Summary
Двухрежимный изображения была разработана система для бесконтактной оценки кожного оксигенации тканей и сосудистой функции.
Abstract
Точная оценка кожной оксигенации тканей и сосудов функция имеет важное значение для надлежащего выявления, промежуточного хранения и лечения многих расстройств, таких как хронические раны. Мы сообщаем о развитии двухрежимный визуализации системы для неинвазивной и бесконтактные изображений кожного оксигенации тканей и сосудистой функции. Визуализации системы интегрированной инфракрасной камеры, ПЗС-камеры, жидкий кристалл перестраиваемых фильтров и высокой интенсивности волокна источника света. Интерфейс Labview был запрограммирован для аппаратуры управления, синхронизации, получения изображений, обработки и визуализации. Мультиспектральных изображений, полученных с помощью камеры CCD были использованы для восстановления карте оксигенации тканей. Динамический термографических снимках, сделанных инфракрасной камерой были использованы для восстановления сосудистой карту функции. Кожные оксигенации тканей и сосудов изображения функции были совместно зарегистрированы через доверительного маркеров. Тактико-технические характеристики двухрежимный образ системы были протестированы на людях.
Protocol
1. Карты оксигенации тканей путем мультиспектральных изображений
Всеобъемлющее центр ран (КХО) двухрежимный изображений системы, далее именуемый КЗХО системы, была разработана в Государственном университете Огайо для мультиспектральных изображений кожного оксигенации тканей и термографической визуализации сосудистой функции. Большой разрыв второй производной спектроскопических метод был использован для восстановления тканей кислородом карт на основе мультиспектральных изображений 1. В этом исследовании, здорового человека сидел с левого предплечья опирается на столешницу. Часть предплечья в поле зрения КЗХО системы была написана с тушью (1% в этаноле), чтобы имитировать различные цвета кожи. Мультиспектральных изображений были приобретены и оксигенации карте был реконструирован на основе широкого спектра разрыв второй производной. Реконструирована карта оксигенации сравнению с приобретено коммерческой Hypermed OxyVu гиперспектральных системы измерения оксигенации тканей.
Тканей кислородом ответы на сосудистые окклюзии изучались на ту же тему в соответствии с протоколом пост-окклюзионной реактивной гиперемией (PORH) 2. Перед испытанием PORH, систолическое субъекта и диастолического артериального давления были записаны давление в манжете Расположенные слева плеча. PORH протокол состоял из предварительно окклюзионной базового периода по две минуты, suprasystolic окклюзии (систолическое + 50 мм рт.ст.) в течение двух минут, и реактивная гиперемия течение двух минут. Мультиспектральных изображений были приобретены на четырех длинах волн (то есть, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm и) в течение PORH тест при частоте дискретизации в 0,75 секунды на длину волны. Глубокое насыщение кислородом тканей и кожных напряжение кислорода ткани на той же руке были одновременно зарегистрированы спектрофотометр OxiplexTS ткани (МКС Inc, Урбана Шампейн, штат Иллинойс) и TCM чрескожная монитор кислорода (радиометр, Дания) соответственно.
