Dual-mode Imaging di ossigenazione dei tessuti cutanei e di funzione vascolare

La valutazione accurata dell'ossigenazione dei tessuti cutanei e della funzione vascolare è importante per la corretta individuazione, stadiazione e terapia di molte patologie, inclusi i feriti cronici. In questo studio, l'ossigenazione tissutale cutanea e la reattività termica vascolare tissutale vengono immaginate in modo non invasivo. Utilizzando un innovativo sistema di imaging in doppia modalità che integra una telecamera a infrarossi, una telecamera CCD, un filtro accordabile a cristalli liquidi e una sorgente luminosa a fibra ad alta intensità.

Si inducono variazioni di ossigenazione nel tessuto dell'avambraccio di un soggetto sano utilizzando un bracciale per la misurazione della pressione arteriosa monitorato da un sistema di imaging in modalità doppia, e si confrontano con misurazioni simultanee dell'ossigenazione del tessuto profondo e del tessuto cutaneo; si registrano inoltre le variazioni della tensione di ossigeno e della temperatura tissutale in risposta a stimolazione termica esterna al fine di ricostruire la mappa della reattività vascolare termica. La mappa dell'ossigenazione del tessuto cutaneo e la mappa della reattività vascolare termica tissutale vengono fuse attraverso un avanzato algoritmo di co-registrazione. In questo studio, descriviamo lo sviluppo di un nuovo sistema di imaging per il monitoraggio non invasivo della saturazione di ossigeno nei tessuti feriti, nonché del profilo termografico dinamico, che aiuta a studiare l'infiammazione esotermica e a tracciare il flusso di sangue caldo nei tessuti della ferita durante la fase angiogenica post-infiammatoria.

Da un punto di vista clinico, questo sistema di imaging potrebbe contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della gestione delle ferite acute e croniche, ad esempio mediante la debridement guidata da immagini. Inoltre, consentirà di monitorare in modo non invasivo la risposta agli interventi terapeutici sulla ferita attraverso misurazioni ripetute dell'ossigenazione tissutale. Questo sistema di imaging a doppio modello sviluppato presso il Comprehensive Wound Center della Ohio State University rappresenta il primo passo verso la valutazione simultanea dell'ossigenazione del tessuto della ferita e della funzione vascolare.

Come vedrete, il sistema è ora pronto per i test funzionali; sono in corso attività di miglioramento del protocollo standardizzato di progettazione ingegneristica e di validazione del sistema per l'uso clinico di routine. Oltre all'hardware di imaging e agli algoritmi di ricostruzione, abbiamo sviluppato misure più rapide di co-registrazione delle immagini per integrare e visualizzare le immagini sovrapposte acquisite mediante diverse modalità di imaging. L'approccio è modulare, prevedendo futuri aggiornamenti con nuove piattaforme di imaging.

Iniziare con un soggetto sano. Far sedere il soggetto con l'avambraccio sinistro appoggiato su un piano di lavoro. Utilizzare un pennello per stendere uno strato sottile di inchiostro di India sull'avambraccio del soggetto, imitando diversi colori della pelle.

Posizionare quattro marcatori fiduciali sull'avambraccio del soggetto per definire una regione di interesse (ROI) che comprenda sia l'inchiostro, sia la pelle dipinta che la pelle normale. I marcatori fiduciali presentano contrasti termici e ottici simultanei che facilitano la co-registrazione delle immagini; in questo caso, viene utilizzato il sistema di imaging a doppia modalità sviluppato presso il centro completo per le ferite dell'Ohio State University. Il sistema di imaging è composto da una telecamera a infrarossi, una telecamera CCD, un filtro accordabile a cristalli liquidi e una sorgente luminosa a fibra ad alta intensità per eseguire l'imaging multispettrale dell'ossigenazione tissutale.

Spegnere tutte le sorgenti luminose esterne, quindi posizionare il braccio del soggetto ed acquisire le immagini. Il software di imaging calibra automaticamente i tempi di esposizione per ogni lunghezza d'onda. Dopo aver raccolto le immagini del campione dalla regione di interesse, posizionare una lavagna bianca nell'area di imaging ed acquisire immagini di riflettanza a diverse lunghezze d'onda.

