Manyetik Rezonans Görüntüleme ve Hareket Telafisi ile İnsan Fetal Kan Akımı Ölçümü

Özet

Burada MRG ile fetal kan akımını hızlı bir şekilde ölçmek, hareket düzeltmesi ve kardiyak geçişi retrospektif olarak gerçekleştirmek için bir protokol sunulmaktadır.

Özet

Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), kardiyovasküler morfoloji ve kalp fonksiyonlarının klinik değerlendirilmesinde önemli bir araçtır. Aynı zamanda faz kontrast MRG'ye dayanan kan akışı ölçümü için tanınmış bir bakım standardıdır. Kan akışının bu şekilde ölçülmesi yetişkinlerde on yıllardır mümkün olsa da, bu yeteneği fetal kan akışına genişletme yöntemleri ancak yakın zamanda geliştirilmiştir.

Majör damarlarda fetal kan akımı miktarının belirlenmesi, konjenital kalp hastalığı (KKH) ve fetal büyüme kısıtlaması (FGR) gibi fetal patolojilerin izlenmesinde önemlidir. KKH, fetüste kanın seyrini değiştiren kardiyak yapıda ve vaskülattürde değişikliklere neden olur. FGR'de, kan akışının yolu, şantların genişlemesi yoluyla değiştirilir, böylece beyne oksijenli kan akışı artar. Kan akımı miktarı, fetal patolojinin ciddiyetinin değerlendirilmesini sağlar ve bu da uygun utero hasta yönetimi ve doğum sonrası bakım planlamasına izin verir.

Faz kontrastlı MRG'nin insan fetüsüne uygulanmasının başlıca zorlukları arasında küçük kan damarı boyutu, yüksek fetal kalp atış hızı, maternal solunuma bağlı potansiyel MRG veri bozulması, öngörülemeyen fetal hareketler ve veri toplamayı senkronize etmek için geleneksel kardiyak geçiş yöntemlerinin eksikliği sayılabilir. Burada, hızlandırılmış görüntüleme, hareket telafisi ve kardiyak geçişteki ilerlemeler de dahil olmak üzere, faz kontrast MRG kullanılarak fetal kan akışının ölçülmesini sağlayan laboratuvarımızdaki son teknik gelişmeleri açıklıyoruz.

Giriş

Fetal büyüme kısıtlılığı (FGR) ve konjenital kalp hastalığı (KKH) gibi fetal patolojilerin izlenmesi için fetal dolaşımın kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi gereklidir ^1,2,3. Utero'da hasta yönetimi ve doğum sonrası bakım planlaması fetal patolojinin ciddiyetine bağlıdır 4,5,6,7. MRG ile fetal kan akımı niceliğinin fizibilitesi ve fetal patolojilerin değerlendirilmesindeki uygulamaları son zamanlarda gösterilmiştir ^3,8,9. Bununla birlikte, görüntüleme yöntemi, yüksek uzaysal zamansal çözünürlük elde etmek için artan görüntüleme süreleri, kardiyak senkronizasyon yöntemlerinin eksikliği ve öngörülemeyen fetal hareket¹⁰ gibi zorluklarla karşı karşıyadır.

Fetal vaskülatür küçük yapılardan oluşur (inen aort, duktus arteriyozus, asendan aort, ana pulmoner arter ve superior vena kava ^11,12,13'ü içeren majör kan damarları için ~5 mm çapında). Bu yapıları çözmek ve akışı ölçmek için, yüksek uzamsal çözünürlükte görüntüleme gereklidir. Dahası, fetal kalp atış hızı bir yetişkinin yaklaşık iki katıdır. Bu nedenle, fetal kardiyak döngü boyunca dinamik kardiyak hareketi ve kan akışını çözmek için yüksek bir zamansal çözünürlük de gereklidir. Bu yüksek mekansal zamansal çözünürlükte geleneksel görüntüleme, nispeten uzun edinme süreleri gerektirir. Bu sorunu çözmek için, hızlandırılmış fetal MRG ^14,15,16 tanıtılmıştır. Kısaca, bu hızlandırma teknikleri, veri toplama sırasında frekans alanında yetersiz örneklemeyi ve yinelemeli teknikler kullanılarak geriye dönük yüksek doğrulukta rekonstrüksiyonu içerir. Böyle bir yaklaşım, yeniden yapılandırılmış görüntü bilinen bir etki alanında seyrek olduğunda ve az örnekleme yapıtları tutarsız olduğunda ağır şekilde az örneklenmiş verilerden görüntülerin yeniden yapılandırılmasına izin veren sıkıştırılmış algılama (CS) yeniden yapılandırmasıdır¹⁷.