2. Карты сосудистую функцию динамического термографического изображения
Динамические изображения термографической была продемонстрирована на здорового человека, используя тот же КЗХО системы. Тема удобно лежал на столе в положении лежа, с левой рукой опираясь на столешницу и спинки левую руку вверх в сторону инфракрасного блок камеры КЗХО системы. Лазерного доплеровского зонда был сделан на кончике пальца той же руки для непрерывного контроля пальцем перфузии кожи. Давление в манжете был сделан на левом плече для производства различных уровней окклюзии. Перед проведением эксперимента, предметом попросили, чтобы отдохнуть в течение по крайней мере, 10 минут, систолическое и диастолическое давление записаны давление в манжете. Динамический термографические изображения были взяты в плен на следующих уровнях давления манжеты: нет окклюзии, 0,5 х диастолического артериального давления, 0,5 х (диастолическое артериальное давление + систолическое артериальное давление) и 1,5 х систолическое артериальное давление. На каждом уровне давление в манжете, тепловой стимуляции был введен путем размещения мешка с водой комнатной температуры (25 ° С) на левой руке в течение 30 секунд. Сразу же после снятия тепловой стимуляции, левая рука термографические изображения были получены в размере 2 кадр / сек и пальцем перфузии кожи был записан лазерного доплеровского датчика при частоте дискретизации 10 Гц. Временной интервал между испытаниями составлял 10 мин. Положение левой руки был отмечен заранее, чтобы последующие измерения в том же положении. Ткань сосудистой функции на разных уровнях окклюзии были оценены путем расчета как ответ температура и индекс сосудистой функции. Сосудистого индекса функция была определена как отношение квадратного корня из времени после термической стимуляции и соответствующее изменение температуры.
3. Сотрудничество между регистрацией оксигенации тканей и сосудов функция отображает
Карта кожных функции сосудистой ткани, приобретенных динамического термографического изображения и карты кожных оксигенации тканей, приобретенных мультиспектральных изображений были совместно зарегистрированы усовершенствованный алгоритм обработки изображений. Четыре фидуциарных маркеры, с одновременной тепловой и оптического контраста, были размещены на биологические ткани для облегчения изображения со-регистрации. В настоящее время протокол для совместного регистрации оптического изображения (и оксигенации карту) с ИК-изображения (и сосудистой карте функция) включает в себя следующие основные этапы: 1) преобразовать все изображения в серое и нормализовать значения пикселей интенсивности в диапазоне от 0 и 1, 2) для оптических фото, определить план (схему) регион, который имеет высокие значения интенсивности пикселей, чем эмпирические глобальный порог (0,8 раза средним значением интенсивности все изображение); маленькие отверстия в переднем плане региона заполнена с использованием морфологических операцию закрытия, 3) определить фидуциарных регионах маркер как темные области на переднем плане, интенсивность которых ниже значения как г ЛОБАЛЬНЫЕ порог и адаптивной локальный порог определяется среднее значение пикселя в 20-к-20 пикселя окрестности. Адаптивной локальный порог позволило нам разместить освещение вариации; 4) уточнить фидуциарных регионах маркера с использованием морфологических операций по удалению шумов и шипов; центроиды четырех регионов были выбраны в качестве контрольных точек в оптической фотографией; 5) повторите аналогичные действия для выявления маркера регионов теплового изображения, 6) соответствуют два набора контрольных точек на основе близости (учитывая, что две камеры были близко расположенными); 7) вычислить аффинное преобразование между двумя изображениями с тепловое изображение как ссылку и трансформировать оптических фото-и кислорода карту (которая получается из той же камеры, как оптические фото) соответственно; 8), наконец, генерировать накладными изображениями для визуализации.
4. Представитель Результаты:
Репрезентативные результаты для оксигенации протоколу (то есть, # 1), кожных тканей кислородом карты реконструкция по большой разрыв второй производной спектроскопии. Метод большой разрыв второй производной спектроскопии эффективно уменьшить измерения артефактов, вызванных поглощением ткани фоновом режиме, что кожные измерения оксигенации меньшей степени зависит от моделируемых изменения цвета кожи. Мы также продемонстрировали, PORH протокол, в котором кожные карте оксигенации тканей, глубокие оксигенации тканей и кожных напряжения кислорода тканей одновременно были записаны.
Представитель результаты сосудистой протокол функции (например, # 2) включают кожные ткани распределения температуры, кожные ткани изменений температуры в ответ на внешнее тепловое раздражение, и кожные ткани сосудистых карты индекс основе динамического термографического изображения. Корреляции наблюдались между термографических изображений кожного индекса сосудистой ткани и измерения лазерного доплеровского кожи тканевой перфузии.
