Dual-mode הדמיה של חמצון רקמות עורית ועל תפקוד כלי הדם

הערכה מדויקת של חמצון רקמת העור והתפקוד הכלימי חשובה לצורך זיהוי, שלב וטיפול נאותים בהפרעות בריאותיות רבות, כולל פצעים כרוניים. כאן, חמצון רקמת העור והתגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה מודגמים באופן לא פולשני. זאת באמצעות מערכת דימוי דו-מצב חדשנית המשלבת מצלמה תרמית (אינפרה-אדום), מצלמת CCD, מסנן גבישים נוזליים כווןני (liquid crystal tuneable filter) ומקור אור סיבתי בעצימות גבוהה.

שינויים בחמצון מושריים ברקמת הזרוע של נבדק בריא באמצעות שרוול למדידת לחץ דם המנוטר על ידי מערכת דימות במצב כפול, ומושוותים למדידות סימולטניות של חמצון רקמה עמוקה ורקמה עורית; במקביל, נרשמים שינויים בלחץ החמצון ובטמפרטורת הרקמה בתגובה לגירוי תרמי חיצוני כדי לשחזר את מפת התגובתיות התרמית של כלי הדם. מפת החמצון של הרקמה העורית ומפת התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה מוזגות באמצעות אלגוריתם רישום-משותף (co-registration) מתקדם. בעבודה זו, אנו מתארים פיתוח של מערכת דימות חדשנית לניטור לא-פולשני של רוויית חמצן ברקמת פצע, וכן של פרופיל תרמוגרפי דינמי, המסייע בחקר דלקת אקסותרמית ובמעקב אחר זרימת דם חמה אל רקמת הפצע במהלך השלב האנגיוגני הפוסט-דלקתי.

מנקודת מבט קלינית, למערכת דימוי זו יש פוטנציאל לסייע במתן תשובות לשאלות מרכזיות בתחום הטיפול בפצעים חריים וכרוניים, כגון שימוש בדברידמנט מונחה הדמיה. היא גם תסייע בניטור לא פולשני של התגובה להתערבויות טיפוליות בפצע, באמצעות מדידות חוזרות של חמצון רקמות. מערכת דימוי כפולה זו, שפותחה במרכז הפצעים המקיף של אוניברסיטת אוהיו סטייט (Ohio State University's Comprehensive Wound Center), היא השלב הראשון לקראת הערכה סימולטנית של חמצון רקמת הפצע ותפקוד כלי הדם.

כפי שתראו, המערכת מוכנה כעת לבדיקות תפקוד, ומאמצים נרחבים נעשים לשיפור התכנון ההנדסי, לקביעת פרוטוקול סטנדרטי, וליצירת מערכת מתוקף לשימוש קליני שגרתי. בנוסף לחומרת ההדמיה ולאלגוריתמי השחזור, פיתחנו מדדי רישום-מחדש (co-registration) מהירים יותר לתמונות, לצורך שילוב והצגה של תמונות חפיפה שנרכשו באמצעות שיטות הדמיה שונות. הגישה היא מודולרית ומאפשרת הוספה עתידית של פלטפורמות הדמיה חדשות.

התחילו עם נסיינית בריאה. הושיבו אותה כך שזרועה השמאלית תנוח על משטח עבודה. השתמשו במברשת כדי למרוח שכבה דקה של דיו הודו (India ink) על זרוע הנסיינית כדי לדמות גווני עור שונים.

מקם ארבעה סימני ייחוס (fiduciary markers) על אמותו של הנבדק כדי להגדיר אזור עניין (ROI) הכולל הן את הדיו, העור הצבוע, והן את העור הרגיל. לסימני הייחוס ניגודיות תרמית ואופטית בו-זמנית המקלות על רישום תמונות משולב (co-registration); במקרה זה, נעשה שימוש במערכת דימוי במצב כפול שפותחה במרכז הפצעים המקיף של אוניברסיטת אוהיו (Ohio State University). מערכת הדימוי מורכבת ממצלמת אינפרא-אדום, מצלמת CCD, מסנן גבישים נוזליים הניתן לכיוון (tunable filter), ומקור אור סיבי בעוצמה גבוהה לביצוע דימוי רב-ספקטרלי של חמצון רקמות.

כבה את כל מקורות האור החיצוניים, ולאחר מכן הנחה את הנבדק למקם את זרועו ולצלם תמונות. תוכנת ההדמיה מכיילת באופן אוטומטי את זמני החשיפה בכל אורך גל. לאחר איסוף תמונות הדגימה מאזור העניין, הנח לוח לבן באזור ההדמיה ורכוש תמונות החזרה באורכי גל שונים.

