Summary
Un sistema de modo dual de imágenes fue desarrollado para la evaluación sin contacto de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular.
Abstract
La evaluación precisa de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular es importante para la adecuada detección, clasificación y tratamiento de trastornos de salud varios, como las heridas crónicas. Se presenta el desarrollo de un sistema de imágenes de modo dual para imagen no invasiva y sin contacto de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular. El sistema de imagen integrado una cámara de infrarrojos, una cámara CCD, un filtro de cristal líquido ajustable y una fuente de luz de alta intensidad de fibra. Una interfaz de LabVIEW se programó para el control del equipo, la sincronización, la adquisición de imágenes, procesamiento y visualización. Imágenes multiespectrales captadas por la cámara CCD se utilizaron para reconstruir el mapa de la oxigenación tisular. Dinámicas imágenes termográficas capturada por la cámara infrarroja se utiliza para reconstruir el mapa de la función vascular. Oxigenación de los tejidos cutáneos y las imágenes de función vascular fueron co-registrados a través de marcadores fiduciarios. Las características de funcionamiento del sistema de imagen de modo dual se pusieron a prueba en seres humanos.
Protocol
1. Mapeo de oxigenación de los tejidos de imágenes multiespectrales
Un Centro Integral de la herida (CAQ) de doble modo de sistema de imágenes, en adelante, el sistema de la CAQ, se desarrolló en la Ohio State University para imágenes multiespectrales de la oxigenación de los tejidos cutáneos y imágenes termográficas de la función vascular. La gran diferencia de la segunda derivada técnica espectroscópica se utilizó para reconstruir mapas oxigenación a los tejidos a partir de imágenes multiespectrales 1. En este estudio, un sujeto sano, se sentó con el antebrazo izquierdo apoyado en un mostrador. Una parte del antebrazo en el campo de visión del sistema CAQ fue pintado con tinta china (1% en etanol) para imitar diferentes colores de piel. Imágenes multiespectrales fueron adquiridos y un mapa de oxigenación fue reconstruido sobre la base de todo el espectro derivado de segunda brecha de ancho. El mapa de oxigenación fue reconstruido en comparación con la adquirida por un sistema comercial Hypermed OxyVu hiperespectrales tejido medición oxigenación.
Respuestas de los tejidos de oxígeno a la oclusión vascular se estudió sobre el mismo tema después de un protocolo de post-oclusiva hiperemia reactiva (PORH) 2. Antes de la prueba PORH, sistólica del sujeto y diastólica fueron registradas por un manguito de presión colocado en la parte superior del brazo izquierdo. El protocolo PORH consistió en un período de referencia pre-oclusiva de dos minutos, una oclusión suprasistólica (sistólica + 50 mm Hg) durante dos minutos, y un período de hiperemia reactiva de dos minutos. Imágenes multiespectrales fueron adquiridas en cuatro longitudes de onda (es decir, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm y) durante la prueba PORH en la frecuencia de muestreo de 0.75 segundos por longitud de onda. Saturación de oxígeno en los tejidos profundos y la tensión de oxígeno en los tejidos cutáneos en el mismo brazo se registraron simultáneamente en un espectrofotómetro de tejido OxiplexTS (ISS Inc., Urbana Champaign, IL) y un monitor TCM oxígeno transcutáneo (Radiometer, Dinamarca), respectivamente.