Репрезентативные результаты для ко-регистрация протокола (например, # 3) включать карту оксигенации тканей, сосудистой карте индекса, и слияние изображений среди фотографических, оксигенации, и сосудистые изображений индекс совместно зарегистрировано несколько отличие доверительного маркеров.
Рисунок 1. КЗХО двухрежимный настройки системы для бесконтактного изображений оксигенации тканей и сосудистой функции. Система была установлена на мобильной тележке. Она состояла из инфракрасных тепловых камер, ПЗС-камеры, жидкий кристалл перестраиваемый фильтр, и широкополосный источник света. Компьютер был использован для синхронизации задач сбора данных, анализа и отображения.
Рисунок 2. Программный интерфейс для CWC системы. Программный интерфейс был запрограммирован в среде LabVIEW. В левом верхнем углу интерфейса панели управления для конфигурации оборудования и калибровки системы. Справа от интерфейса в реальном времени отображение карты температуры тканей, приобретенных инфракрасной камеры. В нижней части интерфейса лазерного доплеровского измерения кожи тканевой перфузии.
Рисунок 3. Программный интерфейс для системы КХО (Продолжение). Это всплывающее окно, чтобы показать параметры оксигенации тканей. Слева находится карта оксигенации тканей восстанавливается мультиспектральных изображений. В правой части интерфейса отображаются следующие параметры оксигенации тканей сверху вниз: (1) кожный оксигенации тканей в среднем от выбранной области интереса (ROI) в карте оксигенации тканей, (2) глубокое оксигенации тканей контролируется оксиметр ткани OxplexTS , (3) кожный напряжения кислорода тканей контролируется TCM чрескожная монитор кислорода.
Рисунок 4. Кожные изображений оксигенации тканей с помощью системы OxyVu изображений. Левая цифра черно-белое изображение из кожной ткани. Слоем краски был написан на коже, чтобы имитировать цвет кожи. Карта кожных оксигенации тканей приобретена система OxyVu показано справа. Две квадратные регионах, представляющих интерес (трансформирования), были отобраны и за ее пределами чернил окрашенные области соответственно. Для возврата инвестиций в течение чернил окрашенные области, усредненные оксигенации тканей кожного был 62,8 ± 11,0%. Для возврата инвестиций за пределами чернил окрашенные области, усредненные оксигенации тканей кожного был 44,0 ± 11,0%. Разница в 18,8% наблюдался на кожных тканей кислородом измерений внутри и за пределами чернил окрашенный участок кожи.
рисунке 5 "/>
Рисунок 5. Кожные изображений оксигенации ткани КЗХО системы. Мультиспектральных изображений были захвачены КЗХО системы в том же месте кожи на ту же тему, что и на рисунке 4. Левая цифра одно изображение волны кожной ткани, а также право цифра реконструированы кожных тканей кислородом карте. Слоем краски был написан на коже с чернилами концентрации же, что и на рисунке 4. . Две квадратные регионах, представляющих интерес (трансформирования), были отобраны и за ее пределами чернил окрашенные области соответственно. Для возврата инвестиций в течение чернил окрашенные области, усредненные оксигенации тканей кожного был 60,9 ± 6,9%. Для возврата инвестиций за пределами чернил окрашенные области, усредненные оксигенации тканей кожного был 65,8 ± 5,5%. Разница в 4,9% наблюдался на кожных тканей кислородом измерений внутри и за пределами чернил окрашенный участок кожи.