אלו ישמשו לכיול. לאחר רכישת תמונות הייחוס, חשב את יחס הנחזירות וגזור את רמת החמצון ברקמה בכל פיקסל על בסיס המרווח הרחב.

ספקטרום נגזרת שנייה. לצורך השוואה, רכשו מפת חמצון של רקמת עור באמצעות מערכת מסחרית כדי לקבוע האם שינוי בצבע העור משפיע על מדידות החמצון בכל מערכת. השתמשו בתוכנה לניתוח סטטיסטי כדי לבצע מבחן t של student, תוך השוואת המדידות באזורים עם ובלי דיו.

בשלב הבא, הניחו שרוול לחץ על זרועו השמאלית של הנבדק. קבעו ורשמו את לחץ הדם הסיסטולי והדיאסטולי של הנבדק. הניחו את החיישנים של ספקטרופוטומטר רקמות plex TS ומסך ניטור חמצן טרנס-קוטני A TCM על אותה זרוע, והפעילו את המכשירים לחימום למשך 20 דקות תוך ניטור מפת החמצון של רקמת העור.

החדר שינויים בחמצון של רקמת הזרוע על ידי ביצוע היפרמיה ריאקטיבית לאחר חסימה (PORH). לחץ על כפתור ההתחלה כדי להתחיל בדימות. עקוב אחר קו הבסיס שלפני החסימה במשך שתי דקות.

בשלב הבא, נפח את שרוול מד לחץ הדם עד ל-50 millimeters mercury מעל לחץ הסיסטולי כדי להשריג חסימה על-סיסטולית (supra systolic occlusion). השאר את השרוול מנופח למשך שתי דקות, תוך המשך ניטור שינויים בפרמטרי הרקמה. לבסוף, השחרר במהירות את לחץ השרוול כדי להשרות היפרמיה ריאקטיבית (reactive hyperemia).

הקליטו את כל הפרמטרים של חמצון הרקמה למשך שתי דקות. לצורך ביצוע דימוי תרמוגרפי דינמי. דאגו שהנבדק הבריא יהיה במצב נוח.

יש להושיב את הנבדק כאשר זרועו השמאלית נשענת על משטח עבודה. יש למקם את גב כף היד השמאלית כלפי מעלה, לכיוון יחידת מצלמת האינפרה-אדום של מערכת ההדמיה. לאחר מכן, יש להניח גשושית לייזר דופלר על קצה האצבע של יד שמאל כדי לנטר באופן רציף את פרפוזיית העור בקצב דגימה של 10 hertz.

הנחו מד לחץ (pressure cuff) על זרועו השמאלית של הנבדק. לאחר מכן, קבעו ורשמו את לחץ הדם הסיסטולי והדיאסטולי של הנבדק. צרו רמות שונות של חסימה וסקולרית (vascular occlusion) על ידי בקרת ניפוח מד הלחץ ברמות הלחץ הבאות: ללא חסימה, 0.5 מהלחץ הדיאסטולי, סכום של 0.5 מהלחץ הדיאסטולי והלחץ הסיסטולי, ו-1.5 מהלחץ הסיסטולי.

בשלב הבא, בצע בדיקות דימות תרמוגרפי בשתי רמות של חסימה כלי דם: ללא חסימה וחסימה סיסטולית. הגש גירוי תרמי באמצעות הנחת שקית מים בטמפרטורת החדר על יד שמאל למשך 30 שניות. מיד לאחר הסרת שקית המים, התחל ברכישת תמונות תרמוגרפיות באופן רציף בקצב דימות של שני פריימים לשנייה.

באמצעות תוכנה, קבע את פונקציית התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה. חשב את מדד הפונקציה בכל פיקסל של התמונה התרמוגרפית על ידי חישוב היחס בין השורש הריבועי של משך הגירוי התרמי לבין השינוי המתאים בטמפרטורת הרקמה. חשב את ערך התגובתיות התרמית של כלי הדם באצבע בכל לחץ חסימה (occlusion pressure) על ידי הפקת ממוצע של חמישה אזורי עניין (ROIs) במפת התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה. ערכי התגובתיות התרמית של כלי הדם באצבע מושווים למדידות לייזר דופלר של פרפוזיה של כלי הדם באצבע ברמות חסימה שונות.

לביצוע רישום משותף (coregister) של מפת החמצון שהתקבלה מדימות רב-ספקטרלית ומפת התפקוד כלי הדם שהתקבלה מדימות תרמוגרפית דינמית. השתמש ב-MATLAB כדי להמיר את כל התמונות לגווני אפור. לאחר מכן, נרמל את ערכי עוצמת הפיקסלים על ידי הגדרתם בטווח שבין אפס לאחד.

