Эволюция нейросонографии плода от 2D-сканирования до технологий 5D

Giuseppe Rizzo, M.D.
Кафедра акушерства и гинекологии, Римский университет Тор Вергата.
Рим, Италия.

Перевод статьи: "From 2D to 5D the evolution of fetal neurosonography".

"Метод 5D для ЦНС упрощает изучение головного мозга плода и снижает вариабельность между обозревателями, что позволяет ввести исследование во фронтальной и сагиттальной плоскостях в стандартные протоколы эхографии во II триместре. Это, в свою очередь, может повысить эффективность диагностики анатомических аномалий ЦНС".

Нейросонография плода

Из всех аномалий развития у плода наиболее часто встречаются аномалии центральной нервной системы (ЦНС), которые выявляют приблизительно у 0,3-1% всех живорожденных детей [1, 2]. Важность выявления аномалий развития ЦНС и точность их диагностики в дородовый период обусловлены плохим прогнозом и тем, что они нередко сочетаются с генетическими синдромами [2].

Несмотря на высокую частоту выявления аномалий развития ЦНС и клиническое значение их пренатальной диагностики, программы скринингового выявления таких аномалий малоэффективны, особенно при исследовании головки плода только в аксиальнных плоскостях головного мозга [3]. Чтобы повысить эффективность диагностики, необходимо проводить исследование ЦНС плода более полно, в том числе дополнительно в сагиттальной и фронтальной плоскостях [4]. Несмотря на наличие таких данных, в международных руководствах по скринингу аномалий ЦНС предлагается ограничить исследование тремя аксиальными плоскостями головного мозга, позволяющими визуализировать серп, полость прозрачной перегородки, таламус, боковые желудочки и сосудистое сплетение, мозжечок, большую цистерну, но не мозолистое тело, червь мозжечка или другие срединные структуры головного мозга [3]. Тем не менее диагностировать в этих структурах аномалии крайне важно, поскольку они наиболее часто сочетаются с другими пороками развития, хромосомными или генными мутациями [2].

Добавление к скрининговому обследованию ЦНС плода осмотра в сагиттальной и фронтальной плоскостях может повысить эффективность диагностики, но, к сожалению, для исследования в этих плоскостях требуются либо трансвагинальный доступ, адекватный не при всех положениях плода, либо трансабдоминальный - в трансфронтальной проекции через лобный шов [3, 4]. В обоих случаях получить изображения высокого качества удается только опытному специалисту, а исследование обычно занимает много времени. В результате качество изображения ЦНС, а значит, и последующая дородовая диагностика серьезных дефектов ЦНС в значительной степени определяются опытом оператора [4].

Для преодоления этого ограничения - зависимости от опыта врача [5, 6] - предложен метод трехмерного (3D) ультразвукового исследования (УЗИ). В частности, этот метод позволяет получать объемные изображения, начиная со стандартной проекции головки плода, а затем в автономном режиме проводить многоплоскостную реконструкцию головного мозга, для которой требуется получить изображения во всех диагностически значимых плоскостях. Таким образом, 3D УЗИ потенциально позволяет повысить частоту обнаружения аномалий ЦНС, поскольку оценку проводят во всех диагностически значимых плоскостях изображения ЦНС.

Оценку ЦНС плода методом 3D УЗИ проводят в два основных этапа: получение объемных изображений и их постобработка. Однако перед внедрением в клиническую практику необходимо дополнительно оценить качество изображений, получаемых методом 3D, эффективность диагностики аномалий ЦНС и возможность автоматизации процесса оценки объемных изображений (5D).

Получение объемных изображений

Объемные изображения головного мозга обычно получают, начиная с поперечного изображения головки плода на уровне трансмозжечковой аксиальной плоскости, направляя исходящий ультразвуковой сигнал под углом приблизительно 45° к срединной линии головного мозга, чтобы минимизировать акустическую тень от основания черепа на структуры мозга в реконструированных плоскостях (рис. 1). Угол развертки в зависимости от срока беременности устанавливают в пределах 40-60°, чтобы головной мозг плода целиком попал в объемное изображение.

Рис. 1. Изображение головки плода в трансцеребеллярной проекции.
2D изображение головки плода в трансцеребеллярной проекции

Из изображения в этой проекции получают объемное изображение ЦНС. Срединная линия выбрана косой, чтобы минимизировать акустическую тень черепа. На изображение наложена рамка области интереса (ROI; зеленая линия).

Объемные изображения получают в периоды неподвижности плода и при задержке дыхания матерью, в режиме "максимально высокого" качества. Основное преимущество этого подхода заключается в том, что в качестве исходной используется одна из аксиальных плоскостей, обычно используемых при основных исследованиях головного мозга плода; таким образом, нагрузка на специалиста, выполняющего УЗИ, не увеличивается. Наша группа недавно продемонстрировала, что после надлежащей подготовки специалисты ультразвуковой диагностики из периферийных клинических центров, умеющие проводить стандартное обследование плода, но не имеющие специального опыта проведения нейросонографии плода, смогли получить высококачественные объемные изображения ЦНС в 98% случаев. Из этих объемных изображений специалисты в автономном режиме реконструировали диагностически значимые изображения в аксиальной, сагиттальной и фронтальной плоскостях [7].

