Summary
Un système bi-mode d'imagerie a été développé pour les non-contact avec l'évaluation de l'oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire.
Abstract
L'évaluation précise de l'oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire est important pour la détection appropriée, mise en scène, et le traitement des troubles de santé tels que de nombreuses plaies chroniques. Nous rapportons le développement d'un système d'imagerie bi-mode pour l'imagerie non-invasive et sans contact de l'oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire. Le système d'imagerie intégrée une caméra infrarouge, une caméra CCD, un filtre à cristaux liquides accordable et une source de fibres à haute intensité de lumière. Une interface Labview a été programmé pour le contrôle de l'équipement, la synchronisation, l'acquisition d'images, de traitement et de visualisation. Images multispectrales capturée par la caméra CCD ont été utilisés pour reconstruire la carte oxygénation des tissus. Dynamique images thermographiques capturée par la caméra infrarouge ont été utilisés pour reconstruire la carte de la fonction vasculaire. L'oxygénation des tissus cutanés et les images de la fonction vasculaire ont été co-enregistré par le biais des marqueurs fiduciaires. Les caractéristiques de performance du système de l'image bi-mode ont été testés chez les humains.
Protocol
1. L'oxygénation des tissus de cartographie par imagerie multispectrale
Un Centre de plaies global (CAC) système d'imagerie bi-mode, désormais appelé le système de CAC, a été développé à l'Ohio State University pour l'imagerie multispectrale de l'oxygénation des tissus cutanés et d'imagerie thermographique de la fonction vasculaire. Le grand écart dérivée seconde technique spectroscopique a été utilisé pour reconstruire des cartes oxygénation tissulaire basée sur des images multispectrales 1. Dans cette étude, un sujet sain assis avec l'avant-bras gauche appuyé sur un comptoir. Une partie de l'avant-bras dans le champ de vision du système de CAC a été peinte avec l'encre de Chine (1% dans de l'éthanol) pour imiter les couleurs de peau différentes. Images multispectrales ont été acquis et une carte de l'oxygénation a été reconstruit sur la base des dérivés spectre large fossé secondes. La carte d'oxygénation reconstruite a été comparée à celle acquise par une société commerciale Hypermed OxyVu les tissus du système de mesure hyperspectrale oxygénation.
Réponses en oxygène des tissus d'occlusion vasculaire ont été étudiés sur le même sujet en suivant un protocole post-occlusif hyperémie réactive (Porh) 2. Avant l'essai Porh, systolique du sujet et la tension artérielle diastolique ont été enregistrées par un brassard de tensiomètre placé sur le bras gauche. Le protocole consistait à Porh une période de référence pré-occlusive de deux minutes, une occlusion suprasystolic (systolique + 50 mm Hg) pendant deux minutes, et une période réactive hyperémie de deux minutes. Images multispectrales ont été acquises à quatre longueurs d'onde (c'est à dire, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm et) au cours du test Porh au taux d'échantillonnage de 0,75 secondes par longueur d'onde. Profond de saturation en oxygène des tissus cutanés et les tensions en oxygène des tissus sur le même bras ont été enregistrées simultanément par un spectrophotomètre tissus OxiplexTS (ISS Inc, Urbana Champaign, IL) et un moniteur TCM transcutanée en oxygène (Radiometer, Danemark), respectivement.
