Name: human fetal blood flow quantification with magnetic resonance imaging and motion compensation
Uploaded: 2021-01-07T13:00:00
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Todas las imágenes por resonancia magnética se realizaron con el consentimiento informado de voluntarios como parte de un estudio aprobado por nuestra junta de ética de investigación institucional.
NOTA: Los métodos descritos a continuación se han utilizado en un sistema de resonancia magnética 3T. La adquisición se realiza utilizando una secuencia de resonancia magnética de contraste de fase radial. Esta secuencia se preparó modificando la trayectoria de lectura (para lograr un patr...

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	<li>Zhu, M. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hemodynamics+of+late-onset+intrauterine+growth+restriction+by+MRI.">The hemodynamics of late-onset intrauterine growth restriction by MRI.</a> American Journal of Obstetrics and Gynecology. 214 (3), 1-17 (2016).</li><li>Zhu, M. Y., Jaeggi, E., Roy, C. W., Macgowan, C. K., Seed, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduced+combined+ventricular+output+and+increased+oxygen+extraction+fraction+in+a+fetus+with+complete+heart+block+demonstrated+by+MRI.">Reduced combined ventricular output and increased oxygen extraction fraction in a fetus with complete heart block demonstrated by MRI.</a> HeartRhythm Case Reports. 2 (2), 164-168 (2016).</li><li>Sun, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduced+Fetal+Cerebral+Oxygen+Consumption+is+Associated+With+Smaller+Brain+Size+in+Fetuses+With+Congenital+Heart+Disease.">Reduced Fetal Cerebral Oxygen Consumption is Associated With Smaller Brain Size in Fetuses With Congenital Heart Disease.</a> Circulation. 131 (15), 1313-1323 (2015).</li><li>Freud, L. 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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidimensional+fetal+flow+imaging+with+cardiovascular+magnetic+resonance:+a+feasibility+study.">Multidimensional fetal flow imaging with cardiovascular magnetic resonance: a feasibility study.</a> Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 20 (1), 77 (2018).</li><li>Roy, C. W., Seed, M., Kingdom, J. C., Macgowan, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+compensated+cine+CMR+of+the+fetal+heart+using+radial+undersampling+and+compressed+sensing.">Motion compensated cine CMR of the fetal heart using radial undersampling and compressed sensing.</a> Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 19 (1), 29 (2017).</li><li>van Amerom, J. F. 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G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiautomated+method+for+noise+reduction+and+background+phase+error+correction+in+MR+phase+velocity+data.">Semiautomated method for noise reduction and background phase error correction in MR phase velocity data.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 3 (3), 521-530 (1993).</li><li>Heiberg, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+validation+of+Segment+-+freely+available+software+for+cardiovascular+image+analysis.">Design and validation of Segment - freely available software for cardiovascular image analysis.</a> BMC Medical Imaging. 10 (1), 1 (2010).</li><li>Inder, T. E., Volpe, J. 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Este método permite la medición no invasiva del flujo sanguíneo en grandes vasos fetales humanos y permite la corrección retrospectiva del movimiento y la activación cardíaca mediante el uso de técnicas de reconstrucción iterativa. La cuantificación del flujo sanguíneo fetal se ha realizado con resonancia magnética en los últimos 1,3,8,9. Estos estud...

