Imágenes electromiometriales no invasivas de la maduración uterina humana durante el parto a término

Nature Communications volumen 14, número de artículo: 1198 (2023) Citar este artículo

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Las imágenes electromiometriales (EMMI) se desarrollaron recientemente para obtener imágenes de la activación eléctrica uterina tridimensional (3D) durante las contracciones de forma no invasiva y precisa en ovejas. En este documento describimos el desarrollo y la aplicación de un sistema EMMI humano para obtener imágenes y evaluar patrones de activación eléctrica uterina en 3D con alta resolución espacial y temporal durante el trabajo de parto a término en humanos. Demostramos la integración exitosa del sistema EMMI humano durante las visitas clínicas de los sujetos para generar de forma no invasiva mapas de potencial eléctrico de la superficie uterina, electrogramas y secuencia de activación a través de una solución inversa utilizando hasta 192 electrodos distribuidos alrededor de la superficie del abdomen. Se desarrollan y definen índices cuantitativos, incluida la curva de activación uterina, para caracterizar los patrones de contracción de la superficie uterina. Por lo tanto, mostramos que el sistema EMMI humano puede proporcionar imágenes 3D detalladas y cuantificación de las contracciones uterinas, así como conocimientos novedosos sobre el papel de la maduración uterina humana durante la progresión del parto.

Dos desafíos esenciales en obstetricia en todo el mundo son la detención del trabajo de parto y el nacimiento prematuro. Aproximadamente el 29% de las mujeres dan a luz por cesárea1, la mayoría de las cuales se realizan por parada del parto2. Los partos por cesárea aumentan los riesgos de morbilidad materna y morbilidad respiratoria neonatal en comparación con el parto vaginal3. El parto prematuro ocurre en el 10,6% de las mujeres en todo el mundo4, con mayores riesgos de mortalidad infantil antes de los 5 años de edad5, resultados adversos del desarrollo neurológico a largo plazo6 y una mayor carga económica para la familia y la sociedad7. Evaluar e interpretar con precisión las contracciones uterinas es esencial para diagnosticar tanto la disfunción laboral como el trabajo de parto prematuro. En la práctica clínica actual, las señales generales generadas por las contracciones uterinas se miden cualitativamente mediante tocodinamometría (TOCO) o cuantitativamente mediante un catéter de presión intrauterina invasivo (IUPC)8. Estudios anteriores han demostrado que estos métodos tienen una capacidad limitada para distinguir entre mujeres que responderán a la inducción/aumento con oxitocina y darán a luz por vía vaginal y aquellas que requieren cesárea9. En particular, estudios previos encontraron que TOCO no puede identificar pacientes en trabajo de parto, a término o prematuros10,11. Además, entre el 30 y el 50% de las mujeres diagnosticadas con contracciones prematuras dan a luz a término12. Por lo tanto, se necesita un método mejor capaz de obtener imágenes de forma no invasiva y cuantificar las contracciones uterinas para abordar estos desafíos clínicos.

Para permitir una monitorización segura y no invasiva de las contracciones uterinas, recientemente desarrollamos una nueva modalidad de imágenes, la imagen electromiometrial (EMMI), que visualiza de forma no invasiva las propiedades eléctricas de las contracciones uterinas con alta resolución espacial y temporal de hasta 2 kHz en ovejas13,14,15. Demostramos y validamos que EMMI podía mapear con precisión la actividad eléctrica en toda la superficie uterina tridimensional (3D) comparando las señales eléctricas uterinas derivadas por EMMI de las mediciones de la superficie corporal (hasta 192 electrodos) con aquellas medidas directamente desde la superficie uterina en ovejas13. Además, utilizando el modelo de oveja, los estudios de simulación experimentales que imitan las contaminaciones acústicas previstas en un entorno clínico demostraron que el error del ruido eléctrico dentro de rangos fisiológicos tiene un efecto menor en la precisión del EMMI14,15.

En este documento, describimos el desarrollo del sistema EMMI humano, para su uso en mujeres en trabajo de parto. Este sistema EMMI humano se empleó para obtener imágenes sólidas de los patrones de activación eléctrica 3D de las contracciones uterinas de mujeres nulíparas y multíparas en la primera etapa activa del parto y demuestra que EMMI puede caracterizar de forma no invasiva el inicio y la dinámica de la activación eléctrica uterina durante las contracciones del parto uterino. Los mapas e índices EMMI 3D brindan nuevos conocimientos sobre la maduración eléctrica del miometrio humano, que es el desarrollo de la capacidad del útero para iniciar y conducir señales eléctricas de manera adecuada a través del miometrio. Por lo tanto, el uso clínico futuro de EMMI caracterizará mejor la progresión del parto y facilitará la gestión del mismo.

El sistema EMMI humano incorpora geometría cuerpo-útero específica del sujeto y mediciones eléctricas de múltiples canales (hasta 192 electrodos) desde la superficie del cuerpo para reconstruir actividades eléctricas completas en cuadros secuenciales a lo largo del útero en 3D.

En este estudio, la EMMI humana se realiza en sujetos que trabajan a término en tres pasos. Primero, un sujeto con aproximadamente 37 semanas de gestación se somete a una resonancia magnética mientras usa hasta 24 parches de resonancia magnética que contienen hasta 192 marcadores fiduciales compatibles con resonancia magnética alrededor de la superficie del cuerpo (Fig. 1a). En segundo lugar, en la primera etapa del trabajo de parto, cuando la dilatación cervical es de al menos 3 cm y se observan contracciones regulares en el monitor TOCO, se aplican parches de electrodos tipo clavija personalizados en los mismos lugares de la superficie del cuerpo que los marcadores fiduciales de resonancia magnética. Debido a que los dispositivos clínicos como un monitor TOCO y un monitor fetal deben aplicarse al abdomen para guiar las decisiones clínicas, se ajustaron las ubicaciones de los parches de electrodos. Para localizar las posiciones de los electrodos de forma individual, se utiliza un escáner óptico 3D para registrar las posiciones reales de los electrodos (Fig. 1b). En tercer lugar, el sujeto se somete a un registro eléctrico de la superficie corporal (Fig. 1c). Cada grabación dura aproximadamente 15 minutos y se realizan cuatro grabaciones (hasta una hora en total) para cada sujeto de este estudio. La frecuencia de muestreo temporal es de 2048 Hz.

a Se realiza una resonancia magnética mientras el sujeto usa hasta 24 parches de resonancia magnética que contienen hasta 192 marcadores. b Se realiza una exploración óptica 3D de la superficie del cuerpo mientras el sujeto lleva parches de electrodos en las posiciones correspondientes a los parches de resonancia magnética. c Los electromiogramas de la superficie corporal se registran simultáneamente desde hasta 192 electrodos unipolares tipo clavija ensamblados como parches. EMMI genera d, una geometría cuerpo-útero a partir de imágenes de resonancia magnética con ubicaciones de electrodos en la superficie del cuerpo y un mapa de potencial de la superficie corporal al representar los electromiogramas en cada electrodo en un instante en el tiempo en la superficie del cuerpo. EMMI combina los dos conjuntos de datos para reconstruir mapas de potencial de la superficie uterina (actividad eléctrica a través del útero en un solo momento). Con los mapas de potencial, podemos generar electrogramas g de formas de onda eléctricas a lo largo del tiempo en cada sitio uterino y luego derivar h, la región uterina y la secuencia cronológica de activación eléctrica visualizada como mapas isócronos en 3D. Imágenes tridimensionales 3D, resonancia magnética MRI, imágenes electromiometriales EMMI.

