Summary
En dubbel-mode scanning-systemet utvecklades för beröringsfri bedömning av kutan vävnad syresättning och vaskulär funktion.
Abstract
Korrekt bedömning av kutan vävnad syresättning och vaskulär funktion är viktig för lämplig upptäckt, stadieindelning och behandling av många hälsoproblem som t.ex. kroniska sår. Vi rapporterar utvecklingen av en dual-mode scanning system för icke-invasiv och icke-kontakt avbildning av kutan vävnad syresättning och vaskulär funktion. Den avbildning som är integrerat en infraröd kamera, en CCD-kamera, en LCD-avstämbara filter och en hög intensitet fiber ljuskälla. En Labview gränssnittet var programmerad för utrustning kontroll, synkronisering, bild förvärv, bearbetning och visualisering. Multispektrala bilder som tas av CCD-kameran har använts för att rekonstruera kartan syresättningen av vävnaderna. Dynamisk termografisk bilder som tagits med värmekamera har använts för att rekonstruera den vaskulära funktionen kartan. Kutan vävnad syresättning och vaskulär bilder fungerar gavs samtidigt registrerat via förvaltare markörer. Egenskaperna hos den dual-mode bilden systemet testades på människor.
Protocol
1. Kartläggning vävnad syresättning av multispektrala avbildning
En omfattande Wound Center (CWC) dual-mode-bildsystem, hädanefter kallad CWC-systemet har utvecklats vid Ohio State University för multispektrala avbildning av kutan vävnad syresättning och termografiskt avbildning av vaskulär funktion. Det stora gapet andraderivatan spektroskopiska teknik som har använts för att rekonstruera kartor vävnad syresättning baserat på multispektrala bilder 1. I denna studie, satt en friska personer med vänster underarm vilar på en bänkskiva. En del av underarmen inom synfältet av CWC systemet var målat med tusch (1% löst i etanol) för att efterlikna olika hudfärger. Multispektrala bilder förvärvades och en syresättning karta rekonstruerades baserad på den stora klyftan andra derivatan spektrum. Den rekonstruerade syresättning karta jämfördes med förvärvas av en kommersiell Hypermed OxyVu hyperspektrala vävnad syresättning mätsystem.
Tissue syre svar till vaskulär ocklusion har studerats i samma ämne efter ett protokoll av post-ocklusiv reaktiv hyperemi (PORH) 2. Innan PORH testet var föremål är systoliskt och diastoliskt blodtryck registreras av ett tryck manschetten placerad på vänster överarm. Den PORH bestod av en pre-ocklusiv baslinjen under två minuter, en suprasystolic ocklusion (systoliskt + 50 mm Hg) under två minuter, och en reaktiv hyperemi period av två minuter. Multispektrala bilder förvärvades till fyra våglängder (dvs, 530nm, 550nm, 570nm och 590nm) under PORH prov i samplingsfrekvens på 0,75 sekunder per våglängd. Djup vävnad syremättnad och kutan vävnad syrgaskoncentrationen på samma arm var samtidigt in av en OxiplexTS vävnad spektrofotometer (ISS Inc., Urbana Champaign, IL) och en TCM transkutan syre bildskärm (Radiometer, Danmark) respektive.
2. Kartläggning av vaskulär funktion genom dynamisk termografisk imaging
Dynamisk termografisk avbildning visades på en frisk ämne med samma CWC-systemet. Ämnet ljugit bekvämt på ett bord i ryggläge med vänster arm vilar på en bänkskiva och dorsum på vänster hand vänd uppåt mot den infraröda kameran enhet av CWC-systemet. En laser Doppler sond lades ut på fingertoppen av samma hand för kontinuerlig övervakning av fingret huden perfusion. Ett tryck manschetten var placerad på vänster överarm för att producera olika ocklusion. Innan experimentet var föremål ombedd att vila i minst 10 minuter, med systoliskt och diastoliskt tryck registreras av trycket manschetten. Dynamisk termografisk bilderna fångades på följande nivåer manschettrycket: ingen ocklusion, 0,5 x diastoliskt blodtryck, 0,5 x (diastoliskt blodtryck + systoliskt blodtryck) och 1,5 x systoliskt blodtryck. Vid varje manschettrycket nivå, var en termisk stimulering infördes genom att placera en vatten påse rumstemperatur (25 ° C) på vänster hand i 30 sekunder. Omedelbart efter avlägsnandet av den termiska stimulans, var den vänstra termografiskt bilder förvärvats med en hastighet av 2 bilder / sekund och finger huden perfusion spelades in av laser Doppler sond vid samplingsfrekvens på 10 Hz. Tidsintervallet mellan testerna var 10 min. Placeringen av den vänstra präglades i förväg så att den efterföljande mätningar på samma plats. Tissue vaskulär funktioner på olika ocklusion nivåer utvärderades genom att beräkna både temperatur respons och kärlfunktionen index. Den vaskulära funktionen index definieras som kvoten mellan kvadratroten av tiden efter termisk stimulering och motsvarande temperaturförändring.