2. Fonction de la cartographie vasculaire par imagerie thermographique dynamiques
Dynamique imagerie thermographique a été démontré sur un sujet sain en utilisant le même système CAC. Le sujet a menti confortablement sur une table en position couchée, avec le bras gauche appuyé sur un comptoir et le dos de la main gauche vers le haut vers l'unité caméra infrarouge du système de CAC. Un laser Doppler sonde a été placée sur le bout des doigts de la main même pour un suivi continu de la perfusion cutanée doigt. Un brassard de pression a été placée sur le bras gauche pour produire les différents niveaux de l'occlusion. Avant l'expérience, le sujet a été demandé de se reposer pendant au moins 10 minutes, avec les pressions systolique et diastolique enregistrées par le brassard de pression. Dynamique images thermographiques ont été capturés aux niveaux suivants pression du brassard: pas d'occlusion, 0,5 x pression artérielle diastolique, de 0,5 x (pression artérielle diastolique + pression artérielle systolique), et 1,5 x pression artérielle systolique. A chaque niveau la pression du brassard, une stimulation thermique a été introduit en plaçant un sac d'eau de température ambiante (25 ° C) sur la main gauche pendant 30 secondes. Immédiatement après le retrait de la stimulation thermique, les images thermographiques main gauche ont été acquises à un taux de 2 images / seconde et de la perfusion cutanée doigt a été enregistré par la sonde laser Doppler au taux d'échantillonnage de 10 Hz. L'intervalle de temps entre les essais était de 10 min. La position de la main gauche a été marquée à l'avance afin que les mesures suivantes ont été à la même position. Fonctions vasculaires des tissus à des niveaux différents d'occlusion ont été évaluées par le calcul à la fois la réponse la température et l'indice de la fonction vasculaire. L'indice de la fonction vasculaire a été défini comme le rapport entre la racine carrée du temps après une stimulation thermique et le changement de température correspondant.
3. Co-enregistrement entre l'oxygénation des tissus et des cartes de la fonction vasculaire
La carte de la fonction des tissus vasculaires cutanées acquises par imagerie thermographique dynamique et la carte de l'oxygénation des tissus cutanés acquises par imagerie multispectrale ont été co-enregistré par un algorithme d'imagerie de pointe. Quatre marqueurs fiduciaires, avec traduction simultanée contrastes thermiques et optiques, ont été placés sur le tissu biologique pour faciliter l'image de co-inscription. Actuellement, le protocole de co-enregistrement de l'image optique (et la carte d'oxygénation) avec l'image thermique (et la carte de la fonction vasculaire) comprend les étapes clés suivantes: 1) transformer toutes les images à niveaux de gris et de normaliser les valeurs d'intensité des pixels entre 0 et 1, 2) pour la photo d'optique, d'identifier au premier plan (la peau) région qui a des valeurs élevées de l'intensité des pixels que le seuil global une empiriques (0,8 fois la valeur moyenne d'intensité de l'image entière); les petits trous dans la région ont été au premier plan remplie en utilisant l'opération morphologique proche; 3) identifier les régions de marqueur fiduciaire en tant que régions plus sombres au premier plan dont l'intensité des valeurs sont inférieures à la fois le g lobal seuil et le seuil adaptatif locales définies par les valeurs de pixel moyenne dans les 20 par 20 pixels de voisinage. Le seuil adaptatif locale nous a permis d'accueillir la variation d'illumination; 4) d'affiner les régions marqueurs fiduciaires en utilisant des opérations morphologiques pour supprimer le bruit et les pointes; les centroïdes des quatre régions ont été choisies comme points de contrôle dans la photo d'optique; 5) Répétez les étapes semblable à identifier les régions de marqueur dans l'image thermique; 6) correspondent à deux ensembles de points de contrôle basés sur la proximité (étant donné que les deux caméras étaient étroitement positionné); 7) calculer une transformation affine entre les deux images avec l'image thermique comme la référence et transformer la photo optique et la carte d'oxygène (ce qui est obtenu à partir de la même caméra que la photo optique) en conséquence; 8), enfin de générer des images superposées pour la visualisation.
4. Les résultats représentatifs:
Les résultats représentatifs pour le protocole d'oxygénation (ie, # 1) sont des cartes oxygénation des tissus cutanés reconstituées à partir des deuxième lacune spectroscopie gamme dérivée. La méthode de spectroscopie deuxième lacune gamme dérivée effectivement réduit les artefacts de mesure causées par l'absorption de fond de tissu afin que la mesure d'oxygénation cutanée a été moins touchée par les changements simulés couleur de la peau. Nous avons aussi démontré un protocole Porh où la carte d'oxygénation des tissus cutanés, l'oxygénation des tissus profonds, et la tension des tissus cutanés d'oxygène ont été enregistrées simultanément.
