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この記事について

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要約

筋層イメージング(EMMI)を実施するためのプロトコルを提示し、次の手順を含めます:体表からの複数の筋電図電極センサーの記録、磁気共鳴画像法、および子宮電気信号の再構築。

要約

正常な妊娠中、子宮平滑筋である子宮筋層は、子宮頸部のリモデリングを助けるために、妊娠後期に弱く協調性のない収縮を起こし始めます。分娩では、子宮筋層は胎児を分娩するために強く協調的な収縮を起こします。子宮収縮パターンをモニターして陣痛開始を予測するためのさまざまな方法が開発されています。ただし、現在の手法では、空間カバレッジと特異性が制限されています。私たちは、子宮収縮中の子宮の電気的活動を3次元子宮表面に非侵襲的にマッピングする筋膜イメージング(EMMI)を開発しました。EMMIの最初のステップは、T1強調磁気共鳴画像法を使用して、被験者固有の体-子宮形状を取得することです。次に、体表面に配置した最大192個のピン型電極を使用して、子宮筋層から電気記録を収集します。最後に、EMMIデータ処理パイプラインを実行して、体-子宮形状と体表面の電気データを組み合わせて、子宮表面の子宮電気的活動を再構築および画像化します。EMMIは、子宮全体の初期活性化領域と伝播パターンを安全かつ非侵襲的に3次元で画像化、特定、測定することができます。

概要

臨床的には、子宮収縮は、子宮内圧カテーテルを使用するか、トコダイナモメトリー1を実行することによって測定されます。研究現場では、子宮収縮は、子宮筋層によって生成される生体電気信号を測定するために腹部表面に電極を配置する筋電図(EMG)によって測定できます2,3,4,5,6,7。筋電図から得られた電気バースト8,9,10,11,12の大きさ、周波数、伝播の特徴を利用して、早産期の分娩開始を予測することができます。しかし、従来の筋電図では、子宮収縮の電気的活動は、限られた数の電極(腹面中央に2つの13と4つの7,14,15,16、および下腹部表面に64 17)を使用して、腹部表面のごくわずかな領域からのみ測定されていました。さらに、従来の筋電図は、子宮全体からの平均化された電気的活動のみを反映し、収縮中の子宮表面の特定の電気的開始および活性化パターンを検出できないため、陣痛のメカニズムを研究する能力に限界がありました。

筋層イメージング(EMMI)と呼ばれる最近の開発は、従来のEMGの欠点を克服するために導入されました。EMMIは、子宮収縮中の子宮筋層全体の電気的活性化シーケンスの非侵襲的イメージングを可能にします18、19、20、21。体と子宮の形状を取得するために、EMMIはT1強調磁気共鳴画像法(MRI)22,23,24を使用します22,23,24、これは妊娠中期および妊娠後期の妊婦に広く使用されています。次に、体表面に配置した最大192個のピン型電極を使用して、子宮筋層から電気記録を収集します。最後に、EMMIデータ処理パイプラインが実行されて、身体−子宮の幾何学的形状と電気的データとが結合され、子宮表面21上の電気的活動が再構成および画像化される。EMMIは、子宮収縮の開始と子宮収縮中の画像伝播パターンを3次元で正確に特定できます。この記事は、EMMI手順を提示し、妊婦から得られた代表的な結果を示すことを目的としています。