La evaluación integral de la circulación fetal es necesaria para el seguimiento de patologías fetales como la restricción del crecimiento fetal (FGR) y la cardiopatía congénita (CHD)1,2,3. En el útero, el manejo del paciente y la planificación de la atención postnatal dependen de la gravedad de la patología fetal 4,5,6,7. La viabilidad de la cuantificación del flujo sanguíneo fetal con RM y sus aplicaciones en la evaluación de patologías fetales han sido demostradas recientemente 3,8,9. Sin embargo, el método de imagen enfrenta desafíos, como el aumento de los tiempos de imagen para lograr una alta resolución espaciotemporal, la falta de métodos de sincronización cardíaca y el movimiento fetal impredecible10.
La vasculatura fetal comprende estructuras pequeñas (~5 mm de diámetro para los vasos sanguíneos principales que comprenden la aorta descendente, el conducto arterial, la aorta ascendente, la arteria pulmonar principal y la vena cava superior11,12,13). Para resolver estas estructuras y cuantificar el flujo, se requieren imágenes a alta resolución espacial. Además, la frecuencia cardíaca fetal es aproximadamente el doble que la de un adulto. Por lo tanto, también se requiere una alta resolución temporal para resolver el movimiento cardíaco dinámico y el flujo sanguíneo a lo largo del ciclo cardíaco fetal. Las imágenes convencionales a esta alta resolución espaciotemporal requieren tiempos de adquisición relativamente largos. Para abordar este problema, se ha introducido la resonancia magnética fetal acelerada14,15,16. Brevemente, estas técnicas de aceleración implican submuestreo en el dominio de la frecuencia durante la adquisición de datos y la reconstrucción retrospectiva de alta fidelidad utilizando técnicas iterativas. Uno de estos enfoques es la reconstrucción de detección comprimida (CS), que permite la reconstrucción de imágenes a partir de datos muy submuestreados cuando la imagen reconstruida es escasa en un dominio conocido y los artefactos de submuestreo son incoherentes17.
El movimiento en las imágenes fetales presenta un gran desafío. La corrupción del movimiento puede surgir del movimiento respiratorio materno, el movimiento masivo materno o el movimiento fetal grueso. La respiración materna conduce a traducciones periódicas del feto, mientras que los movimientos fetales son más complejos. Los movimientos fetales pueden clasificarse como localizados o macroscópicos10,18. Los movimientos localizados implican el movimiento de sólo segmentos del cuerpo. Por lo general, duran alrededor de 10-14 s y su frecuencia aumenta con la gestación (~ 90 por hora a término)10. Estos movimientos generalmente causan pequeñas corrupciones y no afectan el área de interés de la imagen. Sin embargo, los movimientos fetales gruesos pueden conducir a una corrupción grave de la imagen con componentes de movimiento a través del plano. Estos movimientos son movimientos de todo el cuerpo mediados por la columna vertebral y duran entre 60 y 90 s.
Para evitar los artefactos del movimiento fetal, primero se toman medidas para minimizar los movimientos maternos. Las mujeres embarazadas se relajan más utilizando almohadas de apoyo en la cama del escáner y vestidas con batas cómodas y pueden tener a sus parejas presentes al lado del escáner para reducir la claustrofobia19,20. Para mitigar los efectos del movimiento respiratorio materno, los estudios han realizado exámenes de RM fetal bajo retención de la respiración materna21,22,23. Sin embargo, tales adquisiciones deben ser cortas (~ 15 s) dada la tolerancia reducida a la retención de la respiración de las sujetos embarazadas. Recientemente, se han introducido métodos retrospectivos de corrección de movimiento para la RM fetal14,15,16. Estos métodos rastrean el movimiento fetal utilizando kits de herramientas de registro y corrigen el movimiento o descartan partes no corregibles de los datos adquiridos.
Finalmente, las imágenes de RM cardíaca postnatal se adquieren convencionalmente mediante la activación del electrocardiograma (ECG) para sincronizar la adquisición de datos con el ciclo cardíaco. Sin gating, el movimiento cardíaco y el flujo pulsátil de todo el ciclo cardíaco se combinan, produciendo artefactos. Desafortunadamente, la señal del ECG fetal sufre de interferencia de la señal de ECG materna24 y distorsiones del campo magnético25. Por lo tanto, se han propuesto enfoques alternativos no invasivos para la activación cardíaca fetal, incluida la autoactivación, la activación optimizada métrica (MOG) y la activación por ultrasonido doppler21,26,27,28.
Como se describe en las siguientes secciones, nuestro enfoque de resonancia magnética para cuantificar el flujo sanguíneo fetal aprovecha un nuevo método de compuerta, MOG, desarrollado en nuestro laboratorio y combinado con la corrección de movimiento y la reconstrucción iterativa de adquisiciones aceleradas de resonancia magnética. El enfoque se basa en una tubería en un estudio publicado anteriormente14 y se compone de las siguientes cinco etapas: (1) adquisición del flujo sanguíneo fetal, (2) reconstrucciones en tiempo real, (3) corrección de movimiento, (4) activación cardíaca y (5) reconstrucciones cerradas.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>elastix</td>
			<td>Image Sciences Institute, University Medical Center Utrecht</td>
			<td></td>
			<td>Image registration software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Geforce GTX 960&#160;</td>
			<td>Nvidia&#160;</td>
			<td>04G-P4-3967-KR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gpuNUFFT</td>
			<td>CAI&#178;R</td>
			<td></td>
			<td>Non-uniform fast Fourier transform</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MAGNETOM Prisma</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>10849583</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Radial Phase Contrast MRI sequence</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Trajectory modification of manufacturer&#39;s Cartesian Phase Contrast sequence</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Segment</td>
			<td>Medvisio</td>
			<td></td>
			<td>Data analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VENGEANCE</td>
			<td>Corsair</td>
			<td>LPX DDR4-2666&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

