Summary
이중 모드 이미징 시스템은 피부 조직의 산소와 혈관 기능의 비 접촉 평가 위해 개발되었습니다.
Abstract
피부 조직의 산소와 혈관 기능의 정확한 평가는 같은 만성 상처 많은 건강 장애의 적절한 감지, 스테이징 및 치료를 위해 중요합니다. 우리는 피부 조직 산소와 혈관 기능의 비침습 및 비 접촉 이미징을위한 이중 모드 이미징 시스템의 개발을보고합니다. 이미징 시스템은 적외선 카메라, CCD 카메라, 액정 조정할 수있는 필터 및 높은 강도 섬유 광원을 통합. Labview 인터페이스는 장비 제어, 동기화, 이미지 수집, 처리 및 시각화하기 위해 짜여졌다. CCD 카메라에 의해 촬영된 Multispectral 이미지가 조직 산소지도를 재구성하는 데 사용되었습니다. 적외선 카메라로 촬영된 동적 열감지 이미지는 혈관 기능지도를 재구성하는 데 사용되었습니다. 피부 조직의 산소 및 혈관 기능 이미지 신탁 마커를 통해 공동 등록되었다. 듀얼 모드 영상 시스템의 성능 특성은 인간에서 테스트되었습니다.
Protocol
1. multispectral 이미지로 매핑 조직 산소
금후 CWC 시스템으로 불리는 종합 상처 센터 (CWC) 이중 모드 이미징 시스템, 피부 조직의 산소와 혈관 기능의 열감지 화상의 multispectral 이미징에 대한 오하이오 주립 대학에서 개발되었습니다. 넓은 간격 초 파생 spectroscopic 기술은 multispectral 이미지 1을 기반으로 조직 산소지도를 재구성하는 데 사용되었다. 본 연구에서는 건강한 주제는 가구에서 휴식 왼쪽 팔뚝과 토 CWC 시스템의 전망 분야 내에서 팔뚝의 부분은 다른 피부 색깔을 모방하기 위해 인도 잉크 (에탄올에 녹아있는 1 %)로 색칠했습니다. Multispectral 이미지는 인수되었으며 산소지도는 넓은 간격 초 유도체 스펙트럼을 바탕으로 재건되었다. 재건축 산소지도는 상업적인 Hypermed OxyVu hyperspectral 조직 산소 측정 시스템에 의해 인수되는과 비교했다.
혈관 폐색으로 조직 산소 응답 후 occlusive 반응 충혈 (PORH) 2 프로토콜 다음과 같은 주제에 공부했다. PORH 테스트하기 전에, 주제의 수축기 및 diastolic 혈액 압력은 왼쪽 팔 위쪽에 배치 압력을 재는 완에 의해 기록되었다. PORH 프로토콜은 두 분 suprasystolic 폐색 (수축기 + 50mm HG) 2 분 동안, 두 분 반응 충혈 기간 사전 occlusive 기준 기간 구성되어. Multispectral 이미지는 파장 당 0.75 초 샘플링 속도에서 PORH 검사 중에 네 파장 (즉, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm 및)에 인수했다. 딥 조직 산소 포화도와 같은 팔의 피부 조직 산소 장력이 동시에 OxiplexTS 조직 분광 광도계 (ISS 주식 회사, 어바나 샴페인 일리노이) 및 TCM transcutaneous 산소 모니터 (복사계, 덴마크) 각각에 의해 기록되었다.