3. Co-registrering mellan vävnad syresättning och vaskulär kartor funktion
Kartan av kutan vävnad kärlfunktionen förvärvades av dynamiska termografiska bildbehandling och kartan över kutan vävnad syresättning förvärvades av multispektrala avbildning gavs samtidigt registreras av en avancerad bildbehandling algoritm. Fyra förvaltare markörer, med samtidig termiska och optiska kontraster, placerades på biologisk vävnad för att underlätta bild co-registrering. För närvarande protokollet för samarbete registrerar den optiska bilden (och syresättning kartan) med IR-bilden (och vaskulär funktion kartan) ingår följande viktiga steg: 1) omvandla alla bilder som gråskala och normalisera pixel intensiteten värden mellan 0 och 1, 2) för den optiska bilden, identifiera förgrunden (hud) region som har höga pixelvärden intensitet än en empirisk globala tröskeln (0,8 gånger den genomsnittliga intensiteten värdet av hela bilden), de små hålen i förgrunden regionen var fylls med hjälp av morfologiska nära verksamheten, 3) identifiera de förvaltare markörregioner som mörkare områden i förgrunden, vars intensitet värdena ligger under både g GLOBALA tröskeln och det adaptiva lokala tröskeln definieras av medelvärdet pixelvärden i den 20-med-20 pixel grannskapet. Den adaptiva lokala tröskeln tillät oss att anpassa belysningen ändringen, 4) förfina fiduciary markörregioner genom morfologisk operationer för att ta bort brus och spikar, det centroids av de fyra regionerna valdes ut som kontrollpunkter i den optiska bilden, 5) Upprepa liknande åtgärder för att identifiera markör regioner i IR-bilden, 6) matcha två kontrollpunkter bygger på närhet (med tanke på att de två kamerorna tätt placerades), 7) beräknar ett affina omvandling mellan de två bilderna med IR-bilden som referens och omvandla den optiska bilden och syre kartan (som är från samma kamera som den optiska bilden) motsvarande, 8) ger slutligen överlagrade bilder för visualisering.
4. Representativa resultat:
Den representativa resultat för syrsättning-protokollet (dvs, # 1) är kutan vävnad syresättning kartor rekonstruerade baserat på stort avstånd andraderivatan spektroskopi. Metoden för stort gap andraderivatan spektroskopi minskas på ett effektivt sätt att mäta artefakter orsakade av vävnaden bakgrund absorption så att den kutana syresättning mätningen påverkades mindre av den simulerade hudförändringar färg. Vi visade också en PORH protokoll där kutan vävnad syresättning kartan, djup vävnad syresättning, och kutan vävnad syrgaskoncentrationen var samtidigt registreras.
Den representativa resultat för kärlfunktionen protokollet (dvs. # 2) omfattar kutana distributioner vävnaden temperatur, kutan vävnad temperaturförändringar som svar på externa termisk stimulering, och kutan vävnad vaskulära kartor index från dynamiska termografisk avbildning. Korrelationer observerades mellan termografiskt avbildning av kutan vävnad vaskulära index och laser Doppler mätning av hudens vävnad perfusion.
Den representativa resultat för co-registrering protokoll (dvs # 3) inkluderar kartan syresättningen av vävnaderna, det vaskulära index kartan och bilden fusion mellan fotografisk, syresättning och vaskulär bilder index samarbete registrerats av flera kontrast förvaltare markörer.
Figur 1. CWC dubbla lägen systeminstallation för beröringsfri avbildning av vävnad syresättning och vaskulär funktion. Systemet installerades på en mobil vagn. Den bestod av en infraröd värmekamera, en CCD-kamera, en LCD-avstämbara filter, och ett bredband ljuskälla. En dator har använts för att synkronisera uppgifter som datainsamling, analys och visning.