Постобработка объемных изображений

Постобработку объемных изображений обычно проводят с использованием многоплоскостного подхода, размещая референтную точку в середине полости прозрачной перегородки и затем поворачивая череп вокруг оси Z, пока срединная линия исходного изображения A не станет горизонтальной. При необходимости, чтобы получить такое же осевое выравнивание, плоскость B вращают вокруг оси X. Это позволяет получить срединно-сагиттальную проекцию головного мозга в референтной плоскости C. Для оптимизации визуализации используют опцию HDVI (High Definition Volume Imaging - объемное изображение высокого разрешения; рис. 2).

Рис. 2. Многоплоскостная реконструкция в аксиальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях. Курсор помещен в полость прозрачной перегородки. На нижней панели (c) показано изображение головного мозга плода в срединно-сагиттальной проекции - видны мозолистое тело и червь мозжечка.
Реконструкция головного мозга плода в аксиальной плоскости
Реконструкция головного мозга плода во фронтальной плоскости
Реконструкция головного мозга плода в срединно-сагиттальной проекции - видны мозолистое тело и червь мозжечка

Вручную перемещая референтную точку внутри объемного изображения, можно реконструировать изображения во всех диагностически значимых плоскостях. Применяя метод расширенного изображения в косой проекции (Oblique View eXtended - OVIX), удается значительно улучшить контрастность и разрешение изображений, что позволяет легче и более подробно оценивать состояние структур головного мозга (рис. 3).

Рис. 3. Применение функции OVIX позволяет улучшить визуализацию в срединно-сагиттальной проекции (a), а также визуализацию мозжечка (b).
УЗИ головного мозга плода с функцией OVIX - визуализация в срединно-сагиттальной проекции (a)
УЗИ головного мозга плода с функцией OVIX - визуализация мозжечка (b)

Качество 3D-изображений головного мозга плода

Интерпретировать реконструированные 3D-изображения следует с осторожностью, поскольку не всегда удается исключить наличие артефактов. Чтобы протестировать качество построенных плоскостей, мы провели сравнительные исследования у одних и тех же плодов с анализом 2D- и 3D-изображений мозолистого тела (corpum callosum - CC) и червя мозжечка (cerebellar vermis - CV) (рис. 4, 5).

Рис. 4. Ультразвуковые изображения мозолистого тела и полости прозрачной перегородки, полученные методами 2D (a) и 3D (b) у одного и того же плода.
УЗИ головного мозга плода - 2D изображение мозолистого тела и полости прозрачной перегородки (a)
УЗИ головного мозга плода - 3D изображение мозолистого тела и полости прозрачной перегородки (b)
Рис. 5. Ультразвуковые изображения червя мозжечка, полученные методами 2D (a) и 3D (b) у одного и того же плода.
УЗИ головного мозга плода - изображение червя мозжечка, 2D (a)
УЗИ головного мозга плода - изображение червя мозжечка, 3D (b)

Было продемонстрировано, что ряд полученных методом 3D измерений, например длина и окружность CC и CV, коррелирует с результатами, полученными методом 2D (рис. 6) [8, 9].

УЗИ головного мозга плода - 3D изображение в срединно-сагиттальной проекции (видны мозолистое тело и червь мозжечка, указаны их длина и измеренная длина окружности)

Рис. 6. 3D изображение в срединно-сагиттальной проекции - видны мозолистое тело и червь мозжечка, указаны их длина и измеренная длина окружности.

Эффективность диагностики

Недавно было проведено многоцентровое исследование для оценки точности диагностики аномалий строения ЦНС и степени согласованности данных между несколькими клиническими центрами [10]. Полученные результаты показывают, что в центрах, накопивших технический опыт проведения 3D УЗИ, этот метод позволяет проводить нейросонографию у плода точно и достоверно. Так, было показано, что в наборах объемных данных, полученных методом 3D-УЗИ, содержится достаточно анатомических сведений для дифференциации нормального и патологически измененного головного мозга плода, для выявления структурных аномалий и для точной диагностики специфичных дефектов ЦНС (рис. 7).

УЗИ головного мозга плода - изображение в срединно сагиттальной проекции головного мозга плода с агенезией мозолистого тела

Рис. 7. Изображение в срединно сагиттальной проекции головного мозга плода с агенезией мозолистого тела.

Полуавтоматический анализ объемных изображений головного мозга плода (5D ЦНС)

Для применения многоплоскостного подхода оператор должен вручную перемещаться по полученному объемному изображению, для чего требуются опыт и мастерство 3D-ориентации и последующего выделения диагностически значимых плоскостей. Полуавтоматический подход может упростить обследование с помощью 3D-объемных изображений, снижая вариабельность между обозревателями. Метод 5D ЦНС реализован с помощью нового программного обеспечения, разработанного для ультразвукового аппарата WS80A (компания Samsung Medison Co., Ltd), предоставляя следующие возможности:

  1. Стандартизацию: автоматическую визуализацию диагностически значимых плоскостей изображения головного мозга.
  2. Эффективность рабочего процесса: упрощается процесс ультразвукового сканирования головного мозга плода и снижается продолжительность сканирования.
  3. Надежность диагностики: минимизируются вариабельность и зависимость от оператора.

