Dual-Mode-Imaging von Hautgewebe Oxygenation und Gefäßfunktion

Die genaue Beurteilung der kutanen Gewebeoxygenierung und der vaskulären Funktion ist wichtig für die angemessene Erkennung, Stadieneinteilung und Behandlung zahlreicher Gesundheitsstörungen, einschließlich chronischer Wunden. Hier werden die kutane Gewebeoxygenierung und die thermische Reaktivität des Gewebegefäßsystems nichtinvasiv abgebildet. Mithilfe eines neuartigen Bildgebungssystems in Doppelmodus, das eine Infrarotkamera, eine CCD-Kamera, einen flüssigkristallabstimmbaren Filter und eine hochintensive Lichtquelle mit Lichtleitfaser integriert.

Sauerstoffänderungen werden im Armgewebe eines gesunden Probanden mithilfe einer Blutdruckmanschette induziert, die durch das Dual-Modus-Bildgebungssystem überwacht wird, und mit simultanen Messungen der tiefliegenden Gewebeoxygenierung sowie der kutanen Gewebeoxygenierung verglichen. Gewebe-Sauerstoffspannungs- und Gewebetemperaturänderungen als Reaktion auf externe thermische Stimulation werden ebenfalls erfasst, um die vaskuläre thermische Reaktivitätskarte zu rekonstruieren. Die Karte der kutanen Gewebeoxygenierung und die Karte der vaskulären thermischen Reaktivität des Gewebes werden mittels eines fortschrittlichen Co-Registrations-Algorithmus fusioniert. In dieser Arbeit beschreiben wir die Entwicklung eines neuartigen Bildgebungssystems zur nichtinvasiven Überwachung der Sauerstoffsättigung von Wundgewebe sowie des dynamischen thermografischen Profils, das zur Untersuchung exothermer Entzündungen und zur Verfolgung des Einflusses von warmem Blut in das Wundgewebe während der postinflammatorischen angiogenen Phase beiträgt.

Aus klinischer Sicht hat dieses Bildgebungssystem das Potenzial, zentrale Fragen im Bereich des akuten und chronischen Wundmanagements zu beantworten, beispielsweise durch bildgeführte Débridement-Verfahren. Zudem ermöglicht es die nichtinvasive Überwachung der Ansprechbarkeit von Wundtherapien mittels wiederholter Messungen der Gewebeoxygenierung. Dieses duale Bildgebungssystem, das am Comprehensive Wound Center der Ohio State University entwickelt wurde, stellt den ersten Schritt hin zur simultanen Beurteilung der Gewebeoxygenierung und der vaskulären Funktion bei Wunden dar.

Wie Sie sehen werden, ist das System nun bereit für Funktionsprüfungen, und es laufen Arbeiten zur Verbesserung des ingenieurtechnischen Designs, eines standardisierten Protokolls sowie eines validierten Systems für den routinemäßigen klinischen Einsatz. Zusätzlich zu der Bildgebungs-Hardware und den Rekonstruktionsalgorithmen haben wir schnellere Maßnahmen zur Bildko-Registrierung entwickelt, um Überlagerungsbilder, die mit verschiedenen Bildgebungsmodalitäten aufgenommen wurden, zu integrieren und zu visualisieren. Der Ansatz ist modular und lässt Raum für zukünftige Erweiterungen durch neue Bildgebungssysteme.

Beginnen Sie mit einem gesunden Probanden. Lassen Sie diesen mit dem linken Unterarm auf einer Arbeitsplatte sitzen. Tragen Sie mit einem Pinsel eine dünne Schicht Tusche auf den Unterarm des Probanden auf, um verschiedene Hautfarben zu imitieren.

Platzieren Sie vier Referenzmarker am Unterarm des Probanden, um einen interessierenden Bereich (ROI) zu definieren, der sowohl die Tinte, die bemalte Haut als auch die normale Haut umfasst. Die Referenzmarker weisen gleichzeitige thermische und optische Kontraste auf, die hier die Bildko-Registrierung erleichtern; das hier verwendete zweimodale Abbildungssystem wurde am Comprehensive Wound Center der Ohio State University entwickelt. Das Abbildungssystem besteht aus einer Infrarotkamera, einer CCD-Kamera, einem abstimmbaren Flüssigkristallfilter und einer hochintensiven Faserlichtquelle, um die multispektrale Abbildung der Gewebeoxygenierung durchzuführen.

Schalten Sie alle externen Lichtquellen aus, lassen Sie die Versuchsperson ihren Arm positionieren und nehmen Sie Bilder auf. Die Bildgebungssoftware kalibriert automatisch die Belichtungszeiten bei jeder Wellenlänge. Nachdem die Probenbilder aus dem interessierenden Bereich gesammelt wurden, platzieren Sie ein weißes Brett im Bildgebiet und nehmen Sie Reflexionsbilder bei verschiedenen Wellenlängen auf.