Fetal görüntülemede hareket büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Hareket yolsuzluğu maternal solunum hareketi, maternal bulk hareketi veya brüt fetal hareketten kaynaklanabilir. Maternal solunum fetüsün periyodik çevirilerine yol açarken, fetal hareketler daha karmaşıktır. Fetal hareketler lokalize veya brüt^10,18 olarak sınıflandırılabilir. Lokalize hareketler vücudun sadece bölümlerinin hareketini içerir. Tipik olarak yaklaşık 10-14 s sürerler ve sıklıkları gebelikle birlikte artar (termde saatte ~ ⁹⁰⁾¹⁰. Bu hareketler genellikle küçük çaplı bozulmalara neden olur ve görüntüleme ilgi alanını etkilemez. Bununla birlikte, kaba fetal hareketler, düzlem hareketi bileşenleri ile ciddi görüntü bozulmasına yol açabilir. Bu hareketler omurganın aracılık ettiği tüm vücut hareketleridir ve 60-90 sn sürer.

Fetal hareketten kaynaklanan artefaktlardan kaçınmak için, önce maternal hareketleri en aza indirgemek için adımlar atılır. Hamile kadınlar, tarayıcı yatağındaki destekleyici yastıklar kullanılarak daha rahat hale getirilir ve rahat önlükler giydirilir ve klostrofobiyi azaltmak için ortakları tarayıcının yanında bulunabilir^19,20. Maternal solunum hareketinin etkilerini azaltmak için, çalışmalar maternal nefes tutma^21,22,23 altında fetal MR muayeneleri gerçekleştirmiştir. Bununla birlikte, bu tür kazanımlar, hamile deneklerin nefes tutma toleransının azalması göz önüne alındığında kısa (~ 15 s) olmalıdır. Son yıllarda fetal MRG ^14,15,16 için retrospektif hareket düzeltme yöntemleri kullanılmaya ^{başlanmıştır}. Bu yöntemler, kayıt araç setlerini kullanarak fetal hareketi izler ve hareketi düzeltir veya elde edilen verilerin düzeltilemeyen kısımlarını atar.

Son olarak, doğum sonrası kardiyak MR görüntüleri, veri toplamayı kardiyak siklusa senkronize etmek için elektrokardiyogram (EKG) geçidi kullanılarak geleneksel olarak elde edilir. Geçit olmadan, kardiyak hareket ve kardiyak döngü boyunca pulsatil akış birleştirilerek artefaktlar üretilir. Ne yazık ki, fetal EKG sinyali, maternal EKG sinyali^24'ten gelen parazit ve manyetik alan^25'ten kaynaklanan bozulmalardan muzdariptir. Bu nedenle, fetal kardiyak geçitlemeye alternatif non-invaziv yaklaşımlar, kendi kendine geçitli, metrik optimize geçit (MOG) ve doppler ultrason geçidi ^21,26,27,28 dahil olmak üzere önerilmiştir.

Aşağıdaki bölümlerde açıklandığı gibi, fetal kan akışını ölçmek için MRG yaklaşımımız, laboratuvarımızda geliştirilen ve hızlandırılmış MRG edinimlerinin hareket düzeltmesi ve yinelemeli rekonstrüksiyonu ile birleştirilen yeni bir geçit yöntemi olan MOG'dan yararlanmaktadır. Yaklaşım, daha önce yayınlanmış bir çalışma^14'teki bir boru hattına dayanmaktadır ve aşağıdaki beş aşamadan oluşmaktadır: (1) fetal kan akımı kazanımı, (2) gerçek zamanlı rekonstrüksiyonlar, (3) hareket düzeltme, (4) kardiyak geçit ve (5) kapılı rekonstrüksiyonlar.

Protokol

Tüm MRG taramaları, kurumsal araştırma etik kurulumuz tarafından onaylanan bir çalışmanın parçası olarak gönüllülerden bilgilendirilmiş onam alınarak gerçekleştirilmiştir.

