Name: Double mode dimagerie de loxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-12-08T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 35 s
Description: Découvrez un système d'imagerie double mode pour évaluer l'oxygénation tissulaire cutanée et la fonction vasculaire de manière non invasive. Cette méthode avancée permet de surveiller la cicatrisation des plaies chroniques.

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Soutenu par le NIH RO1 prix HL073087, GM 077185, 069589 et GM à CKS. Le travail est également soutenue par une subvention du Programme de médecine régénératrice de l&#39;DHLRI. Les auteurs sont reconnaissants à l&#39;appui technique et les intrants cliniques du personnel suivant à l&#39;Université Ohio State: Dr Sabyasachi.Biswas (Centre plaies complète), le Dr Allison Spiwak (Division de la technologie de circulation), Joseph Agoston (Division de circulation), Thoma Shives (Division du prêt), Joseph Ewing (génie mécanique), Scott Killinger (génie mécanique), et Xiaoyin Ge (génie électrique).

<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>
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</ol>

L&#39;oxygène existe dans les tissus biologiques dans des formes multiples, telles que l&#39;hémoglobine en oxygène ou de myoglobine liés, l&#39;oxygène dissous, et les espèces réactives de l&#39;oxygène. Transport de l&#39;oxygène joue un rôle crucial dans le maintien de la viabilité des tissus et des processus métaboliques normaux 3. Bénigne aiguë à l&#39;hypoxie modérée lancera adaptation métabolique, la régulation vasculaire, et les réponses angiogéniques 4. Hypoxie et l&#39;anoxie extrême mènera à l&#39;angiogenèse insuffisante et la mort cellulaire. Le déséquilibre entre l&#39;apport en oxygène limitée et la demande accrue d&#39;oxygène est un des principaux facteurs à l&#39;origine pour de nombreux troubles tels que les plaies chroniques 5. Dans le cas de plaies ischémiques, l&#39;approvisionnement en oxygène est limitée par le manque de perfusion et ne peuvent satisfaire les besoins métaboliques du processus de guérison et de compromettre la fonction explosion respiratoire visant à combattre l&#39;infection. L&#39;évaluation simultanée de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire a une importance clinique dans le traitement des plaies chroniques. La technique d&#39;imagerie hyperspectrale estimations oxygénation des tissus cutanés par le tissu éclairant et de détecter la réflectance des tissus à différentes longueurs d&#39;onde 6. Un avantage majeur de l&#39;imagerie hyperspectrale est non invasive et sans contact de détection de propriétés des tissus fonctionnels. Cependant, la fiabilité de la mesure d&#39;oxygène pour de nombreux systèmes d&#39;imagerie hyperspectrale est affectée par la couleur de peau et d&#39;autres variations d&#39;absorption de fond. Large spectroscopie dérivée seconde lacune a été développé précédemment pour la mesure de l&#39;oxygénation tissulaire avec un effet minimal de diffusion et une pigmentation de la peau. Nous avons appliqué le principe de la spectroscopie dérivée seconde à l&#39;imagerie multispectrale et a démontré la mesure cohérente de l&#39;oxygénation des tissus cutanés indépendants avec les changements simulés couleur de la peau. Perfusion tissulaire a été préalablement étudiée en mesurant 7 diffusivité thermique des tissus. Une méthode simple capot a été développé pour introduire une stimulation thermique et les réponses des tissus image dynamique en vue d&#39;estimer le tissu cutané inertie thermique de distribution 8. Expériences sur la peau avant-bras humain soumis à une occlusion artérielle coiffe démontré de relation linéaire entre l&#39;inertie thermique et de la perfusion artérielle mesurée par un imageur laser à effet Doppler avant et pendant l&#39;occlusion du flux sanguin 8. Un modèle biochaleur regroupées a également été utilisé pour estimer la réactivité du bout des doigts vasculaires pendant l&#39;occlusion veineuse pléthysmographie 9. Malgré les efforts ci-dessus, la quantification de la perfusion sanguine cutanée à partir de mesures de température cutanée est difficile en raison du manque de sensibilité, de la dépendance des sous-cutanée épaisseur du gras, et d&#39;autres facteurs tels que la vasoconstriction, vasodilatation, et 10 artefacts de mouvement. Dans ce protocole, nous avons utilisé une caméra infrarouge pour capter la dynamique température des tissus en réponse à une stimulation thermique à température ambiante. La stimulation thermique a été choisi afin que l&#39;effet de vasoconstriction et la vasodilatation a été minimisé. La modélisation et des efforts de mesure sont nécessaires afin de délimiter une corrélation quantitative fiable entre l&#39;indice de la fonction vasculaire et la perfusion des tissus cutanés. En n ° 3, nous avons utilisé la transformation affine pour les tâches de co-inscription. Toutefois, étant donné que les deux caméras sont positionnées avec des angles différents dans l&#39;espace 3D, il est potentiellement plus précis pour appliquer une transformation liée à la transformation 3D entre les deux caméras. Actuellement, nous étudions dans cette direction qui impliquent l&#39;étalonnage extrinsèques des caméras dans l&#39;espace 3D en utilisant la géométrie épipolaire.

