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

Resumo Técnico: Modelagem de Crescimento Volumétrico Normativo do Corpo Fetal Total, Placenta e Líquido Amniótico

Definição do Problema
Embora a RM fetal ofereça um contraste superior de tecidos moles e informações 3D reais em comparação com a ultrassonografia, a avaliação volumétrica quantitativa do feto, placenta e líquido amniótico permanece rara na prática clínica. As limitações atuais incluem:

1. Segmentação Manual Intensiva em Trabalho: Os métodos existentes dependem da segmentação manual de pilhas de imagens 2D corrompidas por movimento, o que é lento, dependente do operador e propenso a erros, particularmente para estruturas grandes como a cavidade amniótica.
2. Falta de Automação 3D: Abordagens de aprendizado profundo tipicamente segmentam estruturas únicas em pilhas 2D brutas, sofrendo de desalinhamento de fatias e precisão limitada devido ao movimento fora do plano. Nenhum método existente fornece uma solução automatizada confiável para a volumetria simultânea de todo o útero em RM 3D reconstruída.
3. Ausência de Dados Normativos: Não existem gráficos de crescimento normativos combinados para volumes fetais, placentários e de líquido amniótico derivados especificamente de gestações de controle saudáveis através de múltiplas intensidades de campo de RM. Os clínicos carecem de centis padronizados e escores z para interpretar volumes medidos ou avaliar as inter-relações entre esses compartimentos.

Metodologia
O estudo desenvolveu um pipeline automatizado integrado para volumetria de todo o útero utilizando RM fetal ponderada em T2 (T2W) 3D.

• Aquisição de Dados e Pré-processamento:

  • Coorte: O estudo utilizou 506 exames de 16 a 41 semanas de idade gestacional (IG) adquiridos em sistemas de RM de 0,55T, 1,5T e 3T.
  • Grupos: 357 controles de termo saudáveis (parto confirmado ≥37 semanas), 86 casos pré-termo/alto risco (parto ≤32 semanas, incluindo PPROM) e 63 conjuntos de dados adicionais para treinamento.
  • Reconstrução: A reconstrução 3D deformável de fatia para volume (DSVR) foi aplicada a pilhas T2W corrompidas por movimento usando o framework SVRTK para gerar imagens 3D de alta resolução (1,2 mm isotrópicos), corrigindo o desalinhamento entre fatias.

• Segmentação Automatizada:

  • Arquitetura: Um modelo 3D U-Net foi treinado dentro do framework MONAI.
  • Dados de Treinamento: 223 reconstruções DSVR 3D curadas manualmente abrangendo diversas intensidades de campo, intervalos de IG e variações anatômicas (incluindo anomalias e casos pré-termo).
  • Rótulos: O modelo segmenta quatro rótulos: feto completo (cabeça e corpo separados), placenta e líquido amniótico. O cordão umbilical é excluído da volumetria.
  • Verdade Fundamental (Ground Truth): Os rótulos foram gerados por meio de um processo iterativo combinando modelos de DL existentes, segmentação manual no ITK-SNAP e refinamento intercalado.

• Modelagem Normativa e Análise:

  • Derivação do Modelo: O modelo treinado foi aplicado a 357 conjuntos de dados de controles de termo saudáveis. Após inspeção visual e pequenos refinamentos manuais (<25% dos casos), a regressão quadrática foi usada para gerar curvas de crescimento normativas (centis de 5º, 50º e 95º) para volumes e escores z.
  • Análise Estatística: A Análise de Covariância (ANCOVA) avaliou correlações entre volumes, IG, características maternas (altura, peso, etnia) e peso ao nascer.
  • Validação: O pipeline foi testado em 43 conjuntos de dados independentes e avaliado em 95 exames longitudinais de 42 fetos e 86 gestações pré-termo para avaliar a utilidade clínica.

Principais Contribuições

1. Primeiro Pipeline Integrado: Introdução do primeiro pipeline de aprendizado profundo automatizado para segmentação e volumetria simultânea do feto, placenta e líquido amniótico em RM fetal T2W 3D reconstruída e corrigida de movimento entre 0,55T–3T.
2. Modelos de Crescimento Normativo: Geração dos primeiros gráficos de crescimento volumétrico normativo combinados para todos os três compartimentos intrauterinos derivados de uma grande coorte (n=357) de gestações de termo confirmadas saudáveis.
3. Ferramenta de Relatório Clínico: Desenvolvimento de uma ferramenta de relatório que calcula centis e escores z, gera relatórios HTML estruturados com visualizações de segmentação e calcula o peso fetal estimado com base no volume fetal.
4. Disponibilidade Pública: Todos os componentes de segmentação automatizada, calculadoras de centis e scripts de relatório são disponibilizados via repositório auto-SVRTK.

Resultos

• Precisão de Segmentação: O pipeline automatizado produziu rótulos 3D precisos com altas pontuações qualitativas (média >3,6/4). Correções locais menores (<1% de diferença de volume) foram necessárias em menos de 25% da coorte de controle, principalmente na interface placenta-miométrio e ao redor dos membros fetais.
• Trajetórias de Crescimento:
  • Volume Fetal: Mostrou uma forte associação positiva com a IG, com aumento da variabilidade após as 30 semanas. Fetos do sexo masculino apresentaram volumes significativamente maiores que as fêmeas.
  • Volume Placentário: Aumentou significativamente com a IG e correlacionou-se positivamente com a altura, peso materno e volume fetal.
  • Líquido Amniótico: Seguiu um padrão quadrático com um pico na metade da gestação e declínio em direção ao termo, exibindo alta variabilidade interindividual.
  • Correlações: Os volumes e centis correlacionaram-se fortemente com o peso ao nascer. As taxas de crescimento fetal e placentário foram fracamente correlacionadas, enquanto o crescimento fetal mostrou uma correlação negativa moderada com a inclinação do líquido amniótico.
• Efeitos da Intensidade de Campo: Embora as tendências gerais se sobreponham, a ANCOVA revelou diferenças significativas nos volumes fetal e placentário entre as coortes de 1,5T e 3T, provavelmente impulsionadas pela distribuição de IG e fatores de protocolo, em vez de variação biológica.
• Utilidade Clínica (Pré-termo vs. Termo):
  • Gestações pré-termo (≤32 semanas) demonstraram volumes e centis de feto, placenta e líquido amniótico significativamente menores em comparação aos controles de termo.
  • O pipeline identificou com sucesso desvios em casos de alto risco (ex: PPROM), onde os centis de líquido amniótico estavam frequentemente <5º.
  • Exames longitudinais mostraram trajetórias individuais acompanhando de perto as curvas normativas para volumes fetais e placentários, validando a aplicabilidade do modelo para monitoramento de crescimento.

Significância
Os autores afirmam que este estudo fornece um framework robusto e padronizado para a RM fetal quantitativa que supera as limitações da segmentação 2D manual. Ao estabelecer os primeiros modelos normativos combinados de todo o útero, o trabalho permite o cálculo de escores z e centis, que são essenciais para determinar se os volumes medidos estão dentro das faixas esperadas. O pipeline oferece uma ferramenta prática para avaliar padrões de crescimento tanto em gestações normais quanto de alto risco, apoiando a identificação precoce de trajetórias de desenvolvimento anormais e servindo como base para futura volumetria de órgãos específicos e integração clínica.