Methodenartikel

Een nieuwe benadering voor het overwinnen van Movement Artifact bij het gebruik van een Laser spikkel Contrast Imaging systeem voor wisselende snelheden van bloed microcirculatie

9.7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56415

⸱

30 augustus 2017

 ,  , 
1Orthopaedic Research Institute, Bournemouth University

In dit artikel

Samenvatting

Deze studie introduceert een nieuwe techniek voor de meting en analyse van wisselende snelheden van bloed microcirculatie in een enkele experiment met behulp van een laser spikkel contrast imager.

Samenvatting

De laser spikkel contrast imager (LSCI) biedt een krachtige maar toch eenvoudige techniek voor het meten van de microcirculatory doorbloeding. Ideaal voor dynamische reacties van bloed, de LSCI wordt gebruikt op dezelfde manier als een conventionele Laser Doppler Imager (LDI). Echter, met een maximale huid diepte van ongeveer 1 mm, de LSCI is ontworpen te richten op voornamelijk oppervlakkige bloedstroom. Het wordt gebruikt voor het meten van huid oppervlakten van maximaal 15 cm x 20 cm. De nieuwe techniek geïntroduceerd in dit papier rekeningen voor wisselende snelheden van microcirculations; dat wil zeggen zowel langzaam als snel flux Stroommeting met behulp van de LSCI. De nieuwe techniek overwint ook LSCI de grootste tekortkoming, oftewel hoge gevoeligheid voor artefact verkeer. Een zelfklevende ondoorzichtige patch (AOP) is ingevoerd voor goede opname van de microcirculatory doorbloeding, door af te trekken van de LSCI-signaal uit de AOP van de laser spikkel huid signaal. De optimale instelling is ook bepaald omdat de LSCI is meest krachtige wanneer flux wijzigingen worden gemeten ten opzichte van de basislijn van een verwijzing, met bloed microcirculatory flux uitgedrukt als een percentage wijzigen vanaf de basislijn. Deze wijzigingen kunnen worden gebruikt voor het analyseren van de status van het bloed-stroomsysteem.

Inleiding

Laser spikkel-Contrast Imaging (LSCI) is een bewezen contactloze, real-time controle methode om te analyseren bloed stroom microcirculatie1,2,3,4,5,6 , 7. de LSCI gebruikt in dit document is moorFLPI Full Field. Het meten van stroom bloedverspreiding in grote gebieden met hoge ruimtelijke en temporele resolutie met behulp van een verschijnsel genaamd "laser spikkel" is een van de belangrijkste voordelen van dit apparaat6. De real-time beoordeling van microcirculatie gebeurt door middel van vastgelegde patronen via een camera met behulp van verspreide spikkel patronen. Gezien het feit dat de moorFLPI LSCI is bedoeld voor klinische en fysiologisch onderzoek, werkt het beeld processing software op het feit dat hoge perfusie produceert snelle variatie in de laser spikkel patroon, die vervolgens door de betalen gekoppeld apparaat (CCD) is geïntegreerd voor de productie van een ruimte van laag contrast8. Het contrast wordt gekwantificeerd en de resulterende flux is kleur gecodeerd om het produceren van een perfusie afbeelding8.

Helaas, de LSCI is zeer gevoelig voor milieu trillingen, artefact en beweging van het onderwerp gebied9. Tot op heden dit heeft verstrekt uitdagend wanneer afwisselend stroom Staten zijn bestudeerd. Dit document legt uit details van de expliciete techniek uiteengezet in een recente studie10 waar een neuromusculaire elektrische stimulatie apparaat werd gebruikt voor het meten van bloed microcirculatie tijdens was er beweging van de ledematen onderzocht.

Protocol

de methode gerapporteerd werd benut in een studie die ethische goedkeuring van de Bournemouth University onderzoek ethische Commissie op 9 februari 2016 (verwijzing 10571 gekregen).