Los datos sin procesar de imágenes de resonancia magnética, escaneo óptico 3D y electromiogramas de la superficie corporal (EMG) se preprocesan para generar una geometría cuerpo-útero específica del sujeto (Fig. 1d) y mapas de potencial de la superficie corporal sobre la superficie del cuerpo (Fig. 1d). La geometría cuerpo-útero incluye las coordenadas de las ubicaciones de los electrodos de la superficie corporal (puntos azules en la Fig. 1d) y las ubicaciones de los sitios de la superficie uterina discretizadas (consulte la construcción de la geometría cuerpo-útero en Métodos). Se aplica filtrado y eliminación de artefactos a la grabación EMG sin procesar para mejorar la relación señal-ruido (consulte Preprocesamiento de señal EMG en Métodos).

Se empleó el Método de soluciones fundamentales16 para resolver el problema tridimensional de Cauchy para generar mapas de potencial uterino (distribución de la actividad eléctrica en la superficie uterina en función del tiempo cada 10 milisegundos, Fig. 1f). Estos mapas de potencial son esencialmente un conjunto de datos de series de tiempo 4D: electrogramas (Fig. 1g, datos de series de tiempo D durante todo el período de registro) en múltiples sitios de la superficie uterina en 3D. Durante una contracción, determinamos los tiempos de activación eléctrica uterina midiendo los tiempos de inicio del estallido del electrograma uterino (UEB) en cada sitio de la superficie uterina, que se utilizará para formar el mapa isócrono (Fig. 1h). En el mapa isócrono, los colores cálidos denotan regiones del útero que se activan eléctricamente antes durante una contracción, los colores fríos denotan regiones que se activan más tarde y las regiones grises que están inactivadas. Como se muestra en la Fig. 1g y la Fig. 1h, los electrogramas de la superficie uterina EMMI reflejan las actividades eléctricas locales. Por ejemplo, en la Fig. 1g, el electrograma de la derecha tiene un UEB (donde los UEB se pueden detectar por encima de la línea base con una SNR > 5 decibeles) que se asigna a un sitio (marcado con un signo más en la Fig. 1h) en la mapa isócrono cerca de la región del útero que se activa por primera vez. Por el contrario, el electrograma de la izquierda no muestra un UEB y se asigna a un sitio (marcado con un asterisco) en el mapa isócrono que no mostró actividad eléctrica durante la contracción. El sistema EMMI (escáner de resonancia magnética, escáner óptico 3D y parches de electrodos) se describe en detalle en la sección Métodos.

En la Fig. 2a se muestra una EMG de la superficie corporal medida desde la superficie corporal de un sujeto representativo (Sujeto n.º 2). Se amplió un segmento de grabación del segundo 18 al 41. Las Figuras 2b a 2e muestran mapas de potenciales secuenciales en la superficie corporal y la superficie uterina en la vista anterior en las ventanas de tiempo etiquetadas como b, c, d y e en la Fig. 2a, respectivamente. En cada ventana de tiempo indicada, los mapas de potencial de la superficie corporal (cuerpo en la Fig. 2b) se generaron a partir de las mediciones de electrodos multicanal de la superficie corporal. En comparación, EMMI reconstruyó los mapas de potencial de la superficie uterina (útero en la figura 2b). A diferencia de las técnicas de EMG convencionales en las que las actividades eléctricas se miden desde la superficie del cuerpo, EMMI incorpora la geometría cuerpo-útero específica del sujeto para generar mapas de potencial secuenciales en toda la superficie uterina en 3D con alta resolución temporal. Los mapas de potencial de la superficie uterina EMMI permiten la caracterización no invasiva de las actividades eléctricas distribuidas sobre toda la superficie uterina de un sujeto y permiten la detección de actividades eléctricas locales en el miometrio con alta resolución espacial. Actualmente, las superficies uterinas constan de 320 vértices uniformemente y la resolución espacial es de ~2,5 cm.

a Se midió una EMG representativa de la superficie corporal en el lugar etiquetado como estrella (*) en el Sujeto #2 que experimentó una contracción uterina en la fase latente del parto. Se amplió un segmento desde ~18.º segundo hasta 41.º segundo. b – e Mapas de potenciales secuenciales en la superficie corporal y la superficie uterina en vista anterior en los momentos indicados. Cada fila corresponde a la ventana de tiempo etiquetada como b – e en a, respectivamente. Electromiograma EMG. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

El mapa de potencial de la superficie uterina espacial-temporal 4D obtenido por EMMI (en las figuras 2b a 2e) revela la evolución de la fase y la magnitud dentro de un UEB. El mapa de potencial uterino se puede reorganizar en electrogramas de superficie uterina multicanal según las ubicaciones espaciales en la superficie uterina 3D. Cada electrograma de superficie uterina EMMI refleja las actividades eléctricas locales de un sitio uterino. Con base en los electrogramas uterinos EMMI durante una contracción uterina, definimos la activación eléctrica en la superficie uterina por el inicio de una UEB. El término "tiempo de activación eléctrica uterina" o simplemente "tiempo de activación" se utiliza aquí para referirse al tiempo de inicio de la UEB. Para el mismo sujeto representativo que se muestra en la Fig. 2, en la Fig. 3a se muestran la señal TOCO simultánea y cinco electrogramas representativos de la superficie uterina (A – E en la Fig. 3b) de cinco sitios de la superficie uterina (Fig. 3d) durante dos contracciones uterinas consecutivas. , b, respectivamente. Para cada electrograma de superficie uterina EMMI, se detectaron UEB (Figura 2 complementaria), se etiquetaron con las líneas rojas ascendentes y se superpusieron a los electrogramas. El borde ascendente de la línea de paso roja indica el tiempo de activación durante la contracción (flechas verdes). Durante la primera contracción uterina, los electrogramas de la superficie uterina de los sitios A a D demostraron UEB claros, lo que sugiere que los sitios uterinos A a D estaban activados eléctricamente. En comparación, no se detectó UEB en el electrograma uterino del sitio E, lo que indica que el miometrio alrededor del sitio e estaba inactivo. Por tanto, todo el miometrio no estaba eléctricamente activo y contribuía a las contracciones uterinas. Al inspeccionar todos los sitios de la superficie uterina, se pueden detectar los tiempos de activación más temprana y más tardía y están marcados por las líneas verticales negras discontinuas en las figuras 3a, b. Los electrogramas de superficie uterina EMMI también sugieren que la secuencia de activación entre diferentes sitios uterinos puede cambiar de una contracción a la siguiente. Por ejemplo, el sitio B se activó antes que los sitios C y D en la primera contracción, mientras que el sitio B se activó después de los sitios C y D en la segunda (Fig. 3a).

a Para una contracción en el sujeto n.° 2 que confirmó el monitor clínico TOCO, b las activaciones eléctricas se definen como el inicio de UEB en los electrogramas multicanal en aproximadamente 320 sitios uterinos que cubren toda la superficie uterina. En los 5 electrogramas uterinos representativos de los sitios indicados marcados de la A a la E en d, las líneas de paso rojas indican el UEB, las flechas verdes indican las activaciones eléctricas y las líneas negras discontinuas indican las activaciones eléctricas más tempranas y más tardías. c Todo el proceso de activación se visualiza mediante el proceso de generación del mapa isócrono de activación uterina y la curva de activación. El primero muestra el lugar y el tiempo de activación en la superficie uterina en 3D; este último muestra cómo la tasa de activación aumenta con el tiempo. Ocurre durante la primera parte de la señal de contracción TOCO. d El mapa isócrono completo refleja la actividad eléctrica del miometrio en el tiempo y el espacio durante la contracción, donde los colores cálidos denotan regiones uterinas que se activan tempranamente, los colores fríos denotan las regiones que se activan tarde y el gris denota las regiones que nunca se inactivan. . e En el mapa de activación temprana, las regiones inactivas están en gris y las regiones activadas se dividen en dos partes: activación temprana (rojo), el 33% de las áreas que se activan primero en el tiempo, y activación tardía (azul), el 67% restante. El límite del fondo uterino está marcado como una curva blanca discontinua. f La curva de activación refleja la progresión temporal de la activación eléctrica durante la contracción. Los índices EMMI (MAR, ACS y FAR) cuantifican las propiedades eléctricas del miometrio. Tocodinamometría TOCO, ráfaga de electrograma uterino UEB, índice de activación AR, imágenes electromiometriales EMMI, índice de activación máxima MAR, pendiente de la curva de activación ACS, índice de activación temprana del fondo FAR. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

