双模态成像技术用于皮肤组织氧合与血管功能检测

准确评估皮肤组织氧合状态及血管功能对于多种健康障碍（包括慢性伤口）的恰当检测、分期和治疗至关重要。本文采用一种新型双模成像系统，无创地对皮肤组织氧合状态及组织血管热反应性进行成像。该系统整合了一台红外相机、一台CCD相机、一个液晶可调滤光片以及一个高强度光纤光源。

通过使用双模成像系统监测血压袖带，在健康受试者的臂部组织中诱导氧合变化，并与深部组织氧合及皮肤组织氧张力的同时测量结果进行比较；此外，还记录对外部热刺激响应的组织温度变化，以重建血管热反应性图谱。皮肤组织氧合图谱与组织血管热反应性图谱通过先进的共配准算法进行融合。本研究中，我们介绍了一种新型成像系统的开发，用于无创监测伤口组织的氧饱和度以及动态热成像特征，这有助于研究放热性炎症过程，并追踪炎症后血管生成阶段温暖血液流入伤口组织的情况。

从临床角度来看，该成像系统有望帮助解答急性和慢性伤口管理领域的一些关键问题，例如图像引导下的清创术。此外，通过反复测量组织氧合水平，该系统还可无创地监测伤口对治疗干预的反应情况。该双模态成像系统由俄亥俄州立大学综合伤口中心研发，是实现同步评估伤口组织氧合状态与血管功能的第一步。

如您所见，该系统现已准备好进行功能测试，目前正在进行相关工作以改进工程设计的标准化方案，并建立经过验证的系统用于常规临床应用。除了成像硬件和重建算法外，我们还开发了更快的图像配准方法，用于整合和可视化不同成像模式所获取的叠加图像。该方法具有模块化特点，便于未来集成新的成像平台。

首先选择一名健康受试者，让其左前臂平放在台面上。使用刷子在受试者前臂上涂抹一层薄薄的印度墨水，以模拟不同的肤色。

在受试者前臂上放置四个基准标记，以定义一个感兴趣区域（ROI），该区域包含墨水、涂绘的皮肤以及正常皮肤。这些基准标记具有同时存在的热学和光学对比度，有助于图像的配准。本研究采用俄亥俄州立大学综合伤口中心开发的双模态成像系统。该成像系统由红外相机、CCD相机、液晶可调滤光片和高强度光纤光源组成，用于进行组织氧合的多光谱成像。

关闭所有外部光源，然后让受试者摆好手臂位置并采集图像。成像软件会自动校准每个波长的曝光时间。在从感兴趣区域采集完样本图像后，将一块白板放置在成像区域，并在不同波长下获取反射率图像。

这些将用于校准。获取参考图像后，根据宽间隙计算反射率比值，并据此推导每个像素处的组织氧合水平。

二阶导数光谱。作为对比，使用商业系统获取皮肤组织氧合图，以确定皮肤颜色变化是否影响各系统中的氧合测量结果。采用统计分析软件进行学生t检验，比较有墨水区域与无墨水区域的测量值。

接下来，将血压袖带放置在受试者的左上臂。测定并记录受试者的收缩压和舒张压。将 plex TS 组织光谱仪和 A TCM 经皮氧监测仪的传感器置于同一手臂上，并开启设备，预热 20 分钟，同时监测皮肤组织氧合图。

通过执行肢体组织的缺血后反应性充血（PORH）来引入氧合变化。点击开始按钮以开始成像。监测缺血前基线状态两分钟。

接下来，将血压袖带充气至高于收缩压 50 毫米汞柱，以诱导产生收缩期上水平的阻塞。保持袖带充气状态两分钟，期间持续监测组织参数的变化。最后迅速放气，解除袖带压力，以诱导反应性充血。

