Normative volumetric growth modeling of the whole fetal body, placenta and amniotic fluid for 3-dimensional T2-weighted magnetic resonance imaging

Resumen Técnico: Modelado Normativo del Crecimiento Volumétrico del Cuerpo Fetal Completo, la Placenta y el Líquido Amniótico

Planteamiento del Problema
Aunque la resonancia magnética (RM) fetal ofrece un contraste de tejidos blandos superior e información tridimensional real en comparación con la ecografía, la evaluación volumétrica cuantitativa del feto, la placenta y el líquido amniótico sigue siendo poco común en la práctica clínica. Las limitaciones actuales incluyen:

1. Segmentación Manual Laboriosa: Los métodos existentes dependen de la segmentación manual de pilas de imágenes 2-D con distorsión por movimiento, lo cual es lento, dependiente del operador y propenso a errores, particularmente para estructuras grandes como la cavidad amniótica.
2. Falta de Automatización 3-D: Los enfoques de aprendizaje profundo suelen segmentar estructuras individuales en pilas 2-D originales, lo que sufre de desalineación de cortes y una precisión limitada debido al movimiento fuera del plano. Ningún método existente proporciona una solución automatizada fiable para la volumetría simultánea de todo el útero en RM reconstruida en 3-D.
3. Ausencia de Datos Normativos: No existen tablas de crecimiento normativo combinadas para los volúmenes de los fluidos fetales, placentarios y amnióticos derivados específicamente de embarazos de control sanos a través de múltiples intensidades de campo de RM. Los clínicos carecen de centiles estandarizados y puntuaciones z para interpretar los volúmenes medidos o evaluar las interrelaciones de estos compartimentos.

Metodología
El estudio desarrolló un flujo de trabajo automatizado integrado para la volumetría de todo el útero utilizando RM fetal ponderada en T2 (T2W) en 3-D.

• Adquisición de Datos y Preprocesamiento:

  • Cohorte: El estudio utilizó 506 exploraciones de 16 a 41 semanas de edad gestacional (EG) adquiridas en sistemas de RM de 0.55T, 1.5T y 3T.
  • Grupos: 357 controles sanos a término (parto confirmado ≥37 semanas), 86 casos pretérmino/de alto riesgo (parto ≤32 semanas, incluyendo PPROM) y 63 conjuntos de datos adicionales para entrenamiento.
  • Reconstrucción: Se aplicó la reconstrucción 3-D de rebanada a volumen deformable (DSVR) a las pilas de T2W con distorsión por movimiento utilizando el marco de trabajo SVRTK para generar imágenes 3-D de alta resolución (1.2 mm isotrópicos), corrigiendo la desalineación entre cortes.

• Segmentación Automatizada:

  • Arquitectura: Se entrenó un modelo 3-D U-Net dentro del marco de trabajo MONAI.
  • Datos de Entrenamiento: 223 reconstrucciones 3-D DSVR curadas manualmente que abarcan diversas intensidades de campo, rangos de EG y variaciones anatómicas (incluyendo anomalías y casos pretérmino).
  • Etiquetas: El modelo segmenta cuatro etiquetas: feto completo (cabeza y cuerpo separados), placenta y líquido amniótico. El cordón umbilical se excluye de la volumetría.
  • Verdad de Campo (Ground Truth): Las etiquetas se generaron mediante un proceso iterativo que combina modelos de DL existentes, segmentación manual en ITK-SNAP y refinamiento intercalado.

• Modelado Normativo y Análisis:

  • Derivación del Modelo: El modelo entrenado se aplicó a 357 conjuntos de datos de controles sanos a término. Tras la inspección visual y refinamientos manuales menores (<25% de los casos), se utilizó regresión cuadrática para generar curvas de crecimiento normativo (centiles 5, 50 y 95) para volúmenes y puntuaciones z.
  • Análisis Estadístico: El análisis de la covarianza (ANCOVA) evaluó las correlaciones entre volúmenes, EG, características maternas (altura, peso, etnia) y peso al nacer.
  • Validación: El flujo de trabajo se probó en 43 conjuntos de datos independientes y se evaluó en 95 exploraciones longitudinales de 42 fetos y 86 embarazos pretérmino para evaluar su utilidad clínica.