NOT: Aşağıda açıklanan yöntemler bir 3T MRI sisteminde kullanılmıştır. Elde etme, radyal faz kontrastlı MRG dizisi kullanılarak gerçekleştirilir. Bu sekans, üreticinin Kartezyen faz kontrast MRG'sinin okuma yörüngesini değiştirerek (yıldız paterni elde etmek için) hazırlanmıştır. Dizi ve örnek protokoller, talep üzerine C²P değişim platformumuz aracılığıyla temin edilebilir. Bu çalışmadaki tüm yeniden yapılandırmalar, aşağıdaki özelliklere sahip standart bir masaüstü bilgisayarda gerçekleştirildi: 32 GB bellek, 8 çekirdekli 3,40 GHz işlemci ve 1024 bilgi işlem birleşik cihaz mimarisi (CUDA) çekirdeğine sahip 2 GB grafik kartı. MATLAB üzerinde görüntü rekonstrüksiyonu yapıldı. Grafik işlem biriminde (GPU) tekdüze olmayan hızlı Fourier dönüşümü (NUFFT)²⁹ gerçekleştirildi. Hareket düzeltme parametreleri elastix³⁰ kullanılarak hesaplandı. Şekil 1, protokolü kronolojik bir sırayla göstermekte ve elde edilen hızın kodlandığını (Şekil 1'de renk kodlu) yeniden yapılandırmanın her aşamasında temsili görüntülerle nasıl işlendiğini izlemektedir. Yeniden yapılanma kodu https://github.com/datta-g/Fetal_PC_MRI'de mevcuttur. Protokoldeki adımları burada sağlarken, bu algoritma adımlarının çoğu işlem hattımızda otomatikleştirilmiştir.

1. Konu konumlandırma ve yerelleştirici sınavları

1. Annenin, MRG muayenesi için tercih ettiği rahat pozisyonda, genellikle sırtüstü veya lateral dekübit pozisyonlarında kendisini MRG masasına konumlandırmasına yardımcı olun.
2. Kalp bobinini annenin karın bölgesine yerleştirin.
3. MRI masasını mıknatıs deliğine yükleyin ve anneye taramanın başlamak üzere olduğunu bildirin.
4. Fetal cismi bulmak için bir lokalize muayenesi yapın (çözünürlük: 0.9 x 0.9 x 10 mm³, TE/TR: 5.0/15.0 ms, FOV: 450 x 450 mm², dilimler: 6).
5. Fetal vaskülatürü fetal kalp merkezli dilim grubuyla bulmak için rafine bir lokalize muayene yapın (çözünürlük 1.1 x 1.1 x 6.0 mm³, TE/TR: 2.69/1335.4 ms, FOV: 350 x 350 mm², dilimler: 10, oryantasyon: fetüse eksenel).
6. Fetal damarların daha net bir görünümü için rafine lokalizatörleri sagital ve koronal yönelimlerle tekrarlayın.
7. Rafine lokalizörleri brüt fetal hareket durumlarında tekrarlayın.

2. Fetal kan akımı verilerinin elde edilmesi

1. Lokalizör muayenelerini kullanarak fetal damarları bulun. Örneğin, alçalan aort, sagital düzlemlerde omurganın yakınında uzun düz bir damardır. Asendan aort ve ana pulmoner arterler sırasıyla sol ve sağ ventriküllerden ayrılan damarlar olarak tanımlanabilir. Duktus arteriyozus, inen aortun proksimalindeki ana pulmoner arterin aşağı akış segmenti olarak izlenebilir. Superior vena kava, fetal kalbin tabanına yakın eksenel düzlemlerden, yükselen aort bitişiğindeki damar olarak tanımlanabilir.
2. İlgilenilen fetal damarın eksenine dik bir dilim reçete edin. MRI konsolu bilgisayarındaki dilim kılavuzunu döndürün ve hedef damarla dik olarak kesişecek şekilde hareket ettirin.
3. Tarama parametrelerini ayarlayın (edinme türü: radyal faz kontrastı MRG, çözünürlük: 1,3 x 1,3 x 5,0 mm 3, yankı süresi (TE)/ tekrarlama süresi (TR):^3,25/5,75 ms, görüş alanı (FOV): 240 x 240 mm², dilim: 1, ilgili gemiye bağlı olarak hız kodlaması: 100-150 cm/s, hız kodlama yönü: düzlem boyunca, radyal görünümler: kodlama başına 1500, serbest solunum).
4. Taramayı çalıştırın ve MRI konsol bilgisayarında gerçekleştirilen ve görüntülenen ilk ortalama rekonstrüksiyona göre reçeteyi doğrulayın. Hedef damar ilk yeniden yapılandırmada yoksa veya tanımlanamıyorsa yerelleştirici ve faz kontrastı taramalarını tekrarlayın. Elde edilen ham veriler, Şekil 1A'daki şemada, sırasıyla kırmızı ve mavi olarak kodlanmış hız telafi edilmiş ve düzlem alımları yoluyla renk kodlanmış olarak temsil edilir.
5. Her hedef kan damarı için fetal kan akışı veri toplamayı tekrarlayın.
   NOT: Elde edilen ham veriler (biçim: DAT dosyaları) çevrimdışı yeniden yapılandırma için aktarılmalıdır. Örneğin, Siemens tarayıcılarında bu, 'twix' çalıştırılarak gerçekleştirilebilir. Elde edilen ham veriler liste edinimlerinden sağ tıklanır ve "toplam baskın dosyasını kopyala" seçilir.