1. LSCI instellen

  1. sluit het moorFLPI LSCI achterpaneel zijn drie aansluitingen (voeding, Universal Serial Bus (USB) en IEEE1394) voor het systeem functioneren.
  2. Monteren van de Desktop ondersteuning Arm 4 schroeven met de moorFLPI LSCI gedraaide bovenkant-neer, en aan de steun bevestigd wapen
  3. Draaien de bevestigingsbeugel voor neerwaartse imaging wanneer aangesloten.
    Opmerking: De LSCI heeft drie besturingselementen: (1) zoom-expert – de imager zette in een positie, minder vergroting kan worden afgesteld op maximum en minimum instellingen voor kleine en grotere gezichtsveld respectievelijk. Om ervoor te zorgen de herhaalbaarheid, wordt een indexering ring-label verstrekt; (2) focus expert – dit is afhankelijk van de meetafstand en moet worden aangepast nadat de beeldpositie is ingesteld. Om ervoor te zorgen de herhaalbaarheid, wordt een indexering ring-label verstrekt; en (3) een polarisator – een lineair polariserende filter is beschikbaar om te minimaliseren van spiegelende reflectie van blootgestelde organen – de roterende mount 360 ° draaibaar.
  4. Installeer de software voor de camera bedient. De software is opgedeeld in twee modules bieden een meting en beoordeling functie.

2. Deelnemer voorbereiding

  1. Zorg ervoor de beoordeling wordt uitgevoerd in een temperatuur gecontroleerde kamer (22 ± 1 ° C) en dat de deelnemers zitten voor 10 minuten vóór de test aangepast aan kamertemperatuur.
  2. Voorkomen een sterke bron van kunstlicht en het zonlicht schijnt op de deelnemer of de LSCI zoals omgevingslicht invloed kan zijn op de moorFLPI in de buurt van infrarood laserbron werkend met 785 nm.
    Opmerking: Een eenvoudige test om te controleren of de lichtniveaus aanvaardbaar is door te openen het instellingenvenster van beeldvorming en belemmeren de laser. Als de afbeelding bijna volledig zwart is dan zijn verdere geen stappen vereist; Als er nog steeds teveel ambient licht heden, verdere actie vereist is.
  3. Verzekeren de deelnemers zijn ontspannen tijdens de beoordeling, met hun voeten plat op de grond, als zittend, en vermijden gesprekken.
  4. Plaats 8 cm 2 van zelfklevende ondoorzichtig flard (AOP) (bijvoorbeeld Leukotape) op het huidgebied om te maskeren de doorbloeding. Dit is gedaan om het nadeel van de LSCI in termen van hoge gevoeligheid voor artefact verkeer voor hun rekening, en signaal backscatter zal worden gebruikt voor het meten van de bloedstroom microcirculatory.

3. Meting van de afbeelding van de microcirculatie

  1. Selecteer ' ruimtelijke verwerking ' voor 25 beelden per tweede vastleggen op 152 x 113 pixels.
  2. Kiezen ' Live beeld meting ' en pas de positie van de imager 20 cm afstand van de deelnemer gevolgd door aanpassing van de zoom & scherpstelling en polarisator voor minimale spiegelende reflectie. De afbeelding moet verschijnen heel ' vlakke ' en eentonig.
  3. Een belichtingstijd van 20 ms voor hoge gevoeligheid ingesteld op kleine veranderingen en lage flux.
  4. Gebruiken een display tarief van 25 Hz en een tijdconstante van 0,3 s ter verantwoording voor snelle bloed stroom wijzigingen, en om optimale contrast door vermindering van de beeldruis.
  5. Maak twee gelijke grootte (2 cm 2) regio's van belang (ROI), genaamd ROI 1 en 2 van de ROI. Hiermee lijnt u ROI 2, dus het is binnen de 8 cm 2 AOP. Verzorgen zodat ROIs zijn niet uitwisselen maar gehouden nauwe binnen 2-4 cm te verminderen de noodzaak voor opnieuw centreren als een mechanisch uurwerk resulteert in ROI 2 niet langer op het gebied van AO.
    Opmerking: Stroommeting bloed worden minder nauwkeurig in lage en hoge intensiteit gebieden, dus het is belangrijk om een optimale winst-instelling. De winst-waarde varieert tussen 0 - 200. De waarde van de instelling van een optimale winst wordt bereikt binnen het bereik van 70-80.
  6. Uitvoeren flux metingen ten opzichte van de basislijn van een verwijzing. In het geval van deze methodiek, voeren ' de rest ' werkgebied als dat van de basislijn van een verwijzing. Daarom uiten een ' snel ' en ' langzaam ' stadium bloedstroom in procenten wijzigen vanaf een basislijn, ' rest ' fase.
  7. Bloed Stroommeting in video-formaat opnemen en opslaan voor off line analyse met behulp van een afbeelding review module modules.