Рисунок 6. Влияние моделируемой меняет цвет кожи на надежность кожных измерения оксигенации тканей. Статистический анализ был проведен для определения значения моделируемого цветом кожи изменений оксигенации измерений для обеих OxyVu и КХО систем визуализации. Для каждой системы обработки изображений, усредненные кожных oxygenations ткани были рассчитаны и за ее пределами чернил окрашенные участки кожи путем случайного выбора 10 регионах интерес (трансформирования) в каждой области. Наши нулевой гипотезы в том, что изменение цвета кожи не повлияет кожных измерения оксигенации тканей. Это нулевая гипотеза была проверена с помощью оксигенации карты на рисунке 4 (т.е. OxyVu измерений) и на рисунке 5 (т.е., КХО измерений) соответственно. Стьюдента тесты показывают, что значение р для измерения OxyVu гораздо меньше, чем 0,001, что означает, что нулевая гипотеза отвергается. Таким образом, изменение цвета кожи влияет на кожные ткани кислородом измерений в системе OxyVu изображений. С другой стороны, значения р для CWC измерений 0,728, что означает вероятность того, что изменение цвета кожи не влияет на кожные ткани кислородом измерений в системе формирования изображения запрещении химического оружия.
Рисунок 7. Кожные оксигенации тканей изображений, полученных с КЗХО системы во время пост-окклюзионной реактивной гиперемией (PORH). PORH тест проводился на предплечье здорового следующей темой № 1. (А). Одной длины волны серое изображение масштабе руку с четырьмя фидуциарных маркеры помещаются на изображении со-регистрации. (Б) тканей кислородом кожное базовой карты, приобретенные до окклюзии сосуда. (В) кожные карте оксигенации тканей после окклюзии сосуда (систолическое давление + 50mmHg) в течение 2 минут. (Г) кожные карте оксигенации тканей после реактивной гиперемией. Значительные изменения в кожном оксигенации тканей не наблюдалось до, во время и после окклюзии сосуда.
Рисунок 8. Параметры тканей кислородом под постоянным контролем во время PORH тест. Протокол испытаний в () показывает, период предвыборной окклюзии базового уровня, за которым последовал период окклюзии suprasystolic, а в конце реактивной гиперемией период. История кожных продолжительность оксигенации тканей процедуры PORH приведена на (б). Он был получен путем усреднения выбранной области интереса (ROI) в КХО карте оксигенации кожного. Мы также следили за глубокого оксигенации тканей, оксиметр ткани OxiplexTS, как изображены на (с). Чрескожного напряжения кислорода тканей также контролируется устройством ТКМ и построенные в (г). КЗХО измерения кожных оксигенации тканей хорошо совпадают с другими параметрами кислорода во время PORH процедуры.
Рисунок 9. Кожные ответы ткани на различных сосудистых давления окклюзии. Термографическая изображения были приобретены сразу после тепловой стимуляции (например, мешка с водой при комнатной температуре 25 ° С) был удален из левой руки испытуемого. Горизонтальная ось соответствует разных местах время после тепловой стимуляции был удален. Вертикальная ось соответствует следующим 4 уровня сосудистого давления окклюзии: 0 (нет окклюзия), 0.5DBP, 0,5 (ДАД + САД), 1.5SBP, где ДАД является диастолического артериального давления и СБП является систолическое артериальное давление. Для этой конкретной теме, ДАД является 69mmHg и СБП является 123mmHg. Результаты испытаний показывают, что реакция ткани температуру внешней тепловой стимуляции коррелирует с уровнем окклюзии сосуда. Увеличение давления окклюзии уменьшает тепловую скорость реакции.
fig10.jpg "ALT =" Рисунок 10 "/>
Рисунок 10. Реконструкция сосудистой карты индекса в различные сосудистые давления окклюзии. Сосудистый индекс функции (у) на каждый пиксель изображения термографической была получена регресс кожных изменений температуры тканей (Δ Т) против квадратному корню из времени после тепловой стимуляции (√ т ): Δ √ т + K + ε, где ε является случайной ошибкой и К постоянным. Сосудистые функции индексных карт слева направо соответствуют следующим условиям окклюзии: (а) не окклюзии, (б) 0.5DBP, (с) 0,5 (ДАД + САД), (г) 1.5SBP. Для этой конкретной теме, диастолическое АД (ДАД) является 69mmHg и систолическое артериальное давление (САД) является 123mmHg.