3. Fetal ölçümlerin hareket düzeltmesi

1. Elde edilen verilerden gerçek zamanlı serileri (zamansal çözünürlük: 370 ms, radyal görünümler: 64), Şekil 1B'deki şematik ile temsil edildiği gibi uzamsal toplam varyasyon (STV, ağırlık: 0,008) ve zamansal toplam varyasyondan (TTV, ağırlık: 0,08) yararlanan bir eşlenik gradyan iniş optimizasyonunun 15 yinelemesiyle yeniden yapılandırın.
2. MATLAB'da geliştirilen bir grafik kullanıcı arabirimi kullanarak bu ilk gerçek zamanlı yeniden yapılandırmadan ilgilenilen gemiyi kapsayan bir ilgi alanı (ROI) seçin. Bu adımda, kullanıcı hedef büyük damarlar veya fetal kalp gibi fetal anatomiyi çevreleyen bir kontur çizmelidir.
3. elastix³⁰ ile sert cisim hareketi izleme gerçekleştirin (ampirik olarak optimize edilmiş parametrelerle normalleştirilmiş karşılıklı bilgilere dayanarak: 4 piramit seviyesi, 300 yineleme ve translasyonel dönüşümler).
4. Düşük karşılıklı bilgiyi (MI) diğer tüm karelerle paylaşan izlenen gerçek zamanlı kareleri reddedin (böylece MI, ortalama MI'den çeyrekler arası aralığın 1,5 katından azdır). Bu çerçevelerin düzlem hareketi veya brüt fetal hareket ile temsil edildiği kabul edilir.
5. Kalan karelerden en uzun sürekli gerçek zamanlı kare serisine (boşluksuz) karşılık gelen MRI verilerini, daha fazla yeniden yapılanma için kullanılan sessiz dönem olarak kullanın.
6. Translasyonel hareket düzeltme parametrelerini, gerçek zamanlı serinin (370 ms) zamansal çözünürlüğünden sessiz alımın TR'sine (5,75 ms) interpolasyon yapın.
7. İnterpolasyonlu parametreleri, fazı aşağıdaki gibi modüle ederek MRI verilerinin tanımlanmış sessiz periyoduna uygulayın:
   
   
   burada s' hareket düzeltilmiş veridir, k x ve k y k-uzayındaki koordinatlardır, s elde edilen düzeltilmemiş verilerdir, Δ _x ve Δ_y uzayda izlenen yer değiştirmelerdir ve j temsil eder.
   NOT: Bu çalışmadaki düzenlileştirme katsayılarının tüm sayısal değerleri daha önceki deneylerde optimize edilmiştir. Bu, yüksek oranda örneklenmiş bir fetal referans veri kümesinin rekonstrüksiyonları ile aynı veri kümesinden geriye dönük olarak az örneklenmiş vakalar arasındaki hatayı en aza indiren düzenlileştirme katsayılarını bulmak için kaba kuvvet ızgara araması kullanılarak gerçekleştirildi.