El proceso de activación secuencial detallado durante la primera contracción se demostró en la Fig. 3c. La fila superior muestra los mapas isócronos uterinos secuenciales en diferentes momentos. Las regiones de colores cálidos (rojo y amarillo) se activaron temprano, las regiones de colores fríos (cian y azul) se activaron tarde y las regiones de color gris no se activaron. La fila inferior muestra la tasa de activación (AR), definida como el porcentaje de regiones uterinas que se activaron en momentos asociados con cada mapa uterino anterior. AR se calcula dividiendo el área de la región uterina activada por el área uterina total en función del tiempo. Al final del proceso de activación, se generó el mapa isócrono completo de la activación uterina (Fig. 3d) para visualizar el patrón de activación eléctrica durante toda la contracción uterina. El mapa isócrono revela una secuencia de activación 3D completa, que no muestra una propagación clara a larga distancia. Primero, EMMI puede detectar la región activa o inactiva durante una contracción. Cuando una gran parte del útero permanece inactiva, no hay suficiente miometrio para soportar la propagación a larga distancia. En segundo lugar, incluso cuando una gran parte del útero está activa, no encontramos una propagación a larga distancia similar a la cardíaca dentro de la región activada.

Con base en la rica información espacial y temporal en el mapa isócrono, se puede generar una curva de activación EMMI para reflejar el cambio temporal del AR a lo largo del tiempo durante todo el período de contracción uterina (Fig. 3e). La morfología de la curva de activación EMMI refleja múltiples características clave de la contracción uterina. La relación de activación máxima (MAR) se puede cuantificar como el miometrio activado total al final de la contracción. La pendiente de la curva de activación (ACS) se define para reflejar la pendiente del proceso de activación (línea discontinua negra en la Fig. 3e), definida como MAR dividida por el tiempo necesario para alcanzar MAR durante una contracción. Según la curva de activación, el 33% inicial de las regiones activas del miometrio se pueden detectar y definir como regiones de activación temprana y mapear nuevamente en la superficie uterina 3D para formar el mapa de activación temprana (Fig. 3f). En el mapa de activación temprana, las regiones activas tempranas se mostraron en rojo, las regiones activas tardías se mostraron en azul y las regiones inactivas se mostraron en gris (Fig. 3f). El área del fondo de ojo (el 25% del área de la superficie uterina en el segmento uterino superior anatómico, ver Método) se denominó con la línea discontinua blanca (Fig. 3f), y el índice de activación temprana del fondo (FAR) se define como el porcentaje de Región de activación temprana ubicada dentro del área del fondo de ojo. FAR mide la extensión del miometrio del fondo involucrado en la activación temprana durante una contracción.

Se empleó EMMI para estudiar cinco sujetos nulíparos (Sujetos 1 a 5) en la fase activa del trabajo de parto a término (Fig. 4). EMMI tomó imágenes del sujeto n.° 1 cuando su dilatación cervical era de 3,5 a 4 cm (Fig. 4a). La característica de activación destacada de los mapas isócronos es que las regiones miometriales activadas eran pequeñas (el gris indica el miometrio inactivo. MAR: 6,25 %, 8,13 % y 19,38 %) y se distribuían principalmente en los segmentos medio e inferior del útero. Con base en los mapas de isócronas, se derivaron las curvas de activación uterina (curvas azules en la Fig. 4a; ver detalles en la Fig. 2e). Para el Sujeto #1, las curvas de activación de la contracción uterina eran planas. Los valores de ACS del sujeto eran bajos (0,25 %/s, 0,22 %/s y 0,34 %/s) y los valores de FAR eran ceros. Los mapas e índices isócronos del EMMI sugirieron que el útero del sujeto aún no estaba eléctricamente maduro ni estaba fuertemente comprometido en generar contracciones enérgicas y sincronizadas durante el período del registro eléctrico. Al sujeto le tomó 7,01 h alcanzar la dilatación completa del cuello uterino después del registro eléctrico, y las tasas promedio de dilatación cervical fueron de 0,86 cm por hora. Combinados con los datos clínicos del sujeto, los hallazgos del EMMI sugieren que las contracciones uterinas involucran una pequeña cantidad de miometrio, como lo indica el MAR bajo, en la etapa temprana del trabajo de parto activo.

a En el Sujeto #1, la dilatación cervical cambió de 3,5 cm a 4 cm durante el registro eléctrico y el cuello uterino se dilató completamente a 10 cm 7,01 h después de que se completó el registro. La tasa de dilatación cervical se calculó en 0,86 cm por hora. Se mostraron mapas isócronos 3D EMMI para tres contracciones representativas en cuatro vistas. Las regiones uterinas en colores cálidos se activaron antes, las regiones de colores fríos se activaron más tarde y las regiones grises se desactivaron. La barra de color de la izquierda indica el tiempo de activación. La curva de activación y los índices EMMI asociados se derivaron de cada contracción. El mapa de activación temprana destacó las activaciones tempranas (el 33% más temprano de activación, rojo), y el área del fondo estaba etiquetada con una línea discontinua blanca. b – e Resultados para los sujetos n.° 2, n.° 3, n.° 4 y n.° 5. Mismo formato con el Asunto #1. 3D tridimensional, imágenes electromiometriales EMMI, dilatación cervical CD, índice de activación máxima MAR, pendiente de la curva de activación ACS, índice de activación temprana del fondo FAR. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Para el Sujeto #2 (Fig. 4b), se tomaron imágenes de tres contracciones representativas a las 4,07 h antes de la dilatación completa del cuello uterino. La dilatación cervical del sujeto permaneció en 4 cm sin cambios durante todo el registro eléctrico. Aunque no se activó todo el útero durante las contracciones, como se muestra en los mapas isócronos, las regiones uterinas activadas son mucho mayores que en el Sujeto #1. El MAR tiene un valor mayor que los del primer tema, lo que sugiere un valor mayor de MAR (38,75%, 48,44%, 50,31%). Curiosamente, la MAR aumenta en diferentes contracciones durante el período de registro eléctrico, lo que sugiere que el útero está reclutando activamente más miometrio (p. ej., se reclutó un 12,56% más de miometrio en la tercera contracción que en la primera). Dentro de las regiones uterinas activadas, se obtuvieron imágenes de diferentes secuencias de activación para las tres contracciones y no se observaron regiones de activación temprana fijas. Sin embargo, las tres contracciones se activaron desde el fondo anteroinferior y las áreas laterales del útero (regiones rojo-amarillas). La pendiente de la curva de activación (SCA) también aumentó de 1,19%/s a 1,37%/s, lo que representa un aumento de 0,18%/s, lo que sugiere que las regiones uterinas activas se contrajeron de una manera más sincronizada en las contracciones posteriores. Los índices de activación temprana del fondo (FAR) fueron del 7,5%, 1,25% y 36,25%, respectivamente, lo que sugiere una contracción uterina más iniciada por el fondo de ojo en la tercera contracción.