Figur 2. Programvara gränssnitt för CWC-systemet. Programvaran gränssnittet programmeras i LabVIEW miljö. På toppen till vänster i gränssnittet är kontrollpanelen för maskinvarukonfiguration och system för kalibrering. Till höger om gränssnittet är i realtid visning av vävnaden temperaturen kartan förvärvats av värmekamera. På botten av gränssnittet är laser Doppler mätningar av hudens vävnad perfusion.
Figur 3. Programvara gränssnitt för CWC-systemet (forts). Detta är ett popup-fönster för att visa parametrarna vävnad syresättning. Till vänster är syresättningen av vävnaderna kartan rekonstruerade från multispektrala bilder. Den högra sidan av gränssnittet visas följande parametrar vävnad syresättning uppifrån och ner: (1) kutan vävnad syresättning genomsnitt från en vald regionen av intresse (ROI) i syresättningen av vävnaderna kartan, (2) djup vävnad syresättning övervakas av en OxplexTS vävnad oximeter , (3) kutan vävnad syrgaskoncentrationen övervakas av en TCM transkutan syre bildskärm.
Figur 4. Kutan vävnad syresättning avbildning av en OxyVu bildhanteringssystem. Den vänstra siffran är en gråskalebild i huden vävnad. Ett lager av färg målades på huden för att simulera hudfärg. Kartan av kutan vävnad syresättning förvärvas av OxyVu systemet visas till höger. Två fyrkantiga områden av intresse (ROI) valdes ut i och utanför bläck målade område respektive. För ROI inom bläck-målade området var i genomsnitt kutan vävnad syresättning 62,8 ± 11,0%. För ROI utanför bläck-målade området var i genomsnitt kutan vävnad syresättning 44,0 ± 11,0%. En skillnad på 18,8% observerades för kutan mätningarna syresättningen av vävnaderna i och utanför bläck målade hudområde.
Gure 5 "/>
Figur 5. Kutan vävnad syresättning avbildning av CWC-systemet. Multispektrala bilder som fångades av CWC-systemet på samma hudyta på samma tema som i Figur 4. Den vänstra siffran är den enda våglängd bild av huden vävnad och den rätta siffran är den rekonstruerade kutan vävnad syresättning karta. Ett lager av färg målades på huden med bläck koncentrationen densamma som i Figur 4. . Två fyrkantiga områden av intresse (ROI) valdes ut i och utanför bläck målade område respektive. För ROI inom bläck-målade området var i genomsnitt kutan vävnad syresättning 60,9 ± 6,9%. För ROI utanför bläck-målade området var i genomsnitt kutan vävnad syresättning 65,8 ± 5,5%. En skillnad på 4,9% observerades för kutan mätningarna syresättningen av vävnaderna i och utanför bläck målade hudområde.
Figur 6. Effekten av simulerade förändringar hudfärgen på tillförlitligheten av kutan mätningar syresättningen av vävnaderna. Statistisk analys utföras för att avgöra betydelsen av den simulerade hudförändringar färg till syresättning mätningar för både OxyVu och CWC system avbildning. För varje Imaging System, var i genomsnitt kutan vävnad oxygenations beräknas inom och utanför bläck målade hudområden genom att slumpmässigt välja 10 regioner av intresse (ROI) i varje område. Vår nollhypotesen är att den förändring av hudfärg inte kommer att påverka huden mätningen syresättningen av vävnaderna. Detta nollhypotesen testades med syresättning kartor i Figur 4 (dvs OxyVu mätningar) och figur 5 (dvs. CWC mätningar) respektive. Students t-test visar att p-värde för OxyVu mätningarna är mycket mindre än 0,001, vilket innebär att nollhypotesen förkastas. Därför påverkar förändringen av hudfärg de kutana mätningar vävnad syresättning i en OxyVu bildhanteringssystem. Däremot är det p-värde för CWC mätningar 0,728, vilket innebär sannolikheten för att förändringen av hudfärg inte påverkar kutan mätningarna vävnad syresättning i en CWC imaging system.
Figur 7. Kutan vävnad syresättning bilder från CWC systemet under efter-ocklusiv reaktiv hyperemi (PORH). Den PORH testet utfördes på underarmen hos friska personer efter # 1. (A). Enda våglängd gråskala bild av armen med fyra förvaltare markörer placerade för bild co-registrering. (B) baslinjen kutan vävnad syresättning karta förvärvats före vaskulär ocklusion. (C) kutan vävnad syresättning kartan efter vaskulär ocklusion (systoliskt blodtryck + 50mmHg) i 2 minuter. (D) kutan vävnad syresättning kartan efter reaktiv hyperemi. Betydande förändringar i kutan vävnad syresättning observerades före, under och efter vaskulär ocklusion.