Diese werden zur Kalibrierung verwendet. Sobald die Referenzbilder aufgenommen wurden, berechnen Sie das Reflexionsverhältnis und leiten Sie die Gewebeoxygenierung für jedes Pixel basierend auf dem breiten Spalt ab.

Zweite-Ableitung-Spektrum. Erhalten Sie der Vergleichsweise eine kutane Gewebeoxygenierungskarte mithilfe eines kommerziellen Systems, um festzustellen, ob eine Veränderung der Hautfarbe die Oxygenierungsmessungen in jedem System beeinflusst. Verwenden Sie eine statistische Analyse-Software, um einen Student-t-Test durchzuführen, bei dem die Messungen in den Bereichen mit und ohne Tinte verglichen werden.

Als Nächstes befestigen Sie eine Druckmanschette am linken Oberarm des Probanden. Bestimmen und notieren Sie den systolischen und diastolischen Blutdruck des Probanden. Befestigen Sie die Sensoren eines plex TS Gewebespektrofotometers und eines TCM transkutanen Sauerstoffmonitors am selben Arm und schalten Sie die Geräte ein, um sie 20 Minuten lang vorzuwärmen, während Sie die kutane Gewebe-Sauerstoffversorgungskarte überwachen.

Führen Sie Sauerstoffwechselveränderungen im Armgewebe durch eine postokklusive reaktive Hyperämie (PORH) ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Start“, um die Bildaufnahme zu beginnen. Überwachen Sie die präokklusive Grundlinie zwei Minuten lang.

Als Nächstes den Blutdruckmessmanschett auf 50 Millimeter Quecksilber über dem systolischen Druck aufpumpen, um eine suprasystolische Okklusion zu erzeugen. Den Manschett zwei Minuten lang aufgeblasen lassen und weiterhin die Veränderungen der Gewebeparameter überwachen. Schließlich den Druckmanschett schnell entleeren, um eine reaktive Hyperämie auszulösen.

Notieren Sie alle Gewebe-Sauerstoffparameter zwei Minuten lang. Führen Sie eine dynamische thermografische Bildgebung durch. Der gesunde Proband sollte bequem sitzen.

Sitzen Sie mit dem linken Arm, der auf einer Arbeitsplatte aufliegt. Positionieren Sie den Handrücken der linken Hand nach oben in Richtung der Infrarotkameraeinheit des Abbildungssystems. Bringen Sie anschließend eine Laser-Doppler-Sonde auf der Fingerspitze der linken Hand an, um die Hautperfusion kontinuierlich mit einer Abtastrate von 10 Hertz zu überwachen.

Platzieren Sie eine Druckmanschette am linken Oberarm des Probanden. Bestimmen und notieren Sie anschließend den systolischen und diastolischen Blutdruck des Probanden. Erzeugen Sie unterschiedliche Grade der vaskulären Okklusion, indem Sie die Aufblasung der Druckmanschette auf folgenden Druckstufen steuern: keine Okklusion, 0,5-facher diastolischer Blutdruck, kombinierter 0,5-facher diastolischer und systolischer Blutdruck sowie 1,5-facher systolischer Blutdruck.

Führen Sie anschließend thermografische Bildgebungstests bei zwei Gefäßverschlussstufen durch: keinerlei Verschluss und systolischer Verschluss auf jeder Verschlussstufe. Setzen Sie eine thermische Stimulation ein, indem Sie 30 Sekunden lang einen Wasserbeutel mit Raumtemperatur auf die linke Hand legen. Unmittelbar nach dem Entfernen des Wasserbeutels beginnen Sie, thermografische Bilder kontinuierlich mit einer Aufnahmerate von zwei Bildern pro Sekunde zu erfassen.

Bestimmen Sie mithilfe einer Software die Funktion der vaskulären thermischen Reaktivität des Gewebes. Berechnen Sie den Funktionsindex für jedes Pixel des thermografischen Bildes, indem Sie das Verhältnis zwischen der Quadratwurzel der Dauer der thermischen Stimulation und der entsprechenden Temperaturänderung des Gewebes bilden. Berechnen Sie den Wert der vaskulären thermischen Reaktivität des Fingers bei jedem Okklusionsdruck, indem Sie fünf ROI im vaskulären thermischen Reaktivitätsbild des Gewebes mitteln. Die Werte der vaskulären thermischen Reaktivität des Fingers werden mit Laser-Doppler-Messungen der vaskulären Perfusion des Fingers bei verschiedenen Okklusionsstufen verglichen.

Um die Sauerstoffversorgungskarte, die aus der multispektralen Bildgebung gewonnen wurde, und die Gefäßfunktionskarte, die aus der dynamischen thermographischen Bildgebung erhalten wurde, zu ko-registrieren. Verwenden Sie MATLAB, um alle Bilder in Graustufen umzuwandeln. Anschließend normalisieren Sie die Pixelintensitätswerte, indem Sie diese zwischen null und eins einstellen.