2. Mapa vascular de la función dinámica de imágenes termográficas
Dinámicas imágenes termográficas se demostró en un sujeto sano con el sistema CAQ mismo. El tema cómodamente mentido sobre una mesa en posición supina, con el brazo izquierdo apoyado en un mostrador y el dorso de la mano izquierda hacia arriba hacia la unidad de la cámara infrarroja del sistema de la CAQ. Un láser Doppler de la sonda fue colocada en la punta de los dedos de la misma mano para el monitoreo continuo de la perfusión de la piel del dedo. Un manguito de presión fue colocado en la parte superior del brazo izquierdo para producir los diferentes niveles de la oclusión. Antes del experimento, el sujeto se le pidió a descansar por lo menos durante 10 minutos, con la presión sistólica y diastólica registradas por el medidor de presión. Dinámicas imágenes termográficas fueron capturados en los niveles de presión del manguito de los siguientes: sin oclusión, 0,5 x presión arterial diastólica de 0,5 x (presión arterial diastólica + presión arterial sistólica), y 1,5 x presión arterial sistólica. En cada nivel de presión del brazalete, una estimulación térmica se introdujo mediante la colocación de una bolsa de agua a temperatura ambiente (25 ° C) en la mano izquierda durante 30 segundos. Inmediatamente después de la eliminación de la estimulación térmica, las imágenes termográficas mano izquierda fueron adquiridas a una velocidad de 2 fotogramas / segundo y la perfusión de la piel dedo fue registrada por la sonda láser Doppler en la frecuencia de muestreo de 10 Hz. El intervalo de tiempo entre las pruebas fue de 10 minutos. La posición de la mano izquierda estaba marcada de antemano por lo que las mediciones posteriores estaban en la misma posición. Funciones de tejido vascular de los niveles de la oclusión se evaluaron diferentes, calculando tanto la respuesta de la temperatura y el índice de la función vascular. El índice de la función vascular se define como la relación entre la raíz cuadrada del tiempo después de la estimulación térmica y el cambio de temperatura correspondiente.
3. Co-registro entre la oxigenación tisular y la función vascular mapas
El mapa de la función del tejido vascular cutáneo adquirido por imágenes dinámicas termográficas y el mapa de la oxigenación del tejido cutáneo adquirido por imágenes multiespectrales fueron co-registradas por un algoritmo de imagen avanzada. Cuatro marcadores fiduciarios, con simultánea contrastes térmicos y ópticos, fueron colocados en los tejidos biológicos para facilitar la imagen del co-registro. En la actualidad el protocolo de co-registro de la óptica de la imagen (y el mapa de oxigenación), con la imagen térmica (y el mapa de la función vascular) incluye los siguientes pasos clave: 1) transformar todas las imágenes a escala de grises y normalizar los valores de intensidad de los píxeles entre 0 y 1, 2) para la foto óptica, identificar el primer plano (la piel) región que ha elevado los valores de intensidad de los píxeles que la de un umbral empírico global (0,8 veces el valor de la intensidad media de toda la imagen), los pequeños agujeros en la región fueron en primer plano llena con la operación de cierre morfológico, 3) identificar las regiones marcador fiduciario regiones más oscuras en el primer plano, cuya intensidad los valores están por debajo tanto de la g lobal umbral y el umbral de adaptación local definido por los valores de píxel media en los 20 por 20 píxeles de barrio. El umbral de locales de adaptación nos ha permitido adaptarse a las variaciones de iluminación, 4) perfeccionar las regiones marcador fiduciario mediante operaciones morfológicas para eliminar el ruido y los picos, los centroides de las cuatro regiones fueron seleccionadas como puntos de control en la foto-óptico, 5), repita los pasos similares a los identificar las regiones marcador en la imagen térmica, 6) coinciden con los dos conjuntos de puntos de control basado en la proximidad (ya que las dos cámaras se colocaron cerca), 7) calcular una transformación afín entre las dos imágenes con la imagen térmica como referencia y transformar la foto-óptico y el mapa de oxígeno (que se obtiene de la misma cámara como la foto-óptico) en consecuencia, 8) finalmente generar las imágenes superpuestas para la visualización.
4. Los resultados representativos:
Los resultados representativos para el protocolo de la oxigenación (por ejemplo, # 1) son los mapas de oxigenación de los tejidos cutáneos reconstruido sobre la base de amplia brecha segundo espectroscopia de derivados. El método de la amplia brecha segundo espectroscopia derivado reducido efectivamente los artefactos de medición causado por la absorción de tejido plano, por lo que la medición de la oxigenación cutánea se vio menos afectada por los cambios de color simulado piel. Se demostró además un protocolo PORH donde se registraron el mapa oxigenación a los tejidos cutáneos, la oxigenación de los tejidos profundos, y la tensión de oxígeno en los tejidos cutáneos de forma simultánea.