プロトコル

ここに記載されているすべての方法は、ワシントン大学の治験審査委員会によって承認されています。

1. MRI対応マーカーパッチ、電極パッチ、定規(図1)

  1. MRIと電極パッチのテンプレート(図1A)を紙に印刷します。
  2. 透明なビニールとシリコーンゴムのシート(材料表)を、22(ビニール)と44(ゴム)の長方形(120 mm x 60 mm)と、4(ビニール)と8(シリコーンゴム)の正方形(60 mm x 60 mm)のパッチにカットします。
  3. MRIセーフマーカーパッチの作成:テンプレートに透明なビニールパッチを重ね、テンプレート上の電極ホルダーの空洞を表す円の中心にあるビニールパッチにMRIセーフマーカー(ビタミンD液体ソフトジェル)を接着します(図1B)。
  4. 電極パッチを作成する:直径8mmのパンチセットを使用して、シリコンゴムパッチの円の位置とそれらの位置のパンチ穴にラベルを付けます。
  5. 電極ホルダーを両面粘着カラーで各穴に取り付けます(材料表)。電極ホルダーキャビティの円周をシリコンシートに開けた穴の円周に合わせます。
  6. Xリングを電極ホルダー上部の空洞に取り付け、色分けされたシリコンシートでホルダーを覆い、ピンタイプのアクティブ電極をXリングからホルダーに挿入します。電極は、電極ホルダーのキャビティの中央に配置されています。電極ケーブルは、シリコンシートの2つの層の間と、長辺に沿って2列のホルダーの中央に配置する必要があります。必要に応じて、電極ケーブルを電極ホルダーに絡ませて長さを調整します。電極パッチの組み立てが完了しました(図1C)。
  7. 医療グレードの両面テープを3枚、パッチの長辺に沿った電極列の間の電極パッチに貼り付けます。
  8. 6本の巻尺を30cmのマークで切ります。上部を0cmから30cmに保ちます。水平定規を作るには、2本の巻尺の0cmの端を、テープの幅に隙間を空けて長いビニールストリップに接着します。各定規に両面粘着テープを貼ります。
  9. パッチと定規は、蓋を閉じた収納ボックスに保管してください。

2.MRIスキャン

注:MRIスキャンは、母親の出産予定日より前に、36〜40週の在胎週数(GA)で予定されており、被験者のスケジュールと看護師の推奨事項に基づいて決定されます。このステップの推定所要時間は 2 時間です。

  1. 被験者が同意書に署名した後、被験者に街着からMRI技術者が提供するMRセーフのズボンとガウンに着替えるように依頼します。MRセーフマーカーパッチ(図1B)を診察室の体表面に貼ります。
    1. 裏面にパッチを配置します。
      1. 被験者に診察ベッドに座るように指示します。ライナーを両面テープから剥がし、定規の端を臀部の谷間に当てて、被験者の背骨に沿って垂直定規を貼り付けます。
      2. 腸骨稜の高さに水平定規を置き、中央が垂直定規と交差します。パッチの両面テープからライナーをはがします。
      3. 背面に長方形のパッチを 2 つ適用し、パッチの長い辺が垂直定規の隣に、パッチの角が定規の交点になるようにします。
      4. 最初の 2 つのパッチの左右に追加のパッチを配置して、パッチが左右対称になるようにします。平均的なサイズの被験者には、両側に4つの長方形のパッチを適用します(図1E)。
    2. 腹部の表面にパッチを置きます。
      1. 検査ベッドの頭を約40°まで上げ、被験者がファウラーの姿勢で横になるように誘導します。腹部の正中線に沿って垂直定規を置き、眼底領域近くの3cmのマークを手動触診で決定します。
      2. 水平定規は、その中心が垂直定規の6cmのマークにあり、腹部の自然な湾曲に沿って左右の横方向に伸びるように適用します。
      3. 最初の長方形のパッチを水平定規の上、垂直定規の左側に配置して、長辺が水平定規と平行になり、パッチの 1 つの角が 2 つの定規の交点になるようにします。
      4. 2 番目の長方形のパッチを 1 番目のパッチの左側に配置し、その長いエッジを水平定規に沿って配置します。3 番目と 4 番目のパッチを水平定規の真下に配置し、1 番目と 2 番目のパッチと垂直に揃えます。
      5. 5 番目の長方形のパッチを 3 番目のパッチの下に置き、その短い辺を垂直定規に沿って配置します。左側の 5 番目のパッチの隣に 6 番目の長方形のパッチを配置します。7 番目のパッチを 5 番目のパッチの下に置き、短辺を垂直定規に沿って配置します。腹部の湾曲のために、パッチ2、3、5、および7の間に7〜7cmの隙間を残します。
      6. 2 つの正方形のパッチ (s1 と s2) を 6 番目のパッチと 7 番目のパッチの下に配置し、それぞれ 6 番目と 7 番目のパッチに垂直に揃えます。右腹部表面にパッチを配置して、左側のパッチと左右対称になるようにします(図1F)。
  2. パッチレイアウトの写真とメモを撮って、定規の相対的な位置と被験者の臍を記録します。
  3. MRI施設のゾーンIIで、MRIの安全規則および規制に従ってMR技術者に被験者をスクリーニングしてもらいます。次に、被験者をゾーンIIIから3T MRスキャナーが存在するゾーンIVに誘導します。
    1. 仰臥位でMRIベッドに横になるように患者を誘導し、MRセーフマイク、ヘッドフォンセット、および信号スクイーズボールを提供します。被験者の下腹部を32アレイのMRIコイルで覆います(図2A)。MRスキャンを開始します。
      注:放射状容積補間息止め検査高速T1強調シーケンスを使用して、3 T Siemens PrismaまたはVidaスキャナーのいずれかを使用して腹部全体にMRIを実行しました。得られたMR画像の解像度は1.56 mm x 1.56 mm、スライスの厚さは4 mmでした。
  4. ローカライザーを使用して、子宮と子宮頸部全体をカバーするように視野を調整します。次に、体積補間息止め検査(繰り返し時間[TR] = 4.07 ms、エコー時間[TE] = 1.78 ms、フリップ角度= 10°)およびデータセットの多面再構成(視野[FOV] = 500 mm x 500 mm、マトリックス= 320 x 320、ボクセルサイズ= 1.56 x 1.56 x 4 mm3)を使用して、T1強調シーケンスを使用してMRIスキャンを実行します。
  5. データを DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 形式で保存します。
  6. MRIパッチと定規を被験者から取り外し、おしりふきで腹部と背中をきれいにします。
  7. 貼付部から両面テープをはがし、殺菌用使い捨てワイプで貼付部を消毒し、次の実験のために新しい両面テープを貼ります。