Программное обеспечение работает со стандартным объемным изображением, полученным в аксиальной проекции по описанной здесь методике, с трансталамической аксиальной проекцией в плоскости A. Затем в середине таламуса и в полости прозрачной перегородки размещают соответственно две маркерные точки (рис. 8a). Активация функции 5D ЦНС позволяет автоматически распознавать трансвентрикулярную, трансталамическую и трансцеребеллярную плоскости и измерять бипариетальный размер, лобно-затылочный размер, окружность головки, ширину заднего бокового желудочка, поперечный диаметр мозжечка и ширину большой цистерны (рис. 8b-d).

Рис. 8. Применение программного обеспечения 5D ЦНС. Оператор разместил две маркерные точки (выноски) в середине таламуса и в полости прозрачной перегородки (a). Затем программное обеспечение предоставляет трансталамическую (b), трансвентрикулярную (c) и трансцеребеллярную (d) плоскости. Кроме того, это программное обеспечение автоматически проводит все диагностически значимые измерения.
УЗИ головного мозга плода - две маркерные точки (выноски) в середине таламуса и в полости прозрачной перегородки
УЗИ головного мозга плода - трансталамическая плоскость
УЗИ головного мозга плода - трансвентрикулярная плоскость
УЗИ головного мозга плода - трансцеребеллярная плоскость
BPD - biparietal diameter (бипариетальный размер); OFD - occipital frontal diameter (лобно-затылочный размер); HC - head circumference (окружность головки); VP - posterior lateral ventricle width (ширина заднего бокового желудочка); TCD - transverse cerebellar diameter (поперечный диаметр мозжечка); CM - cisterna magna width (ширина большой цистерны).

В будущем возможно появление методов автоматического распознавания сагиттальной и фронтальной плоскостей.

Метод 3D-УЗИ можно использовать для визуализации головного мозга плода во всех диагностически значимых плоскостях, а сочетание 5D-алгоритмов позволяет проводить стандартные измерения полуавтоматически. Это упрощает изучение головного мозга плода и снижает вариабельность заключений экспертов и позволяет внедрить обследование во фронтальной и сагиттальной плоскостях в стандартные протоколы исследования во II триместре, а это, в свою очередь, может повысить эффективность диагностики анатомических аномалий ЦНС.

Поддерживаемые системы: WS80A.

Литература

  1. von Wendt L., Rantakallio P. Congenital malfor mations of the central nervous system in a 1-year birth cohort followed to the age of 14 years. Child’s Nervous System. 1986; 2: 80-82.
  2. Chytty L.S., Pilu G. The challenge of imaging the fetal central nervous system: an aid to prenatal diagnosis, management and prognosis. Prenat Diagn. 2009; 29: 301-302.
  3. International Society of Ultrasound in Obstetrics & Gynecology Education Committee. Sonographic examination of the fetal central nervous system: guidelines for performing the basic examination and the fetal neurosonogram. Ultrasound Obstet Gyne col. 2007; 29: 109-116.
  4. Montegudo A. Fetal neurosonography: should it be routine? Should it be detailed? Ultrasound Obstet Gynecol. 1998; 12: 1-5.
  5. Correa F.F., Lara C., Bellver J. et al. Examination of the fetal brain by transabdominal three di mensional ultrasound: potential for routine neurosonographic studies. Ultrasound Obstet Gynecol. 2006; 27: 503-508.
  6. Rizzo G., Capponi A., Pietrolucci M.E. et al. An algorithm based on OmniView technology to reconstruct sagittal and coronal planes of the fetal brain from volume datasets acquired by threedimensional ultrasound. Ultrasound Obstet Gynecol. 2011; 38: 158-164.
  7. Rizzo G., Pietrolucci M.E., Capece G. et al. Satisfac tory rate of postprocessing visualization of fetal cerebral axial, sagittal, and coronal planes from three-dimensional volumes acquired in routine second trimester ultrasound practice by sonographers of peripheral centers. J Matern Fetal Neonatal Med. 2011; 24 (8): 1071-1076.
  8. Rizzo G., Pietrolucci M.E., Capponi A. et al. Assessment of corpus callosum biometry at 18-32 weeks of gestation by three dimensional ultrasound. J Ultrasound Med. 2011; 30: 47-53.
  9. Rizzo G., Pietrolucci M.E., Mammarella S. et al. Assessment of cerebellar vermis biometry at 18-32 weeks of gestation by three-dimensional ultrasound examination. J Matern Fetal Neonatal Med. 2012; 25 (5): 519-522.
  10. Rizzo G., Abuhamad A., Benaceraff B. et al. Collaborative study on three-dimensional ultrasonography for the prenatal diagnosis of central nervous system defects. J Ultrasound Med. 2011; 30:1003-1008.