human fetal blood flow quantification with magnetic resonance imaging and motion compensation

La resonancia magnética (RM) es una herramienta importante para la evaluación clínica de la morfología cardiovascular y la función cardíaca. También es el estándar de atención reconocido para la cuantificación del flujo sanguíneo basado en la resonancia magnética de contraste de fase. Si bien tal medición del flujo sanguíneo ha sido posible en adultos durante décadas, los métodos para extender esta capacidad al flujo sanguíneo fetal solo se han desarrollado recientemente.
La cuantificación del flujo sanguíneo fetal en los vasos principales es importante para controlar patologías fetales como la cardiopatía congénita (CHD) y la restricción del crecimiento fetal (FGR). La cardiopatía coronaria provoca alteraciones en la estructura cardíaca y la vasculatura que cambian el curso de la sangre en el feto. En FGR, la ruta del flujo sanguíneo se altera a través de la dilatación de las derivaciones de tal manera que aumenta el suministro de sangre oxigenada al cerebro. La cuantificación del flujo sanguíneo permite evaluar la gravedad de la patología fetal, lo que a su vez permite un manejo adecuado del paciente en el útero y la planificación de la atención postnatal.
Los principales desafíos de aplicar la resonancia magnética de contraste de fase al feto humano incluyen el tamaño pequeño de los vasos sanguíneos, la alta frecuencia cardíaca fetal, la posible corrupción de los datos de resonancia magnética debido a la respiración materna, los movimientos fetales impredecibles y la falta de métodos convencionales de activación cardíaca para sincronizar la adquisición de datos. Aquí, describimos los desarrollos técnicos recientes de nuestro laboratorio que han permitido la cuantificación del flujo sanguíneo fetal utilizando resonancia magnética de contraste de fase, incluidos los avances en imágenes aceleradas, compensación de movimiento y activación cardíaca.

En general, los exámenes de RM de fase del flujo se dirigen a seis vasos fetales principales: la aorta descendente, la aorta ascendente, la arteria pulmonar principal, el conducto arterial, la vena cava superior y la vena umbilical. Esos vasos son de interés para el clínico, ya que a menudo están implicados en CHD y FGR, influyendo en la distribución de la sangre en todo el feto9. Una duración típica de la exploración con la resonancia magnética de contraste de fase radial es de 17 s por ...

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Human Fetal Blood Flow Quantification with Magnetic Resonance Imaging and Motion Compensation

Aquí presentamos un protocolo para medir el flujo sanguíneo fetal rápidamente con resonancia magnética y realizar retrospectivamente la corrección del movimiento y la activación cardíaca.

Cuantificación del flujo sanguíneo fetal humano con imágenes por resonancia magnética y compensación de movimiento

Magnetic resonance imaging (MRI) is an important tool for the clinical assessment of cardiovascular morphology and heart function. It is also the ...