La dilatación cervical del Sujeto #3 (Fig. 4c) se mantuvo a 5 cm durante el registro eléctrico, que es 1 cm más grande que la del Sujeto #2 (Fig. 4b). Se tomaron imágenes de tres contracciones representativas a las 14,41 h antes de la dilatación completa del cuello uterino. Sin embargo, el tiempo hasta la dilatación completa fue de 14,41 h y la tasa de dilatación cervical fue de 0,17 cm por h, lo que indica que este sujeto estaba en la fase latente del parto y tenía un progreso clínico lento del parto. De manera similar, no observamos patrones de activación idénticos ni la existencia de sitios de iniciación consistentes en el Sujeto #2. Específicamente, el Sujeto #3 tiene una MAR alta y creciente para las tres contracciones (51,86%, 58,39% y 65,22%). De manera similar, la ACS también aumentó dramáticamente en las dos últimas contracciones (1,19%/s, 1,74%/s y 1,75%/s). También se observó que la región de activación temprana (rojo-amarillo) estaba ubicada predominantemente en la región del fondo de ojo para las tres contracciones (FAR: 33,75%, 46,25% y 31,25%), lo que sugiere contracciones iniciadas por el fondo de ojo en este sujeto durante la descarga eléctrica. grabación. A pesar de las fuertes contracciones uterinas, el cuello uterino del sujeto se dilató a un ritmo muy lento de 0,17 cm por hora hasta alcanzar la dilatación cervical completa después del registro eléctrico.

Se utilizó EMMI para examinar a dos sujetos con dilatación cervical superior a 5 cm (Sujetos 4 y 5). ° 4 (Fig. 4d) se mapeó con una dilatación cervical de 6,5 a 9,5 cm y 0,23 h antes de la dilatación completa, dilatada a una velocidad de 2,17 cm por h, que fue mucho más rápida que la observada en el paciente n.° 1 a 3. El útero estaba muy activo (MAR: 96,88%, 71,56% y 83,13%), bastante sincronizado (SCA: 2,15%/s, 2,00%/s y 1,99%/s). y tenía FAR alto (40%, 67,50% y 56,52%). Los valores MAR de esas contracciones son mucho más altos. Se hicieron observaciones similares para el Sujeto #5 (Fig. 4e). Teniendo en cuenta que tanto los Sujetos 4 como los 5 tienen fuertes contracciones uterinas sugeridas por MAR, SCA y FAR altos, la diferencia significativa en las tasas de dilatación cervical entre los dos sujetos sugirió una diferencia entre sujetos en las propiedades del cuello uterino como observamos anteriormente en los sujetos. trabajo de parto activo (Fig. 4b, c).

EMMI tomó imágenes de cinco sujetos multíparas (Fig. 5). De manera similar a los hallazgos en las mujeres nulíparas, no se observaron sitios de iniciación fijos ni patrones de activación consistentes durante las contracciones uterinas. En contraste con las contracciones uterinas obtenidas en la etapa inicial del trabajo de parto activo en mujeres nulíparas (Fig. 4a, b), EMMI encontró valores de MAR, ACS y FAR más grandes en las contracciones uterinas de mujeres multíparas (Fig. 5a, b). Al sujeto #6 se le mapeó con una dilatación cervical de 4 cm, 6,95 h antes de la dilatación completa, y progresó a 0,86 cm por h después del mapeo. Las MAR (38,75%, 52,50% y 73,44%) eran altas y crecientes. El ACS (0,91%/s, 1,20%/s y 2,11%/s) y FAR (6,25%, 12,50% y 58,75%) siguieron la misma tendencia que el MAR, indicando que el sujeto estaba experimentando contracciones uterinas con un rápido aumento. fuerza durante el período del registro eléctrico. En el sujeto n.º 7, el rango de dilatación cervical fue de 4 a 4,5 cm y el tiempo hasta la dilatación completa fue de 1,62 h. Su trabajo de parto avanzó a un ritmo de dilatación de 3,39 cm por hora. El MAR (50,93, 40,68% y 42,86%), ACS (2,37%/s, 1,41%/s y 1,02%/s) y FAR (36,25%, 3,75% y 15,00%) fueron altos en este tema. . En la etapa inicial del trabajo de parto activo, EMMI encontró que las contracciones uterinas en las multíparas parecen más fuertes que las de las nulíparas, lo que puede sugerir una maduración eléctrica más temprana.

a En el sujeto #6, la dilatación cervical permaneció en 4 cm y alcanzó los 10 cm en 6,95 h después de que se completó el registro EMMI. b – e Resultados para los sujetos 7, 8, 9 y 10. Mismo formato con el Asunto #6. 3D tridimensional, imágenes electromiometriales EMMI, dilatación cervical CD, índice de activación máxima MAR, pendiente de la curva de activación ACS, índice de activación temprana del fondo FAR. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

En la última etapa del trabajo de parto activo en las mujeres multíparas (Fig. 5c-e), los valores de MAR, ACS y FAR no aumentaron significativamente en comparación con las mujeres nulíparas (Fig. 4c-e). Al sujeto #8 se le mapeó con una dilatación cervical de 5 cm, 3,47 h antes de la dilatación completa, y progresó a 1,44 cm por h después del mapeo. La MAR (20,94%, 25,63% y 25,31%) fue <30%. Los SCA (0,43%/s, 0,43%/s y 0,49%/s) fueron pequeños y los FAR (16,25%, 21,25% y 8,75%) fueron normales. En los Sujetos #9 y #10, el trabajo de parto avanzó a tasas de dilatación de 2,47 cm por h y 3,52 cm por h, que son ~2,5 y 3,4 veces más rápido que la tasa promedio de 1 cm por h para el 90% de la población. Los rangos de dilatación cervical fueron de 5 a 6,5 cm y de 6,5 a 8 cm, y el tiempo hasta la dilatación completa fue de 1,42 h y 0,57 h, respectivamente. La MAR (15,63%, 19,38% y 35,63%; 10,31%, 26,25% y 31,25%) fue <40% en ambos casos. El ACS (0,40%/s, 0,66%/s y 1,09%/s, 0,26%/s, 0,54%/s y 0,46%/s) era pequeño y el FAR (6,25%, 7,50% y 35% , 10,00%, 21,25% y 31,25%) fueron normales. Estos hallazgos pueden sugerir que las contracciones uterinas con MAR más bajo en la última etapa del trabajo de parto activo son suficientes para remodelar el cuello uterino de manera efectiva y rápida en las mujeres multíparas.

Además del monitor TOCO y el catéter de presión intrauterina (IUPC), se han desarrollado y evaluado múltiples herramientas de investigación para estudiar y evaluar las contracciones uterinas. La magnetomiografía (MMG) detecta las sutiles actividades magnéticas uterinas con una serie de dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID)17, incluidos 151 sensores dispuestos en un patrón fijo para recolectar señales de la región abdominal anterior sin mucha atenuación ni distorsión de las interfaces en el conductor de volumen18. ,19. Aunque los datos de MMG se correlacionan con los eventos contráctiles percibidos por las madres y proporcionan mapas de distribución de la actividad uterina local, este método no proporciona una vista tridimensional de todo el útero. Se requiere un gran equipo especializado en una habitación blindada magnéticamente para medir las señales débiles de MMG. La electromiografía (EMG, también llamada electrohisterografía, EHG) se ha desarrollado como una forma alternativa de monitorear de forma no invasiva la actividad eléctrica uterina subyacente a las contracciones a través de varios electrodos colocados en la parte anterior del abdomen20,21. Estas señales EMG medidas en la superficie corporal son la integral espacial de los potenciales de acción de las células del músculo liso uterino (miometrial) subyacentes22. La EMG se puede utilizar para generar un seguimiento de la actividad uterina que emule TOCO y sea más confiable que TOCO en pacientes con obesidad23, proporcionando una medición objetiva de las actividades eléctricas regionales. Específicamente, los estudios de EMG han revelado que la velocidad de propagación eléctrica aumenta en el trabajo de parto activo en comparación con el trabajo de parto no activo24,25,26. Aunque algunos estudios de EMG han revelado que la velocidad de propagación eléctrica aumenta en el trabajo de parto activo en comparación con el trabajo de parto no activo27, los estudios anteriores también informaron hallazgos controvertidos. Además, varias características de las señales EMG, como la intensidad, la frecuencia máxima del espectro de potencia, etc., son prometedoras para identificar el inicio del parto28,29,30,31,32,33,34,35,36. Aunque el desarrollo de la EMG ha arrojado luz sobre la activación eléctrica durante las contracciones, la EMG todavía se limita a medir un área pequeña en el abdomen materno y no tiene suficiente cobertura espacial ni especificidad para reflejar el patrón de activación eléctrica en toda la superficie uterina tridimensional. Esto bien puede explicar los complejos y heterogéneos patrones de propagación de la actividad eléctrica medidos con un número limitado y una configuración no estándar de los electrodos de la superficie corporal en sujetos durante el trabajo de parto activo27,37,38,39. En teoría, se pueden superar las limitaciones de la EMG de la superficie corporal colocando electrodos directamente sobre la superficie uterina. Sin embargo, esos estudios invasivos suelen ser difíciles de realizar en animales y poco éticos en humanos.

