Name: De modo dual de imágenes de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-12-08T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 35 s
Description: Aprende a evaluar la oxigenación tisular cutánea y la función vascular mediante un sistema de imagen dual no invasivo que integra cámara infrarroja, CCD y filtros. Este método avanza en el monitoreo de heridas crónicas.

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Apoyado por el NIH RO1 HL073087 premios, GM 077185, 069589 y GM para CKS. El trabajo también es apoyado por una beca del programa de Medicina Regenerativa de la DHLRI. Los autores agradecen el apoyo técnico e insumos clínicos a partir del siguiente personal de la Universidad Estatal de Ohio: Dr. Sabyasachi.Biswas (Centro Integral de la herida), la Dra. Allison Spiwak (División de Tecnología de circulación), Agoston José (División de Circulación), Thoma agramizas (División de Circulación), José Ewing (Ingeniería Mecánica), Scott Killinger (Ingeniería Mecánica), y Xiaoyin Ge (Ingeniería Eléctrica).

<ol><li>Myers, D. E., Anderson, L. D., Seifert, R. P., Ortner, J. P., Cooper, C. E., Beilman, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+method+for+measuring+local+hemoglobin+oxygen+saturation+in+tissue+using+wide+gap+second+derivative+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Noninvasive method for measuring local hemoglobin oxygen saturation in tissue using wide gap second derivative near-infrared spectroscopy.</a> J Biomed Opt. 10 (3), 034017-034017 (2005).</li>
<li>Jarm, T., Kragelj, R., Liebert, A., Lukasiewitz, P., Erjavec, T., Preseren-Strukelj, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postocclusive+reactive+hyperemia+in+healthy+volunteers+and+patients+with+peripheral+vascular+disease+measured+by+three+noninvasive+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Exp+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Postocclusive reactive hyperemia in healthy volunteers and patients with peripheral vascular disease measured by three noninvasive methods.</a> Adv Exp Med Biol. 530, 661-669 (2003).</li>
<li>Treacher, D. F., Leach, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxygen+transport-1.+Basic+principles%5BTitle%5D)+AND+%22Bmj%22%5BJournal%5D)">Oxygen transport-1. Basic principles.</a> Bmj. 317 (7168), 1302-1306 (1998).</li>
<li>Leach, R. M., Treacher, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxygen+transport-2.+Tissue+hypoxia%5BTitle%5D)+AND+%22BMJ%22%5BJournal%5D)">Oxygen transport-2. Tissue hypoxia.</a> BMJ. 317 (7169), 1370-1373 (1998).</li>
<li>Sen, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wound+healing+essentials%3A+let+there+be+oxygen%5BTitle%5D)+AND+%22Wound+Repair+Regen%22%5BJournal%5D)">Wound healing essentials: let there be oxygen.</a> Wound Repair Regen. 17 (1), 1-18 (2009).</li>
<li>RL, G. reenman, Panasyuk, S., Wang, X., TE, L. yons, Dinh, T., Longoria, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+changes+in+the+skin+microcirculation+and+muscle+metabolism+of+the+diabetic+foot%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Early changes in the skin microcirculation and muscle metabolism of the diabetic foot.</a> Lancet. 366 (9498), 1711-1717 (2005).</li>
<li>Valvano, J. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+use+of+thermal+diffusivity+to+quantify+tissue+perfusion+%5B%5D%22">The use of thermal diffusivity to quantify tissue perfusion [dissertation]</a>. , Massachusetts Institute of Technology. (1981).</li>
<li>Hassan, M., Togawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+skin+thermal+inertia+distribution+during+reactive+hyperaemia+using+a+single-hood+measurement+system%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol+Meas%22%5BJournal%5D)">Observation of skin thermal inertia distribution during reactive hyperaemia using a single-hood measurement system.</a> Physiol Meas. 22 (1), 187-200 (2001).</li>
<li>Ley, O., Deshpande, C., Prapamcham, B., Naghavi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lumped+parameter+thermal+model+for+the+study+of+vascular+reactivity+in+the+fingertip%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">Lumped parameter thermal model for the study of vascular reactivity in the fingertip.</a> J Biomech Eng. 130 (3), 031012-031012 (2008).</li>
<li>Wilson, S. B., Spence, V. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+thermographic+imaging+method+for+quantifying+dermal+perfusion%3A+potential+and+limitations%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Dynamic thermographic imaging method for quantifying dermal perfusion: potential and limitations.</a> Med Biol Eng Comput. 27 (5), 496-501 (1989).</li>
</ol>