2. 동적 열감지 이미지로 매핑 혈관 기능
동적 열감지 이미징은 같은 CWC 시스템을 사용하여 건강한 주제에 증명했다. 주제는 편안하게 가구와 CWC 시스템의 적외선 카메라 유닛쪽으로까지 직면하고있는 왼쪽의 dorsum에 휴식 왼팔과 나태한 위치에 테이블에 거짓말을 했어요. 레이저 도플러 프로브는 손가락 피부 재관류의 지속적인 모니터링에 대해 동일한 손의 손가락 끝에 배치되었습니다. 압력을 재는 완은 폐색의 다른 수준을 생산하기 위해 왼쪽 팔 위쪽에 배치했다. 실험 전에 제목은 압력 즉석에서 기록된 수축기 및 diastolic 압력과 함께, 적어도 10 분 동안 휴식을 요청했다. 동적 열감지 이미지는 다음 커프 압력 수준에서 포로로 붙잡혔습니다 : 아니요 폐색, 0.5 X diastolic 혈압, 0.5 X (diastolic 혈압 + 수축기 혈압)과 1.5 X 수축기 혈압. 각 커프 압력 수준에서 열 자극을 30 초 동안 왼쪽에 상온의 물 가방 (25 ° C)를 배치하여 소개되었습니다. 즉시 열 자극을 제거 후 왼쪽 열감지 화상 2 프레임 / 초의 속도로 인수되었으며 손가락 피부 재관류 10 Hz의 샘플링 속도에서 레이저 도플러 탐침에 의해 기록되었다. 검사 사이의 시간 간격은 10 분했습니다. 이후 측정이 같은 위치에 있다고 있도록 왼쪽의 위치는 사전에 표시되었다. 다른 폐색 수준에서 조직 혈관 기능은 온도 반응과 혈관 기능 지수를 모두 계산하여 평가되었다. 혈관 기능 색인은 열 자극과 상응하는 온도 변화 후 시간의 제곱근 사이의 비율로 정의했다.
3. 조직 산소 및 혈관 기능을지도 사이의 공동 등록
동적 열감지 이미지와 multispectral 이미징 인수 피부 조직 산소의지도에 의해 인수 피부 조직 혈관 기능의지도는 고급 이미징 알고리즘에 의해 공동으로 등록되었다. 동시 열 및 광학 대조와 네 신탁 마커, 이미지 공동 등록을 촉진하는 생물 학적 조직에 배치했다. 1) 그레이 스케일의 모든 이미지를 변환과 0 사이의 픽셀 강도 값을 정상화 : 현재 적외선 영상 (및 혈관 기능지도)와 광학 이미지를 (그리고 산소지도) 공동 등록을위한 프로토콜은 다음과 같은 주요 단계를 포함 1, 2) 광학 사진은 경험적 세계 임계값 (0.8 배 전체 이미지의 의미 강도 값)보다 높은 픽셀 강도 값을 가지고있는 전경 (피부) 영역을 식별하고, 전경 지역에있는 작은 구멍이 있었다 형태학의 종료 작업을 사용하여 가득; 3) 강도 값을 g 모두 아래 전경 (前景)에있는 어두운 지역으로 신탁 표시자 영역을 식별 lobal 한계와 20에 의해 - 20 픽셀 동네에서 의미 픽셀 값에 의해 정의된 적응 지역 한계. 적응 지역 임계값은 우리가 조명의 변화를 수용할 수, 4) 소음 및 스파이크를 제거하는 형태학의 작업을 사용하여 신탁 마커 영역을 수정, 네 가지 영역의 centroids는 광학 사진 조절점으로 선정, 5)와 유사한 단계를 반복 참조로 열 이미지와 두 이미지 사이의 affine 변환을 계산 7) 및 변형, 근접에 따라 제어 포인트의 두 집합을 (두 카메라가 밀접하게 위치라고 준)와 일치 6), 열 이미지에 마커 영역을 식별 광학 사진 및 correspondingly 산소지도 (광학 사진과 같은 카메라에서 얻은하는) 8) 마지막으로 시각화에 대한 중첩 이미지를 생성합니다.
4. 대표 결과 :
산소 프로토콜 (즉, # 1)에 대한 대표적인 결과는 광범위한 격차 초 파생 분광법에 따라 재건축 피부 조직 산소지도입니다. 넓은 간격 초 파생 분광법의 방법은 효과적으로 피부 산소 측정이 적은 가상 피부 색깔의 변화에 의해 영향되었습니다 있도록 조직 배경 흡수에 의한 측정 유물을 감소. 우리는 또한 피부 조직 산소지도, 깊은 조직 산소와 피부 조직의 산소 장력이 동시에 기록된 PORH 프로토콜을 보여주었다.