Questi saranno utilizzati per la calibrazione. Una volta acquisite le immagini di riferimento, calcolare il rapporto di riflettanza e ricavare l'ossigenazione del tessuto in ciascun pixel in base al gap ampio.

Spettro della derivata seconda. A scopo comparativo, acquisire una mappa dell'ossigenazione del tessuto cutaneo mediante un sistema commerciale per determinare se il cambiamento del colore della pelle influisce sulle misurazioni dell'ossigenazione in ciascun sistema. Utilizzare un software di analisi statistica per eseguire un test T di Student, confrontando le misurazioni nelle regioni con e senza inchiostro.

Successivamente, posizionare un manicotto a pressione sul braccio superiore sinistro del soggetto. Determinare e registrare le pressioni sanguigne sistolica e diastolica del soggetto. Posizionare i sensori di un plex TS tissue spectrophotometer e di un monitor transcutaneo di ossigeno A TCM sullo stesso braccio e accendere i dispositivi per riscaldarli per 20 minuti, monitorando nel frattempo la mappa dell'ossigenazione tissutale cutanea.

Indurre variazioni di ossigenazione nel tessuto dell'avambraccio eseguendo un'iperemia reattiva post-occlusiva o PORH. Fare clic sul pulsante di avvio per iniziare l'acquisizione delle immagini. Monitorare la linea di base pre-occlusiva per due minuti.

Successivamente, gonfiare il bracciale del misuratore di pressione a 50 millimetri di mercurio al di sopra della pressione sistolica per indurre un'occlusione suprasistolica. Lasciare il bracciale gonfio per due minuti, continuando a monitorare i cambiamenti nei parametri tissutali. Infine, sgonfiare rapidamente il bracciale per indurre iperemia reattiva.

Registrare tutti i parametri di ossigeno tissutale per due minuti. Per eseguire l'imaging termografico dinamico, posizionare un soggetto sano in modo confortevole.

Sedersi con il braccio sinistro appoggiato su un piano di lavoro. Posizionare il dorso della mano sinistra rivolto verso l'unità della telecamera a infrarossi del sistema di imaging. Successivamente, posizionare una sonda a effetto Doppler laser sulla punta del dito della mano sinistra per monitorare continuamente la perfusione cutanea a una frequenza di campionamento di 10 hertz.

Posizionare un manicotto pressorio sul braccio superiore sinistro del soggetto. Quindi determinare e registrare le pressioni sanguigne sistolica e diastolica del soggetto. Generare diversi livelli di occlusione vascolare controllando il gonfiaggio del manicotto pressorio ai seguenti livelli di pressione: nessuna occlusione, 0,5 volte la pressione diastolica, 0,5 volte la pressione diastolica e pressione sistolica combinate, e 1,5 volte la pressione sistolica.

Successivamente, eseguire test di imaging termografico a due livelli di occlusione vascolare: nessuna occlusione e un'occlusione sistolica per ciascun livello di occlusione vascolare. Applicare una stimolazione termica posizionando una borsa d'acqua a temperatura ambiente sulla mano sinistra per 30 secondi. Immediatamente dopo la rimozione della borsa d'acqua, iniziare ad acquisire immagini termografiche in modo continuo a una frequenza di acquisizione di due fotogrammi al secondo.

Utilizzando un software, determinare la funzione di reattività termica vascolare del tessuto. Calcolare l'indice della funzione in ogni pixel dell'immagine termografica come rapporto tra la radice quadrata della durata della stimolazione termica e la corrispondente variazione di temperatura del tessuto. Calcolare il valore di reattività termica vascolare del dito per ogni pressione di occlusione facendo la media di cinque aree di interesse (ROI) nella mappa di reattività termica vascolare del tessuto. I valori di reattività termica vascolare del dito vengono confrontati con le misurazioni ottenute mediante laser doppler della perfusione vascolare del dito a diversi livelli di occlusione.

Per coregistrare la mappa di ossigenazione ottenuta dall'imaging multispettrale e la mappa della funzione vascolare ottenuta dall'imaging termografico dinamico. Utilizzare MATLAB per trasformare tutte le immagini in scala di grigi. Successivamente, normalizzare i valori di intensità dei pixel impostandoli tra zero e uno.