Los resultados representativos para el protocolo de la función vascular (por ejemplo, # 2) son las distribuciones de tejido cutáneo de temperatura, los cambios de temperatura en el tejido cutáneo respuesta a la estimulación térmica externa, y los mapas de tejido cutáneo vascular índice derivado de la dinámica de imágenes termográficas. Se observaron correlaciones entre las imágenes termográficas del índice de tejido vascular cutáneo y la medición por láser Doppler de la perfusión del tejido cutáneo.
Los resultados representativos para el protocolo de co-registro (es decir, # 3) incluir el mapa de oxigenación de los tejidos, el mapa de índice vascular, y la fusión de imágenes fotográficas entre la oxigenación, y las imágenes vasculares índice de co-registradas por los marcadores multi-contraste fiduciario.
Figura 1. CAQ doble modo de configuración del sistema para obtener imágenes sin contacto de la oxigenación tisular y la función vascular. El sistema fue instalado en un carro móvil. Consistía en una cámara térmica de infrarrojos, una cámara CCD, un filtro de cristal líquido ajustable, y una fuente de banda ancha de luz. Un equipo que se utiliza para sincronizar las tareas de recopilación de datos, análisis y visualización.
Figura 2. Interfaz de software para el sistema de la CAQ. La interfaz de software fue programado en el entorno de LabVIEW. En la parte superior izquierda de la interfaz es el panel de control para la configuración de hardware y calibración del sistema. A la derecha de la interfaz es la pantalla en tiempo real del mapa de la temperatura del tejido adquirida por la cámara infrarroja. En la parte inferior de la interfaz son las mediciones Doppler láser de la perfusión del tejido cutáneo.
Figura 3. Interfaz de software para el sistema de la CAQ (Cont.). Esta es una ventana pop-up para mostrar los parámetros de oxigenación a los tejidos. A la izquierda está el mapa de oxigenación de los tejidos reconstruido a partir de las imágenes multiespectrales. El lado derecho de la interfaz muestra los parámetros de oxigenación de tejidos después de arriba a abajo: (1) oxigenación de los tejidos cutáneos promedio de una región seleccionada de interés (ROI) en el mapa de oxigenación de los tejidos, (2) oxigenación de los tejidos profundos supervisado por un oxímetro tejido OxplexTS , (3) tensión cutánea de oxígeno tisular supervisado por un monitor de oxígeno transcutáneo TCM.
Figura 4. Imágenes de oxigenación de los tejidos cutáneos por un sistema de OxyVu imagen. La figura de la izquierda es una imagen en escala de los tejidos de la piel. Una capa de tinta fue pintado en la piel para simular el color de la piel. El mapa de la oxigenación de los tejidos cutáneos adquiridos por el sistema de OxyVu se muestra a la derecha. Dos de forma cuadrada regiones de interés (ROI) fueron seleccionados dentro y fuera de la zona de tinta pintado, respectivamente. Para el retorno de la inversión en el área de tinta pintado, la oxigenación de los tejidos cutáneos promedio fue de 62,8 ± 11,0%. Para el retorno de la inversión fuera de la zona de tinta pintado, la oxigenación de los tejidos cutáneos promedio fue 44,0 ± 11,0%. A diferencia del 18,8% se observó en las mediciones de oxigenación cutánea tejido dentro y fuera del área de la piel de tinta pintado.
