或右下腹部的腹面。
6. 连接生物电映射硬件的组件，包括笔记本电脑、模数 （AD） 盒、电池盒、电极贴片、接地电极电缆、光纤和 USB2 接收器（图 1D）。
7. 在笔记本电脑上打开软件 Active View ，然后打开AD框。
   注意： 如果 AD 盒上的状态指示灯为黄色，则接地电极与皮肤接触不良。在这种情况下，取下接地电极，添加更多凝胶，然后将它们放回原位。重复上述步骤，直到状态指示灯变为蓝色。
8. 检查 Active View 中的电极偏移模块。如果任何电极的偏移量较大（超过最大偏移量的四分之一），则通过使用医用纸胶带固定它们或重新安装（移除它们，添加更多凝胶，然后将它们放回原位）来改善它们与皮肤的接触。
9. 单击 “启动文件”>“暂停 ”以实时保存生物电信号数据流。记录 900 秒后，单击 “暂停保存”>“停止 ”以完成记录并将多电极测量存储在二进制数据文件 （BDF） 文件中。
10. 在研究助理检查后重复步骤 3.9 四次，以确保受试者感到舒适并愿意继续。
11. 最后一次录制（通常总共四次录制）后，关闭广告盒并断开电极贴片、接地电极、光纤和 USB 电缆。
12. 从受试者身上取下电极贴片和接地电极。
13. 用毛巾或婴儿湿巾清洁受试者的腹部和下背部。
14. 收拾好所有设备，存放电极贴片和接地电极进行清洁。
15. 在清洁室用洗洁精在温水中清洁电极贴片和接地电极。用杀菌湿巾对它们进行消毒。
16. 风干贴片，并在贴片和尺子上贴上双面安装胶带，以进行下一次实验。