Les résultats représentatifs pour le protocole de la fonction vasculaire (ie, # 2) comprennent les distributions température des tissus cutanés, les changements cutanés température des tissus en réponse à une stimulation thermique par l'extérieur, et les cartes cutanée des tissus vasculaires dérivées de l'indice d'imagerie thermographique dynamique. Des corrélations ont été observées entre l'imagerie thermographique de l'indice de tissus vasculaires cutanées et de la mesure laser Doppler de la perfusion des tissus cutanés.
Les résultats représentatifs pour le protocole de co-enregistrement (par exemple, # 3) comprennent la carte d'oxygénation tissulaire, la carte-index vasculaire, et la fusion d'images parmi les photographies, l'oxygénation, et images d'index vasculaires co-enregistrées par le multi-marqueurs fiduciaires de contraste.
Figure 1. CAC configuration du système bi-mode pour les non-contact d'imagerie de l'oxygénation tissulaire et de la fonction vasculaire. Le système a été installé sur un chariot mobile. Il se composait d'une caméra thermique infrarouge, une caméra CCD, un filtre à cristaux liquides accordable, et une source de lumière à haut débit. Un ordinateur a été utilisé pour synchroniser les tâches de collecte de données, d'analyse et d'affichage.
Figure 2. L'interface du logiciel pour le système de CAC. L'interface du logiciel a été programmé dans l'environnement LabVIEW. En haut à gauche de l'interface est le panneau de commande pour la configuration matérielle et l'étalonnage du système. Sur la droite de l'interface est l'affichage en temps réel de la carte de température des tissus acquise par la caméra infrarouge. Sur le bas de l'interface sont au laser mesures Doppler de la perfusion des tissus cutanés.
Figure 3. L'interface du logiciel pour le système CAC (suite). C'est une fenêtre pop-up pour montrer les paramètres d'oxygénation tissulaire. Sur la gauche est la carte oxygénation des tissus reconstruits à partir des images multispectrales. Le côté droit de l'interface affiche les paramètres suivants oxygénation des tissus à partir de haut en bas: (1) l'oxygénation des tissus cutanés en moyenne d'une région sélectionnée d'intérêt (ROI) dans la carte de l'oxygénation des tissus, (2) l'oxygénation des tissus profonds suivis par un oxymètre tissulaire OxplexTS ; (3) la tension en oxygène des tissus cutanés surveillé par un moniteur TCM transcutanée en oxygène.
Figure 4. Cutanée imagerie oxygénation des tissus par un système d'imagerie OxyVu. La figure de gauche est une image monochrome du tissu cutané. Une couche d'encre a été peint sur la peau pour simuler la couleur de la peau. La carte de l'oxygénation des tissus cutanés acquise par le système OxyVu est montré sur la droite. Deux carrés en forme de régions d'intérêt (ROI) ont été sélectionnés au sein et en dehors de la zone d'encre peints respectivement. Pour le retour sur investissement dans la zone d'encre-peint, l'oxygénation cutanée moyenne était de 62,8 ± tissus de 11,0%. Pour le retour sur investissement en dehors de la zone d'encre-peint, l'oxygénation cutanée moyenne tissu était 44,0 ± 11,0%. Une différence de 18,8% a été observée pour les mesures d'oxygénation tissulaire cutanée à l'intérieur et l'extérieur de la surface de la peau d'encre-peint.
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Figure 5. Cutanée imagerie oxygénation des tissus par le système CAC. Les images multispectrales ont été capturés par le système de CAC à l'endroit même peau sur le même sujet que celui de la figure 4. La figure de gauche est l'image seule longueur d'onde de la peau et des tissus de la figure de droite est la carte cutanés reconstruits tissus oxygénation. Une couche d'encre a été peint sur la peau avec la concentration d'encre la même que celle de la figure 4. . Deux carrés en forme de régions d'intérêt (ROI) ont été sélectionnés au sein et en dehors de la zone d'encre peints respectivement. Pour le retour sur investissement dans la zone d'encre-peint, l'oxygénation des tissus cutanés en moyenne a été de 60,9 ± 6,9%. Pour le retour sur investissement en dehors de la zone d'encre-peint, l'oxygénation des tissus cutanés moyenne était de 65,8 ± 5,5%. Une différence de 4,9% a été observée pour les mesures d'oxygénation tissulaire cutanée à l'intérieur et l'extérieur de la surface de la peau d'encre-peint.