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Figura 5. Imágenes de oxigenación de los tejidos cutáneos por el sistema de la CAQ. Las imágenes multiespectrales fueron capturados por el sistema de la CAQ en la misma zona de piel sobre el mismo tema, como la de la Figura 4. La figura de la izquierda es la imagen sola longitud de onda de los tejidos de la piel y la figura de la derecha es el tejido cutáneo reconstruido mapa oxigenación. Una capa de tinta fue pintado en la piel con la concentración de la tinta de la misma que en la Figura 4. . Dos de forma cuadrada regiones de interés (ROI) fueron seleccionados dentro y fuera de la zona de tinta pintado, respectivamente. Para el retorno de la inversión en el área de tinta pintado, la oxigenación de los tejidos cutáneos promedio fue de 60,9 ± 6,9%. Para el retorno de la inversión fuera de la zona de tinta pintado, la oxigenación de los tejidos cutáneos promedio fue de 65,8 ± 5,5%. Una diferencia de 4,9% se observó en las mediciones de oxigenación cutánea tejido dentro y fuera del área de la piel de tinta pintado.
Figura 6. El efecto de la simulación de cambios en la pigmentación de la fiabilidad de las mediciones de oxigenación a los tejidos cutáneos. El análisis estadístico se llevó a cabo para determinar la importancia de los cambios de color de piel simulada a las mediciones de oxigenación tanto para el OxyVu y los sistemas de imagen CAQ. Para cada sistema de imágenes, el tejido cutáneo oxigenaciones promedio fueron calculados dentro y fuera de las áreas de la piel pintada de tinta seleccionando al azar 10 regiones de interés (ROI) de cada área. Nuestra hipótesis nula es que el cambio de color de la piel no afecta a la medición de la oxigenación del tejido cutáneo. Esta hipótesis nula fue probada usando los mapas de la oxigenación en la Figura 4 (es decir, las mediciones OxyVu) y la Figura 5 (es decir, las mediciones de la CAQ), respectivamente. La t de Student pruebas muestran que el valor de p para las mediciones OxyVu es mucho menor que 0,001, lo que implica que la hipótesis nula es rechazada. Por lo tanto, el cambio de color de la piel afecta a las mediciones de tejido cutáneo en un sistema de oxigenación OxyVu imágenes. En contraste, el valor de p para las mediciones de la CAQ es 0.728, lo que implica la probabilidad de que el cambio de color de la piel no afecta a las mediciones de tejido cutáneo de oxigenación en un sistema de imagen CAQ.
Figura 7. Cutánea imágenes oxigenación de los tejidos obtenidos del sistema CAQ durante la post-oclusiva hiperemia reactiva (PORH). La prueba PORH se llevó a cabo en el antebrazo de un sujeto sano después de # 1. (A). Sola longitud de onda de la imagen en escala de grises del brazo con cuatro marcadores fiduciarios para colocar la imagen del co-registro. (B) La línea de base del tejido cutáneo mapa oxigenación adquiridos antes de la oclusión vascular. (C) El tejido cutáneo mapa oxigenación después de la oclusión vascular (presión sistólica de 50 mmHg +) durante 2 minutos. (D) El tejido cutáneo mapa oxigenación después de la hiperemia reactiva. Cambios significativos en la oxigenación de los tejidos cutáneos se observó antes, durante y después de la oclusión vascular.
Figura 8. Parámetros de oxígeno del tejido de un seguimiento continuo durante una prueba de PORH. El protocolo de pruebas en (a) muestra un período de referencia antes de la oclusión, seguido de un período de oclusión suprasistólica, y terminar con un período de hiperemia reactiva. La historia de la oxigenación de los tejidos cutáneos duración del procedimiento PORH se representa en (b). Se obtuvo un promedio de una región seleccionada de interés (ROI) en el mapa de la oxigenación cutánea CAQ. También supervisó la oxigenación de los tejidos profundos de un oxímetro de tejido OxiplexTS, ya que representan en (c). La tensión de los tejidos de oxígeno transcutáneo también fue supervisado por un dispositivo de la medicina tradicional china y se representa en (d). Las mediciones de la CAQ oxigenación de los tejidos cutáneos y coinciden con los parámetros de oxígeno durante el procedimiento de otros PORH.
