피부 조직 산소와 혈관 기능의 듀얼 모드 영상

피부 조직의 산소포화도와 혈관 기능을 정확하게 평가하는 것은 만성 상처를 포함한 많은 건강 질환의 적절한 진단, 병기 결정 및 치료에 있어 중요합니다. 본 영상에서는 적외선 카메라, CCD 카메라, 액정 가변 필터 및 고강도 광섬유 광원이 통합된 새로운 듀얼 모드 영상 시스템을 사용하여 피부 조직 산소포화도와 조직 혈관의 열 반응성을 비침습적으로 촬영합니다.

이중 모드 영상 시스템으로 모니터링하면서 혈압 커프를 사용하여 건강한 피험자의 팔 조직에 산소화 변화를 유도하고, 이를 심부 조직 산소화 및 피부 조직의 동시 측정값과 비교합니다. 또한 외부 열 자극에 반응하는 조직 산소 분압 및 조직 온도 변화를 기록하여 혈관 열 반응 지도를 재구성합니다. 피부 조직 산소화 지도와 조직 혈관 열 반응 지도는 고급 공동 등록 알고리즘을 통해 융합됩니다. 본 연구에서는 상처 조직의 산소 포화도를 비침습적으로 모니터링하고 동적 열화상 프로파일을 측정할 수 있는 새로운 영상 시스템의 개발에 대해 설명하며, 이는 발열성 염증을 연구하고 염증 후 혈관 생성 단계 동안 상처 조직으로 유입되는 온혈의 흐름을 추적하는 데 도움이 됩니다.

임상적 관점에서 이 영상 시스템은 영상 유도 데브리망(debridement)과 같이 급성 및 만성 상처 관리 분야의 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움이 될 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 조직 산소 포화도를 반복적으로 측정함으로써 상처 치료 개입에 대한 반응성을 비침습적으로 모니터링하는 데 기여할 것입니다. 오하이오 주립대학교 종합 상처 센터(Comprehensive Wound Center)에서 개발한 이 이중 모델 영상 시스템은 상처 조직의 산소 포화도와 혈관 기능을 동시에 평가하기 위한 첫 단계입니다.

보시는 바와 같이, 시스템은 이제 기능 테스트를 위한 준비가 완료되었으며, 엔지니어링 설계를 표준화된 프로토콜 및 일상적인 임상 사용을 위해 검증된 시스템으로 개선하려는 노력이 진행 중입니다. 영상 하드웨어와 재구성 알고리즘 외에도, 서로 다른 영상 모달리티에서 획득한 오버레이 영상을 통합하고 시각화하기 위해 더 빠른 영상 공동 등록(co-registration) 방법을 개발하였습니다. 이 접근 방식은 모듈형으로 설계되어 향후 새로운 영상 플랫폼의 추가가 가능합니다.

먼저 건강한 피험자를 준비합니다. 피험자의 왼쪽 전완을 카운터 위에 올려놓고 편안하게 앉게 합니다. 브러시를 사용하여 피험자의 전완에 인도 잉크(India ink)를 얇게 펴 발라 다양한 피부색을 모사합니다.

잉크가 칠해진 피부와 일반 피부를 모두 포함하는 관심 영역(ROI)을 정의하기 위해 피험자의 전완부에 4개의 기준 마커를 배치합니다. 기준 마커는 열 및 광학적 대조를 동시에 제공하여 이미지 공동 등록(co-registration)을 용이하게 하며, 여기서는 오하이오 주립대학교 종합 상처 센터(comprehensive wound center of the Ohio State University)에서 개발한 듀얼 모드 이미징 시스템이 사용됩니다. 이 이미징 시스템은 조직 산소포화도의 다분광 이미징을 수행하기 위한 적외선 카메라, CCD 카메라, 액정 가변 필터 및 고강도 파이버 광원으로 구성됩니다.

모든 외부 광원을 끈 다음, 피험자가 팔을 위치시키도록 하고 이미지를 캡처합니다. 이미징 소프트웨어는 각 파장에서의 노출 시간을 자동으로 보정합니다. 관심 영역에서 샘플 이미지를 수집한 후, 이미징 영역에 화이트보드를 배치하고 서로 다른 파장에서 반사 이미지를 획득합니다.