Figure 6. L'effet de simuler des changements de couleur de peau sur la fiabilité des mesures oxygénation des tissus cutanés. Analyse statistique a été effectuée pour déterminer l'importance des changements simulés couleur de peau pour les mesures d'oxygénation pour les deux OxyVu et les systèmes d'imagerie CAC. Pour chaque système d'imagerie, le tissu cutané oxygénations moyenne ont été calculées à l'intérieur et l'extérieur des zones de peau d'encre peinte en sélectionnant au hasard 10 régions d'intérêt (ROI) dans chaque domaine. Notre hypothèse nulle est que le changement de couleur de peau ne sera pas affecter la mesure d'oxygénation des tissus cutanés. Cette hypothèse nulle a été testée en utilisant des cartes d'oxygénation dans la figure 4 (c'est à dire, les mesures OxyVu) et la figure 5 (à savoir, les mesures CAC), respectivement. T de Student tests montrent que la valeur de p pour les mesures OxyVu est beaucoup plus petit que 0,001, ce qui implique que l'hypothèse nulle est rejetée. Par conséquent, le changement de couleur de peau ne affecter les mesures oxygénation des tissus cutanés dans un système d'imagerie OxyVu. En revanche, la valeur de p pour les mesures CWC est 0,728, ce qui implique la probabilité que le changement de couleur de peau n'a pas d'incidence les mesures oxygénation des tissus cutanés dans un système d'imagerie CAC.
Figure 7. Cutanée images oxygénation des tissus obtenus à partir du système CAC pendant la post-occlusif hyperémie réactive (Porh). Le test Porh a été réalisée sur l'avant-bras d'un sujet sain après # 1. (A). Simple d'image en niveaux de gris longueur d'onde du bras avec quatre marqueurs fiduciaires placés pour l'image de la co-registration. (B) La base oxygénation des tissus cutanés carte acquis avant l'occlusion vasculaire. (C) La carte d'oxygénation des tissus cutanés, après occlusion vasculaire (pression systolique + 50mmHg) pendant 2 minutes. (D) La carte d'oxygénation tissulaire cutanée, après une hyperémie réactive. Des changements importants dans l'oxygénation des tissus cutanés ont été observés avant, pendant et après l'occlusion vasculaire.
Figure 8. Paramètres oxygène tissulaire surveillée en permanence pendant un test de Porh. Le protocole de test (a) montre une période de référence avant l'occlusion, suivie par une période d'occlusion suprasystolic, et se terminent par une période réactive hyperémie. L'histoire de la durée de l'oxygénation des tissus cutanés de la procédure Porh est tracée dans (b). Il a été obtenu en faisant la moyenne d'une région sélectionnée d'intérêt (ROI) dans la carte de l'oxygénation cutanée CAC. Nous avons également surveillé l'oxygénation des tissus profonds par un oxymètre tissulaire OxiplexTS, comme tracées dans (c). La tension des tissus en oxygène transcutanée est également surveillé par un dispositif de TCM et tracées dans (d). Les mesures de l'oxygénation tissulaire CAC cutanées coïncident bien avec les autres paramètres oxygène lors de la procédure Porh.