El oxígeno que existe en los tejidos biológicos en múltiples formas, tales como oxígeno de la hemoglobina o la mioglobina obligado, oxígeno disuelto, y las especies reactivas de oxígeno. El transporte de oxígeno juega un papel fundamental en el mantenimiento de la viabilidad del tejido y los procesos metabólicos normales 3. Agudo leve a moderada hipoxia iniciará la adaptación metabólica, regulación vascular, y la respuesta angiogénica 4. Hipoxia y anoxia extrema dará lugar a la angiogénesis insuficiente y la muerte celular. El desequilibrio entre el suministro de oxígeno limitada y demanda de oxígeno es uno de los principales factores causantes de muchas enfermedades, tales como heridas crónicas 5. En el caso de heridas isquémicas, el suministro de oxígeno es limitado por la falta de perfusión y no pueden satisfacer las necesidades metabólicas del proceso de curación y la función de poner en peligro estallido respiratorio destinadas a combatir la infección. Evaluación simultánea de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular tiene importancia clínica en el tratamiento de heridas crónicas. La técnica de imagen hiperespectral estimaciones oxigenación de los tejidos cutáneos de tejido iluminar y detectar la reflectancia del tejido en diferentes longitudes de onda 6. Una ventaja importante de imágenes hiperespectrales no es invasiva y la detección sin contacto de las propiedades de los tejidos funcionales. Sin embargo, la confiabilidad de la medición de oxígeno para muchos sistemas de imágenes hiperespectrales se ve afectada por el color de la piel y otras variaciones de la absorción de fondo. Espectroscopia amplia brecha de la segunda derivada se desarrolló con anterioridad para la medición de oxigenación a los tejidos con un mínimo efecto de la dispersión y la pigmentación de la piel 1. Se aplicó el principio de la espectroscopia de la segunda derivada de imágenes multiespectrales y demostró la medición constante de la oxigenación de los tejidos cutáneos independiente con los cambios de color simulado piel. Perfusión de los tejidos se ha estudiado previamente por la medición de siete tejido difusión térmica. Un método simple capilla se creó para introducir la estimulación térmica y las respuestas de la imagen tejido dinámico con el fin de estimar la distribución del tejido de la piel inercia térmica 8. Los experimentos en la piel del antebrazo humano sometido a la oclusión del manguito arterial demostró una relación lineal entre la inercia térmica y la perfusión de la sangre medido por un sensor de láser Doppler antes y durante la oclusión del flujo sanguíneo 8. Un modelo biocalor agrupados también fue utilizado para estimar la reactividad vascular punta de los dedos durante la pletismografía de oclusión venosa 9. A pesar de los esfuerzos anteriores, la cuantificación de la perfusión sanguínea de la piel las mediciones de temperatura de piel es un reto debido a la falta de sensibilidad, la dependencia del espesor de la grasa subcutánea, y otros factores contribuyentes, como la vasoconstricción, vasodilatación, y 10 artefactos de movimiento. En este protocolo, se utilizó una cámara de infrarrojos para captar la dinámica de la temperatura del tejido en respuesta a una estimulación térmica a temperatura ambiente. La estimulación térmica fue seleccionado para que el efecto de vasoconstricción y vasodilatación se redujo al mínimo. Modelización y medición de los esfuerzos necesarios a fin de delinear una correlación cuantitativa fiable entre el índice de la función vascular y la perfusión del tejido cutáneo. En el # 3, se utilizó la transformación afín para las tareas de co-registro. Sin embargo, dado que las dos cámaras se colocan en diferentes ángulos en el espacio 3D, que es potencialmente más precisos para aplicar una transformación relacionados con la transformación 3D entre las dos cámaras. Actualmente estamos explorando en esa dirección que implican la calibración extrínsecos de las cámaras en un espacio 3D utilizando la geometría epipolar.

