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

הערכה מדויקת של חמצון רקמת העור והתפקוד הכלי הוא חשובה לצורך זיהוי, שלב וטיפול נאותים בהפרעות בריאותיות רבות, כולל פצעים כרוניים. כאן, חמצון רקמת העור והתגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה מדומיינים באופן לא פולשני. הדמיון מתבצע באמצעות מערכת דימוי דו-אופנית חדשנית המשלבת מצלמה תת-אדומה, מצלמת CCD, מסנן גביש נוזלי הניתן לכוונון ומקור אור סיבי בעוצמה גבוהה.

שינויים בחמצון מושראים ברקמת הזרוע של נבדק בריא באמצעות שרוול למדידת לחץ דם המנוטר על ידי מערכת דימיון במצב כפול, ומושוואים למדידות סימולטניות של חמצון רקמה עמוקה ורקמה עורית; כמו כן, מוקלטים שינויים במתח החמצון ובטמפרטורת הרקמה בתגובה לגירוי תרמי חיצוני כדי לשחזר את מפת התגובתיות התרמית של כלי הדם. מפת חמצון הרקמה העורית ומפת התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה מוחדרות באמצעות אלגוריתם רישום משותף (co-registration) מתקדם. בעבודה זו, אנו מתארים את הפיתוח של מערכת דימיון חדשנית לניטור לא פולשני של רמת רוויית החמצן ברקמת פצע, וכן של פרופיל תרמוגרפי דינמי, המסייע בחקר דלקת אקסותרמית ובמעקב אחר זרימת דם חם אל רקמת הפצע במהלך שלב האנגיוגנזה הפוסט-דלקתי.

מנקודת מבט קלינית, למערכת דימוי זו יש פוטנציאל לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הניהול של פצעים חריפים וכרוניים, כגון שימוש בדbridement מודרך על ידי דימוי. היא תסייע גם בניטור לא פולשני של התגובה להתערבויות טיפוליות בפצע, באמצעות מדידות חוזרות של חמצון הרקמה. מערכת דימוי כפולה זו, שפותחה במרכז הפצעים המקיף (Comprehensive Wound Center) של אוניברסיטת אוהיו סטייט, מהווה את השלב הראשון לקראת הערכה סימולטנית של חמצון רקמת הפצע ותפקוד כלי הדם.

כפי שניתן לראות, המערכת מוכנה כעת לבדיקות תפקודיות, ומאמצים נ🥃נערים לשיפור התכנון ההנדסי, הפרוטוקול הסטנדרטי, ומערכת מתוקף לשימוש קליני שגרתי. בנוסף לחומרת ההדמיה ולאלגוריתמי השחזור, פיתחנו מדדי התאמה (co-registration) מהירים יותר לתמונות לצורך שילוב והצגה של תמונות חפיפה שנרכשו בשיטות הדמיה שונות. הגישה היא מודולרית ומאפשרת הוספה עתידית של פלטפורמות הדמיה חדשות.

התחילו בבחירת נבדק בריא. הגבירו את זרועו השמאלית של הנבדק כך שתנוח על משטח עבודה. השתמשו במברשת כדי למרוח שכבה דקה של דיו הודי (India ink) על אמצע הזרוע של הנבדק, כדי לדמות גווני עור שונים.

מקם ארבעה סימני ייחוס (fiduciary markers) על אמה של הנבדק כדי להגדיר אזור עניין (ROI) הכולל הן את הדיו, העור הצבוע והן את העור הרגיל. לסימני הייחוס ניגודיות תרמית ואופטית סימולטנית המקלה על רישום תמונות משותף (co-registration); במקרה זה, נעשה שימוש במערכת דימוי במודואליות כפולה שפותחה במרכז הפצעים המקיף של אוניברסיטת אוהיו הממלכתית. מערכת הדימוי מורכבת ממצלמה אינפרה-אדומה, מצלמת CCD, מסנן גבישי נוזלי כיווני (liquid crystal tunable filter) ומקור תאורה סיבי בעצימות גבוהה לביצוע דימוי רב-ספקטרלי של חמצון רקמות.

כבה את כל מקורות האור החיצוניים, ולאחר מכן בקש מהנבדק למקם את זרועו ולצלם תמונות. תוכנת הדימות מכיילת באופן אוטומטי את זמני החשיפה בכל אורך גל. לאחר איסוף תמונות הדגימה מאזור העניין, מקם לוח לבן באזור הדימוי ורכוש תמונות החזר אור באורכי גל שונים.

אלו ישמשו לצורך כיול. לאחר רכישת תמונות הייחוס, חשב את יחס הרפלקטנס והסיק את רמת החמצון של הרקמה בכל פיקסל על בסיס הפער הרחב.

ספקטרום נגזרת שנייה. לצורך השוואה, השג מפת חמצון של רקמת העור באמצעות מערכת מסחרית כדי לקבוע האם שינוי בצבע העור משפיע על מדידות החמצון בכל מערכת. השתמש 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 לחצי הדם הסיסטולי והדיאסטולי של הנבדק. הניחו את החיישנים של ספקטרופוטומטר רקמות plex TS ומסך ניטור חמצן טרנסקוטנאלי A TCM על אותה זרוע והפעילו את המכשירים לחימום מוקדם למשך 20 דקות, תוך ניטור מפת החמצון של רקמת העור.