4. Off line analyse

Opmerking: de moorFLPI afbeelding Review Software maakt de opening van een video om analyses uit te voeren.

  1. Berekenen de gemiddelde flux binnen ROIs na een reeks opnames van gemiddelde bloedstroom. ROI 1 is de echte meting van de doorbloeding van de huid en ROI 2 is het terugverstrooide laser spikkel huid signaal van de AOP.
  2. Berekenen de gemiddelde bloedstroom door af te trekken ROI 2 van ROI 1 (doorbloeding van de huid).
    ROI 1 - ROI 2 = gemiddelde bloedstroom

Resultaten

De LSCI experimentele instellen is uiteengezet in Figuur 1 met functionele hulpmiddelen geïdentificeerd. Een typische deelnemer voorbereiding voor een meting van de bloedstroom in een gebied van het voorste bovenbeen wordt geïllustreerd. Verstelbare Montagebeugel kunt rotatie van de LSCI voor het meten van de bloedstroom binnen microvasculature van een bepaalde huidgebied. Figuur 2 geeft een voorbeeld van een typische rauwe spikkel afbeelding en de afbeelding van de geconverteerde spikkel met op maat gemaakte instellingen die worden beschreven in het protocol voor het meten van bloed microcirculatie.

Figuur 3 toont een voorbeeld van huidgebied en plaatsing van AOP (stap 3.1), LSCI rauwe imaging setup (stap 3.2), een live beeld voor trage bloedstroom (stap 3.3) en een live beeld voor een snelle doorbloeding (stap 3.4) in een continu data opname van een afwisselende flux bereikt ons ING moorFLPI LSCI. Palet kleurcodering instelling kunt differentiatie tussen flux niveaus. Met de standaard pallet van 16 kleuren, wordt lage flux gezien als blauwe, middellange flux waarden worden gezien als groen en hoge flux waarden worden gezien als oranje en rood.

Doorbloeding van de huid wordt uitgedrukt in laser spikkel perfusie (LSPU). Figuur 4 toont de grafische voorstelling van ROI 1 en 2 van de ROI AOP op een oppervlakte van de huid. De gemiddelde bloedstroom wordt berekend in off line analyse met behulp van gegevens uit ROI 1 en 2 van de ROI en vergelijking (1).

figure-results-1
Figuur 1: moorFLPI LSCI experimentele set up Desktopbeheer op arm, kabel uitgangen, positie besturingselementen (zoom aan te passen, focus-expert en polarisator), AOP en laptop voor configuratie van de instelling van de afbeelding. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-2
Figuur 2: Raw spikkel afbeelding voordat gegevensregistratie. 2.1 - 2.2) flux en ruwe spikkel beelden van een slecht geconfigureerde instelling resulteert in een hoge winst met slecht zicht, die in een minder nauwkeurige meting van de bloed stroom resulteren zal. 2.3 - 2.4) Systeem geconfigureerd volgens protocol, wat resulteert in een juiste winst met maximale zichtbaarheid voor een betrouwbaar resultaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-3
Figuur 3: een overzicht van de setup en record meting met behulp van moorFLPI LSCI. 3.1. een gebied van de huid (dij) met een 2 cm2 AOP ter verantwoording voor artefact beweging. 3.2) een rauwe spikkel 'plat en eentonig' afbeelding die goed backscatter lichtintensiteit met optimale instelling aangeeft. 3.3) een live beeldopname van een trage bloedstroom. 3.4) een live beeldopname van een snelle bloedstroom. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-4
Figuur 4: grafische weergave van de ROI 1 en 2 van de ROI AOP lay-out op een oppervlakte van de huid. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Rest (basislijn referentie) (LSPU)Trage bloedstroom (LSPU)Matige doorbloeding (LSPU)Snelle doorbloeding (LSPU)
Bedoel Flux - ROI 1Bedoel Flux - ROI 2Bedoel doorbloedingBedoel Flux - ROI 1Bedoel Flux - ROI 2Bedoel doorbloedingBloed vloeien % van de verhoging van basislijnBedoel Flux - ROI 1Bedoel Flux - ROI 2Bedoel doorbloedingBloed vloeien % van de verhoging van basislijnBedoel Flux - ROI 1Bedoel Flux - ROI 2Bedoel doorbloedingBloed vloeien % van de verhoging van basislijn
157.935.1122.8178.541,6136,910.9216.944,6172.333,5418.977,5341.494,2

