双模式成像，皮肤组织氧合和血管功能

准确评估皮肤组织氧合和血管功能对于正确检测、分期和治疗许多健康疾病（包括慢性伤口）非常重要。在这里，皮肤组织氧合和组织血管热反应性以非侵入性方式成像。使用一种新颖的双模成像系统，该系统集成了红外相机、CCD 相机、液晶可调滤光片和高强度光纤光源。

使用双模式成像系统监测的血压袖带在健康受试者的手臂组织中诱导氧合变化，并与同时测量深层组织氧合和皮肤组织进行比较，还记录了响应外部热刺激的氧张力组织温度变化，以重建血管热反应性图。皮肤组织氧合图和组织血管热反应性图通过先进的共配准算法融合在一起。在这项工作中，我们描述了一种新型成像系统的开发，用于无创监测伤口组织氧饱和度，以及动态热成像剖面，这有助于研究放热炎症和追踪炎症后血管生成阶段流入伤口组织的暖血。

从临床角度来看，该成像系统有可能帮助回答急性和慢性伤口管理领域的关键问题，例如使用图像引导清创术。它还将通过重复测量组织氧合来帮助无创监测伤口治疗干预的反应性。俄亥俄州立大学综合伤口中心开发的这种双模型成像系统是同时评估伤口组织氧合和血管功能的第一步。

如您所见，该系统现在已准备好进行功能测试，正在努力改进工程设计、标准化方案和经过验证的系统，以供常规临床使用。除了成像硬件和重建算法外，我们还开发了一种更快的图像共配准措施，用于整合和可视化由不同成像模式获取的叠加图像。该方法为未来版本的新成像平台提供了模块化的客厅。

从有一个健康的受试者开始。坐着，左前臂放在台面上。使用画笔在拍摄对象的前臂上涂上一层薄薄的印度墨水，以模仿不同的肤色。

在受试者的前臂上放置四个受托标记，以定义 ROI 的感兴趣区域，该区域由墨水、绘制的皮肤和常规皮肤组成。受托标记同时具有热和光学对比，便于图像共同配准 在这里，使用了俄亥俄州立大学综合伤口中心开发的双模式成像系统。该成像系统由红外摄像头、CCD 摄像头、液晶可调谐滤光片和高强度光纤光源组成，用于执行组织氧合的多光谱成像。

关闭所有外部光源，然后让拍摄对象放置他或她的手臂并拍摄图像。成像软件会自动校准每个波长的曝光时间。从感兴趣区域收集样品图像后，在成像区域放置白板并获取不同波长的反射率图像。

这些将用于校准。获取参考图像后。计算反射率，并根据宽间隙推导出每个像素处的组织氧合。

二阶导数谱。为了进行比较，使用商业系统获取皮肤组织氧合图，以确定肤色的变化是否影响每个系统中的氧合测量。使用统计分析软件执行学生 T 检验，比较有墨水和无墨水区域的测量值。

接下来，将压力袖带放在受试者的左上臂上。确定并记录受试者的收缩压和舒张压。将 plex TS 组织分光光度计和 A TCM 经皮氧监测仪的传感器放在同一个手臂上，然后打开设备预热 20 分钟，同时监测皮肤组织氧合图。

通过进行闭塞后反应性充血或 PORH 在手臂组织中引入氧合变化。单击开始按钮开始成像。监视闭塞前基线 2 分钟。

接下来，将血压袖带充气至收缩压以上 50 毫米汞柱，以诱导收缩上闭塞。让袖带充气两分钟，继续监测组织参数的变化。最后，快速放气气套囊以诱发反应性充血。

记录所有组织氧参数两分钟。执行动态热成像。舒适地拥有健康的受试者。

坐着，左臂放在台面上。将左手的背侧向上定位到成像系统的红外摄像头单元。接下来，将激光多普勒探头放在左手指尖，以 10 赫兹的采样率连续监测皮肤灌注。

将压力袖带放在受试者的左上臂上。然后确定并记录受试者的收缩压和舒张压。通过控制压力袖带在以下压力水平的充气来产生不同程度的血管闭塞，无闭塞 0.5 倍舒张压 0.5 倍舒张压和收缩压之和，以及 1.5 倍收缩压。

接下来，在每个血管闭塞水平进行热成像测试，即无闭塞和 s 收缩期闭塞。将室温水袋放在左手 30 秒，引入热刺激。取下水袋后，立即开始以每秒两帧的成像速率连续采集热成像图像。

使用软件，确定组织血管热反应函数。通过取热刺激持续时间的平方根与相应的组织温度变化之间的比率，计算热成像图像每个像素的函数指数。通过在组织血管热反应性图中平均五个 ROI 来计算每个闭塞压力下的手指血管热反应性值 图将手指血管热反应性值与不同闭塞水平下手指血管灌注的激光多普勒测量值进行比较。

将多光谱成像获得的氧合图和动态热成像获得的血管功能图共配。使用 MATLAB 将所有图像转换为灰度。然后通过将像素强度值设置在 0 和 1 之间来标准化像素强度值。

接下来，在氧合图或多光谱图像上，识别像素强度值大于整个图像平均强度值 0.8 倍的经验全局阈值的前景或皮肤区域。使用 morphological operation 进一步改进图像。接下来，为了适应照明变化，确定基准标记。

这些标记将在前景中显示为较暗的区域，并且具有强度值。低于全局和自适应局部阈值。使用形态学作优化受托标记区域以去除图像中的噪声，选择这四个区域的 OID 作为光学照片中的控制点。

重复类似的步骤以识别血管功能图或热成像图像中的标志物区域。根据邻近度匹配两组控制点。将它们标准化为相同的比例后，将第一张图像中的控制点与最近的控制点匹配。

在第二个示例中，使用两个图像之间的平移、旋转和缩放信息进行精细转换进行计算。使用血管功能图作为参考。然后使用计算的变换变换氧合图。

最后，叠加共配图像以进行可视化。此处显示了使用综合伤口中心双模式成像系统从健康受试者前臂获取的重建皮肤组织氧合图。请注意，未观察到涂漆组织区域和非疼痛组织区域之间的显着氧合差异。

从墨水画区域外部和内部随机选择 10 个 ROI 来评估氧合测量值。此处显示的结果表明，通过综合伤口中心系统进行的组织氧合测量不受肤色的显着影响。相比之下，使用商业系统获得的组织氧合测量值受肤色的显著影响。

综合伤口中心成像系统能够在 PORH 手术的整个基线闭塞和充血阶段连续监测皮肤组织氧合的变化。在 PORH 手术过程中，皮肤组织氧合的变化与深层组织氧合的变化相吻合。综合伤口中心成像系统还能够对皮肤组织血管热反应性进行成像。

这些图显示了由压力袖带引入的不同血管闭塞压力下同一受试者的代表性血管功能图。受试者指尖的平均血管功能指数与指尖的激光多普勒测量相关。皮肤组织灌注。

成像系统获取的氧合图和血管功能图通过共同配准算法融合。此图显示了具有代表性的图像融合。我们这里有一个双模型图像系统，用于同时评估切割连续组织氧合和组织血管热反应性。

可以添加其他平台，例如荧光成像。硬件和软件组件的系统集成是一个关键的基石。在这项工作中，系统中的图像协同配准算法可以轻松适应其他成像模式，使其成为一款多功能产品。

观看此视频后，您应该对这种新成像方法的前景有了很好的了解。该系统的开发是俄亥俄州立大学综合伤口中心跨学科转化研究的一个例子。祝你的实验好运。