이 이미지들은 보정용으로 사용됩니다. 참조 이미지를 획득한 후, 반사율 비율을 계산하고 wide gap을 기준으로 각 픽셀의 조직 산소화도를 도출합니다.

2차 미분 스펙트럼. 비교를 위해, 시판 시스템을 사용하여 피부 조직 산소포화도 맵을 획득함으로써 피부색의 변화가 각 시스템의 산소포화도 측정에 영향을 미치는지 확인합니다. 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 잉크가 있는 영역과 없는 영역의 측정값을 비교하는 student's T-test를 수행합니다.

다음으로, 피험자의 왼쪽 상완에 혈압 커프를 착용시킵니다. 피험자의 수축기 및 이완기 혈압을 측정하여 기록합니다. plex TS 조직 분광 광도계와 A TCM 경피 산소 측정기의 센서를 동일한 팔에 부착하고, 기기를 켜서 피부 조직 산소화 맵을 모니터링하며 20분 동안 예열합니다.

폐쇄 후 반응성 충혈(postocclusive reactive hyperemia, PORH)을 수행하여 팔 조직의 산소포화도 변화를 유도합니다. 시작 버튼을 클릭하여 이미징을 시작하십시오. 폐쇄 전 기저 상태를 2분 동안 모니터링합니다.

다음으로, 수축기 혈압보다 50 mmHg 높게 혈압 커프를 팽창시켜 수축기 초과 폐쇄를 유도합니다. 커프를 팽창시킨 상태로 2분 동안 유지하며 조직 파라미터의 변화를 지속적으로 모니터링합니다. 마지막으로, 압력 커프를 빠르게 수축시켜 반응성 충혈을 유도합니다.

2분 동안 모든 조직 산소 파라미터를 기록하십시오. 동적 열화상 이미징을 수행하기 위해, 건강한 피험자가 편안한 상태가 되도록 하십시오.

피험자가 왼쪽 팔을 조리대 위에 올려놓고 앉게 합니다. 왼손 등 부분이 영상 시스템의 적외선 카메라 유닛을 향하도록 위치시킵니다. 다음으로 왼손 손가락 끝에 레이저 도플러 프로브를 배치하여 10 hertz의 샘플링 속도로 피부 관류를 지속적으로 모니터링합니다.

피험자의 왼쪽 상완에 혈압 커프를 착용합니다. 그런 다음 피험자의 수축기 및 이완기 혈압을 측정하여 기록합니다. 혈압 커프의 팽창 정도를 조절하여 다음과 같은 압력 수준에서 서로 다른 단계의 혈관 폐쇄를 유도합니다: 폐쇄 없음, 이완기 혈압의 0.5배, 이완기 혈압과 수축기 혈압의 합의 0.5배, 그리고 수축기 혈압의 1.5배.

다음으로, 혈관 폐쇄가 없는 상태와 수축기 폐쇄 상태의 두 가지 혈관 폐쇄 수준에서 열화상 이미징 테스트를 수행합니다. 상온의 물주머니를 왼손에 30초 동안 올려두어 열 자극을 줍니다. 물주머니를 제거한 즉시, 초당 2프레임의 촬영 속도로 열화상 이미지를 연속적으로 획득하기 시작합니다.

소프트웨어를 사용하여 조직 혈관 열 반응 함수를 결정합니다. 열 자극 지속 시간의 제곱근과 그에 따른 조직 온도 변화의 비율을 구해 열화상 이미지의 각 픽셀에서의 함수 지수를 계산합니다. 조직 혈관 열 반응 맵 내 5개의 ROI 평균을 내어 각 폐쇄 압력에서의 손가락 혈관 열 반응 값을 계산합니다. 손가락 혈관 열 반응 값을 서로 다른 폐쇄 수준에서의 손가락 혈관 관류에 대한 레이저 도플러 측정값과 비교합니다.

다분광 이미징(multispectral imaging)으로 얻은 산소포화도 맵과 동적 열화상 이미징(dynamic thermographic imaging)으로 얻은 혈관 기능 맵을 공동 등록(coregister)합니다. MATLAB을 사용하여 모든 이미지를 그레이스케일로 변환합니다. 그다음 픽셀 강도 값을 0과 1 사이로 설정하여 정규화합니다.

