Double mode d'imagerie de l'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, 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.