Successivamente, sulla mappa di ossigenazione o sull'immagine multispettrale, identificare la regione in primo piano o cutanea con valori di intensità dei pixel superiori alla soglia globale empirica pari a 0,8 volte il valore medio di intensità dell'intera immagine. Migliorare ulteriormente l'immagine utilizzando l'operazione morfologica. Successivamente, per compensare le variazioni di illuminazione, identificare i marcatori fiduciali.

Questi marcatori appariranno come regioni più scure in primo piano e avranno valori di intensità inferiori alla soglia globale e alla soglia locale adattativa. Affinare le regioni dei marcatori fiduciali mediante operazioni morfologiche per rimuovere il rumore nell'immagine, quindi selezionare gli OID di queste quattro regioni come punti di controllo nella foto ottica.

Ripetere passaggi simili per identificare le regioni marcatrici nella mappa della funzione vascolare o nell'immagine termografica. Associare i due insiemi di punti di controllo in base alla vicinanza. Dopo averli normalizzati alla stessa scala, abbinare un punto di controllo nella prima immagine al punto di controllo più vicino.

Nel secondo passaggio, calcolare una trasformazione precisa con informazioni di traslazione, rotazione e scala tra le due immagini, utilizzando la mappa della funzione vascolare come riferimento. Successivamente, trasformare la mappa di ossigenazione applicando la trasformazione calcolata.

Infine, sovrapporre le immagini coregistrate per la visualizzazione. Qui viene mostrata una mappa ricostruita dell'ossigenazione del tessuto cutaneo acquisita dal braccio di un soggetto sano mediante il sistema di imaging duale completo centrato sulla ferita. Si noti che non vengono osservate differenze significative di ossigenazione tra le aree di tessuto pigmentato e quelle non pigmentate.

10 ROI sono stati selezionati casualmente all'esterno e all'interno della regione dipinta con inchiostro per valutare le misurazioni dell'ossigenazione. I risultati qui mostrati suggeriscono che la misurazione dell'ossigenazione tissutale effettuata mediante il sistema del centro completo per le ferite non è significativamente influenzata dal colore della pelle. Al contrario, le misurazioni dell'ossigenazione tissutale ottenute utilizzando un sistema commerciale sono significativamente influenzate dal colore della pelle.

Il sistema di imaging completo del centro per le ferite è in grado di monitorare in modo continuo le variazioni dell'ossigenazione del tessuto cutaneo durante le fasi di occlusione basale e di iperemia della procedura PORH. Durante la procedura PORH, il cambiamento dell'ossigenazione del tessuto cutaneo coincide con le variazioni dell'ossigenazione del tessuto profondo. Il sistema di imaging completo del centro per le ferite è inoltre in grado di visualizzare la reattività termica vascolare del tessuto cutaneo.

Queste figure mostrano mappe rappresentative della funzione vascolare dello stesso soggetto a diverse pressioni di occlusione vascolare indotte da un bracciale pressorio. L'indice medio di funzione vascolare alle estremità delle dita del soggetto si correla con la misurazione Doppler a laser delle punte delle dita. Perfusione del tessuto cutaneo.

La mappa di ossigenazione e la mappa della funzione vascolare acquisite dal sistema di imaging vengono fuse mediante un algoritmo di co-registrazione. Questa figura mostra una rappresentazione tipica della fusione delle immagini. Quello che abbiamo qui è un sistema di imaging a doppio modello per la valutazione simultanea dell'ossigenazione tissutale continua e della reattività termica vascolare del tessuto.

Possono essere aggiunte altre piattaforme, come l'imaging a fluorescenza. L'integrazione del sistema tra componenti hardware e software rappresenta un elemento fondamentale. A tal fine, l'algoritmo di co-registrazione delle immagini nel sistema può essere facilmente adattato per supportare ulteriori modalità di imaging, rendendo questo prodotto particolarmente versatile.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione delle potenzialità offerte da questo nuovo approccio di imaging. Lo sviluppo del sistema rappresenta un esempio di ricerca traslazionale interdisciplinare presso il Centro per le ferite completo dell'Ohio State University. Buona fortuna con i tuoi esperimenti.