Figur 8. Tissue syre parametrar övervakas kontinuerligt under en PORH testet. Testprotokollet i (a) visar en period av pre-ocklusion baslinjen, följt av en suprasystolic ocklusion period, och avslutas med en reaktiv hyperemi period. Historien om kutan vävnad syresättning Varaktighet PORH förfarande ritas i (b). Det erhölls som genomsnittet av en utvald regionen av intresse (ROI) i CWC kutan syresättning karta. Vi övervakade också djup vävnad syresättning av en OxiplexTS vävnad pulsoximeter, som ritas i (c). Den transkutan vävnaden syrgaskoncentrationen var också övervakas av en TCM enhet och ritas i (d). CWC mätningar av kutan vävnad syresättning sammanfaller väl med andra syrgas parametrar under PORH förfarandet.
Figur 9. Kutan vävnad gensvar på olika kärlocklusion tryck. Var Termografiskt bilder förvärvades omedelbart efter termisk stimulering (dvs en vatten påse i rumstemperatur 25 ° C) togs bort från försökspersonens vänstra hand. Den horisontella axeln motsvarar olika tid fläckar efter termisk stimulering togs bort. Den vertikala axeln motsvarar följande fyra nivåer i vaskulär ocklusion tryck: 0 (Ingen ocklusion), 0.5DBP, 0,5 (DBP + SBP), 1.5SBP, där DBP är det diastoliska blodtrycket och SBP är det systoliska blodtrycket. För detta specifika ämne, är DBP 69mmHg och SBP är 123mmHg. Testresultaten visar att vävnaden temperaturen svar på den externa termisk stimulering är korrelerad med graden av vaskulär ocklusion. En ökning av ocklusion Trycket minskar den termiska svarsfrekvensen.
fig10.jpg "alt =" Bild 10 "/>
Figur 10. Rekonstruerade vaskulär index kartor på olika kärlocklusion tryck. Kärlfunktionen index (v) för varje pixel i termografiskt bilder härleddes av regrediera den kutana förändringar vävnaden temperatur (Δ T) mot kvadratroten av tiden efter termisk stimulering (√ t ): Δ √ T + K + ε, där ε är den slumpmässiga fel och K är en konstant. Vaskulär funktion index kartor från vänster till höger motsvarar följande ocklusion villkor: (a) ingen ocklusion, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (DBP + SBP), (d) 1.5SBP. För detta specifika ämne, är det diastoliska blodtrycket (DBP) 69mmHg och systoliskt blodtryck (SBP) är 123mmHg.
Figur 11. Korrelation mellan den vaskulära funktionen index och huden vävnadsperfusion. Den fingertoppen kärlfunktionen index vid varje ocklusion tryck i # 2 har beräknats som genomsnittet av fem regioner av intresse (ROI) i vävnaden vaskulära index karta. Huden vävnadsperfusion mättes genom en laser Doppler-enhet på en av fingertoppen. Den fingertoppen vaskulära index korrelerade med laser Doppler mätningen visar möjligheterna att använda den dynamiska termografiskt metod för kvantitativ bedömning av vävnad vaskulär funktion.
Figur 12. . Bilden samarbete registreringsprocessen I den första raden visar vi: (a) den normaliserade bilden, (b) segmenterade förgrunden regionen, och (c) segmenterade markörer i fotot bilden. I den andra raden visar vi: (d) normaliserade perfusion kartan, (e) segmenterade förgrunden regionen, och (f) segmenterade markörer i perfusion kartan. Den affina omvandlingen mellan de två uppsättningarna av markören positioner beräknades. Samarbetet registrerade bilder (G och H) erhölls genom att omvandla bilden bilden och syre kartan med denna återhämtat affina omvandling.
Figur 13. Samarbetet registreringen resultat. Omvandlas foto och syre kartan, tillsammans med perfusionen kartan gavs samtidigt registreras och visas i en värme karta. Värmen kartan i (a) presenterades med 100% av omvandlas foto i den röda kanalen, 100% omvandlas syre bild i den gröna kanalen och 50% av perfusionen kartan i den blå kanalen. För att visualisera kärlen bättre, presenterar vi en annan version av samarbetet registreringen resultat som i (B). Värmen karta bestod av 100% av omvandlas foto i den röda kanalen, 50% av omvandlas syre bilden i gröna kanalen, och 50% av förändrad genomblödning karta i den blå kanalen, där den vaskulära index kartan var inverterad och endast den information i förgrunden regionen hölls.
