Assessment of T2* MRI in Selected Fetal Organs and the Association with Low Birth Weight

Abstract

Dansk resumé Baggrund: Placentainsufficiens kan medføre utilstrækkelig ilttilførsel til fostret, hvilket kan føre til bl.a. vækstretardering inklusiv lav fødselsvægt, fosterhypoksi og irreversibel skade på fostrets organer. Fostret kan i sådanne tilfælde kompensere for iltmangel ved at redistribuere blodet, således hjernen, og andre essentielle organer, prioriteres; også kaldet brain-sparing. I dag findes der ikke en non-invasiv metode til vurdering af fostrets oxygenering. En non-invasiv metode til undersøgelse af fosterorganer kunne være magnetisk resonans (MR)-skanning med måling af den transverselle relaksationstid (T2*). T2* er en konstant, der afhænger af flere vævsparametre, herunder mængden af deoxyhæmoglobin og morfologi, hvorfor T2*-vægtet MR kan bruges til vurdering af vævsoxygenering. T2* værdien er velbeskrevet for moderkagen og tæt relateret til moderkagens funktion. T2* er ikke tidligere systematisk undersøgt i flere fosterorganer. Formålet med dette studie er således at undersøge T2* værdien i udvalgte fosterorganer og associationen mellem T2* i fosterorganer og lav fødselsvægt. Metode: Dette prospektive kohortestudie undersøgte T2*-vægtede MR-skanninger for 114 singleton graviditeter i gestationsalder 23+6 til 41+3. MR-skanningerne blev foretaget fra februar 2018 til november 2019 i et 1,5 Tesla MRI-system, OptimaTM MR450w (GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA). For at undgå kompression af vena cava blev kvinderne under skanningen placeret på ryggen med aflastende skråkile under højre side. De T2*-vægtede MR-skanninger blev foretaget både aksialt og koronalt på fostret. Efterfølgende blev der indtegnet en til to regions of interest (ROIs) for hvert foster organ og udregnet en gennemsnitsværdi af T2* værdien for de to ROIs fra hvert fosterorgan i de tilfælde, hvor det var muligt at tegne to ROIs. Lav fødselsvægt blev defineret som -22,0% eller mindre ud fra Maršáls vægtkurve. Data blev indtastet i Research Electronic Data Capture REDCap. Statistisk analyse blev foretaget i Stata®16.0 (College Station, TX, USA). Associationen mellem T2* værdien for hvert fosterorgan og gestationsalder ved MR-skanning for normalvægtige fostre blev undersøgt ved lineær regression og Pearsons korrelations koefficienter. Sammenhængen mellem T2* værdi og lav fødselsvægt blev undersøgt ved logistisk regression. P-værdi <0,05 blev anset som signifikant. Studiet er godkendt af Den Videnskabsetiske Komite for Region Nordjylland, projektnummer N-20170052. Databehandling er godkendt af Datatilsynet, lokalreference-ID 2017-148. Resultater: Ud af 114 graviditeter havde 26,3% (n=30) lav fødselsvægt. I graviditeter med normal fødselsvægt var der negativ lineær korrelation mellem T2* værdi og gestationsalder ved MR-skanning, denne var dog kun signifikant for fosterhjerne (R2=0,69, P<0,001), fosterhjerte (R2=0,47, P<0.001), fosternyrer (R2=0,67, P<0,001) og fostermilt (R2=0,45, P<0,001), men ikke signifikant for fosterlunger (R2=0,14, P=0,198) eller fosterlever (R2=0,14, P=0,222). For fostre med lav fødselsvægt var T2* værdien lavere i alle undersøgte organer, dog kun signifikant i fosterhjerte (middel z-score =-3,23, P=0,001), fosternyrer (middel z-score =-2,84, P=0,005) og fostermilt (middel z-score =-2,60, P=0,009). Sammenhængen mellem T2* værdien og lav fødselsvægt var ikke signifikant for fosterhjerne (middel z-score =-0,62, P=0,538), fosterlunger (middel z-score =-1,94, P=0,053) eller fosterlever (middel z-score =-0,38, P=0,706). Konklusion: Ud fra vores viden er dette studie det første til at undersøge flere fosterorganer med T2*-vægtet MR. Dette studie viser en sammenhæng mellem T2* værdi i udvalgte fosterorganer og lav fødselsvægt, hvilket understøtter hypotesen om, at T2* værdien er relateret til vævsoxygenering, hvorfor denne metode potentielt kan bidrage med værdifuld non-invasiv viden om fosterfysiologi og hypoksi samt vurdering af barnets ilttilbud.

Objective: The transversal relaxation time (T2*) is related to tissue oxygenation and morphology. It is well described in relation to in vivo oxygenation in the placenta, but this method is yet unexplored in fetal organs. The objective of this study was to investigate the T2* value of selected fetal organs and the association with low birth weight (BW). Methods: This prospective cohort study included 114 singleton pregnancies with Magnetic Resonance Imaging (MRI) performed between gestational week 23+6 and 41+3. T2* value was obtained from the fetal brain, lungs, heart, liver, kidneys, and spleen. The correlation between T2* value and gestational age (GA) at MRI was estimated by linear regression analysis and Pearson’s correlation coefficients. The association between low BW (BW ≤-22.0%) and T2* value of selected fetal organs was investigated by logistic regression adjusted for GA at MRI. Results: Out of 114 pregnancies 26.3% (n=30) had low BW. In normal BW pregnancies the T2* value in fetal organs showed a negative linear correlation with GA at MRI. This was significant for fetal brain (R2=0.69, P<0.001), fetal heart (R2=0.47, P<0.001), fetal kidneys (R2=0.67, P<0.001) and fetal spleen (R2=0.45, P<0.001), while statistical insignificant for fetal lungs (R2=0.14, P=0.198) and fetal liver (R2=0.14, P=0.222). Logistic regression demonstrated a significantly lower T2* value among fetuses with low BW. This association was significant for fetal heart (mean z-score =-3.23, P=0.001), fetal kidneys (mean z-score =-2.84, P=0.005) and fetal spleen (mean z-score =-2.60, P=0.009). However, insignificant in the fetal brain (mean z-score =-0.62, P=0.538), fetal lungs (mean z-score =-1.94, P=0.053) and fetal liver (mean z-score =-0.38, P=0.706). Conclusion: Low T2* values of selected fetal organs in low BW pregnancies may be a result of tissue hypoxia and morphological changes related to placental insufficiency and supported by the T2* value being related to tissue oxygenation. In conclusion, this method can potentially contribute to non-invasive knowledge of fetal physiology during hypoxia and assessment of oxygenation within the fetus.

A master thesis from Aalborg University

Assessment of T2* MRI in Selected Fetal Organs and the Association with Low Birth Weight