3. 生体電気マッピングと3D光学スキャン

注: 被験者が分娩室に入院し、子宮頸管が約4cmに拡張した後、生体電気マッピングを実施します。このステップの推定所要時間は 2 時間です。

  1. 電極パッチを準備する:導電性ゲルを湾曲した先端の灌漑シリンジに充填します。シリンジを使用して、各電極パッチの電極ホルダーキャビティにゲルを追加します。両面テープのライナーをはがします。
  2. 手順2.1で説明したのと同じ手順で、手順2.2で撮影した写真とメモに記載されている配置レイアウトに従って電極パッチを貼り付けます。
  3. 3D光学スキャナーの電源コードとデータコードを接続します。3Dスキャンソフトウェア(材料表)を開きます。ハンドヘルド光学スキャナー(材料表)を直立させ、点滅するカメラを被写体に向けます。
    1. スキャナーのスタートボタンを押してスキャンを開始し、もう一度スタートボタンを押してスキャンを記録します。スキャナーを被写体の周りで動かして3D光学スキャンを行い、電極の位置をキャプチャします。
      注意: 背面下部の光学スキャンは、背面に電極パッチを配置した後に行われます。腹部表面の光学スキャンは、腹部表面に電極パッチを配置した後に行われます。
    2. スキャナーの ストップ ボタンを押して、3Dスキャンを終了します。
  4. パッチレイアウトの写真とメモを取ります。定規の相対的な位置と被験者のへそに注意してください。
  5. 「LL」電極を左下腹部に、「LA」電極を左上胸部に、「RA」電極を右上胸部に、「DRL」電極を臍または右下腹部近くの腹面に置いて、4つの接地電極を配置します。
  6. ラップトップ、アナログ-デジタル(AD)ボックス、バッテリーボックス、電極パッチ、接地電極ケーブル、光ファイバー、USB2レシーバーなど、生体電気マッピングハードウェアのコンポーネントを接続します(図1D)。
  7. ラップトップでソフトウェアの アクティブビュー を開き、ADボックスをオンにします。
    注意: ADボックスのステータスライトが黄色の場合は、接地電極が皮膚に接触していません。この場合、接地電極を取り外し、ゲルを追加して、元の位置に戻します。ステータスライトが青色に変わるまで繰り返します。
  8. アクティブビューで電極オフセットモジュールを確認します。電極のずれが大きい(最大オフセットの4分の1以上)場合は、医療用紙テープで固定するか、再度取り付ける(取り外し、ゲルを追加し、元の位置に戻す)ことで、皮膚との接触を改善します。
  9. [ファイルの開始] > [一時停止] をクリックして、生体電気信号データ ストリームをリアルタイムで保存します。900秒の記録後、[一時停止]、[保存>停止]をクリックして記録を終了し、多電極測定をバイナリデータファイル(BDF)ファイルに保存します。
  10. 研究助手がチェックした後、ステップ3.9を4回繰り返して、被験者が快適で続行する意思があることを確認します。
  11. 最後の録音(通常は合計4回)が終わったら、ADボックスの電源を切り、電極パッチ、接地電極、光ファイバー、USBケーブルを外します。
  12. 電極パッチと接地電極を被写体から取り外します。
  13. 被験者の腹部と腰をタオルまたはおしりふきできれいにします。
  14. すべての機器を梱包し、電極パッチと接地電極を保管して清掃します。
  15. 電極パッチと接地電極は、洗浄室で食器用洗剤を使用してぬるま湯で洗浄してください。殺菌ワイプで消毒します。
  16. パッチを風乾させ、次の実験のためにパッチと定規に両面取り付けテープを貼り付けます。

