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 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.