Als Nächstes auf der Oxygenierungskarte oder multispektralen Aufnahme den Vordergrund oder Hautbereich identifizieren, dessen Pixelintensitätswerte über dem empirischen globalen Schwellenwert von 0,8-fachem Mittelwert der Intensität des gesamten Bildes liegen. Das Bild anschließend mithilfe einer morphologischen Operation weiter verbessern. Danach zur Berücksichtigung von Beleuchtungsvariationen die Referenzmarker identifizieren.

Diese Marker erscheinen als dunklere Bereiche im Vordergrund und weisen Intensitätswerte unterhalb der globalen und adaptiven lokalen Schwellenwerte auf. Verfeinern Sie die fiduzialen Markierungsbereiche mithilfe morphologischer Operationen, um Rauschen im Bild zu entfernen, und wählen Sie die OID dieser vier Bereiche als Kontrollpunkte auf dem optischen Foto aus.

Wiederholen Sie ähnliche Schritte, um Markierungsregionen in der Gefäßfunktionskarte oder dem thermografischen Bild zu identifizieren. Ordnen Sie die beiden Sätze von Kontrollpunkten basierend auf ihrer räumlichen Nähe zu. Nachdem Sie sie auf denselben Maßstab normalisiert haben, ordnen Sie einen Kontrollpunkt im ersten Bild dem nächstgelegenen Kontrollpunkt im anderen Bild zu.

Im zweiten Schritt berechnen Sie eine feine Transformation mit Translations-, Rotations- und Skalierungsinformationen zwischen den beiden Bildern, wobei die Gefäßfunktionskarte als Referenz verwendet wird. Anschließend transformieren Sie die Sauerstoffkarten mithilfe der berechneten Transformation.

Schließlich die registrierten Bilder zur Visualisierung überlagern. Hier ist eine rekonstruierte Karte der kutanen Gewebeatmung dargestellt, die am Unterarm eines gesunden Probanden mit dem umfassenden, wundzentrierten, dualen Bildgebungssystem aufgenommen wurde. Beachten Sie, dass keine signifikanten Unterschiede in der Oxygenierung zwischen den gefärbten und nicht gefärbten Geweberegionen beobachtet werden.

Es wurden zufällig 10 ROIs außerhalb und innerhalb des mit Tinte markierten Bereichs ausgewählt, um die Sauerstoffmessungen zu bewerten. Die hier gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Messung der Gewebeoxygenierung durch das umfassende Wundzentrum-System nicht signifikant von der Hautfarbe beeinflusst wird. Im Vergleich dazu werden die mittels eines kommerziellen Systems gewonnenen Messungen der Gewebeoxygenierung signifikant von der Hautfarbe beeinflusst.

Das umfassende Bildgebungssystem eines Wundzentrums kann kontinuierlich Veränderungen der kutanen Gewebeatmung während der Basisokklusion und der Hyperämiephasen des PORH-Verfahrens überwachen. Während des PORH-Verfahrens korrelieren die Änderungen der kutanen Gewebeatmung mit Veränderungen der tiefer liegenden Gewebeatmung. Das umfassende Bildgebungssystem des Wundzentrums kann außerdem die vaskuläre thermische Reaktivität des kutanen Gewebes abbilden.

Diese Abbildungen zeigen repräsentative Gefäßfunktionskarten desselben Probanden bei unterschiedlichen durch eine Druckmanschette erzeugten Gefäßverschlussdrücken. Der gemittelte Gefäßfunktionsindex an den Fingerspitzen des Probanden korreliert mit der Laser-Doppler-Messung an den Fingerspitzen. Hautgewebedurchblutung.

Die vom Abbildungssystem erfasste Sauerstoffanreicherungskarte und die Gefäßfunktionskarte werden durch einen Co-Registrations-Algorithmus fusioniert. Diese Abbildung zeigt eine repräsentative Bildfusion. Hierbei handelt es sich um ein duales Modellbildgebungssystem zur simultanen Beurteilung der kontinuierlichen Gewebesauerstoffversorgung und der thermischen Reaktivität der Gewebegefäße.

Weitere Plattformen wie die Fluoreszenzbildgebung können hinzugefügt werden. Die Systemintegration von Hardware- und Softwarekomponenten stellt eine zentrale Grundlage dar. In diesem Zusammenhang kann der Bild-Co-Registrationsalgorithmus im System leicht angepasst werden, um zusätzliche Bildgebungsmodalitäten zu integrieren, was dieses Produkt vielseitig einsetzbar macht.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis für das Potenzial haben, das dieser neue Bildgebungsansatz bietet. Die Entwicklung des Systems ist ein Beispiel für interdisziplinäre translationale Forschung am Comprehensive Wound Center der Ohio State University. Viel Erfolg bei Ihren Experimenten.