4. 体-子宫几何形状的生成

1. 使用数据分析软件应用程序对 MRI 数据进行分割。
   注意：这里使用了 Amira 软件
   1. 启动数据分析软件并加载 MRI DICOM 数据。转到“分段”模块，然后单击 “新建 ”以创建新标签。单击 “编辑”>“将范围调整为”>数据直方图 “以更改图像对比度。
   2. 在 矢状视图中，选择 画笔工具，标记 MR 图像的子宫边界，填充区域，然后添加到标签文件中。每三到五个切片重复此步骤。
   3. 选择分割区域，然后单击 “选择”>“插值 > + ”以插值所有切片的分割。这样就完成了子宫表面的分割。
   4. 单击 “新建 ”以创建新的标签文件。选择 魔杖工具，将遮罩阈值置于数据直方图的初始局部最小值处，然后逐渐调整它，直到整个正文以蓝色突出显示。
   5. 选择 “所有切片”，单击任何蓝色区域，然后单击“+”将分段添加到标签文件中。单击 “分割”>“填充孔洞”>“所有切片”> + 以修复孔洞。
   6. 转到“分割”模块，然后单击 “新建 ”，为子宫创建一个新标签。在 MR 图像上手动分割子宫。如果需要，请使用 插值 。
   7. 在项目模块中，从子宫和体表的标签文件生成表面数据。
   8. 选择一个曲面文件，将“简化编辑器”>“简化”中的面数减少 50%，然后单击“立即简化”。选择简化的曲面文件，然后右键单击“平滑曲面（迭代 = 20，lambda = 0.6）”>“应用”。然后，选择平滑的曲面文件，并在“重新划分网格曲面 （% 100）”（Remesh Surface （% 100））>“应用”（Apply） 上单击鼠标右键，以将网格重新划分到每个曲面。
   9. 继续执行步骤 4.1.7，直到体表包含大约 18,000 个面，子宫表面包含大约 640 个面。
   10. 单击“文件”（File） >“将 数据导出为 STL ascii”（STL ascii>以立体光固化成型 （STL） 格式保存两个曲面。
2. 对光学 3D 扫描数据进行后处理。
   1. 将腹部表面的光学3D扫描文件加载至 Artec studio 12 professional。
   2. 选择目标光学扫描并复制扫描。
   3. 单击 Autopilot 开始处理所选扫描。
   4. 在模型创建模块中，选择扫描质量（几何形状、纹理）、物体大小、孔填充方法（防水）等，然后单击 下一步。
   5. 在编辑器模块中，选择套索选择并擦除冗余区域。
   6. 单击 “下一步 ”以创建扫描的自动优化。
   7. 单击 “编辑器”>“套索”选择 以删除不必要的区域。
   8. 单击 “文件”（File）>“将网格导出为”（Export Meshes） >“STL 文件格式”（Export Meshes） 以 STL 格式保存曲面。
3. 将光学 3D 扫描数据与 MRI 体表对齐，并使用数据分析软件中的工具命令语言 （TCL） 脚本生成体子宫几何形状。
   1. 使用预编程的数据分析软件项目加载从步骤 4.1 和 4.2 生成的 STL 格式曲面。
   2. 运行提示符 TCL 命令行，准备数据分析软件对象，以便对腹部表面进行刚性对齐。
   3. 单击 两个 查看器（水平），并在左侧查看器中显示光学扫描躯干表面，在右侧查看器中显示 MRI 体表。
   4. 在两个曲面上放置五个或六个地标，然后运行提示符 TCL 命令行以应用刚性对齐。
   5. 对背面重复步骤 4.3.2-4.3.4。
   6. 单击 “单个查看器”（Single Viewer ），然后在查看器中显示刚性对齐的光学扫描体表面。
   7. 运行提示符 TCL 命令行，准备用于非刚性对齐的数据分析软件对象。
   8. 单击 “项目”（Project）>“创建对象>地标”（Create Object Landmarks ），然后在光学扫描的主体表面的电极位置添加地标。
   9. 单击 “文件”（File） >“将数据导出为”（Export Data As> LandmarkSet Ascii 以导出 地标文件以进行非刚性对齐。
   10. 在 EMMI 数据处理管道中运行 Geometry 模块以执行非刚性对齐。
   11. 执行 TCL 命令行提示符，导入自动对齐的电极标志，并参考步骤 2.3 和 3.3 中描述的注释和照片提高电极标志的精度。
   12. 单击 “文件”（File） >“将数据导出为”（Export Data As> LandmarkSet Ascii 以导出 电极位置的地标文件。
   13. 运行 EMMI 数据处理流水线几何模块，加载 STL 文件和 LandmarkSet 文件，生成 MAT 格式的体子宫几何体。

5. 电信号预处理

1. 运行 EMMI 数据处理流水线-EMG 预处理模块以加载 BDF 文件，并使用频段为 0.34-1 Hz 的巴特沃斯滤波器处理原始电信号。
2. 运行 EMMI 数据处理流水线 - 伪影检测模块，自动检测滤波信号中的局部和全局伪影。

6. 子宫电信号重建和表征

1. 运行 EMMI 数据处理流水线重建模块，加载体-子宫几何形状和预处理的电信号数据，并计算子宫表面的电信号。
2. 运行 EMMI 数据处理流水线-肌电信号分析模块，自动检测子宫表面每次肌电图爆发的起伏和偏移量。
3. 在聚类图叠加上选择观察窗口，以计算每个观察窗口在每个子宫位置的激活时间，并为每个观察窗口创建等时线。

结果

具有代表性的MRI安全贴片和电极贴片如图1B，C所示，由图1A所示的模板创建。生物电测绘硬件如图1C所示，并详细标注了每个组件的连接。图 2 显示了整个 EMMI 程序，包括佩戴 MRI 贴片的受试者的 MRI 扫描（图 2A）、3D 光学扫描（图 2B）、生物电映射（图 2C）、体子宫几何形状的生成（图 2D）和 EMMI 数据示意图（

讨论

肌电图表明，子宫电信号的频率和振幅在妊娠期发生变化 ^2,16,25。几项研究探讨了积极分娩患者子宫收缩的子宫增殖模式 10,17,26,27,28。尽管如此，由于数量和覆盖范围有限，以及体表电极的非标准配置，?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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