Figura 9. Respuestas cutáneas de tejidos en diferentes presiones de oclusión vascular. Imágenes termográficas fueron adquiridos inmediatamente después de la estimulación térmica (es decir, una bolsa de agua a temperatura ambiente de 25 ° C) fue retirado de la mano izquierda del sujeto. El eje horizontal corresponde a los puntos de tiempo diferentes después de la estimulación térmica se ha eliminado. El eje vertical corresponde a los siguientes 4 niveles de presión de oclusión vascular: 0 (sin oclusión), 0.5DBP, 0,5 (PAD + PAS), 1.5SBP, donde la PAD es la presión arterial diastólica y la PAS es la presión arterial sistólica. Para este tema específico, el PAD es 69mmHg y el PAS es 123mmHg. Los resultados de las pruebas indican que la respuesta de la temperatura del tejido a la estimulación térmica externa se correlaciona con el grado de oclusión vascular. El aumento de la presión de oclusión reduce la tasa de respuesta térmica.
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Figura 10. Reconstruidos mapas índice vascular a diferentes presiones de oclusión vascular. Índice de la función vascular (v) en cada píxel de las imágenes termográficas se obtuvo mediante una regresión de los cambios en los tejidos cutáneos de temperatura (Δ T) en contra de la raíz cuadrada del tiempo después de la estimulación térmica (√ t ): Δ √ t + K + ε, donde ε es el error aleatorio y K es una constante. Mapas de índices de la función vascular de izquierda a derecha corresponden a las condiciones de oclusión siguientes: (a) sin oclusión, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (PAD + PAS), (d) 1.5SBP. Para este tema específico, la presión arterial diastólica (PAD) es 69mmHg y la presión arterial sistólica (PAS) es 123mmHg.
Figura 11. Correlación entre el índice de la función vascular y la perfusión del tejido cutáneo. La punta del dedo índice de la función vascular en cada presión de oclusión en el # 2 se calculó un promedio de cinco regiones de interés (ROI) en el mapa de índice de tejido vascular. La perfusión de tejido de la piel se midió mediante un dispositivo láser Doppler en una de las puntas de los dedos. El índice de la yema del dedo vascular relacionada con la medición por láser Doppler, lo que indica la posibilidad de utilizar el método de termografía dinámica para la evaluación cuantitativa de la función del tejido vascular.
Figura 12. . La imagen de proceso de co-registro en la primera fila, se muestra: (a) la foto normalizado, (b) de la región en primer plano segmentado, y (c) las marcas segmentadas en la imagen fotográfica. En la segunda fila, se muestra: (d) el mapa de perfusión normalizada, (e) de la región en primer plano segmentado, y (f) las marcas segmentadas en el mapa de la perfusión. La transformación afín entre los dos conjuntos de posiciones de marcador se calculó. Las imágenes co-registradas (G y H) se obtuvieron mediante la transformación de la imagen fotográfica y el mapa de oxígeno con esta transformación se recuperó afín.
Figura 13. Los resultados del co-registro. La foto transformada y el mapa de oxígeno, junto con el mapa de la perfusión fueron co-registro y se muestra en un mapa de calor. El mapa de calor en (a) se presentó con un 100% de la imagen de la foto transformada en el canal rojo, el 100% de la imagen de oxígeno transforma en el canal verde y el 50% del mapa de perfusión en el canal azul. Con el fin de visualizar mejor los vasos, se presenta otra versión de los resultados del co-registro, como en (b). El mapa de calor se compone de 100% de la imagen de la foto transformada en el canal rojo, el 50% de la imagen de oxígeno transforma en el canal verde, y el 50% del mapa de la perfusión cambiado en el canal azul, donde se invirtió el mapa índice vascular y sólo la información dentro de la región se mantuvo en primer plano.