<table><tbody><tr><td>Encre noire imperméable Higgins Calligraphy</td><td>Sanford</td><td>44314</td><td>à diluer à 1 %</td></tr><tr><td>Caméra CCD à refroidissement profond Hamamatsu ORCA ER</td><td>Hamamatsu Corp.</td><td>C4742-80-12AG</td><td></td></tr><tr><td>Filtre accordable à cristaux liquides Varispec SNIR</td><td>Cambridge Research Systems</td><td>VIS-10-HC-20</td><td></td></tr><tr><td>Caméra infrarouge ThermoVision A40</td><td>FLIR Systems Inc.</td><td>A40</td><td></td></tr><tr><td>Source de lumière à fibre haute intensité Thorlabs OSL1</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>OSL1</td><td></td></tr></tbody></table>

double mode d&#39;imagerie de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire

Dual-mode Imaging of Cutaneous Tissue Oxygenation and Vascular Function

L&#39;évaluation précise de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire est important pour la détection appropriée, mise en scène, et le traitement des troubles de santé tels que de nombreuses plaies chroniques. Nous rapportons le développement d&#39;un système d&#39;imagerie bi-mode pour l&#39;imagerie non-invasive et sans contact de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire. Le système d&#39;imagerie intégrée une caméra infrarouge, une caméra CCD, un filtre à cristaux liquides accordable et une source de fibres à haute intensité de lumière. Une interface Labview a été programmé pour le contrôle de l&#39;équipement, la synchronisation, l&#39;acquisition d&#39;images, de traitement et de visualisation. Images multispectrales capturée par la caméra CCD ont été utilisés pour reconstruire la carte oxygénation des tissus. Dynamique images thermographiques capturée par la caméra infrarouge ont été utilisés pour reconstruire la carte de la fonction vasculaire. L&#39;oxygénation des tissus cutanés et les images de la fonction vasculaire ont été co-enregistré par le biais des marqueurs fiduciaires. Les caractéristiques de performance du système de l&#39;image bi-mode ont été testés chez les humains.

Un système bi-mode d&#39;imagerie a été développé pour les non-contact avec l&#39;évaluation de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire.

Double mode d&#39;imagerie de l&#39;oxygénation des tissus cutanés et la fonction vasculaire

L'évaluation précise de l'oxygénation des tissus cutanés et de la fonction vasculaire est importante pour la détection, la stadification et le traitement appropriés de nombreuses pathologies...