השג רמות חמצון משתנות ברקמת הזרוע על ידי ביצוע היפרמיה תגובתית לאחר חסימה (postocclusive reactive hyperemia או PORH). לחץ על כפתור ההפעלה כדי להתחיל את הדימוי. עקב אחר קו הבסיס לפני החסימה למשך שתי דקות.

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

הקליטו את כל פרמטרי החמצן ברקע למשך שתי דקות. לצורך ביצוע דימות תרמוגרפי דינמי. דאגו שהנבדק הבריא יהיה במצב נוח.

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

הנח שרוול לחץ על זרועו השמאלית של הנבדק. לאחר מכן, קבע ורשום את לחץ הדם הסיסטולי והדיאסטולי של הנבדק. צור רמות שונות של חסימה כלי דם (vascular occlusion) על ידי בקרת ניפוח שרוול הלחץ ברמות הלחץ הבאות: ללא חסימה, 0.5 מהלחץ הדיאסטולי, שילוב של 0.5 מהלחץ הדיאסטולי ומהלחץ הסיסטולי, ו-1.5 מהלחץ הסיסטולי.

שלב הבא, בצע בדיקות דימות תרמוגרפי בשתי רמות של חסימה כלי דם, ללא חסימה וחסימה סיסטולית, בכל רמת חסימה כלי דם. החל גירוי תרמי על ידי הנחת שק מים בטמפרטורת החדר על היד שמאל למשך 30 שניות. מיד לאחר הסרת שק המים, התחל ברכישת תמונות תרמוגרפיות באופן רציף בקצב דגימה 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 דם באצבע בכל לחץ חסימה (occlusion pressure) על ידי הפקת ממוצע של חמישה אזורי עניין (ROIs) במפת התגובתיות התרמית של כלי דם באצבע. השווה את ערכי התגובתיות התרמית של כלי דם באצבע למדידות לייזר דופלר של פרפוזיה בכלי דם באצבע ברמות חסימה שונות.

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

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

סמנים אלה יופיעו כאזורים כהים יותר ברקע ויהיו בעלי ערכי עוצמה הנמוכים מהספים הגלובליים והמקומיים האדפטיביים. שכללו את אזורי הסמנים הייחוס (fiduciary markers) באמצעות פעולות מורפולוגיות להסרת רעשים מהתמונה, ובחרו את ה-OIDs של ארבעה אזורים אלו כנקודות בקרה בתמונה האופטית.

חזרו על שלבים דומים כדי לזהות אזורי סימון במפת התפקוד הכלי או בתמונה התרמוגרפית. התאימו בין שתי קבוצות נקודות הבקרה על בסיס קרבה. לאחר נורמליזציה שלהן לאותו קנה מידה, התאימו 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 הפונקציה הווסקולרית כייחוס. לאחר מכן, התמר את מפת החמצון באמצעות הטרנספורמציה שחושבה.

לבסוף, יש להלביש את התמונות שעברו רישום משותף (coregistration) לצורך ויזואליזציה. מוצגת כאן מפה משוחזרת של חמצון רקמה עורית שהושגה מהזרוע של נבדק בריא באמצעות מערכת הדמיה דו-מודאלית מקיפה הממוקדת בפצע. שימו לב כי לא נצפו הבדלי חמצון משמעותיים בין אזורי הרקמה הצבועים לאלו שאינם צבועים.

10 אזורי עניין (ROIs) נבחרו באופן אקראי מחוץ ומתוך האזור הצבוע בדיו כדי להעריך את מדידות החמצון. התוצאות המוצגות כאן מצביעות על כך שמדידת חמצון רקמות באמצעות מערכת מרכז הפצעים המקיפה אינה מושפעת באופן משמעותי מצבע העור. להשוואה, מדידות חמצון 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 חסימת בסיס והיפרמיה של הליך ה-PORH. במהלך הליך ה-PORH, השינוי בחמצון הרקמה העורית תואם לשינויים בחמצון הרקמה העמוקה. מערכת ההדמיה המקיפה של מרכז הפצעים מסוגלת להדמות גם את התגובתיות התרמית של כלי הדם ברקמה העורית.

איורים אלו מציגים מפות מייצגות של תפקוד כלי דם של אותו נבדק בלחצי חסימה כליים שונים שהופעלו באמצעות שרוול לחץ. מדד תפקוד כלי דם ממוצע בקצות אצבעותיו של הנבדק נמצא במתאם עם מדידת לייזר דופלר של קצות האצבעות. פרפוזיה של רקמת עור.

מפת החמצון ומפת התפקוד הכלי הדמי שנרכשו על ידי מערכת ההדמיה ממוזגות באמצעות אלגוריתם של רישום משותף (co-registration). איור זה מציג מיזוג תמונות מייצג. מה שיש לנו כאן היא מערכת הדמיה בעלת מודל כפול להערכה סימולטנית של חמצון רקמה רציפה ותגובתיות תרמית של כלי דם ברקמה.

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

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכושו הבנה טובה של הפוטנציאל המוצע על ידי גישת הדימוי החדשה הזו. פיתוח המערכת מהווה דוגמה למחקר תרגומי בינתחומי במרכז הפצעים המקיף של אוניברסיטת אוהיו סטייט (Ohio State University). בהצלחה בניסויים שלכם.