Рисунок 11. Корреляция между индексом сосудистой функции и перфузии тканей кожи. Палец сосудистой индекс функции в каждой окклюзии давление в № 2 была рассчитана путем усреднения пяти регионах интерес (трансформирования) в индексе карте сосудистой ткани. Перфузии ткани кожи измерялся устройство лазерного доплеровского на одном из пальцев кончика. Кончик пальца сосудистой индекс коррелирует с лазерного доплеровского измерения, с указанием возможности использования динамического термографического метод количественной оценки ткани сосудистой функции.
Рисунок 12. . Изображение совместного процесса регистрации в первом ряду, мы показываем: () нормированы фото, (б) сегментированной области переднем плане, и (с) сегментированных маркеров в фото изображения. Во втором ряду, мы показываем: (г) нормирована карту перфузии, (д) сегментированной области переднем плане, и (е) сегментированных маркеров в перфузии карте. Аффинное преобразование между двумя наборами маркер позиции была рассчитана. Совместно зарегистрированных изображений (г и ч), были получены путем преобразования изображения фото-и кислород с помощью этой карты восстановления аффинного преобразования.
Рисунок 13. Ко-регистрация результатов. Трансформируется фото и кислорода карту, вместе с перфузионной карты были совместно зарегистрированы и отображаются в качестве теплового карте. Тепловая карта в () был представлен на 100% преобразованных фото изображение в канале красного, 100% кислорода превращается изображения в зеленом канале и 50% перфузии карту в синий канал. Для того, чтобы визуализировать суда лучше, мы представляем еще один вариант совместного регистрации результата, как в (б). Тепловая карта была составлена из 100% преобразованных фото изображение в красный канал, 50% кислорода преобразуется в изображение зеленого канала, и 50% изменилась перфузии карту в синий канал, где сосудистой карте индекс был перевернут и только информация в плане регионе была сохранена.
Discussion
Кислород присутствует в биологических тканей в нескольких формах, таких как гемоглобин или миоглобин связанного кислорода, растворенного кислорода и активных форм кислорода. Кислород транспорт играет важнейшую роль в поддержании жизнеспособности тканей и нормальные обменные процессы 3. Острый легкой до умеренной гипоксии будет инициировать метаболические адаптации, регуляции сосудистого и ангиогенных ответы 4. Экстремальные гипоксии и аноксии приведет к недостаточной ангиогенеза и гибели клеток. Дисбаланс между ограниченным предложением кислорода и повышенной потребностью в кислороде является одним из основных причинных факторов для многих расстройств, таких как хронические раны 5. В случае ишемического раны, снабжение кислородом ограничено отсутствием перфузии и не может удовлетворить метаболические потребности процесса заживления и компрометирующие функции респираторный взрыв направленных на борьбу с инфекцией. Одновременная оценка кожной оксигенации тканей и сосудистой функции клинического значения в ведение хронических ран.
Гиперспектральных метод визуализации оценкам кожных оксигенации тканей путем освещения ткани и ткани обнаружить отражения на разных длинах волн 6. Одно из главных преимуществ гиперспектральных изображений является неинвазивным и бесконтактного обнаружения ткани функциональные свойства. Тем не менее, надежность измерения кислорода для многих гиперспектральных систем визуализации зависит от цвета кожи и другие варианты поглощения фона. Широкая щель второй спектроскопии производным был разработан ранее для измерения оксигенации тканей с минимальным влиянием рассеяния и пигментации кожи 1. Мы применили принцип второй производной спектроскопии для мультиспектральных изображений и продемонстрировал последовательное измерение кожной оксигенации тканей независимым моделирования изменения цвета кожи.