La resonancia magnética fetal enfrenta varios desafíos. Este protocolo aborda los problemas de movimiento fetal, requisitos de resolución alta, espacial y temporal, y la falta de métodos de activación externa. Esta técnica hace uso de imágenes aceleradas a través de la detección comprimida que reduce el tiempo de imagen, corrige retrospectivamente el movimiento fetal y permite la extracción de la frecuencia cardíaca fetal utilizando la activación optimizada métrica.Actualmente, esta técnica es solo para investigación, sin embargo, tiene el potencial para el monitoreo y la orientación terapéutica de patologías fetales, como la cardiopatía congénita y la restricción del crecimiento intrauterino. Después de ayudar a la madre en una posición cómoda apropiada en la mesa de resonancia magnética, configure el instrumento para realizar un examen localizador para localizar el cuerpo fetal a una resolución de 0.9 por 0.9 por 10 centímetros cúbicos, un tiempo de eco de cinco milisegundos, un tiempo de repetición de 15 milisegundos, un campo de visión de 450 por 450 milímetros cuadrados y seis cortes. Establezca los parámetros para ejecutar un examen de localizador refinado para localizar la vasculatura fetal con el grupo de cortes centrado en el corazón fetal a una resolución de 1.1 por 1.1 por seis milímetros cúbicos, tiempo de eco de 2.69 milisegundos, tiempo de repetición de 1335.4 milisegundos, un campo de visión de 350 por 350 milímetros cuadrados, 10 cortes y una orientación axial al feto.Luego repita los localizadores refinados con orientaciones sagital y coronal para obtener una visión más clara de los vasos fetales. Para medir el flujo sanguíneo fetal, después de localizar los vasos fetales identificar los vasos de interés. Por ejemplo, la aorta descendente es un vaso largo y recto cerca de la columna vertebral en las llanuras sagitales, la aorta ascendente y las arterias pulmonares principales se pueden identificar como vasos que salen de los ventrículos izquierdo y derecho, respectivamente.El conducto arterioso se puede rastrear como un segmento aguas abajo de la arteria pulmonar principal proximal a la aorta descendente. La vena cava superior se puede identificar a partir de las llanuras axiales cerca de la base del corazón fetal como el vaso adyacente a la aorta ascendente. Prescriba una rebanada perpendicular al eje del vaso fetal de interés y gire y mueva la guía de rebanada en la consola de resonancia magnética de tal manera que la rebanada se cruce perpendicularmente con el vaso objetivo.Ajuste los parámetros de escaneo a una adquisición de MRI de contraste de fase radial, una resolución de 1.3 por 1.3 por cinco milímetros cúbicos, tiempo de eco de 3.25 milisegundos, tiempo de resolución de 5.75 milisegundos, campo de visión de 240 por 240 milímetros cuadrados, una rebanada, velocidad de 100 a 150 centímetros por segundo y recubrimiento según el recipiente de interés, A través del avión, la velocidad de las vistas de radio y la dirección del recubrimiento, y 1500 por código final de respiración libre. Después de ejecutar el escaneo, verifique la prescripción en función del tiempo inicial promediado de reconstrucción realizado y mostrado en la consola de MRI. Repita para cada vaso sanguíneo objetivo y si el vaso objetivo está ausente o es identificable.Después de reconstruir los CINEs de flujo fetal, cargue los archivos de datos reconstruidos en un programa de software de análisis de flujo apropiado y dibuje una región de interés que abarque la luz del vaso sanguíneo de interés en las imágenes anatómicas y sensibles a la velocidad. Propague la región de interés a todas las fases cardíacas y corrija los cambios en el diámetro del vaso. Luego registre las mediciones de flujo dentro de cada región de interés.En este análisis representativo, los parámetros de movimiento extraídos para el feto uno y el feto dos representan el movimiento de la aorta descendente durante la duración de la exploración. Aquí, se puede observar la información mutua compartida de cada marco de tiempo real con todos los demás marcos coregistrados para el feto uno y el feto dos. Las segundas reconstrucciones en tiempo real utilizadas para derivar la información de activación cardíaca tomaron 10 minutos por corte, y los intervalos de latidos cardíacos fetales se derivaron mediante compuerta optimizada métrica utilizando un modelo multiparamétrico como se demostró.Reconstrucciones finales de CINE. El uso de los datos retrospectivamente corregidos y cerrados tomó tres minutos por corte, y permitió la generación de reconstrucciones anatómicas y de velocidad para los fetos, en la sístole máxima. Las reconstrucciones con corrección de movimiento muestran vasos con paredes más afiladas.Sin corrección de movimiento, la aorta descendente es más borrosa y menos visible. Las curvas de flujo medidas de cada feto revelaron flujos máximos y medios más altos en las reconstrucciones sin corrección de movimiento que aquellos con corrección de movimiento. La técnica se está utilizando para estudiar la distribución sanguínea en patologías fetales.Una extensión de este método ha permitido la visualización y medición multidimensional del flujo fetal.

Research

JoVE Journal

Medicine

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Investigación

Medicina

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