4. 体-子宮形状の生成

  1. データ解析ソフトウェアアプリケーションを使用してMRIデータのセグメンテーションを実行します。
    注:ここでは、Amiraソフトウェアが使用されました
    1. データ解析ソフトウェアを起動し、MRI DICOMデータをロードします。セグメンテーションモジュールに移動し、[ 新規 ]をクリックして新しいラベルを作成します。[ 編集] > [範囲を調整してデータ] ヒストグラム> 、画像のコントラストを変更します。
    2. 矢状ビューで、ブラシツールを選択し、MR 画像の子宮境界にラベルを付け、領域を塗りつぶして、ラベルファイルに追加します。この手順を3〜5スライスごとに繰り返します。
    3. セグメント化された領域を選択し 、「選択」>「>+の補間」 をクリックして、すべてのスライスのセグメンテーションを補間します。これで子宮表面のセグメンテーションは完了です。
    4. [ 新規 ] をクリックして、新しいラベル ファイルを作成します。 魔法の杖ツールを選択し、マスキングしきい値をデータヒストグラムの初期局所最小値に配置し、本文全体が青色で強調表示されるまで徐々に調整します。
    5. [ すべてのスライス] を選択し、青色の領域をクリックしてから [+] をクリックし、セグメンテーションをラベル ファイルに追加します。「 セグメンテーション」>「穴を埋める」>「すべてのスライス」>「+ 」をクリックして、穴を固定します。
    6. セグメンテーションモジュールに移動し、 新規 をクリックして子宮の新しいラベルを作成します。MR画像で子宮を手動でセグメント化します。必要に応じて [補間] を使用します。
    7. Projectモジュールで、子宮と体の表面のラベルファイルから表面データを生成します。
    8. サーフェス ファイルを選択し、[簡略化エディタ]>[簡略化]で面の数を 50% 減らして、[今すぐ簡略化]をクリックします。簡略化されたサーフェス ファイルを選択し、[適用]>[サーフェスのスムージング(反復計算 = 20、ラムダ = 0.6)]を右クリックします。次に、スムージングされたサーフェスファイルを選択し、Remesh Surface (% 100) > Applyを右クリックして、各サーフェスに再メッシュします。
    9. 体表面が約 18,000 個の顔で構成され、子宮表面が約 640 個の顔で構成されるまで、手順 4.1.7 を実行します。
    10. 「ファイル」(File) >「データを STL ASCII としてエクスポート」(Export Data As > STL ascii) をクリックして、2 つのサーフェスをステレオリソグラフィー (STL) フォーマットで保存します。
  2. 光学式3Dスキャンデータの後処理を行います。
    1. 腹部表面の光学式3Dスキャンファイルを Artec studio 12 professionalにロードします。
    2. 対象の光学スキャンを選択し、スキャンを複製します。
    3. [ オートパイロット ] をクリックして、選択したスキャンの処理を開始します。
    4. モデル作成モジュールで、スキャン品質(ジオメトリ、テクスチャ)、オブジェクトサイズ、穴埋め方法(防水)などを選択し、[ 次へ]をクリックします。
    5. エディタモジュールで、なげなわ選択を選択し、冗長な領域を消去します。
    6. 「 次へ 」をクリックして、スキャンの自動絞り込みを作成します。
    7. [Editor > Lasso selection] をクリックして、不要な領域を削除します。
    8. 「ファイル」(File) >「メッシュを STL ファイル形式>エクスポート」(Export Meshes STL File Format ) をクリックして、サーフェスを STL フォーマットで保存します。
  3. 光学式3DスキャンデータをMRIの体表面に合わせ、データ解析ソフトウェアのツールコマンド言語(TCL)スクリプトを使用して体-子宮形状を生成します。
    1. 手順4.1および4.2で生成されたSTLフォーマットのサーフェスを、事前にプログラムされたデータ解析ソフトウェアプロジェクトで読み込みます。
    2. プロンプト TCL コマンド・ラインを実行して、腹部表面の剛体位置合わせ用のデータ分析ソフトウェア・オブジェクトを準備します。
    3. 2つのビューア(水平)をクリックし、左の ビューア に光学スキャンの胴体表面を、右のビューアにMRI体の表面を表示します。
    4. 両方のサーフェスに 5 つまたは 6 つのランドマークを配置し、プロンプト TCL コマンド ラインを実行して剛体線形を適用します。
    5. 裏面について手順4.3.2-4.3.4を繰り返します。
    6. Single Viewerをクリックし、剛体整列された光学スキャンされたボディサーフェスをビューアに表示します。
    7. プロンプト TCL コマンド ラインを実行して、非剛体アライメント用のデータ解析ソフトウェア オブジェクトを準備します。
    8. [プロジェクト]>[オブジェクト>ランドマークの作成]をクリックし、光学スキャンされたボディ表面の電極位置にランドマークを追加します。
    9. 「ファイル」(File) >「データをエクスポート」( Export Data As > Landmark)「ASCII を設定」(Set Ascii ) の順にクリックして、非剛体整列のランドマークファイルをエクスポートします。
    10. EMMI データ処理パイプラインでジオメトリ モジュールを実行して、非剛体アライメントを実行します。
    11. TCLコマンドラインプロンプトを実行して、自動的に位置合わせされた電極ランドマークをインポートし、ステップ2.3および3.3で説明したメモと写真を参照して電極ランドマークの精度を向上させます。
    12. 「ファイル」(File) >「データを エクスポート」(Export Data As> Landmark)「ASCII を設定」(Set Ascii) の順にクリックして、電極位置のランドマークファイルをエクスポートします。
    13. EMMI データ処理パイプライン ジオメトリ モジュールを実行して STL ファイルと LandmarkSet ファイルを読み込み、体-子宮ジオメトリを MAT 形式で生成します。