Тканевой перфузии ранее изучали, измеряя ткани тепловых 7 диффузии. Единственный метод капот был разработан с целью ввести тепловой стимуляции и изображения тканей динамических характеристик для оценки кожной ткани тепловое распределение инерции 8. Эксперименты на человеческую кожу предплечья подвергаются артериальной окклюзии манжеты показали линейную зависимость между тепловой инерции и кровотока измеряли лазерного доплеровского томографа до и во время окклюзии кровотока 8. Сосредоточенными bioheat модели также используются для оценки реактивности сосудистой пальцем кончика при венозной окклюзии плетизмографии 9. Несмотря на вышеупомянутые усилия, количественной оценки перфузии кожи кровью из измерений температуры кожи является сложной задачей из-за отсутствия чувствительности, зависимость от толщины подкожной жировой клетчатки, а также другие факторы, такие как сужение сосудов, расширение кровеносных сосудов, и артефактов движения 10. В этом протоколе, мы использовали инфракрасную камеру, чтобы захватить динамику температуры тканей в ответ на тепловой стимуляции при комнатной температуре. Тепловой стимуляции был выбран так, что эффект вазоконстрикции и вазодилатации было сведено к минимуму. Дальнейшее моделирование и измерение усилия необходимы для того, чтобы очертить надежные количественные корреляции между индексом сосудистой функции и перфузии тканей кожи.
В № 3 мы использовали аффинного преобразования для ко-регистрация задач. Однако, учитывая, что две камеры расположены под разными углами в 3D-пространстве, это потенциально более точных применять преобразования, связанные с 3D преобразование между двумя камерами. В настоящее время мы изучаем в этом направлении, которые включают внешнюю калибровку камеры в 3D пространстве с использованием эпиполярных геометрии.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Поддержка NIH награды RO1 HL073087, GM 077185, Г. М. 069589 на CKS. Работа также поддерживается за счет гранта программы регенеративной медицины DHLRI. Авторы выражают благодарность техническую поддержку и клинические материалы от следующих персонала Университета штата Огайо: д-р Sabyasachi.Biswas (Комплексный центр ран), доктор Элисон Spiwak (Отдел обращения Technology), Джозеф Agoston (Circulation отделение), Тома костры (Circulation отделение), Джозеф Юинга (машиностроение), Скотт Киллингер (машиностроение), а Xiaoyin Ge (электротехника).
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
- Myers, D. E., Anderson, L. D., Seifert, R. P., Ortner, J. P., Cooper, C. E., Beilman, G. J. Noninvasive method for measuring local hemoglobin oxygen saturation in tissue using wide gap second derivative near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 10 (3), 034017-034017 (2005).
- Jarm, T., Kragelj, R., Liebert, A., Lukasiewitz, P., Erjavec, T., Preseren-Strukelj, M. Postocclusive reactive hyperemia in healthy volunteers and patients with peripheral vascular disease measured by three noninvasive methods. Adv Exp Med Biol. 530, 661-669 (2003).
- Treacher, D. F., Leach, R. M.
- Leach, R. M., Treacher, D. F.
- Sen, C. K. Wound healing essentials: let there be oxygen. Wound Repair Regen. 17 (1), 1-18 (2009).
- RL, G. reenman, Panasyuk, S., Wang, X., TE, L. yons, Dinh, T., Longoria, L. Early changes in the skin microcirculation and muscle metabolism of the diabetic foot. Lancet. 366 (9498), 1711-1717 (2005).
- Valvano, J. W. The use of thermal diffusivity to quantify tissue perfusion [dissertation]. , Massachusetts Institute of Technology. (1981).
- Hassan, M., Togawa, T. Observation of skin thermal inertia distribution during reactive hyperaemia using a single-hood measurement system. Physiol Meas. 22 (1), 187-200 (2001).
- Ley, O., Deshpande, C., Prapamcham, B., Naghavi, M. Lumped parameter thermal model for the study of vascular reactivity in the fingertip. J Biomech Eng. 130 (3), 031012-031012 (2008).
- Wilson, S. B., Spence, V. A. Dynamic thermographic imaging method for quantifying dermal perfusion: potential and limitations. Med Biol Eng Comput. 27 (5), 496-501 (1989).