혈관 기능 프로토콜 (즉, # 2)에 대한 대표적인 결과는 피부 조직의 온도 배포판, 외부 열 자극에 대한 응답으로 피부 조직 온도의 변화, 그리고 역동적인 열감지 이미징에서 파생 피부 조직 혈관 인덱스 매핑을 포함합니다. 상관 관계는 피부 조직 혈관 색인 및 피부 조직 재관류의 레이저 도플러 측정의 열감지 이미지 사이에 관찰되었다.
공동 등록 프로토콜 (즉, # 3)에 대한 대표적인 결과가 조직 산소지도 혈관 색인지도와 사진, 산소 간의 이미지 융합, 그리고 혈관 인덱스 이미지 멀티 대비 신탁 마커 공동 등록을 포함합니다.
그림 1. 조직 산소와 혈관 기능의 비 접촉 이미징을위한 CWC 듀얼 모드 시스템 설정. 시스템이 모바일 카트가 설치되었다. 그것은 적외선 열감지 카메라, CCD 카메라, 액정 조정할 수 필터, 그리고 광대역 광원 구성되어. 컴퓨터가 데이터를 수집, 분석 및 디스플레이의 작업을 동기화하는 데 사용되었다.
그림 2. CWC 시스템에 대한 소프트웨어 인터페이스. 소프트웨어 인터페이스는 Labview 환경에서 프로그램되었다. 인터페이스의 왼쪽 상단에있는 하드웨어 구성 및 시스템 보정을위한 컨트롤 패널입니다. 인터페이스의 오른쪽에있는 적외선 카메라에서 획득한 조직 온도지도의 실시간 표시됩니다. 인터페이스의 하단에 피부 조직 재관류의 레이저 도플러 측정 있습니다.
그림 3. CWC 시스템에 대한 소프트웨어 인터페이스 (계속)가.이 조직 산소 매개 변수를 표시하는 팝업 창이 있습니다. 왼쪽에있는 multispectral 이미지 재건 조직 산소지도입니다. 인터페이스의 오른쪽 상단 아래에서 다음 조직 산소 매개 변수를 표시합니다 (1) 피부 조직 산소가 조직 산소지도에 관심이 선택한 영역 (ROI)에서 평균 (2) 깊은 조직 산소는 OxplexTS 조직 산소 농도계로 감시 (3) 피부 조직 산소 장력은 TCM transcutaneous 산소 모니터로 감시.
그림 4. OxyVu 이미징 시스템에 의해 피부 조직 산소 이미징가. 왼쪽 그림은 피부 조직의 이미지를 그레이 스케일입니다. 잉크 층이 피부 색상을 시뮬레이션하기 위해 피부에 그려진했다. OxyVu 시스템에 의해 인수 피부 조직 산소의지도는 오른쪽에 표시됩니다. 흥미가있는 두 개의 사각형 모양의 영역 (로아)은 각각 시간과 잉크 그려진 영역 밖에 선정되었습니다. 잉크 그려진 지역 투자 수익 (ROI)은 평균 피부 조직 산소는 62.8 ± 11.0 %되었습니다. 잉크 그려진 영역 밖의 투자 수익 (ROI)은 평균 피부 조직 산소는 44.0 ± 11.0 %되었습니다. 18.8 %의 차이는 잉크 칠한 피부 지역 내외 피부 조직 산소 측정 관찰했다.
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그림 5. CWC 시스템에서 피부 조직 산소 이미징. multispectral 이미지는 그림 4에서와 같은 주제에 같은 피부 위치에있는 CWC 시스템에 의해 점령되었다. 왼쪽 그림은 피부 조직의 단일 파장의 이미지이고 오른쪽 그림은 재건 피부 조직 산소지도입니다. 잉크 계층은 그림 4에서와 같은 잉크 농도로 피부에 그려진했다. . 흥미가있는 두 개의 사각형 모양의 영역 (로아)은 각각 시간과 잉크 그려진 영역 밖에 선정되었습니다. 잉크 그려진 지역 투자 수익 (ROI)은 평균 피부 조직 산소가 60.9되었습니다 ± 6.9 %. 잉크 그려진 영역 밖의 투자 수익 (ROI)은 평균 피부 조직 산소가 65.8되었습니다 ± 5.5 %. 4.9 %의 차이는 잉크 칠한 피부 지역 내외 피부 조직 산소 측정 관찰했다.