<table><tbody><tr><td>Tinta negra resistente al agua Higgins Calligraphy</td><td>Sanford</td><td>44314</td><td>diluida al 1%</td></tr><tr><td>Cámara CCD con enfriamiento profundo Hamamatsu ORCA ER</td><td>Hamamatsu Corp.</td><td>C4742-80-12AG</td><td></td></tr><tr><td>Filtro sintonizable de cristal líquido Varispec SNIR</td><td>Cambridge Research Systems</td><td>VIS-10-HC-20</td><td></td></tr><tr><td>Cámara infrarroja ThermoVision A40</td><td>FLIR Systems Inc.</td><td>A40</td><td></td></tr><tr><td>fuente de luz de fibra de alta intensidad Thorlabs OSL1</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>OSL1</td><td></td></tr></tbody></table>

de modo dual de imágenes de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular

Dual-mode Imaging of Cutaneous Tissue Oxygenation and Vascular Function

La evaluación precisa de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular es importante para la adecuada detección, clasificación y tratamiento de trastornos de salud varios, como las heridas crónicas. Se presenta el desarrollo de un sistema de imágenes de modo dual para imagen no invasiva y sin contacto de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular. El sistema de imagen integrado una cámara de infrarrojos, una cámara CCD, un filtro de cristal líquido ajustable y una fuente de luz de alta intensidad de fibra. Una interfaz de LabVIEW se programó para el control del equipo, la sincronización, la adquisición de imágenes, procesamiento y visualización. Imágenes multiespectrales captadas por la cámara CCD se utilizaron para reconstruir el mapa de la oxigenación tisular. Dinámicas imágenes termográficas capturada por la cámara infrarroja se utiliza para reconstruir el mapa de la función vascular. Oxigenación de los tejidos cutáneos y las imágenes de función vascular fueron co-registrados a través de marcadores fiduciarios. Las características de funcionamiento del sistema de imagen de modo dual se pusieron a prueba en seres humanos.

Un sistema de modo dual de imágenes fue desarrollado para la evaluación sin contacto de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular.

De modo dual de imágenes de la oxigenación de los tejidos cutáneos y la función vascular

La evaluación precisa de la oxigenación del tejido cutáneo y de la función vascular es importante para la detección, estadificación y tratamiento adecuados de numerosas afecciones de salud...