בשלב הבא, במפת החמחמון או בתמונה הרב-ספקטרלית, זהו את אזור הרקע או העור בעלי ערכי עוצמת פיקסלים הגבוהים מהסף הגלובלי האמפירי של 0.8 כפול ערך העוצמה הממוצע של התמונה כולה. שפר את התמונה עוד יותר באמצעות פעולה מורפולוגית. לאחר מכן, כדי להתאים את השינויים בתאורה, זהה את סימני הייחוס (fiduciary markers).

סמנים אלה יופיעו כאזורים כהים יותר במקלדת (foreground) ויהיו בעלי ערכי עוצמה הנמוכים מהספים הגלובליים והלוקאליים האדפטיביים. שכללו את אזורי הסמנים הפידუციאריים (fiduciary markers) באמצעות פעולות מורפולוגיות כדי להסיר רעשים מהתמונה, ובחרו את ה-OIDs של ארבעת האזורים הללו כנקודות בקרה בתמונה האופטית.

חזור על שלבים דומים כדי לזהות אזורי סימון במפת התפקוד העורקי או בתמונה התרמוגרפית. התאם את שני סטים של נקודות הבקרה על סמך קרבה. לאחר נרמול שלהם לאותו קנה מידה, התאם נקודת בקרה בתמונה הראשונה לנקודת הבקרה הקרובה ביותר.

בשלב השני, חשב טרנספורמציה מדויקת הכוללת מידע על הזזה, סיבוב ושינוי קנה מידה בין שתי התמונות, תוך שימוש במפת התפקוד הכלי (vascular function map) כמרجع. לאחר מכן, התמר את מפת החמצון (oxygenation map) באמצעות הטרנספורמציה שחושבה.

לבסוף, חפפו את התמונות שעברו רישום משותף (coregistration) לצורך ויזואליזציה. כאן מוצגת מפת חמצון של רקמת עור ששוחלמה והושגה מהזרוע של נסיינית בריאה באמצעות מערכת דימוי דו-מצב מקיפה הממוקדת בפצע. שימו לב כי לא נצפו הבדלי חמצון משמעותיים בין אזורי הרקמה הצבועים לאזורים שאינם צבועים.

10 אזורי עניין (ROIs) נבחרו באופן אקראי מחוץ ומתוך האזור שצוירו בדיו כדי להעריך את מדידות החמצגנציה. התוצאות המוצגות כאן מצביעות על כך שמדידת חמצגנציה של רקמות באמצעות המערכת המקיפה של מרכז הפצעים אינה מושפעת באופן משמעותי מצבע העור. להשוואה, מדידות חמצגנציה של רקמות שנרכשו באמצעות מערכת מסחרית מושפעות באופן משמעותי מצבע העור.

מערכת ההדמיה המקיפה של מרכז הפצעים מסוגלת לנטר שינויים בחמצון הרקמה העורית באופן רציף לאורך שלבי החסימה הבסיסיים ושלבי ההיפרמיה של הליך ה-PORH. במהלך הליך ה-PORH, השינוי בחמצון הרקמה העורית חופף לשינויים בחמצון הרקמה העמוקה. מערכת ההדמיה המקיפה של מרכז הפצעים מסוגלת להדמות גם את התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה העורית.

איורים אלה מציגים מפות מייצגות של תפקוד כלי דם של אותו נבדק בלחצי חסימה וסקולרית שונים שהופעלו באמצעות שרוול לחץ. מדד התפקוד הוסקולרי הממוצע בקצות האצבעות של הנבדק נמצא במתאם עם מדידת לייזר דופלר של קצות האצבעות. פרפוזיה של רקמת העור.

מפת החמצון ומפת התפקוד הvaskulari שנרכשו על ידי מערכת ההדמיה ממוזגות באמצעות אלגוריתם של רישום משותף (co-registration). איור זה מציג מיזוג תמונות מייצג. לפנינו מערכת הדמיה בעלת מודל כפול להערכה סימולטנית של חמצון רקמה רציפה ותגובתיות תרמית וסקולרית של הרקמה.

ניתן להוסיף פלטפורמות אחרות, כגון דימות פלואורסצנציה. אינטגרציה מערכתית של רכיבי חומרה ותוכנה מהווה אבן יסוד מרכזית. במסגרת מאמץ זה, ניתן להתאים בקלות את אלגוריתם רישום התמונות (co-registration) במערכת כדי לשלב שיטות דימות נוספות, מה שהופך את המוצר לוורסטילי.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי הפוטנציאל שמציעה גישה חדשה זו של דימות. פיתוח המערכת מהווה דוגמה למחקר תרגומי רב-תחומי במרכז הפצעים המקיף של אוניברסיטת אוהיו סטייט (Ohio State University). בהצלחה בניסוייכם.