그림 6. 피부 조직 산소 측정의 신뢰성에 대한 가상 피부 색상 변화의 효과. 통계 분석은 OxyVu와 CWC 이미징 시스템 모두를위한 산소 측정에 가상 피부 색상 변화의 중요성을 결정하기 위해 실시되었다. 각각의 이미징 시스템, 평균 피부 조직 oxygenations는 무작위로 각 지역에 대한 관심 10 지역 (로아)를 선택하여 잉크 칠한 피부 지역 내외 계산했다. 우리 NULL 가설은 피부 색상의 변화가 피부 조직 산소 측정에 영향을주지 것입니다. 이 NULL 가설은 각각 산소 그림 4지도 (즉, OxyVu 측정) 및 그림 5 (즉, CWC 측정)를 사용하여 테스트되었습니다. 학생의 T - 테스트 OxyVu 측정에 대한 P 값이 NULL이 가설이 거절한다는 뜻인, 0.001보다 훨씬 적은 것으로 나타났습니다. 따라서, 피부 색상의 변화가 OxyVu 이미징 시스템의 피부 조직 산소 측정에 영향을 미칠 않습니다. 반면, CWC 측정에 대한 P 값이 피부 색상의 변화가 CWC 이미징 시스템에서 피부 조직 산소 측정에 영향을주지 않습니다 가능성을 암시, 0.728이다.
그림 7. 포스트 occlusive 반응 충혈 (PORH) 동안 CWC 시스템에서 얻은 피부 조직 산소의 이미지. PORH 시험은 건강한 주제 아래 # 1의 팔뚝에 실시되었다. (A). 이미지 공동 등록을 배치 네 신탁 마커와 팔 단일 파장 그레이 스케일 이미지. (B) 기준의 피부 조직 산소지도 혈관 폐색 전 인수했다. (C) 2 분 동안 혈관 폐색 후 피부 조직 산소지도 (수축기 혈압 50mmHg +). 반응 충혈 후 (D) 피부 조직 산소지도. 피부 조직 산소 크게 변경하는 동안, 그리고 혈관 폐색 후, 이전에 관찰되었다.
그림 8. 조직 산소 매개 변수가 연속 PORH 테스트 중에 모니터링. ()에서 테스트 프로토콜 사전 폐색의 suprasystolic의 폐색 기간 다음 기준, 그리고 반응 충혈 기간 종료 기간을 보여줍니다. 피부 조직 산소 기간 PORH 절차의 역사는 (B)에 꾸몄다 있습니다. 이것은 CWC 피부 산소지도에 관심이 선택한 영역 (ROI)을 평균하여 얻은 것입니다. 우리는 또한 (C)의 역모, OxiplexTS 조직 산소 농도계하여 깊은 조직 산소를 감시. transcutaneous 조직 산소 장력 또한 TCM 장치에 의해 감시와 (D)에 꾸몄다되었습니다. 피부 조직 산소의 CWC 측정 PORH 절차를 수행하는 동안 다른 산소 매개 변수와 잘 일치.
그림 9. 다른 혈관 폐색 압력에서 피부 조직 응답. 열감지 이미지가 열 자극 (즉, 실내 온도 25 ° C에서 물 주머니) 직후 인수되었습니다 것은 제목의 왼쪽에서 제거되었습니다. 열 자극이 제거된 후에 수평축은 서로 다른 시간 장소에 해당합니다. 수직 축은 혈관 폐색 압력의 다음 4 단계에 해당 : 0 (없음 폐색), 0.5DBP, 0.5 (DBP + SBP), 1.5SBP, DBP는 diastolic 혈압이며 SBP는 수축기 혈압입니다. 이 특정 주제에 대한, DBP가 69mmHg이고 SBP가 123mmHg입니다. 테스트 결과는 외부 열 자극에 대한 조직 온도 응답이 혈관 폐색의 수준 상관을 나타냅니다. 폐색 압력을 증가하면 열 응답 속도를 감소시킵니다.