4. Fetal kalp atış hızı için çözme

1. İkinci bir gerçek zamanlı görüntü serisini CS kullanarak elde edilen verileri kullanarak daha yüksek bir zamansal çözünürlükte (zamansal çözünürlük: 46 ms, radyal görünümler: 8), yine Şekil 1C'deki şema ile gösterildiği gibi STV (ağırlık: 0,008) ve TTV (ağırlık: 0,08) düzenlileştirme ile eşlenik gradyan iniş optimizasyonunun 15 yinelemesiyle yeniden oluşturun.
2. İlgilenilen fetal damarı kapsayan bir ROI'yi yeniden seçin.
3. Zamana bağlı fetal kalp atış hızını türetmek için gerçek zamanlı seride çok parametreli MOG çalıştırın.
4. Bin hareketi, türetilmiş kalp atış hızı dalga formunu kullanarak MRI verilerini 15 kardiyak faza düzeltti. Bu adımda, kardiyak fazların zamansal sınırları, önceki adımdaki kalp atış hızı kullanılarak hesaplanır. Örneğin, k^{. kalp} atışındaki i^. fazın sınırları şu şekilde verilir:
   
   
   burada HR(K), k. kalp atışının gerçekleştiği zamandır^. N. radyal edinimin zaman damgası (n x TR) tarafından verilir^. Kardiyak fazın sınırları içinde kalan zaman damgalarına sahip veriler bu faza atanır.
   NOT: MOG, bir görüntü metriğini ilgilenilen bir bölge üzerinde optimize eden CINE görüntüleri oluşturmak için çok parametreli bir fetal kalp atış hızı modeline dayalı olarak elde edilen verilerin yinelemeli olarak birleştirilmesini içeren bir geçit tekniği^26'dır.

5. Fetal CINE'lerin rekonstrüksiyonu

1. STV (ağırlık: 0.025) ve TTV (ağırlık: 0.01) düzenlileştirme ile konjugat gradyan iniş optimizasyonunun 10 yinelemesi ile bağlanmış hareket düzeltilmiş MRG verilerini ve CS'yi kullanarak fetal akış CINE'lerini yeniden yapılandırın. Bu adımda iki CIE üretilir: biri akış dengelemeli alım, C_FC, diğeri ise Şekil 1D'deki şematikte gösterildiği gibi akış kodlu veriler olan C_FE için.
2. C_FE'nin elementer çarpımının fazı ve C_FC'nin karmaşık eşleniği tarafından verilen hız görüntüsünü hesaplayın.
3. Girdap akımı efektlerini düzeltmek için arka plan faz düzeltmesi^31'i uygulayın. Kısaca, bu otomatik adımda, statik fetal ve maternal dokuların fazına bir düzlem takılır. Düzeltme, düzlemin 4.2'de hesaplanan hıza duyarlı fazdan çıkarılmasıyla gerçekleştirilir.
4. Yeniden yapılandırılmış verileri DICOM dosyalarına yazın.
5. DICOM'ları Segment v2.2³² gibi akış analizi yazılımlarına yükleyin.
6. Anatomik ve hıza duyarlı görüntüleri kullanarak ilgilenilen kan damarının lümenini kapsayan bir yatırım getirisi çizin.
7. ROI'yi tüm kardiyak fazlara yayın ve damar çapındaki değişiklikleri düzeltin.
8. Akış ölçümlerini kaydedin.

Sonuçlar

Genel olarak, akımın faz MRG incelemeleri altı ana fetal damarı hedef alır: inen aort, yükselen aort, ana pulmoner arter, duktus arteriyozus, superior vena kava ve umbilikal ven. Bu damarlar, sıklıkla CHD ve FGR ile ilişkili oldukları ve fetüs⁹ boyunca kanın dağılımını etkilediği için klinisyen için ilgi çekicidir. Radyal faz kontrastlı MRG ile tipik bir tarama süresi, damar başına 17 s'dir, böylece taramalar kısadır ve aynı zamanda CINE rekonstrüksiyonu için yeterli...

Tartışmalar

Bu yöntem, insan fetal büyük damarlarındaki kan akışının non-invaziv ölçümünü sağlar ve yinelemeli rekonstrüksiyon tekniklerini kullanarak retrospektif hareket düzeltmesi ve kardiyak geçişe izin verir. Son 1,3,8,9 yılında MRG ile fetal kan akımı ölçümü yapılmıştır. Bu çalışmalar, hareket bozulmasını azaltmak için ileriye dö...

Malzemeler

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