Para abordar estas limitaciones e inspirados por el éxito del sistema EMMI de ovejas13,14,15, desarrollamos un sistema EMMI humano y demostramos sus ventajas únicas, es decir, obtener imágenes no invasivas de las actividades eléctricas subyacentes a las contracciones uterinas durante el trabajo de parto en toda la superficie uterina en 3D en alta definición. resolución espacial y temporal (Fig. 1). Los mapas de potencial de la superficie uterina obtenidos mediante EMMI proporcionan una medida no invasiva de los patrones de contracción uterina sin necesidad de cirugía ni colocación de electrodos de la superficie uterina (Fig. 2). EMMI también puede obtener imágenes de los electrogramas de la superficie uterina para reflejar las actividades eléctricas uterinas locales (Fig. 3). Según la morfología del electrograma de la superficie uterina EMMI en toda la superficie uterina con alta resolución espacial, las regiones del miometrio inactivadas pueden delinearse bien, lo que no puede cuantificarse mediante la EMG de la superficie corporal convencional (Fig. 3). Para las regiones uterinas activadas, la secuencia de activación derivada (mapa isócrono) refleja el patrón de contracción uterina (Fig. 3). Según nuestros hallazgos del EMMI tanto en mujeres nulíparas como en multíparas, todo el útero no está activo durante las contracciones uterinas, especialmente en la fase inicial del parto. Esto no puede detectarse mediante el TOCO convencional o la EMG de superficie corporal (Figs. 4 y 5).

A diferencia de la activación cardíaca rítmica, la contracción uterina tiene patrones de activación dramáticamente diferentes de una contracción a otra. Esto es consistente con hallazgos previos sobre la ausencia de una dirección de propagación predominante40,41. Nuestros resultados indican que no hay regiones de activación temprana consistentes en diferentes contracciones uterinas, y esto es evidencia directa en contra de una región marcapasos anatómicamente fijada, de tipo cardíaco, en el miometrio humano41. Finalmente, la propagación de la activación a larga distancia tampoco es evidente en la contracción uterina humana41,42,43. Este estudio de EMMI en humanos demuestra así que EMMI puede proporcionar de forma no invasiva información valiosa sobre los patrones de activación del útero humano.

Los mapas isócronos de EMMI proporcionan secuencias de activación detalladas en todas las regiones uterinas activadas. Según la información del mapa isócrono 3D, la curva de activación describe el porcentaje de área uterina activada en diferentes niveles durante el transcurso de una contracción (Fig. 3) y refleja la progresión temporal de la activación del miometrio. Se pueden definir dos índices EMMI, el índice de activación máxima (MAR) y la pendiente de la curva de activación (ACS) (Fig. 3) a partir de la curva de activación uterina. En particular, MAR indica la superficie total del útero que se vuelve eléctricamente activa durante una contracción individual; y ACS indica la tasa de desarrollo de la activación eléctrica uterina. Aunque observamos el aumento monótono general de MAR y ACS durante el período de registro eléctrico de la fase activa del trabajo humano, MAR y ACS pueden disminuir y fluctuar temporalmente en algunos casos (Fig. 4e, Fig. 5b). Esto puede explicarse potencialmente por la presencia de regiones refractarias generadas por las secuencias de activación complicadas y que cambian dinámicamente durante las contracciones uterinas. Además, según la anatomía del fondo uterino y las activaciones tempranas (el 33% de los sitios uterinos activos que se activan primero), definimos el tercer índice EMMI, índice de activación temprana del fondo uterino (FAR) (Fig. 3). Aunque EMMI no observó marcapasos fijos de tipo cardíaco en nuestro estudio, FAR cuantificó objetivamente el porcentaje de la región del fondo que contribuyó a la activación temprana y generó contracciones para dilatar el cuello uterino. En comparación con la tendencia general creciente de MAR y SCA durante el trabajo de parto, FAR demostró más variaciones de contracción a contracción. Esto es consistente con la naturaleza dinámica de los patrones de activación uterina y puede usarse potencialmente como un nuevo biomarcador de imágenes para reflejar el patrón de contracción uterina durante el trabajo de parto normal y detenido2,44. Como se describe en este documento, hemos desarrollado un sistema EMMI humano y hemos obtenido imágenes de las contracciones uterinas humanas durante el trabajo de parto activo en 10 sujetos (5 nulíparas y 5 multíparas). Con las imágenes del patrón de activación uterina y los índices recientemente definidos, EMMI nos permitirá "ver" y cuantificar las contracciones uterinas en 3D para cada sujeto individual durante el trabajo de parto y brindará nuevos conocimientos sobre la progresión del trabajo de parto humano más allá de la dilatación cervical. En el grupo de mujeres nulíparas, EMMI observó contracciones más débiles, menos sincronizadas y menos dominadas por el fondo de ojo en la etapa temprana del trabajo de parto activo. Las contracciones uterinas se volvieron mucho más fuertes y sincronizadas en la última etapa del trabajo de parto activo. Se sabe que tanto las propiedades cervicales (como la rigidez, etc.) como las contracciones uterinas afectan la progresión del parto. La mala progresión del parto o la detención del parto pueden deberse a una contracción uterina insuficiente, rigidez del cuello uterino o ambas cosas. Los mapas de isócronas del EMMI, los mapas de activación temprana, las curvas de activación y los índices proporcionan nuevas características cuantitativas de las contribuciones del útero a la progresión del trabajo de parto. Esto será fundamental para confirmar o excluir clínicamente las causas uterinas de la progresión lenta del parto. Por ejemplo, la lenta progresión del trabajo de parto en el Sujeto #3 no fue causada por el útero inactivo, sino potencialmente por un cuello uterino rígido y que se dilata lentamente (Fig. 4c). En el grupo de multíparas, las contracciones uterinas más fuertes fueron indicadas por los valores más grandes de MAR, ACS y FAR observados en la etapa inicial del trabajo de parto activo. Esto sugiere una maduración eléctrica más rápida de la contracción uterina en comparación con la de las mujeres nulíparas. Este hallazgo respalda el efecto de “memoria del miometrio” en mujeres multíparas43,45,46. Además, EMMI encontró contracciones uterinas con menor MAR en la última etapa del trabajo de parto activo en las mujeres multíparas en comparación con los grupos nulíparos. Sin embargo, las contracciones más débiles parecen suficientes para dilatar el cuello uterino a un ritmo más rápido que el observado en el grupo de nulíparas. Este hallazgo sugiere que el cuello uterino de las mujeres multíparas puede ser generalmente más blando y más fácil de dilatar que el cuello uterino de las mujeres nulíparas, lo que coincide con lo que se observa clínicamente. La utilidad clínica de los resultados derivados de EMMI requerirá ensayos clínicos prospectivos que incluyan múltiples evaluaciones de EMMI durante el trabajo de parto, por ejemplo, la correlación de MAR con la dilatación cervical. En este estudio inicial con los 10 embarazos únicos no complicados estudiados con EMMI en trabajo de parto entre las 37w0d – 40w6d de gestación y con una dilatación cervical entre 3,5 y 9,5 cm, observamos que las mujeres nulíparas demostraron fenotipos diferentes a los de las multíparas (Figs. 4 y 5). Estos resultados iniciales pueden sugerir la existencia de subgrupos de mujeres nulíparas sin complicaciones en trabajo de parto.