记录所有组织氧参数，持续两分钟。进行动态热成像检查时，需让健康受试者保持舒适状态。

让受试者就座，左臂置于台面上，左手背朝向成像系统的红外相机单元。随后将激光多普勒探头放置于左手指尖，以每秒10赫兹的采样频率持续监测皮肤灌注情况。

将血压袖带放置于受试者左上臂。然后测定并记录受试者的收缩压和舒张压。通过调节血压袖带的充气压力，产生不同水平的血管阻塞，具体压力水平如下：无阻塞、0.5倍舒张压、0.5倍舒张压与收缩压的组合，以及1.5倍收缩压。

接下来，在两个血管阻塞水平下进行热成像检测，即无阻塞和每个血管阻塞水平下的收缩期阻塞。通过将一个室温水袋放置于左手30秒以引入热刺激。在移除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性功能。通过将热刺激持续时间的平方根与相应的组织温度变化相除，计算热成像图中每个像素点的功能指数。通过取组织血管热反应性图中五个感兴趣区域（ROI）的平均值，计算每个阻塞压力下的手指血管热反应性值。将不同阻塞水平下获得的手指血管热反应性值与激光多普勒测量的手指血管灌注结果进行比较。

将多光谱成像获得的氧合图与动态热成像获得的血管功能图进行共配准。使用 MATLAB 将所有图像转换为灰度图像，然后通过将像素强度值归一化至 0 到 1 之间进行标准化处理。

接下来，在氧合图或多光谱图像上，识别前景或皮肤区域，其像素强度值需大于整幅图像平均强度值的经验全局阈值的0.8倍。随后通过形态学操作进一步优化图像。接着，为适应光照变化，识别定位标记（fiduciary markers）。

这些标记将在前景中显示为较暗的区域，并具有强度值，低于全局和自适应局部阈值。通过形态学操作优化这些基准标记区域，以去除图像中的噪声，并在光学照片中选择这四个区域的 OID 作为控制点。

重复类似的步骤，以在血管功能图或热成像图中识别标记区域。根据空间邻近性匹配两组控制点。将两组控制点归一化至相同尺度后，将第一幅图像中的每个控制点与另一幅图像中最接近的控制点进行匹配。

在第二步中，计算两幅图像之间的精细变换，包括平移、旋转和缩放信息，并以血管功能图作为参考。然后，利用计算得到的变换对氧合图进行变换。

最后，对配准后的图像进行叠加以实现可视化。此处展示的是使用全面的伤口中心双模成像系统从健康受试者前臂获取的重建皮肤组织氧合图。需要注意的是，在染色区域与非染色组织区域之间未观察到明显的氧合差异。

从墨水涂绘区域的外部和内部随机选择了10个感兴趣区域（ROI），以评估氧合测量结果。此处显示的结果表明，综合伤口中心系统对组织氧合的测量不受皮肤颜色的显著影响。相比之下，使用商用系统获取的组织氧合测量结果则受到皮肤颜色的显著影响。

综合伤口中心成像系统能够在 PORH 检测的基线闭塞和充血阶段持续监测皮肤组织氧合水平的变化。在 PORH 检测过程中，皮肤组织氧合水平的变化与深层组织氧合水平的变化相一致。该综合伤口中心成像系统还能够成像皮肤组织血管的热反应性。

这些图像显示了同一受试者在不同血管闭塞压力（由加压袖带引入）下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结果相关。皮肤组织灌注。

成像系统获取的氧合图与血管功能图通过配准算法进行融合。该图展示了一幅典型的图像融合结果。我们在此拥有一种双模态成像系统，可用于同时评估连续的组织氧合状态与组织血管的热反应性。

可以添加其他平台，例如荧光成像。硬件与软件组件的系统集成是关键基石。在此基础上，系统中的图像配准算法可轻松调整，以兼容更多成像模式，从而使该产品具备高度的多功能性。

观看本视频后，您应能充分理解这种新型成像方法所展现出的应用前景。该系统的开发是俄亥俄州立大学综合伤口中心开展跨学科转化研究的范例。祝您的实验顺利成功。