Tabel 1:: flux in LSPU voor ROI 1 en 2 van de ROI op basislijn, langzame, gematigde en snel bloed vloeien. Verhoging van de stroom van het bloed wordt uitgedrukt als een procentuele verandering van een basislijn-fase.

figure-results-5
Figuur 5: voorbeeld van ROI 1 en ROI 2 positionering op een oppervlakte van de huid (dij). Een 16-kleurenpalet schetst de lavers van perfusions. Gegevens is opgenomen voor ROI 1 en 2 van de ROI in perfusie eenheden en afgetrokken zoals uiteengezet in vergelijking 1 voor het meten van bloed microcirculatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussie

Het doel van deze studie was om een nieuwe techniek voor de meting en analyse van wisselende snelheden van bloed microcirculatie in een enkele experiment met behulp van de LSCI. De metingen kunnen worden beïnvloed door het omgevingslicht, trillingen en deelnemer verkeer, inclusief ademhaling en spiertrekkingen. De stappen in het protocol zijn alle ontworpen om die effecten te minimaliseren en het verkrijgen van betrouwbare en herhaalbare meting van bloed microcirculatie.

Er wordt op gewezen dat elke stap in het protocol is essentieel voor een nauwkeurige meting van bloed microcirculatie, de techniek geïntroduceerd was ontdekt volgende sequentiële testen van alle mogelijk opties en combinaties beschikbaar met inbegrip van: tijd constante, zoominstelling, belichtingstijd, tarief, winst en flux palet van de afbeelding weer te geven. De resultaten werden geanalyseerd en herhaald met gebruikmaking van live video display en off line analyse te vinden van de optimale imaging setup. Dit is essentieel omdat het beeld processing software maakt gebruik van het feit dat hoge perfusie snelle variatie in laser spikkel patroon produceert, en dientengevolge een laag contrast gebied van welomschreven spikkel wordt geproduceerd in het videobeeld. Perfusie afbeelding wordt dan gemaakt in een gekleurde kaart van microcirculatory perfusie.

Experimentele gebied en deelname voorbereiding blijkt te zijn essentieel, en dit kan worden gecontroleerd door het vermijden van werk in de buurt van bronnen van daglicht (venster) of sterke bronnen van kunstlicht, omdat dit met de moorFLPI in de buurt van infra-rood laserbron interfereren kunnen. Het protocol ook van Madrid introduceerde een AOP zoals het was erkend dat het milieu trillingen en verkeer van deelnemer beiden genereren signalen die niet te onderscheiden van de bloedstroom zijn. Het AOP bleek te zijn een eenvoudige, maar effectieve keuze, het aanbieden van een dunne maar ondoorzichtig, licht en toegankelijke optie, die had een microscopisch ruwe oppervlakte om te voorkomen dat belangrijke spiegelende reflectie. Voorbereidend onderzoek door Omarjee et al. 11 wijst op een mogelijke beperking waarmee Leukotape creëert een reflectie signaal amplitude verschillen van die van de huid en verschilt aanzienlijk tussen onderwerpen; echter Mahe et al. 1 vond geen drastische verschil tussen deelnemers. Hoewel Leukotape toegankelijker is dan andere op, dubbelgelaagde Zelfklevende patches maat, kan de nauwkeurigheid van vergelijking (1) meting worden verbeterd met behulp van een alternatieve AOP.