La evaluación precisa de la oxigenación del tejido cutáneo y la función vascular es importante para la detección, estadiaje y tratamiento adecuados de muchas alteraciones de la salud, incluyendo heridas crónicas. Aquí, se realiza imágenes de forma no invasiva de la oxigenación del tejido cutáneo y de la reactividad térmica vascular del tejido. Utilizando un novedoso sistema de imágenes en modo dual que integra una cámara infrarroja, una cámara CCD, un filtro sintonizable de cristal líquido y una fuente de luz de fibra de alta intensidad.Se inducen cambios en la oxigenación en el tejido del brazo de un sujeto sano mediante un manguito de presión arterial monitoreado por el sistema de imagen dual, y se comparan con mediciones simultáneas de oxigenación del tejido profundo y del tejido cutáneo. También se registran los cambios en la tensión de oxígeno y en la temperatura del tejido en respuesta a una estimulación térmica externa, con el fin de reconstruir el mapa de reactividad vascular térmica. El mapa de oxigenación del tejido cutáneo y el mapa de reactividad vascular térmica del tejido se fusionan mediante un algoritmo avanzado de co-registro. En este trabajo, describimos el desarrollo de un sistema de imagen novedoso para el monitoreo no invasivo de la saturación de oxígeno en tejidos de heridas, así como del perfil termográfico dinámico, lo cual ayuda a estudiar la inflamación exotérmica y a rastrear la sangre caliente que fluye hacia el tejido de la herida durante la fase angiogénica postinflamatoria.Desde una perspectiva clínica, este sistema de imagenología tiene el potencial de ayudar a responder preguntas clave en el campo del manejo de heridas agudas y crónicas, como el uso de la desbridación guiada por imágenes. También permitirá monitorear de forma no invasiva la respuesta de las heridas a las intervenciones terapéuticas mediante mediciones repetidas de la oxigenación tisular. Este sistema de imagenología de doble modelo desarrollado en el Centro Integral de Heridas de la Universidad Estatal de Ohio es el primer paso hacia la evaluación simultánea de la oxigenación del tejido de la herida y la función vascular.Como podrá observar, el sistema ya está listo para pruebas funcionales, y actualmente se están llevando a cabo esfuerzos para mejorar el protocolo estandarizado de diseño de ingeniería y un sistema validado para uso clínico rutinario. Además del hardware de imagen y los algoritmos de reconstrucción, hemos desarrollado medidas más rápidas de co-registro de imágenes para integrar y visualizar imágenes superpuestas obtenidas mediante diferentes modalidades de imagen. El enfoque es modular, lo que permite en el futuro la incorporación de nuevas plataformas de imagen.Comience con un sujeto sano. Haga que se siente con el antebrazo izquierdo apoyado sobre una superficie. Utilice un pincel para aplicar una capa fina de tinta de India sobre el antebrazo del sujeto, simulando diferentes colores de piel.Coloque cuatro marcadores fiduciales en el antebrazo del sujeto para definir una región de interés (ROI) que incluya tanto la tinta, la piel pintada como la piel normal. Los marcadores fiduciales presentan contrastes térmicos y ópticos simultáneos que facilitan la co-registración de imágenes; aquí se utiliza el sistema de imagen dual desarrollado en el centro integral de heridas de la Ohio State University. El sistema de imagen consta de una cámara infrarroja, una cámara CCD, un filtro sintonizable de cristal líquido y una fuente de luz de fibra de alta intensidad para realizar imágenes multi-espectrales de la oxigenación tisular.Apague todas las fuentes de luz externas, luego pida al sujeto que coloque su brazo y capture las imágenes. El software de imagen calibra automáticamente los tiempos de exposición en cada longitud de onda. Después de obtener las imágenes de muestra de la región de interés, coloque una pizarra blanca en el área de imagen y adquiera imágenes de reflectancia a diferentes longitudes de onda.Estos se utilizarán para la calibración. Una vez que se hayan adquirido las imágenes de referencia, calcule la razón de reflectancia y derive la oxigenación tisular en cada píxel en función del intervalo amplio.Espectro de segunda derivada. Como comparación, adquiera un mapa de oxigenación del tejido cutáneo utilizando un sistema comercial para determinar si el cambio de color de la piel afecta las mediciones de oxigenación en cada sistema. Utilice un software de análisis estadístico para realizar una prueba T de Student, comparando las mediciones en las regiones con y sin tinta.A continuación, coloque una manga de presión en el brazo superior izquierdo del sujeto. Determine y registre las presiones sanguíneas sistólica y diastólica del sujeto. Coloque los sensores de un espectrofotómetro tisular plex TS y de un monitor transcutáneo de oxígeno A TCM en el mismo brazo y encienda los dispositivos para calentarlos durante 20 minutos mientras monitorea el mapa de oxigenación tisular cutánea.Introduzca cambios de oxigenación en el tejido del brazo realizando una hiperemia reactiva postoclusiva o PORH. Haga clic en el botón de inicio para comenzar la adquisición de imágenes. Monitoree la línea base previa a la oclusión durante dos minutos.A continuación, infle la manga del tensiómetro hasta 50 milímetros de mercurio por encima de la presión sistólica para inducir una oclusión suprasistólica. Mantenga la manga inflada durante dos minutos, continuando con el monitoreo de los cambios en los parámetros tisulares. Finalmente, desinfle rápidamente la manga para inducir hiperemia reactiva.Registre todos los parámetros de oxígeno tisular durante dos minutos. Para realizar imágenes termográficas dinámicas, tenga a un sujeto sano cómodamente.Siente con el brazo izquierdo apoyado sobre una superficie. Coloque el dorso de la mano izquierda hacia arriba, en dirección a la unidad de cámara infrarroja del sistema de imagen. A continuación, coloque una sonda de láser doppler sobre la yema del dedo de la mano izquierda para monitorear continuamente la perfusión cutánea