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그림 10. 다른 혈관 폐색 압력에서 재건축 혈관 인덱스지도. 열감지 이미지의 각 픽셀에서 혈관 기능 지수 (V)은 열 자극 후 시간의 제곱근 (√ t에 대한 피부 조직 온도 변화 (Δ T)를 regressing에서 파생된되었습니다 ) : Δ ε은 임의의 오류이며, K는 상수입니다 + ε √ t + K. 왼쪽에서 혈관 기능 인덱스지도는 바로 다음과 같은 폐색 조건에 해당하는 () 아니오 폐색, (B) 0.5DBP, (C) 0.5 (DBP + SBP), (D) 1.5SBP. 이 특정 주제에 대한, diastolic 혈압 (DBP)은 69mmHg이고 수축기 혈압 (SBP)이 123mmHg입니다.
그림 11. 혈관 기능 색인과 피부 조직 재관류 사이의 상관 관계는. # 2의 각 폐색의 압력에 손가락 팁 혈관 기능 인덱스는 조직 혈관 색인지도에 대한 관심 다섯 지역 (로아)을 평균하여 계산되었다. 피부 조직 재관류는 손가락 끝에 중 하나에서 레이저 도플러 장치에 의해 측정되었다. 손가락 팁 혈관 지수는 조직 혈관 기능의 양적 평가에 대한 동적 열감지 방법을 사용의 가능성을 나타내는, 레이저 도플러 측정과 상관.
그림 12. . 이미지를 공동 등록 프로세스는 첫 번째 행에, 우리는보기 : (A) 표준 사진, (B) 세그먼트 전경 지역 및 사진 이미지 (C) 세그먼트 마커. 두 번째 연속으로, 우리는보기 : (D) 표준 재관류지도 (E) 세그먼트 전경 지역 및 재관류의지도 (F) 세그먼트 마커. 마커 위치의 두 집합 사이의 affine 변환을 계산했습니다. 공동 등록 이미지 (G와 H) 사진 이미지와이 회복 affine 변환을 사용하여 산소지도를 변환하여 얻을 수 있었다.
그림 13. 공동 등록 결과. 함께 재관류지도로 변환 사진 및 산소지도, 공동 등록과 열지도로 표시되었습니다. (A)의 열지도는 레드 채널에서 변환된 사진 이미지의 100 %, 녹색 채널의 변형 산소 이미지의 100 %와 푸른 채널에서 재관류지도의 50 %를 만납니다. 더 나은 혈관을 시각화하기 위해, 우리는 (B)에서와 공동 등록 결과의 다른 버전을 제시한다. 열지도는 적색 채널에서 변형 사진 이미지의 100 %로 구성되었다, 50 녹색 채널, 그리고 혈관 인덱스지도가 거꾸로되었다 파란색 채널 변화 재관류지도의 50 %에 변형 산소 이미지의 %만이 정보 전경 지역은 보관되었습니다 이내.
Discussion
산소는 헤모글로빈이나 미오 글 로빈 바운드 산소, 용존산소와 반응 산소 종과 같은 여러 형태의 생물 학적 조직에 존재합니다. 산소 수송 조직 생존과 정상적인 신진 대사 과정 3 유지에 중요한 역할을합니다. 중간 hypoxia에 급성 온화는 신진 대사가 적응, 혈관 조절, 그리고 angiogenic 답변 4 시작됩니다. 익스 트림 hypoxia와 산소 결핍이 불충 분한 angiogenesis 및 세포 사망으로 이어질 것입니다. 제한된 산소 공급 증가 산소 요구량 사이의 불균형은 만성 상처 5 여러 장애에 대한 주요 원인이되는 요인 중 하나입니다. 허혈성 상처의 경우에는 산소 공급은 재관류의 부족에 의해 제한되며 치유 과정의 대사가 필요하고 감염을 싸우는 목적으로 손상 호흡 버스트 기능을 충족시키지 수 있습니다. 피부 조직의 산소와 혈관 기능의 동시 평가는 만성 상처 관리의 임상 의미가있다.