De afdeling off line analyse gewezen op het belang van de maten van ROIs, en hun locatie binnen het gebied van belang. In eerste instantie, werd een grotere ROI 1, ongeveer 8 cm2, berecht die de ROI-2 bedekt. Deze methodiek werd al snel VN-betrouwbaar als gevolg van artefact beweging wat resulteert in het verplaatsen van de ROI 2 en de live experiment moest worden gestopt om opnieuw centreren de ROI-2. Een andere korte komst vond dat als gevolg van ROI 1 bedekken de AOP, de gemiddelde flux niet langer de beplante AOP op een rekening, als er niet langer een terugverstrooide signaal was. Dit betekende een groot deel van bloed microcirculatie was wordt over het hoofd gezien en daarom resulterende flux gegevens waren niet correct. Daarom biedt een methodologie in welke twee ROIs van 2 cm,2, met een AOP van 8 cm2 en geen interactie tussen ROI 1 en 2 van de ROI (maar onderhouden binnen 2-4 cm van elkaar), een betrouwbare en herhaalbare analysetechniek voor het meten van bloed microcirculatie.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs hebben geen bevestigingen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
moorFLPI LSCIMoor InstrumentsNiet beschikbaar - Online link verstrekt in de beschrijvingmoorFLPI is een instrument dat is ontworpen voor de meting van bloedstroom in de microvasculatuur door gebruik te maken van infrarode laser speckle contrastanalyse.  https://gb.moor.co.uk/
moorFLPI Image Review ModuleMoor InstrumentsNiet beschikbaar - Online link verstrektGebruikt met moorFLPI, kan de gebruiker veranderingen in bloedstroom opnemen en meten door een kleurcoderingsmap van weefselperfusie te wijzigen.  https://gb.moor.co.uk/
LeukotapeBSN Medical72978-10Medisch tape met microporeuze oppervlakte. http://www.bsnmedical.co.uk/fileadmin/z-countries/United_Kingdom/PDF/L/Leukotape_K_A46PP_low_res_11112013.pdf

Referenties

  1. Mahe, G., Rousseau, P., Durand, S., Leftheriotis, G., Abraham, P. Laser speckle contract imaging accurately measures blood flow over moving skin surfaces. Microvas Res. 81 (2), 183-188 (2010).
  2. Rousseau, P., et al. Increasing the "region of interest" and "time of interest", both reduce the variability of blood flow measurements using laser speckle contrast imaging. Microvas Res. 82, 88-91 (2011).
  3. Hecht, N., Woitzik, J., Dreier, J., Vajkoczy, P. Intraoperative monitoring of cerebral blood flow by laser speckle contrast analysis. Neurosurg Focus. 27 (4), 1-6 (2009).
  4. Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Leftheriotis, G., Abrham, P. Impact of experimental conditions on noncontact laser recordings in microvascular studies. Microcirculation. 19 (8), 669-675 (2012).
  5. Cheng, H., Duong, T. Q. Simplified laser-speckle-imaging analysis method and its application to retinal blood flow imaging. Opt Lett. 32 (15), 2188-2190 (2007).
  6. Doherty, J., McNamara, P., Clancy, N. T., Enfield, J. G., Leahy, M. J. Comparison of instruments for investigation of microcirculatory blood flow and red blood cell concentration. J Biomed Opt. 14 (3), 034025(2009).
  7. Briers, D. J. Laser speckle contrast imaging for measuring blood flow. Opt Appl. 37 (1), 139-152 (2007).
  8. moorFLPI User Manual. (8), Moor Instrument Limited. Devon, UK. (2012).
  9. Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Abraham, P. Impact of Experimental Conditions on Noncontact Laser Recordings in Microvascular Studies. Microcirculation. 19, 669-675 (2012).
  10. Bahadori, S., Immins, T., Wainwright, T. The effect of calf neuromuscular electrical stimulation and intermittent pneumatic compression on thigh microcirculation. Micro Res. 111, 37-41 (2017).
  11. Omarjee, L., et al. Optimisation of movement detection and artifact removal during laser speckle contrast imaging. Miscrovas Res. 97 (1), 75-80 (2015).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Correctie van bewegingsartefactenmeting van de bloedmicrocirculatieadhesieve ondoorzichtige patchbaseline analyse van de fluxMoorFLPI LSCI systeemalternerende stroomsnelhedenmonitoring van de bloedstroom in de huidROI signaalaftrekkingreferentie baselinemethode

Gerelateerde artikelen