Figure 9. Réponses tissu cutané à différentes pressions d'occlusion vasculaire. Images thermographiques ont été acquis immédiatement après la stimulation thermique (c'est à dire, un sac d'eau à température ambiante 25 ° C) a été retiré de la main gauche du sujet. L'axe horizontal correspond à des taches de temps différents après la stimulation thermique a été supprimé. L'axe vertical correspond aux 4 niveaux de pressions d'occlusion vasculaire: 0 (Pas d'occlusion), 0.5DBP, 0,5 (DBP + SBP), 1.5SBP, où le DBP est la pression artérielle diastolique et la SBP est la pression artérielle systolique. Pour ce sujet précis, le DBP est 69mmHg et la SBP est 123mmHg. Les résultats des tests indiquent que la réponse de la température des tissus à la stimulation thermique externe est corrélée avec le niveau d'occlusion vasculaire. L'augmentation de la pression d'occlusion réduit le taux de réponse thermique.
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Figure 10. Reconstruits cartes index vasculaire à différentes pressions d'occlusion vasculaire. Indice de la fonction vasculaire (v) à chaque pixel de l'image thermographique a été obtenu en régressant le changement de température des tissus cutanés (Δ T) contre la racine carrée du temps après la stimulation thermique (√ t ): Δ √ t + K + ε, où ε est l'erreur aléatoire et K est une constante. Vasculaire cartes-index de fonction de gauche à droite correspondent aux conditions de l'occlusion qui suit: (a) pas d'occlusion, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (DBP + SBP), (d) 1.5SBP. Pour ce sujet précis, la pression artérielle diastolique (PAD) est 69mmHg, et la pression artérielle systolique (PAS) est 123mmHg.
Figure 11. Corrélation entre l'indice de la fonction vasculaire et la perfusion des tissus cutanés. Le doigt fonction d'index vasculaires à chaque pression d'occlusion dans # 2 a été calculée en moyenne cinq régions d'intérêt (ROI) dans la carte-index des tissus vasculaires. La perfusion tissulaire cutanée a été mesurée par un dispositif laser à effet Doppler à l'un des bout des doigts. L'indice du bout des doigts vasculaires corrélée avec la mesure laser Doppler, indiquant le potentiel d'utilisation de la méthode dynamique thermographique pour l'évaluation quantitative de la fonction des tissus vasculaires.
Figure 12. . L'image de co-enregistrement Dans la première rangée, nous montrons: (a) la photo normalisée, (b) de la région au premier plan segmenté, et (c) les marqueurs dans l'image segmentée photo. Dans la deuxième rangée, nous montrons: (d) la carte de perfusion normalisé (e) de la région au premier plan segmenté, et (f) les marqueurs segmentées dans la carte de la perfusion. La transformation affine entre les deux ensembles de positions de marqueurs a été calculé. Les images co-enregistrées (G et H) ont été obtenues par transformation de l'image photo et la carte d'oxygène en utilisant cette transformation affine récupéré.
Figure 13. Les résultats de co-inscription. La photo et la carte transformé en oxygène, avec la carte de perfusion ont été co-enregistré et affiché dans une carte de chaleur. La carte de chaleur en (a) a été présenté avec 100% de l'image photo transformée dans le canal rouge, 100% de l'image d'oxygène transformé dans le canal vert et 50% de la carte de perfusion dans le canal bleu. Afin de mieux visualiser les vaisseaux, nous présentons une autre version de la suite de co-enregistrement comme en (b). La carte de chaleur était composé de 100% de l'image photo transformée dans le canal rouge, 50% de l'image d'oxygène transformé en canal vert, et 50% de la carte de la perfusion changé dans le canal bleu, où la carte-index vasculaire a été inversé et que les informations dans la région au premier plan a été maintenu.
Discussion
L'oxygène existe dans les tissus biologiques dans des formes multiples, telles que l'hémoglobine en oxygène ou de myoglobine liés, l'oxygène dissous, et les espèces réactives de l'oxygène. Transport de l'oxygène joue un rôle crucial dans le maintien de la viabilité des tissus et des processus métaboliques normaux 3. Bénigne aiguë à l'hypoxie modérée lancera adaptation métabolique, la régulation vasculaire, et les réponses angiogéniques 4. Hypoxie et l'anoxie extrême mènera à l'angiogenèse insuffisante et la mort cellulaire. Le déséquilibre entre l'apport en oxygène limitée et la demande accrue d'oxygène est un des principaux facteurs à l'origine pour de nombreux troubles tels que les plaies chroniques 5. Dans le cas de plaies ischémiques, l'approvisionnement en oxygène est limitée par le manque de perfusion et ne peuvent satisfaire les besoins métaboliques du processus de guérison et de compromettre la fonction explosion respiratoire visant à combattre l'infection. L'évaluation simultanée de l'oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire a une importance clinique dans le traitement des plaies chroniques.