En este primer estudio EMMI en humanos, derivamos los índices EMMI intuitivos, como MAR, ACS y FAR, que se relacionan con los patrones de actividad eléctrica y la propagación a nivel de órganos. Encontramos que las curvas de activación uterina humana derivadas de EMMI tienen una naturaleza de evolución sigmoidea con respecto al tiempo, lo que potencialmente refleja la dinámica de estimulación-respuesta bioeléctrica durante las contracciones uterinas47. Un estudio in vitro anterior utilizando el músculo uterino de conejo estudió la relación entre la tensión de contracción máxima y la duración/fuerza de la estimulación eléctrica48. Encontraron la relación fuerza-velocidad de Hill entre la cinética de las contracciones isotónicas en función de la carga (tensión). Las curvas de activación uterina humana derivadas de EMMI confirman claramente un posible proceso regenerativo en la contractilidad uterina humana utilizando un mecanismo de retroalimentación positiva. Estos hallazgos permitirán que estudios futuros obtengan una evaluación fisiológica integral y relevante para el útero de las contracciones uterinas humanas utilizando EMMI.

Aunque en este trabajo nos centramos en el desarrollo tecnológico y los beneficios científicos del sistema EMMI, EMMI tiene un gran potencial para una amplia aplicación clínica. La pitocina, una versión sintética de la oxitocina de origen natural, es el medicamento más utilizado para acelerar el progreso del parto. Sin embargo, la oxitocina se libera de forma pulsátil, mientras que la citocina se administra en un goteo continuo y creciente, titulado según la frecuencia e intensidad de las contracciones. Pero no se sabe nada sobre el efecto directo de la pitocina sobre la activación y propagación eléctrica del miometrio, y nunca se ha explorado si esta entrega no fisiológica es óptima o no. EMMI permitirá estas exploraciones y descubrirá más conocimientos sobre la fisiología del parto y la gestión del parto.

Existen varias limitaciones para el sistema y los análisis EMMI humanos actuales que pueden abordarse y mejorarse en trabajos futuros. Actualmente, se coloca una gran cantidad de electrodos BioSemi Active (BioSemi BV, Ámsterdam, Países Bajos) alrededor de la superficie corporal del sujeto. Para acelerar la aplicación de los electrodos, aumentar la comodidad de usarlos y disminuir el costo, actualmente estamos desarrollando parches de electrodos desechables, elásticos y de bajo costo que utilizan tecnología de impresión49,50,51. La optimización del número y la distribución de electrodos también aumentará el cumplimiento del sujeto con el sistema EMMI. Otro factor que limita la escalabilidad y accesibilidad del sistema EMMI humano actual es la disponibilidad y el costo de la resonancia magnética. Se puede integrar un sistema de imágenes por ultrasonido portátil y de bajo costo que está ampliamente disponible en clínicas obstétricas con el sistema EMMI para adquirir la geometría cuerpo-útero específica del sujeto. El estudio EMMI actual solo tomó imágenes de las contracciones uterinas durante 1 hora de un pequeño número de sujetos. Registros eléctricos más largos que cubran todo el proceso de parto de una cohorte más grande de sujetos de parto a término normal nos permitirán construir el "atlas de términos normales" que describa la electrofisiología detallada y los estándares normales de las contracciones uterinas con alta resolución temporal y espacial. Este atlas facilitará los estudios traslacionales para definir los mecanismos subyacentes al parto humano normal e identificar los índices de contracción uterina EMMI y las firmas espacio-temporales de las contracciones uterinas que pueden alterarse en sujetos con parada del parto y contracciones prematuras. A más largo plazo, este atlas podría utilizarse en ensayos clínicos destinados a probar intervenciones para prevenir complicaciones del parto, como la parada del parto, el parto prematuro y la hemorragia posparto.

Este estudio fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Washington (No. 201612140). Se reclutaron mujeres nulíparas y multíparas, y aquellas que deseaban participar se sometieron a un consentimiento informado. Los sujetos recibieron una compensación de 50 dólares por resonancia magnética y 50 dólares por mapeo laboral en forma de tarjetas de regalo prepagas. En este manuscrito se presentan datos no identificados de 10 sujetos a término, entre los cuales 5 son nulíparas y 5 multíparas. Las edades de los sujetos oscilaban entre 18 y 37 años. La dilatación cervical de los sujetos durante el mapeo EMMI estuvo en el rango de 3,5 a 9,5 cm. Los sujetos se sometieron a una resonancia magnética alrededor de las 37 semanas de gestación y luego a un mapeo eléctrico durante 1 h durante la primera etapa del trabajo de parto. La información detallada del tema se encuentra en la Tabla 1.

Antes de la exploración por resonancia magnética, se colocaron dos cintas métricas adhesivas en la superficie del cuerpo para guiar la colocación de los marcadores de resonancia magnética (Fig. 1). Para la superficie abdominal, se colocó una cinta métrica de 30 cm verticalmente a través de la línea media utilizando el ombligo como biomarcador y otra cinta de 61,3 cm se colocó horizontalmente a unos 4 cm por debajo del fondo de ojo sobre la cinta vertical. El fondo de ojo fue localizado por un médico obstétrico. De igual manera, en la superficie posterior, se colocó una cinta métrica de 30 cm de manera vertical a lo largo de la columna y terminando en el cóccix; se colocó otra cinta de 61,3 cm horizontalmente en el borde superior del ilion sobre la cinta vertical. Se colocaron hasta 24 parches adhesivos de vinilo-silicio que contenían hasta 192 marcadores compatibles con MRI haciendo referencia a las cintas métricas en la superficie del cuerpo del sujeto para imitar los electrodos para registros eléctricos durante el trabajo activo. Las imágenes de RM se adquirieron con el sujeto en posición supina o lateral izquierda. La resonancia magnética se realizó en un escáner de resonancia magnética de abdomen completo Siemens Prisma o Vida de 3 T con un examen de apnea interpolado de volumen radial en secuencia rápida ponderada en T1. La resolución de la imagen de RM fue de 1,56 mm × 1,56 mm y el grosor del corte fue de 4 mm. Los electrodos unipolares tipo pin BioSemi se ensamblaron en parches de 2 × 4 con una distancia entre sensores de 3 cm. Cuando el sujeto estaba en trabajo de parto activo, se colocaron hasta 24 parches de electrodos que contenían hasta 192 electrodos en el mismo diseño que los marcadores de resonancia magnética (Fig. 1). Se colocaron cuatro electrodos de tierra en la parte superior izquierda y derecha del pecho y en la parte inferior izquierda y derecha del abdomen, respectivamente. Las superficies del cuerpo con electrodos se recolectaron con un escáner óptico 3D (Artec 3D, Eva) con luz blanca estructurada (matriz de 12 LED blancos y flash) (Fig. 1). La precisión 3D del escáner óptico es de 0,1 mm y la resolución es de 0,5 mm. Se escanearon las superficies de la espalda de los sujetos mientras estaban sentados y las superficies de sus cuerpos mientras estaban en la posición de Fowler. Después del escaneo 3D, los electrodos multicanal se conectaron a un convertidor analógico a digital y las señales de bioelectricidad se registraron simultáneamente utilizando el software ActiView 8.09 con una frecuencia de muestreo de 2048 Hz.