Discussion
El oxígeno que existe en los tejidos biológicos en múltiples formas, tales como oxígeno de la hemoglobina o la mioglobina obligado, oxígeno disuelto, y las especies reactivas de oxígeno. El transporte de oxígeno juega un papel fundamental en el mantenimiento de la viabilidad del tejido y los procesos metabólicos normales 3. Agudo leve a moderada hipoxia iniciará la adaptación metabólica, regulación vascular, y la respuesta angiogénica 4. Hipoxia y anoxia extrema dará lugar a la angiogénesis insuficiente y la muerte celular. El desequilibrio entre el suministro de oxígeno limitada y demanda de oxígeno es uno de los principales factores causantes de muchas enfermedades, tales como heridas crónicas 5. En el caso de heridas isquémicas, el suministro de oxígeno es limitado por la falta de perfusión y no pueden satisfacer las necesidades metabólicas del proceso de curación y la función de poner en peligro estallido respiratorio destinadas a combatir la infección. Evaluación simultánea de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular tiene importancia clínica en el tratamiento de heridas crónicas.
La técnica de imagen hiperespectral estimaciones oxigenación de los tejidos cutáneos de tejido iluminar y detectar la reflectancia del tejido en diferentes longitudes de onda 6. Una ventaja importante de imágenes hiperespectrales no es invasiva y la detección sin contacto de las propiedades de los tejidos funcionales. Sin embargo, la confiabilidad de la medición de oxígeno para muchos sistemas de imágenes hiperespectrales se ve afectada por el color de la piel y otras variaciones de la absorción de fondo. Espectroscopia amplia brecha de la segunda derivada se desarrolló con anterioridad para la medición de oxigenación a los tejidos con un mínimo efecto de la dispersión y la pigmentación de la piel 1. Se aplicó el principio de la espectroscopia de la segunda derivada de imágenes multiespectrales y demostró la medición constante de la oxigenación de los tejidos cutáneos independiente con los cambios de color simulado piel.
Perfusión de los tejidos se ha estudiado previamente por la medición de siete tejido difusión térmica. Un método simple capilla se creó para introducir la estimulación térmica y las respuestas de la imagen tejido dinámico con el fin de estimar la distribución del tejido de la piel inercia térmica 8. Los experimentos en la piel del antebrazo humano sometido a la oclusión del manguito arterial demostró una relación lineal entre la inercia térmica y la perfusión de la sangre medido por un sensor de láser Doppler antes y durante la oclusión del flujo sanguíneo 8. Un modelo biocalor agrupados también fue utilizado para estimar la reactividad vascular punta de los dedos durante la pletismografía de oclusión venosa 9. A pesar de los esfuerzos anteriores, la cuantificación de la perfusión sanguínea de la piel las mediciones de temperatura de piel es un reto debido a la falta de sensibilidad, la dependencia del espesor de la grasa subcutánea, y otros factores contribuyentes, como la vasoconstricción, vasodilatación, y 10 artefactos de movimiento. En este protocolo, se utilizó una cámara de infrarrojos para captar la dinámica de la temperatura del tejido en respuesta a una estimulación térmica a temperatura ambiente. La estimulación térmica fue seleccionado para que el efecto de vasoconstricción y vasodilatación se redujo al mínimo. Modelización y medición de los esfuerzos necesarios a fin de delinear una correlación cuantitativa fiable entre el índice de la función vascular y la perfusión del tejido cutáneo.
En el # 3, se utilizó la transformación afín para las tareas de co-registro. Sin embargo, dado que las dos cámaras se colocan en diferentes ángulos en el espacio 3D, que es potencialmente más precisos para aplicar una transformación relacionados con la transformación 3D entre las dos cámaras. Actualmente estamos explorando en esa dirección que implican la calibración extrínsecos de las cámaras en un espacio 3D utilizando la geometría epipolar.
Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Apoyado por el NIH RO1 HL073087 premios, GM 077185, 069589 y GM para CKS. El trabajo también es apoyado por una beca del programa de Medicina Regenerativa de la DHLRI. Los autores agradecen el apoyo técnico e insumos clínicos a partir del siguiente personal de la Universidad Estatal de Ohio: Dr. Sabyasachi.Biswas (Centro Integral de la herida), la Dra. Allison Spiwak (División de Tecnología de circulación), Agoston José (División de Circulación), Thoma agramizas (División de Circulación), José Ewing (Ingeniería Mecánica), Scott Killinger (Ingeniería Mecánica), y Xiaoyin Ge (Ingeniería Eléctrica).
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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