L'évaluation précise de l'oxygénation des tissus cutanés et de la fonction vasculaire est importante pour la détection, le stadiage et le traitement appropriés de nombreux troubles de santé, notamment les plaies chroniques. Ici, l'oxygénation tissulaire cutanée et la réactivité thermique vasculaire tissulaire sont imagées de manière non invasive. À l'aide d'un nouveau système d'imagerie bimodal intégrant une caméra infrarouge, une caméra CCD, un filtre accordable à cristaux liquides et une source de lumière fibrée de haute intensité.Des variations d'oxygénation sont induites dans le tissu du bras d'un sujet sain à l'aide d'un brassard de tensiomètre surveillé par le système d'imagerie bimodal, puis comparées aux mesures simultanées de l'oxygénation des tissus profonds et des tissus cutanés. Les variations de tension en oxygène et de température tissulaire en réponse à une stimulation thermique externe sont également enregistrées afin de reconstruire la carte de réactivité vasculaire thermique. La carte d'oxygénation tissulaire cutanée et la carte de réactivité vasculaire thermique tissulaire sont fusionnées au moyen d'un algorithme avancé de co-localisation. Dans cette étude, nous décrivons le développement d'un système d'imagerie innovant permettant la surveillance non invasive de la saturation en oxygène des tissus lésés, ainsi que du profil thermographique dynamique, ce qui facilite l'étude de l'inflammation exothermique et le traçage du sang chaud pénétrant dans le tissu lésé durant la phase post-inflammatoire angiogénique.D’un point de vue clinique, ce système d’imagerie pourrait aider à répondre à des questions essentielles dans le domaine de la prise en charge des plaies aiguës et chroniques, comme l’utilisation du curetage guidé par l’image. Il permettra également de surveiller de façon non invasive l’efficacité des interventions thérapeutiques sur les plaies grâce à des mesures répétées de l’oxygénation tissulaire. Ce système d’imagerie à double modèle, mis au point au Comprehensive Wound Center de l’Ohio State University, constitue la première étape vers l’évaluation simultanée de l’oxygénation tissulaire des plaies et de la fonction vasculaire.Comme vous le verrez, le système est désormais prêt pour les essais fonctionnels, dont les efforts sont en cours afin d'améliorer le protocole normalisé de conception technique et de valider un système destiné à un usage clinique courant. En complément du matériel d'imagerie et des algorithmes de reconstruction, nous avons mis au point des mesures accélérées de co-localisation d'images afin d'intégrer et de visualiser les images superposées obtenues par les différentes modalités d'imagerie. L'approche adoptée est modulaire, prévoyant une intégration future de nouvelles plateformes d'imagerie.Commencez par placer un sujet en bonne santé. Faites asseoir le sujet avec son avant-bras gauche reposant sur un plan de travail. Utilisez un pinceau pour appliquer une fine couche d'encre de Chine sur l'avant-bras du sujet afin d'imiter différentes couleurs de peau.Placer quatre marqueurs fiduciaires sur l'avant-bras du sujet afin de définir une région d'intérêt (ROI) comprenant à la fois l'encre, la peau peinte et la peau normale. Les marqueurs fiduciaires présentent des contrastes thermiques et optiques simultanés qui facilitent la co-localisation des images ; ici, on utilise le système d'imagerie bimodale mis au point au centre intégré des plaies de l'Université d'État de l'Ohio. Le système d'imagerie comprend une caméra infrarouge, une caméra CCD, un filtre accordable à cristaux liquides et une source de lumière fibrée à haute intensité afin d'effectuer une imagerie multispectrale de l'oxygénation tissulaire.