다음으로 산소화 맵 또는 다분광 이미지에서 전체 이미지의 평균 강도 값의 0.8배라는 경험적 전역 임계값보다 픽셀 강도 값이 큰 전경 또는 피부 영역을 식별합니다. 형태학적 연산을 사용하여 이미지를 더욱 개선합니다. 다음으로 조명 변화에 대응하기 위해 기준 마커를 식별합니다.

이 마커들은 전경에서 더 어두운 영역으로 나타나며, 강도 값이 전역 및 적응형 국소 임계값보다 낮게 측정됩니다. 모폴로지 연산을 사용하여 이미지의 노이즈를 제거함으로써 기준 마커 영역을 정밀화하고, 이 네 영역의 OID를 광학 사진의 제어점으로 선택하십시오.

혈관 기능 지도 또는 열화상 이미지에서 마커 영역을 식별하기 위해 유사한 단계를 반복합니다. 근접성을 기준으로 두 제어점 세트를 매칭합니다. 이를 동일한 척도로 정규화한 후, 첫 번째 이미지의 제어점을 가장 가까운 제어점과 매칭합니다.

두 번째 단계에서는 혈관 기능 지도(vascular function map)를 기준으로 두 이미지 사이의 평행 이동, 회전 및 스케일 정보가 포함된 정밀 변환(fine transformation)을 계산합니다. 그런 다음, 계산된 변환을 사용하여 산소포화도 지도(oxygenation map)를 변환합니다.

마지막으로, 시각화를 위해 정합된 이미지들을 겹쳐서 나타냅니다. 포괄적인 상처 중심 듀얼 모드 영상 시스템을 사용하여 건강한 피험자의 전완부에서 획득한 재구성된 피부 조직 산소포화도 맵이 여기에 표시되어 있습니다. 도포된 조직 영역과 도포되지 않은 조직 영역 사이에 유의미한 산소포화도 차이가 관찰되지 않음에 유의하십시오.

산소포화도 측정값을 평가하기 위해 잉크로 칠해진 영역의 내부와 외부에서 10개의 ROI를 무작위로 선택하였습니다. 여기에 제시된 결과는 종합 상처 센터 시스템을 통한 조직 산소포화도 측정이 피부색에 의해 유의미한 영향을 받지 않음을 시사합니다. 이와 대조적으로, 상용 시스템을 사용하여 획득한 조직 산소포화도 측정값은 피부색에 의해 유의미한 영향을 받습니다.

종합 상처 센터 영상 시스템은 PORH 절차의 기저 폐쇄 및 충혈 단계 전반에 걸쳐 피부 조직 산소화의 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. PORH 절차 동안 피부 조직 산소화의 변화는 심부 조직 산소화의 변화와 일치합니다. 또한, 종합 상처 센터 영상 시스템은 피부 조직 혈관의 열 반응성을 영상화할 수 있습니다.

이 그림들은 압박 커프에 의해 도입된 서로 다른 혈관 폐쇄 압력 하에서 동일한 피험자의 대표적인 혈관 기능 지도를 보여줍니다. 피험자의 손가락 끝에서 측정된 평균 혈관 기능 지수는 손가락 끝의 레이저 도플러 측정값과 상관관계가 있습니다. 피부 조직 관류.

영상 시스템을 통해 획득한 산소포화도 맵과 혈관 기능 맵은 공동 등록 알고리즘(co-registration algorithm)에 의해 융합됩니다. 이 그림은 대표적인 이미지 융합 사례를 보여줍니다. 본 시스템은 지속적인 조직 산소포화도와 조직 혈관 열 반응성을 동시에 평가하기 위한 이중 모델 이미지 시스템입니다.

형광 이미징과 같은 다른 플랫폼을 추가할 수 있습니다. 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소의 시스템 통합은 핵심적인 초석이 됩니다. 이러한 노력의 일환으로, 시스템 내의 이미지 공동 등록(co-registration) 알고리즘을 쉽게 조정하여 추가적인 이미징 양식을 수용할 수 있어, 본 제품은 다각적인 활용이 가능합니다.

이 영상을 시청하신 후, 여러분은 이 새로운 이미징 접근법이 제공하는 가능성에 대해 충분히 이해하시게 될 것입니다. 이 시스템의 개발은 오하이오 주립대학교의 종합 상처 센터(comprehensive wound Center)에서 이루어진 학제간 중개 연구의 한 사례입니다. 실험에서 좋은 결과 있으시길 바랍니다.