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 Erkrankungen, einschließlich chronischer Wunden. Hier werden die kutane Gewebeoxygenierung und die thermische Reaktivität des Gewebegefäßsystems berührungslos 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 duale Bildgebungssystem überwacht wird, und mit simultanen Messungen der tiefliegenden Gewebeoxygenierung sowie der kutanen Gewebeoxygenierung verglichen. Auf Temperaturreize reagierende Änderungen der Sauerstoffspannung und Gewebetemperatur werden ebenfalls erfasst, um die vaskuläre thermische Reaktivitätskarte zu rekonstruieren. Die Karte der kutanen Gewebeoxygenierung und die Karte der vaskulären thermischen Gewebereaktivität werden mittels eines fortschrittlichen Co-Registrations-Algorithmus fusioniert. In dieser Arbeit beschreiben wir die Entwicklung eines neuartigen Bildgebungssystems zur nichtinvasiven Überwachung der Sauerstoffsättigung im Wundgewebe sowie des dynamischen thermografischen Profils, das zur Untersuchung exothermer Entzündungsprozesse 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 die Anwendung einer bildgeführten Débridement-Therapie. Zudem ermöglicht es die nichtinvasive Überwachung der Ansprechrate von wundtherapeutischen Maßnahmen mittels wiederholter Messungen der Gewebeoxygenierung. Dieses an der Comprehensive Wound Center der Ohio State University entwickelte duale Bildgebungssystem 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 funktionelle Tests; es laufen Arbeiten zur Verbesserung des ingenieurtechnischen Designs sowie zur Standardisierung eines Protokolls und zur Validierung eines Systems für den routinemäßigen klinischen Einsatz. Neben der Bildgebungs-Hardware und den Rekonstruktionsalgorithmen haben wir schnellere Maßnahmen zur Bildko-Registrierung entwickelt, um Überlagerungsbilder, die mit verschiedenen Bildgebungsmethoden erfasst wurden, zu integrieren und zu visualisieren. Der Ansatz ist modular aufgebaut und lässt zukünftige Erweiterungen durch neue Bildplattformen zu.

Beginnen Sie mit einem gesunden Probanden. Lassen Sie diesen mit dem linken Unterarm auf einer Arbeitsplatte sitzen. Verwenden Sie einen Pinsel, um eine dünne Schicht Tusche auf dem Unterarm des Probanden aufzutragen, um unterschiedliche Hautfarben zu imitieren.

Platzieren Sie vier Referenzmarker auf dem Unterarm des Probanden, um einen interessierenden Bereich (ROI) zu definieren, der sowohl die Tätowierung, die bemalte Haut als auch die normale Haut umfasst. Die Referenzmarker weisen gleichzeitige thermische und optische Kontraste auf, die die Bildko-Registrierung erleichtern. Hier wird das zweimodale Bildgebungssystem verwendet, das am Comprehensive Wound Center der Ohio State University entwickelt wurde. Das Bildgebungssystem besteht aus einer Infrarotkamera, einer CCD-Kamera, einem abstimmbaren Flüssigkristallfilter und einer hochintensiven Faserlichtquelle zur Durchführung der multispektralen Bildgebung der Gewebeoxygenierung.

Schalten Sie alle externen Lichtquellen aus, lassen Sie die Versuchsperson den 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 Bildgebungsgebiet 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 der breiten Lücke ab.

Zweite-Ableitungs-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 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. Bringen Sie die Sensoren eines plex TS Gewebespektrofotometers und eines TCM transkutanen Sauerstoffmonitors am selben Arm an und schalten Sie die Geräte ein, um sie während 20 Minuten aufzuwärmen, während Sie die kutane Gewebe-Sauerstoffsättigung 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 Blutdruckmanschett auf 50 Millimeter Quecksilber über dem systolischen Druck aufpumpen, um eine suprasystolische Okklusion zu erzeugen. Den aufgepumpten Manschett zwei Minuten lang belassen und weiterhin die Veränderungen der Gewebeparameter überwachen. Schließlich den Druckmanschett schnell entleeren, um eine reaktive Hyperämie auszulösen.

Notieren Sie alle Gewebe-Sauerstoffparameter über zwei Minuten. 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 folgende Druckstufen steuern: keine Okklusion, 0,5-facher diastolischer Blutdruck, kombinierter 0,5-facher diastolischer und systolischer Blutdruck sowie 1,5-facher systolischer Blutdruck.

Danach führen Sie thermografische Bildgebungstests bei zwei Gefäßverschlussstufen durch: keiner Verschluss und ein systolischer Verschluss bei jeder Gefäßverschlussstufe. 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 Gefäß-Thermoreaktivitätsfunktion des Gewebes. Berechnen Sie den Funktionsindex für jedes Pixel des thermografischen Bildes als Verhältnis aus der Quadratwurzel der Dauer der thermischen Stimulation und der entsprechenden Temperaturänderung des Gewebes. Berechnen Sie den Wert der Gefäß-Thermoreaktivität des Fingers bei jedem Okklusionsdruck, indem Sie fünf ROIs in der Gefäß-Thermoreaktivitätskarte mitteln. Die Werte der Gefäß-Thermoreaktivität 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 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 die Hautregion identifizieren, deren 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 fiduziellen 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 einander zu. Nachdem Sie sie auf denselben Maßstab normiert haben, ordnen Sie einem Kontrollpunkt im ersten Bild den nächstgelegenen Kontrollpunkt zu.

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

Schließlich die korregistrierten Bilder zur Visualisierung überlagern. Hier wird eine rekonstruierte Karte der kutanen Gewebeoxygenierung gezeigt, die am Unterarm eines gesunden Probanden mit dem umfassenden, auf die Wunde zentrierten, zweimodalen Bildgebungssystem aufgenommen wurde. Beachten Sie, dass keine signifikanten Unterschiede in der Oxygenierung zwischen den markierten und nicht markierten Geweberegionen beobachtet werden.

Es wurden 10 ROIs zufällig 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 für Wundzentren 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 tieferen Gewebeatmung. Das umfassende Bildgebungssystem für Wundzentren kann außerdem die vaskuläre thermische Reaktivität des kutanen Gewebes abbilden.

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

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 Gewebesauerstoffanreicherung 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-Registrierungs-Algorithmus im System leicht an zusätzliche Bildgebungsmodalitäten angepasst werden, 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.