hyperspectral 이미징 기술은 조명에 의해 피부 조직 조직 산소를 추정하고 다른 파장 6 조직 반사율을 감지. hyperspectral 이미지 중 하나는 가장 큰 장점은 비침습 및 조직 기능 등록 정보의 비 접촉 감지합니다. 그러나 많은 hyperspectral 이미징 시스템을위한 산소 측정의 신뢰성은 피부 색깔과 다른 배경 흡수 변화에 의해 영향을받습니다. 와이드 갭 초 유도체 분광은 산란 및 피부 착색 1 최소한의 효과와 조직 산소 측정 이전에 개발되었습니다. 우리는 multispectral 이미징에 두 번째 파생 분광법의 원리를 적용하여 시뮬레이션 피부 색상의 변화와 함께 독립적인 피부 조직 산소의 지속적인 측정을 보여주었다.
조직 재관류는 이전에 다음 ID로 조직 열 확산에 7을 측정하여 공부했습니다. 하나의 후드 방법은 피부 조직 열 관성 분포 8 추정하기 위해 열 자극 및 이미지 조직 역동적인 반응을 소개하기 위해 개발되었습니다. 동맥 폐색 커프의 대상이 인간의 팔뚝 피부에 대한 실험은 폐색 8 이전과 혈액의 흐름 동안 레이저 도플러 영상기로 측정 열 관성과 혈액 관류 사이의 선형 관계를 보여주었다. 일괄 bioheat 모델은 또한 정맥 폐색 plethysmography 9시 손가락 팁 혈관의 반응을 추정하는 데 사용되었다. 위의 노력에도 불구하고, 피부 온도 측정에서 quantifying 피부 혈액 관류 때문에 감성의 부족, 피하 지방 두께에 의존, 그리고 vasoconstriction, vasodilation, 및 모션 아티팩트 10 같은 다른 요인의 도전이다. 이 프로토콜에서는, 우리는 실온에서 열 자극에 대한 응답으로 조직 온도 역학을 캡처하는 적외선 카메라를 사용합니다. 온도 자극은 vasoconstriction과 vasodilation의 효과가 최소화되었습니다 있도록 선정되었습니다. 또한 모델링 및 측정 노력 혈관 기능 색인과 피부 조직 재관류 사이에 신뢰할 수있는 양적 상관 관계를 윤곽을 그리다하기 위해 필요합니다.
# 3에서는, 우리는 공동 작업 등록에 대한 affine 변환을 사용합니다. 그러나, 두 카메라가 3D 공간에서 서로 다른 각도로 위치하는 감안할 때, 그것은 두 카메라 사이의 3D 변환 관련 변환을 적용하기 위해 잠재적으로 더 정확합니다. 현재 우리는 epipolar 지오메 트리를 사용하여 3D 공간에서 카메라의 외부 교정을 포함되는 방향으로 모색하고 있습니다.
Disclosures
관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
NIH 수상 RO1 HL073087, GM 077,185, 그리고 CKS에 GM 069,589 지원. 작품은 또한 DHLRI의 재생 의료 프로그램에서 교부금에 의해 지원됩니다. 박사 Sabyasachi.Biswas (종합 상처 센터) 박사 앨리슨 Spiwak (순환 기술 부문), 조셉 Agoston (부수 부문), 토마 : 저자는 기술 지원과 오하이오 주립 대학에서 다음 인사에서 임상 입력에 감사 Shives (순환과), 조셉 유잉 (기계 공학), 스콧 킬링거 (기계 공학), 그리고 Xiaoyin GE (전기 공학).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Higgins Calligraphy waterproof black ink | Sanford | 44314 | diluted to 1% |
| Hamamatsu ORCA ER deep cooling CCD camera | Hamamatsu Corp. | C4742-80-12AG | |
| Varispec SNIR liquid crystal tunable filter | Cambridge Research Systems | VIS-10-HC-20 | |
| ThermoVision A40 infrared camera | FLIR Systems Inc. | A40 | |
| Thorlabs OSL1 high intensity fiber light source | Thorlabs Inc. | OSL1 |
References
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