Las imágenes de resonancia magnética, las imágenes ópticas de superficie escaneadas en 3D y las EMG de la superficie corporal se procesaron utilizando Matlab 2019b (Fig. 1). La geometría, la electromiografía, el mapa isócrono de activación eléctrica uterina y los datos del mapa de activación temprana generados en este estudio se proporcionan en el archivo de datos de origen. El procesamiento de datos tiene cuatro partes: (1) El preprocesamiento de la señal elimina el ruido y la deriva de la línea base en los registros EMG, elimina señales de contacto deficientes y excluye artefactos de movimiento; (2) La construcción de la geometría cuerpo-útero delinea las coordenadas de los sitios de la superficie del cuerpo y del útero y modela las mallas triangulares para representar estas superficies; (3) El cálculo inverso utiliza el método de soluciones fundamentales para combinar la geometría cuerpo-útero y los potenciales de la superficie corporal y calcular los potenciales de la superficie uterina; (4) La visualización y el análisis de datos se utilizan para posprocesar los potenciales de la superficie uterina. En las siguientes subsecciones se proporcionan descripciones detalladas de los cuatro componentes.

Los datos de registro eléctrico sin procesar se filtraron primero mediante un filtro de paso bajo con un corte de 40 Hz y luego se muestrearon con un filtro medio en 20 (frecuencia de muestreo de 2048 Hz a 102,4 Hz) para reducir el tamaño de los datos y el tiempo de cálculo. de EMMI. Después de eso, las señales se filtraron mediante un filtro de paso alto Butterworth de cuarto orden con una frecuencia de corte de 0,34 Hz. El filtro de paso alto de 0,34 Hz tiene como objetivo reducir los artefactos respiratorios2, que de otro modo afectarán la precisión de la identificación del inicio de la ráfaga EMG. A continuación, se aplicó un filtro de paso bajo Butterworth de octavo orden con una frecuencia de corte de 1 Hz. Finalmente, se aplicó un algoritmo de detección de artefactos de varios pasos a la señal de paso de banda para detectar EMG no válidos que contenían datos de EMG anormalmente grandes y mapas de potencial de superficie corporal (BSPM) distorsionados. El primer cuartil de las magnitudes absolutas medias de cada EMG procesado fue una referencia; cualquier EMG con una magnitud absoluta superior a 100 veces la referencia se detecta como un EMG no válido. Los valores medianos de la magnitud absoluta media de todas las ASPM fueron una referencia, y cualquier ASPM con magnitudes absolutas medias superiores a diez veces la referencia se detecta como ASPM distorsionada. Los picos locales se definen como la magnitud pico-pico dentro de una ventana móvil de 2 segundos. Los artefactos locales se identifican como picos locales con una magnitud superior a diez veces la mediana de los picos locales. Un EMG con >50% de la señal contaminada por artefactos locales se definió como EMG no válido. Un BSPM con >50% de los sitios contaminados por artefactos locales se identificó como un BSPM distorsionado. Los EMG no válidos y los BSPM distorsionados no se incluyeron en el siguiente análisis.

Los cortes sagitales de imágenes de resonancia magnética y escaneos ópticos 3D se utilizan para generar la geometría cuerpo-útero. Hay tres pasos principales: primero, obtener las superficies de malla trianguladas de las imágenes de resonancia magnética y los escaneos ópticos 3D por separado usando Amira Software 6.4 y Artec Studio 12. Segundo, alinear la superficie óptica 3D del cuerpo con la superficie derivada de la resonancia magnética y registrar el 3D óptico. ubicaciones de los electrodos en la superficie derivada de la resonancia magnética (consulte la Figura 1 complementaria para obtener más detalles). En tercer lugar, obtenga las coordenadas de los electrodos y los puntos en la superficie de la malla uterina para construir la geometría cuerpo-uterino.

El cálculo inverso combina los mapas de potencial eléctrico de la superficie corporal y la geometría cuerpo-útero específica del sujeto para reconstruir los potenciales uterinos. Se supone que el volumen entre la superficie uterina y la superficie corporal \(\Omega\) es homogéneo y no contiene ninguna fuente eléctrica primaria ni ningún efecto inductivo elegible13,16,52. Por lo tanto, la formulación matemática subyacente a este problema inverso puede describirse mediante el problema de Cauchy para la ecuación de Laplace. (1) con dos condiciones de contorno en la superficie del cuerpo,

\({\Gamma }_{{{{{{\rm{B}}}}}}}\)representa la superficie del cuerpo. \({\phi }_{{{{{\rm{B}}}}}}\left(x\right)}\) es el potencial de la superficie corporal medido en la ubicación \(x\). \(\sigma\) es la conductividad del conductor de volumen \(\Omega\), que se supone homogéneo. \({{{{{\bf{n}}}}}}\)es el vector normal en la superficie del cuerpo en \(x\). Como la conductividad del aire es 0, el lado derecho de la ecuación. (3) se simplifica a 0.

Se empleó el método de soluciones fundamentales16, un método sin malla resistente al ruido, para discretizar las ecuaciones. (1–3) y construya la relación entre los potenciales de superficie corporal medidos (\({\phi }_{{{{{{\rm{B}}}}}}}\)) y los potenciales de superficie uterina (\( {\phi }_{{{{{\rm{U}}}}}}}\)),

\({\Phi }_{{{{{\rm{B}}}}}}}\) es una matriz de M por T, \({\Phi }_{{{{{{\rm{ U}}}}}}}\) es una matriz de N por T, y \({{{{{\bf{A}}}}}}\) es una matriz de M por N, donde M es el número de electrodos en la superficie corporal, N el número de puntos discretos en la superficie uterina y T el número de mapas de potenciales. Se empleó la regularización de Tikhonov53 para estabilizar el cálculo inverso mal planteado, lo que dio una solución única para cada potencial de superficie abdominal medido (\({\Phi }_{{{{{{\rm{U}}}}}}} \)), y no se requirió intervención humana. Se utilizó un valor de regularización fijo de 0,01 en el cálculo inverso basado en Tikhonov.

Tras el cálculo inverso, se generaron tres tipos de señales uterinas. Primero, un mapa de potencial de la superficie uterina es la distribución del potencial eléctrico en la superficie uterina 3D en cada momento. La resolución temporal de los mapas de potencial uterino es de 102,4 Hz. En segundo lugar, un electrograma uterino denota una serie temporal de datos de potencial eléctrico en un sitio uterino específico. Normalmente, los electrogramas se calcularon en alrededor de 320 sitios de la malla uterina. En tercer lugar, el mapa isócrono representa la secuencia de activación eléctrica uterina derivada de los tiempos de activación local durante una ventana de observación. La ventana de observación de una UEB comenzó desde un momento en el que el útero estaba generalmente en silencio hasta un momento en el que el útero se activó eléctricamente y volvió a la inactividad.