Éteignez toutes les sources de lumière extérieures, puis demandez au sujet de positionner son bras et capturez les images. Le logiciel d'imagerie calibre automatiquement les temps d'exposition à chaque longueur d'onde. Après avoir collecté les images de l'échantillon à partir de la région d'intérêt, placez une surface blanche dans la zone d'imagerie et acquérez des images de réflectance à différentes longueurs d'onde.Ils seront utilisés pour l'étalonnage. Une fois les images de référence acquises, calculez le rapport de réflectance et déduisez l'oxygénation tissulaire pour chaque pixel en fonction du large écart.Spectre de la dérivée seconde. À des fins de comparaison, acquérir une carte d'oxygénation des tissus cutanés à l'aide d'un système commercial afin de déterminer si la variation de la couleur de la peau affecte les mesures d'oxygénation dans chaque système. Utiliser un logiciel d'analyse statistique pour effectuer un test t de Student, comparant les mesures dans les régions avec et sans encre.Ensuite, placez un brassard de pression sur le bras supérieur gauche du sujet. Déterminez et enregistrez les pressions artérielles systolique et diastolique du sujet. Placez les capteurs d'un spectrophotomètre tissulaire plex TS et d'un moniteur transcutané d'oxygène A TCM sur le même bras et allumez les appareils pour les préchauffer pendant 20 minutes, tout en surveillant la carte d'oxygénation tissulaire cutanée.Induisez des modifications de l'oxygénation dans le tissu du bras en réalisant une hyperhémie réactive post-occlusive ou PORH. Cliquez sur le bouton de démarrage pour commencer l'acquisition d'images. Surveillez la ligne de base pré-occlusive pendant deux minutes.Ensuite, gonflez le brassard de tension artérielle à 50 millimètres de mercure au-dessus de la pression systolique afin d'induire une occlusion suprasystolique. Laissez le brassard gonflé pendant deux minutes, en continuant à surveiller les modifications des paramètres tissulaires. Enfin, dégonflez rapidement le brassard pour induire une hyperhémie réactive.Enregistrez tous les paramètres d'oxygène tissulaire pendant deux minutes. Pour effectuer un examen thermographique dynamique, placez un sujet en bonne santé en position confortable.S'asseoir avec le bras gauche posé sur un plan de travail. Placer le dos de la main gauche vers le haut, face à l'unité de caméra infrarouge du système d'imagerie. Ensuite, placer une sonde laser Doppler sur l'extrémité du doigt de la main gauche afin de surveiller en continu la perfusion cutanée à une fréquence d'échantillonnage de 10 hertz.Placer un brassard de pression sur le bras supérieur gauche du sujet. Ensuite, déterminer et enregistrer les pressions artérielles systolique et diastolique du sujet. Générer différents niveaux d'occlusion vasculaire en contrôlant l'insufflation du brassard de pression aux niveaux de pression suivants : aucune occlusion, 0,5 fois la pression diastolique, 0,5 fois la pression diastolique combinée à la pression systolique, et 1,5 fois la pression systolique.Ensuite, effectuez des tests d'imagerie thermographique à deux niveaux d'occlusion vasculaire : sans occlusion et avec une occlusion systolique à chaque niveau d'occlusion vasculaire. Appliquez une stimulation thermique en plaçant un sac d'eau à température ambiante sur la main gauche pendant 30 secondes. Immédiatement après le retrait du sac d'eau, commencez à acquérir continuellement des images thermographiques à une fréquence de deux images par seconde.À l'aide d'un logiciel, déterminez la fonction de réactivité thermique vasculaire du tissu. Calculez l'indice de la fonction pour chaque pixel de l'image thermographique en prenant le rapport entre la racine carrée de la durée de la stimulation thermique et la variation correspondante de la température tissulaire. Calculez la valeur de réactivité thermique vasculaire du doigt à chaque pression d'occlusion en faisant la moyenne de cinq régions d'intérêt (ROI) sur la carte de réactivité thermique vasculaire tissulaire. Les valeurs de réactivité thermique vasculaire du doigt sont comparées aux mesures par laser Doppler de la perfusion vasculaire du doigt à différents niveaux d'occlusion.Pour effectuer l'analyse conjointe de la carte d'oxygénation obtenue par imagerie multispectrale et de la carte de fonction vasculaire obtenue par imagerie thermographique dynamique. Utiliser MATLAB pour transformer toutes les images en niveaux de gris, puis normaliser les valeurs d'intensité des pixels en les ajustant entre zéro et un.Ensuite, sur la carte d'oxygénation ou l'image multispectrale, identifier la région au premier plan ou la région cutanée dont les valeurs d'intensité des pixels sont supérieures