Contribuciones Clave

1. Primer Flujo de Trabajo Integrado: Introducción del primer flujo de trabajo de aprendizaje profundo automatizado para la segmentación y volumetría simultánea del feto, la placenta y el líquido amniótico en RM fetal T2W reconstruida en 3-D con corrección de movimiento a través de intensidades de campo de 0.55T–3T.
2. Modelos de Crecimiento Normativo: Generación de las primeras tablas de crecimiento volumétrico normativo combinadas para los tres compartimentos intrauterinos derivados de una gran cohorte (n=357) de embarazos sanos confirmados a término.
3. Herramienta de Reporte Clínico: Desarrollo de una herramienta de reporte que calcula centiles y puntuaciones z, genera informes HTML estructurados con visualizaciones de segmentación y calcula el peso fetal estimado basado en el volumen fetal.
4. Disponibilidad Pública: Todos los componentes de segmentación automatizada, los calculadores de centiles y los scripts de reporte están disponibles a través del repositorio auto-SVRTK.

Resultados

• Precisión de la Segmentación: El flujo de trabajo automatizado produjo etiquetas 3-D precisas con puntuaciones cualitativas altas (promedio >3.6/4). Se requirieron correcciones locales menores (<1% de diferencia de volumen) en menos del 25% de la cohorte de control, principalmente en la interfaz placenta-miometrio y alrededor de las extremidades fetales.
• Trayectorias de Crecimiento:
  • Volumen Fetal: Mostró una fuerte asociación positiva con la EG, con un aumento de la variabilidad después de las 30 semanas. Los fetos masculinos presentaron volúmenes significativamente mayores que las hembras.
  • Volumen Placentario: Aumentó significativamente con la EG y se correlacionó positivamente con la altura materna, el peso y el volumen fetal.
  • Líquido Amniótico: Siguió un patrón cuadrático con un pico a mitad de la gestación y un descenso hacia el término, exhibiendo una alta variabilidad interindividual.
  • Correlaciones: Los volúmenes y centiles se correlacionaron fuertemente con el peso al nacer. Las tasas de crecimiento fetal y placentario tuvieron una correlación débil, mientras que el crecimiento fetal mostró una correlación negativa moderada con la pendiente del líquido amniótico.
• Efectos de la Intensidad de Campo: Aunque las tendencias generales se solaparon, el ANCOVA reveló diferencias significativas en los volúmenes fetal y placentario entre las cohortes de 1.5T y 3T, impulsadas probablemente por la distribución de la EG y factores de protocolo más que por la variación biológica.
• Utilidad Clínica (Pretérmino vs. Término):
  • Los embarazos pretérmino (≤32 semanas) demostraron volúmenes y centiles de feto, placenta y líquido amniótico significativamente menores en comparación con los controles a término.
  • El flujo de trabajo identificó con éxito desviaciones en casos de alto riesgo (ej. PPROM), donde los centiles de líquido amniótico eran frecuentemente <5.
  • Las exploraciones longitudinales mostraron trayectorias individuales que siguen estrechamente las curvas normativas para los volúmenes fetales y placentarios, validando la aplicabilidad del modelo para el monitoreo del crecimiento.

Significancia
Los autores afirman que este estudio proporciona un marco robusto y estandarizado para la RM fetal cuantitativa que supera las limitaciones de la segmentación 2-D manual. Al establecer los primeros modelos normativos combinados de todo el útero, el trabajo permite el cálculo de puntuaciones z y centiles, los cuales son esenciales para determinar si los volúmenes medidos se encuentran dentro de los rangos esperados. El flujo de trabajo ofrece una herramienta práctica para evaluar los patrones de crecimiento tanto en embarazos normales como de alto riesgo, apoyando la identificación temprana de trayectorias de desarrollo anormales y sirviendo como base para la futura volumetría de órganos específicos y la integración clínica.