La technique d'imagerie hyperspectrale estimations oxygénation des tissus cutanés par le tissu éclairant et de détecter la réflectance des tissus à différentes longueurs d'onde 6. Un avantage majeur de l'imagerie hyperspectrale est non invasive et sans contact de détection de propriétés des tissus fonctionnels. Cependant, la fiabilité de la mesure d'oxygène pour de nombreux systèmes d'imagerie hyperspectrale est affectée par la couleur de peau et d'autres variations d'absorption de fond. Large spectroscopie dérivée seconde lacune a été développé précédemment pour la mesure de l'oxygénation tissulaire avec un effet minimal de diffusion et une pigmentation de la peau. Nous avons appliqué le principe de la spectroscopie dérivée seconde à l'imagerie multispectrale et a démontré la mesure cohérente de l'oxygénation des tissus cutanés indépendants avec les changements simulés couleur de la peau.
Perfusion tissulaire a été préalablement étudiée en mesurant 7 diffusivité thermique des tissus. Une méthode simple capot a été développé pour introduire une stimulation thermique et les réponses des tissus image dynamique en vue d'estimer le tissu cutané inertie thermique de distribution 8. Expériences sur la peau avant-bras humain soumis à une occlusion artérielle coiffe démontré de relation linéaire entre l'inertie thermique et de la perfusion artérielle mesurée par un imageur laser à effet Doppler avant et pendant l'occlusion du flux sanguin 8. Un modèle biochaleur regroupées a également été utilisé pour estimer la réactivité du bout des doigts vasculaires pendant l'occlusion veineuse pléthysmographie 9. Malgré les efforts ci-dessus, la quantification de la perfusion sanguine cutanée à partir de mesures de température cutanée est difficile en raison du manque de sensibilité, de la dépendance des sous-cutanée épaisseur du gras, et d'autres facteurs tels que la vasoconstriction, vasodilatation, et 10 artefacts de mouvement. Dans ce protocole, nous avons utilisé une caméra infrarouge pour capter la dynamique température des tissus en réponse à une stimulation thermique à température ambiante. La stimulation thermique a été choisi afin que l'effet de vasoconstriction et la vasodilatation a été minimisé. La modélisation et des efforts de mesure sont nécessaires afin de délimiter une corrélation quantitative fiable entre l'indice de la fonction vasculaire et la perfusion des tissus cutanés.
En n ° 3, nous avons utilisé la transformation affine pour les tâches de co-inscription. Toutefois, étant donné que les deux caméras sont positionnées avec des angles différents dans l'espace 3D, il est potentiellement plus précis pour appliquer une transformation liée à la transformation 3D entre les deux caméras. Actuellement, nous étudions dans cette direction qui impliquent l'étalonnage extrinsèques des caméras dans l'espace 3D en utilisant la géométrie épipolaire.
Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Soutenu par le NIH RO1 prix HL073087, GM 077185, 069589 et GM à CKS. Le travail est également soutenue par une subvention du Programme de médecine régénératrice de l'DHLRI. Les auteurs sont reconnaissants à l'appui technique et les intrants cliniques du personnel suivant à l'Université Ohio State: Dr Sabyasachi.Biswas (Centre plaies complète), le Dr Allison Spiwak (Division de la technologie de circulation), Joseph Agoston (Division de circulation), Thoma Shives (Division du prêt), Joseph Ewing (génie mécanique), Scott Killinger (génie mécanique), et Xiaoyin Ge (génie électrique).
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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