au seuil global empirique de 0,8 fois la valeur d'intensité moyenne de l'image entière. Améliorer davantage l'image à l'aide de l'opération morphologique. Ensuite, afin de tenir compte des variations d'éclairage, identifier les marqueurs fiduciaires.Ces marqueurs apparaîtront comme des régions plus sombres au premier plan et auront des valeurs d'intensité inférieures aux seuils globaux et locaux adaptatifs. Affinez les régions des marqueurs fiduciaires à l'aide d'opérations morphologiques afin d'éliminer le bruit dans l'image, puis sélectionnez les OID de ces quatre régions comme points de contrôle sur la photo optique.Répétez des étapes similaires pour identifier les régions marqueurs sur la carte de fonction vasculaire ou sur l'image thermographique. Appariez les deux ensembles de points de contrôle en fonction de leur proximité. Après les avoir normalisés à la même échelle, associez un point de contrôle de la première image au point de contrôle le plus proche.Dans la deuxième étape, calculez une transformation fine incluant les informations de translation, de rotation et de mise à l'échelle entre les deux images, en utilisant la carte de fonction vasculaire comme référence. Ensuite, transformez la carte d'oxygénation à l'aide de la transformation calculée.Enfin, superposez les images co-registrées pour la visualisation. Une carte reconstruite de l'oxygénation tissulaire cutanée, obtenue à partir de l'avant-bras d'un sujet sain à l'aide du système d'imagerie bimodal centré sur la plaie et complet, est présentée ici. Remarquez qu'aucune différence significative d'oxygénation entre les régions tissulaires peintes et non peintes n'est observée.10 régions d'intérêt (ROI) ont été sélectionnées aléatoirement à l'extérieur et à l'intérieur de la zone marquée à l'encre afin d'évaluer les mesures d'oxygénation. Les résultats présentés ici suggèrent que la mesure de l'oxygénation tissulaire par le système du centre complet de traitement des plaies n'est pas significativement influencée par la couleur de la peau. En comparaison, les mesures d'oxygénation tissulaire obtenues à l'aide d'un système commercial sont significativement influencées par la couleur de la peau.Le système d'imagerie complet du centre des plaies permet de surveiller en continu les variations de l'oxygénation des tissus cutanés tout au long des phases d'occlusion de base et d'hyperhémie de la procédure PORH. Pendant la procédure PORH, les variations de l'oxygénation des tissus cutanés coïncident avec les modifications de l'oxygénation des tissus profonds. Le système d'imagerie complet du centre des plaies est également capable d'imaginer la réactivité thermique vasculaire des tissus cutanés.Ces figures montrent des cartes représentatives de la fonction vasculaire du même sujet à différentes pressions d'occlusion vasculaire induites par un brassard pneumatique. L'indice moyen de fonction vasculaire au niveau des extrémités des doigts du sujet est corrélé à la mesure par doppler laser au niveau des extrémités des doigts. Perfusion tissulaire cutanée.La carte d'oxygénation et la carte de fonction vasculaire acquises par le système d'imagerie sont fusionnées par un algorithme de co-localisation. Cette figure montre une fusion d'images représentative. Ce que nous avons ici est un système d'imagerie à double modèle permettant l'évaluation simultanée de l'oxygénation tissulaire cutanée continue et de la réactivité thermique vasculaire tissulaire.D'autres plateformes, telles que l'imagerie par fluorescence, peuvent être ajoutées. L'intégration système des composants matériels et logiciels représente un pilier essentiel. Dans cette optique, l'algorithme de co-localisation d'images du système peut être facilement adapté pour intégrer des modalités d'imagerie supplémentaires, ce qui fait de ce produit un système polyvalent.Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre les perspectives offertes par cette nouvelle approche d'imagerie. Le développement du système illustre une recherche translationnelle interdisciplinaire menée au Centre intégré des plaies de l'Université d'État de l'Ohio. Bonne chance dans vos expériences.

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