El tiempo de activación de una UEB en cada sitio uterino se definió por separado según las magnitudes de la UEB. El electrograma uterino se procesó primero con el operador de energía Teager-Kaiser (TKEO)54, que mejora la condición de la señal al inicio y al final del UEB (Figuras complementarias 2a, b). Luego, se derivó una envolvente de raíz cuadrática media (RMS) con una ventana móvil de 7 segundos a partir de la señal TKEO rectificada (la línea negra en la figura complementaria 2c), para distinguir las señales de activación o de línea de base. El umbral de la línea de base se definió como 1,01 veces los valores medianos de la envolvente RMS (la línea azul en la figura complementaria 2c). El umbral de activación eléctrica se definió como la media más el doble de la desviación estándar de las señales de referencia. Finalmente, un UEB se definió como la envolvente RMS por encima del umbral. Teniendo en cuenta la naturaleza de baja frecuencia del útero, redujimos la muestra de las señales de la envolvente RMS 20 veces cuando calculamos los tiempos de activación. La resolución temporal para el análisis de la activación eléctrica uterina fue de 5,12 Hz. Después de la detección de UEB, la relación señal-ruido (SNR) del electrograma en cada sitio uterino se definió como la relación entre la potencia de los UEB y la de las señales de referencia en la unidad de decibelios (dB). Los electrogramas uterinos con SNR superior a 5 dB se consideran señales de contracción calificadas y los UEB relevantes se definen como UEB calificados. Las UEB calificadas que duran entre 5 segundos y 80 segundos se detectan como activación eléctrica válida para las contracciones del parto.

Los tiempos de inicio de la activación eléctrica se generaron a partir de electrogramas individuales de la superficie uterina en sitios uterinos, sin considerar la conectividad espacial. Por tanto, es posible que no preserven la continuidad espacial en el patrón de activación eléctrica uterina. Entonces, con el tiempo de activación bruto definido en los sitios uterinos 3D, se realizaron una serie de operaciones de erosión-dilatación (similares al filtrado morfológico) usando un algoritmo personalizado escrito en Matlab para suavizar los mapas isócronos: primero, pequeñas regiones activadas que están incorrectamente recogidos fueron redefinidos como inactivos al realizar una erosión; en segundo lugar, una dilatación de las regiones activas, donde la erosión deja inactivos los sitios activados que tienen uno o más vecinos inactivos, y la dilatación hace lo contrario. Y de manera similar, llenamos pequeñas regiones inactivas realizando dilatación y luego erosión en las regiones activas, donde a los nuevos sitios activos generados por la dilatación se les asignan tiempos de activación promediando sus vecinos activos. Debido a que los tiempos de activación son relativos en los mapas isócronos, sumamos o restamos el mismo número a todos los tiempos de activación para que la primera activación comience en 1 segundo, para evitar una posible singularidad en los cálculos. Un mapa isócrono se deriva de los tiempos de activación actualizados definidos en la malla 3D de la superficie uterina.

La curva de activación rastrea el porcentaje de sitios uterinos que alguna vez se activaron durante esa contracción. A medida que el tiempo aumenta desde cero, la curva comienza desde el origen, aumenta según el número de nuevos sitios uterinos activos en el momento de nuevas activaciones y no cambia en el momento en que no hay nuevas activaciones. La tasa de activación máxima (MAR) es el porcentaje final de los sitios uterinos que incluso se han activado. La pendiente de la curva de activación (ACS) es la pendiente del proceso de activación, definida como MAR dividida por el tiempo necesario para alcanzar MAR, siendo la unidad el porcentaje por segundo. El índice de activación temprana del fondo uterino (FAR) es el porcentaje del número de sitios activos del fondo que activan el 33% más temprano en todo el útero por el número de sitios del fondo. El fondo de ojo se define como la región uterina que consta de los vecinos más cercanos (con la distancia euclidiana como métrica) de la parte superior anatómica del útero y tiene un cuarto de sitios de los sitios uterinos.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen del informe de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Hemos declarado que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el documento. Los datos de geometría, electromiografía, mapa isócrono de activación eléctrica uterina y mapa de activación temprana generados en este estudio se proporcionan en el archivo de datos de origen. Los datos originales se proporcionan con este documento.

Los códigos fuente utilizados para generar imágenes EMMI que se muestran en las figuras se proporcionan en el Archivo de información complementaria.

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Agradecemos a Deborah Frank por editar el manuscrito; Jessica Chubiz por gestionar el tema de estudio; Monica Anderson, Tracy Burger, Emily Diveley, Megan Steiner, Stephanie Pizzella, Cassy Hardy y Bri Dawson por explicar el estudio a los sujetos, obtener el consentimiento y gestionar el estudio; y a Nina Punyamurthy, Naomi Goldstein y Josephine Lau Nga Yue por ayudar con los experimentos iniciales; Rebecca Chen y Hanna Aaron por ayudar con el preprocesamiento inicial de datos. Este trabajo fue apoyado por la subvención del Centro March of Dimes (22-FY14-486), por subvenciones del NIH/Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano (R01HD094381 a IP Y. Wang/Cahill; R01HD104822 a IP Y. Wang/Schwartz /Cahill), mediante subvenciones de Burroughs Wellcome Fund Preterm Birth Initiative (NGP10119 a PI Y. Wang) y mediante subvenciones de la Fundación Bill y Melinda Gates (INV-005417, INV-035476 e INV-037302 a PI Y. Wang).

Estos autores contribuyeron igualmente: Hui Wang, Zichao Wen.

Departamento de Física, Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63130, EE. UU.

Hui Wang

Centro de Ciencias de la Salud Reproductiva, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63130, EE. UU.

Hui Wang, Zichao Wen, Wenjie Wu, Zhexian Sun, Zulfia Kisrieva-Ware, Yiqi Lin, Sicheng Wang, Hansong Gao, Haonan Xu y Yong Wang

Departamento de Obstetricia y Ginecología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63110, EE. UU.

Hui Wang, Zichao Wen, Wenjie Wu, Zhexian Sun, Zulfia Kisrieva-Ware, Yiqi Lin, Sicheng Wang, Hansong Gao, Haonan Xu, Peinan Zhao y Yong Wang

Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63130, EE. UU.

Wenjie Wu, Zhexian Sun y Yong Wang

Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63130, EE. UU.

Yiqi Lin, Sicheng Wang, Hansong Gao y Yong Wang

Instituto Mallinckrodt de Radiología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63110, EE. UU.

Qing Wang y Yong Wang

Departamento de Salud de la Mujer, Facultad de Medicina de Dell, Universidad de Texas en Austin, Austin, TX, 78712, EE. UU.

George A. Macones y Alison G. Cahill

Departamento de Pediatría, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63110, EE. UU.

Alan Schwartz

Departamento de Cardiología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, MO, 63110, EE. UU.

Felipe Cuculich

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HW y ZW son coautores y contribuyeron por igual al manuscrito. HW y YW diseñaron los experimentos. HW, ZW, WW, ZS, ZKW, YL, SW, HG, HX realizaron experimentos en humanos. HW, ZW y WW segmentaron las imágenes de RM. QW desarrolló y optimizó las secuencias y exploraciones de resonancia magnética. PZ, GAM, ALS, PC y AGC contribuyeron al diseño del estudio y guiaron los estudios clínicos. HW, ZW y YW desarrollaron el proceso de procesamiento EMMI. HW y ZW procesaron y analizaron los datos de EMMI.

Correspondencia a Yong Wang.

YW, AGC, PC y ALS presentaron la Solicitud Provisional de EE. UU. No. 62/642,389 titulada "Sistema y método para imágenes electromiometriales no invasivas (EMMI)" para la tecnología EMMI evaluada en este trabajo. YW se desempeña como consultor científico para Medtronic y EP Solution y cuenta con financiación de investigación de los NIH. Los demás autores no declaran tener intereses en competencia.

Nature Communications agradece a Roger Young y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.

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Reimpresiones y permisos

Wang, H., Wen, Z., Wu, W. et al. Imágenes electromiometriales no invasivas de la maduración uterina humana durante el parto a término. Nat Comuna 14, 1198 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36440-0

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Recibido: 13 de mayo de 2022

Aceptado: 23 de enero de 2023

Publicado: 14 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36440-0

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