5. 電気信号の前処理

  1. EMMI データ処理パイプライン - EMG 前処理モジュールを実行して BDF ファイルを読み込み、周波数帯域 0.34-1 Hz のバターワース フィルターで生の電気信号を処理します。
  2. EMMI データ処理パイプラインのアーティファクト検出モジュールを実行して、フィルター処理された信号のローカルおよびグローバル アーティファクトを自動的に検出します。

6. 子宮の電気信号の再構成と特性評価

  1. EMMI データ処理パイプライン再構成モジュールを実行して、体-子宮形状と前処理された電気信号データを読み込み、子宮表面の電気信号を計算します。
  2. EMMIデータ処理パイプライン-EMG信号解析モジュールを実行して、子宮表面上の各EMGバーストのオンセットとオフセットを自動的に検出します。
  3. クラスター図オーバーレイの観察ウィンドウを選択して、すべての観察ウィンドウの各子宮位置での活性化時間を計算し、各観察ウィンドウの同時線を作成します。

結果

代表的なMRI安全パッチと電極パッチを図1B、Cに示し、図1Aに示したテンプレートから作成しました。バイオ電気マッピングハードウェアを図1Cに示し、各コンポーネントの接続を詳細に示しています。図2は、MRIパッチを装着した被験者のMRIスキャン(図2A)、3D光学スキャン(図2B)、生体電気マッピング(図2C)、体-子宮...

ディスカッション

筋電図検査は、子宮の電気信号の周波数と振幅が妊娠期間中に変化することを示しています2,16,25。いくつかの研究は、活動的な分娩中の患者の子宮収縮の子宮増殖パターンを調査しています10,17,26,27,28。<...

開示事項

Y.W.、A.G.C.、P.C.、およびA.L.S.は、本研究で記載されたEMMI技術について、「System and Method for Noninvasive Electromyometrial Imaging (EMMI)」と題する米国仮出願第62/642,389号を提出しました。Y.W.はメドトロニックの科学コンサルタントを務めており、NIHの研究資金を得ています。

謝辞

この原稿を編集してくれたDeborah Frankと、プロジェクトを企画してくれたJessica Chubizに感謝します。 資金提供:この研究は、マーチ・オブ・ダイムズ・センター助成金(22-FY14-486)と、NIH/National Institute of Child Health and Human Development(R01HD094381からPIs Wang/Cahillへの助成金によって支援されました。R01HD104822 PIs Wang/Schwartz/Cahill)、Burroughs Wellcome Fund Premature Birth Initiative(PI WangへのNGP10119)からの助成金、およびBill and Melinda Gates Foundationからの助成金(INV-005417、INV-035476、およびINV-037302 to PI Wang)。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
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Vida scannerSiemensN/AMRI scanner
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参考文献

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