Discussion
Syre finns i biologisk vävnad i flera former, såsom hemoglobin eller myoglobin bundet syre, löst syre och reaktiva ämnen syre. Syretransport spelar en avgörande roll för att upprätthålla vävnad livskraft och normala processer metabola 3. Akut mild till måttlig hypoxi kommer att inleda metabolisk anpassning, vaskulär reglering och angiogena svar 4. Extreme hypoxi och syrebrist kan leda till bristande angiogenes och celldöd. Obalansen mellan begränsad syretillförsel och ökad syreförbrukning är en stor orsaksfaktorer för många sjukdomar som kroniska sår 5. Vid ischemisk sår är syretillförsel begränsas av brist på perfusion och inte kan tillgodose metaboliska behov av den läkande processen och kompromissa respiratory burst funktion syftar till att bekämpa infektioner. Samtidig bedömning av kutan vävnad syresättning och vaskulär funktion har klinisk betydelse vid långvarig sårbehandling.
Den hyperspektrala bildteknik uppskattningar kutan vävnad syresättning genom att belysa vävnad och upptäcka vävnad reflektans vid olika våglängder 6. En stor fördel med hyperspektrala bildbehandling är icke-invasiv och beröringsfri detektering av vävnad funktionella egenskaper. Dock är syre mäta tillförlitligheten för många hyperspektral bildsystem påverkas av hudfärg och annan bakgrund varianter absorption. Stort gap andraderivatan spektroskopi har tidigare utvecklat för vävnad syresättning mätning med minimal effekt på spridning och hudpigmentering 1. Vi tillämpat principen om den andra derivatan spektroskopi för att multispektrala bilder och visade konsekvent mätning av kutan vävnad syresättning oberoende med simulerade hudförändringar färg.
Vävnadsperfusion har tidigare studerat genom att mäta vävnaden termiska diffusivitet 7. En enda huva metod har utvecklats för att införa termisk stimulering och bild vävnad dynamisk respons för att uppskatta hudvävnad termiska tröghet distributionen 8. Experiment på mänskliga underarmen huden utsätts för arteriell manschetten ocklusion visat linjärt samband mellan värmetröghet och blod perfusion mätt med laser Doppler värmekamera före och under blodflödet ocklusion 8. En klumpas bioheat modell användes också för att uppskatta fingret reaktivitet spetsen vaskulär under venös ocklusion pletysmografi 9. Trots ovanstående insatser är att kvantifiera hud blod perfusion från mätningar hudtemperatur utmanande på grund av bristen på känslighet, beroende av underhudsfett tjocklek och andra bidragande faktorer såsom vasokonstriktion, vasodilatation, och rörelseartefakter 10. I detta protokoll använde vi en infraröd kamera för att fånga dynamiken vävnad temperatur som svar på en termisk stimulering vid rumstemperatur. Den termiska stimulering har valts så att effekten av vasokonstriktion och vasodilatation minimerades. Ytterligare modellering och insatser mätningar är nödvändiga för att beskriva en tillförlitlig kvantitativ korrelation mellan kärlfunktionen index och huden vävnadsperfusion.
I # 3 har vi använt affina omvandlingen för co-registrering uppgifter. Eftersom de två kamerorna är placerade med olika vinklar i 3D-utrymme är det potentiellt mer korrekt att tillämpa en omvandling anknytning till 3D-omvandling mellan de två kamerorna. För närvarande är vi utforskar i den riktningen som innebär yttre kalibreringen av kamerorna i 3D-rymden med hjälp av epipolar geometri.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Med stöd av NIH utmärkelser RO1 HL073087, GM 077.185, och GM 069.589 till CKS. Arbetet stöds också av ett bidrag från regenerativ medicin program DHLRI. Författarna är tacksamma för teknisk support och kliniska insatser från följande personal vid Ohio State University: Dr Sabyasachi.Biswas (Comprehensive Wound Center), Dr Allison Spiwak (Circulation Technology Division), Joseph Agoston (Circulation Division), Thoma ved (Circulation Division), Joseph Ewing (Maskinteknik), Scott Killinger (maskinteknik) och Xiaoyin GE (elektroteknik).
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).