a una frecuencia de muestreo de 10 hertz.Coloque una manga de presión en el brazo superior izquierdo del sujeto. Luego determine y registre las presiones sanguíneas sistólica y diastólica del sujeto. Genere diferentes niveles de oclusión vascular controlando la inflación de la manga de presión a los siguientes niveles de presión: sin oclusión, 0,5 veces la presión diastólica, 0,5 veces la presión diastólica combinada con la presión sistólica, y 1,5 veces la presión sistólica.A continuación, realice pruebas de imagen termográfica en dos niveles de oclusión vascular: sin oclusión y con una oclusión sistólica en cada nivel de oclusión vascular. Introduzca una estimulación térmica colocando una bolsa de agua a temperatura ambiente sobre la mano izquierda durante 30 segundos. Inmediatamente después de retirar la bolsa de agua, comience a adquirir imágenes termográficas de forma continua a una velocidad de adquisición de dos cuadros por segundo.Mediante el uso de software, determine la función de reactividad térmica vascular del tejido. Calcule el índice de la función en cada píxel de la imagen termográfica tomando la razón entre la raíz cuadrada de la duración de la estimulación térmica y el cambio correspondiente de temperatura del tejido. Calcule el valor de reactividad térmica vascular del dedo a cada presión de oclusión promediando cinco ROI en el mapa de reactividad térmica vascular del tejido. Los valores de reactividad térmica vascular del dedo se comparan con mediciones mediante láser doppler de la perfusión vascular del dedo a diferentes niveles de oclusión.Para registrar conjuntamente el mapa de oxigenación obtenido mediante imágenes multiespectrales y el mapa de función vascular obtenido mediante imágenes termográficas dinámicas. Utilice MATLAB para transformar todas las imágenes a escala de grises. Luego, normalice los valores de intensidad de los píxeles estableciéndolos entre cero y uno.A continuación, en el mapa de oxigenación o imagen multiespectral, identifique la región del primer plano o de la piel con valores de intensidad de píxel superiores al umbral global empírico de 0,8 veces el valor medio de intensidad de toda la imagen. Mejore aún más la imagen utilizando la operación morfológica. A continuación, para acomodar la variación de iluminación, identifique los marcadores fiduciales.Estos marcadores aparecerán como regiones más oscuras en primer plano y tendrán valores de intensidad por debajo de los umbrales globales y locales adaptativos. Refine las regiones de los marcadores fiduciarios mediante operaciones morfológicas para eliminar el ruido en la imagen y seleccione los OID de estas cuatro regiones como puntos de control en la fotografía óptica.Repita pasos similares para identificar regiones marcadoras en el mapa de función vascular o en la imagen termográfica. Relacione los dos conjuntos de puntos de control según su proximidad. Después de normalizarlos a la misma escala, asocie un punto de control en la primera imagen con el punto de control más cercano.En la segunda, calcule una transformación fina con información de traslación, rotación y escalamiento entre las dos imágenes, utilizando el mapa de función vascular como referencia. Luego transforme el mapa de oxigenación utilizando la transformación calculada.Finalmente, superponga las imágenes coregistradas para su visualización. Aquí se muestra un mapa reconstruido de oxigenación tisular cutánea obtenido del antebrazo de un sujeto sano mediante el sistema integral de imagen dual centrado en heridas. Observe que no se observan diferencias significativas de oxigenación entre las regiones tisulares pintadas y las no pintadas.Se seleccionaron aleatoriamente 10 ROI desde fuera y dentro de la región pintada con tinta para evaluar las mediciones de oxigenación. Los resultados mostrados aquí sugieren que la medición de la oxigenación tisular mediante el sistema del centro integral de heridas no se ve significativamente afectada por el color de la piel. En comparación, las mediciones de oxigenación tisular obtenidas utilizando un sistema comercial se ven significativamente afectadas por el color de la piel.El sistema integral de imagen del centro de heridas es capaz de monitorear continuamente los cambios en la oxigenación del tejido cutáneo durante las fases de oclusión basal y hiperemia del procedimiento de HROP. Durante el procedimiento de HROP, el cambio en la oxigenación del tejido cutáneo coincide con los cambios en la oxigenación del tejido profundo. El sistema integral de imagen del centro de heridas también puede obtener imágenes de la reactividad térmica vascular del tejido cutáneo.Estas figuras muestran mapas representativos de la función vascular del mismo sujeto a diferentes presiones de oclusión vascular inducidas por una manga de presión. El índice promedio de función vascular en las puntas de los dedos del sujeto se correlaciona con la medición láser doppler de las puntas de los dedos. Perfusión tisular cutánea.El mapa de oxigenación y el mapa de función vascular adquiridos por el sistema de imágenes se fusionan mediante un algoritmo de co-registro. Esta figura muestra una fusión representativa de imágenes. Lo que tenemos aquí es un sistema de imagen de doble modelo para la evaluación simultánea de la oxigenación tisular continua y la reactividad térmica vascular del tejido.Otras plataformas, como la imagen de fluorescencia, pueden añadirse. La integración del sistema de componentes de hardware y software representa un pilar fundamental. En este sentido, el algoritmo de co-registro de imágenes del sistema puede adaptarse fácilmente para acomodar modalidades de imagen adicionales, lo que convierte a este producto en versátil.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de las posibilidades que ofrece este nuevo enfoque de imagen. El desarrollo del sistema es un ejemplo de investigación traslacional interdisciplinaria en el Centro Integral de Heridas de la Universidad Estatal de Ohio. Buena suerte con sus experimentos.

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