Dual-mode beeldvorming van Cutane zuurstofvoorziening van de weefsels en de vaatfunctie

Een nauwkeurige beoordeling van de oxygenatie van het huidweefsel en de vasculaire functie is belangrijk voor de juiste detectie, stadiering en behandeling van veel gezondheidsstoornissen, waaronder chronische wonden. Hier wordt de oxygenatie van het huidweefsel en de vasculaire thermische reactiviteit van het weefsel op niet-invasieve wijze in beeld gebracht. Hiervoor wordt een vernieuwend dual-mode imagingsysteem gebruikt dat een infraroodcamera, een CCD-camera, een instelbaar vloeibaarkristalfilter en een hoogintensieve vezellichtbron integreert.

Oxygenatieveranderingen worden geïnduceerd in het armweefsel van een gezonde proefpersoon met behulp van een bloeddrukmanchet die wordt gemonitord door het duale modus beeldvormingssysteem, en vergeleken met gelijktijdige metingen van diepe weefseloxygenatie en cutaan weefsel; daarnaast worden veranderingen in de weefselzuurstofspanning en weefseltemperatuur als reactie op externe thermische stimulatie geregistreerd om de vasculaire thermische reactiviteitskaart te reconstrueren. De cutane weefseloxygenatiekaart en de vasculaire thermische reactiviteitskaart van het weefsel worden samengevoegd via een geavanceerd co-registratiealgoritme. In dit werk beschrijven we de ontwikkeling van een nieuw beeldvormingssysteem voor de niet-invasieve monitoring van de zuurstofsaturatie van wondweefsel, evenals het dynamische thermografische profiel, wat helpt bij het bestuderen van exotherme ontsteking en het traceren van warm bloed dat in het wondweefsel stroomt tijdens de post-inflammatoire angiogene fase.

Vanuit een klinisch perspectief heeft dit beeldvormingssysteem het potentieel om te helpen bij het beantwoorden van kernvragen op het gebied van acute en chronische wondbehandeling, zoals het gebruik van beeldgestuurd debridement. Het zal daarnaast helpen om de respons op therapeutische wondinterventies non-invasief te monitoren door middel van herhaalde metingen van de weefseloxygenatie. Dit dual-model beeldvormingssysteem, ontwikkeld bij het Comprehensive Wound Center van de Ohio State University, is de eerste stap naar de simultane beoordeling van de oxygenatie van wondweefsel en de vasculaire functie.

Zoals u zult zien, is het systeem nu klaar voor functionele testen; er lopen inspanningen om het technische ontwerp, het gestandaardiseerde protocol en een gevalideerd systeem voor routinematig klinisch gebruik te verbeteren. Naast de beeldvormingshardware en de reconstructiealgoritmen hebben we snellere maatregelen voor beeldco-registratie ontwikkeld voor het integreren en visualiseren van overlay-beelden die zijn verkregen met de verschillende beeldvormingsmodaliteiten. De aanpak is modulair, wat ruimte biedt voor de toekomstige toevoeging van nieuwe beeldvormingsplatformen.

Begin met een gezonde proefpersoon. Laat de linkeronderarm van de proefpersoon op een aanrecht rusten. Gebruik een penseel om een dunne laag Oost-Indische inkt op de onderarm van de proefpersoon aan te brengen om verschillende huidskleuren na te bootsen.

Plaats vier referentiemarkers op de onderarm van het subject om een region of interest (ROI) te definiëren die zowel de inkt, de beschilderde huid als de normale huid omvat. De referentiemarkers beschikken over gelijktijdige thermische en optische contrasten die beeldco-registratie vergemakkelijken; hiervoor wordt het dual-mode beeldvormingssysteem gebruikt dat is ontwikkeld bij het comprehensive wound center van de Ohio State University. Het beeldvormingssysteem bestaat uit een infraroodcamera, een CCD-camera, een instelbaar vloeibaar-kristalfilter en een hoogintensieve vezellichtbron voor het uitvoeren van multispectrale beeldvorming van weefseloxygenatie.

Schakel alle externe lichtbronnen uit en laat de proefpersoon vervolgens de arm positioneren om beelden vast te leggen. De imaging-software kalibreert automatisch de belichtingstijden voor elke golflengte. Nadat de monsterbeelden van het interessegebied zijn verzameld, plaatst u een wit referentiebord in het beeldveld en neemt u reflectiebeelden op bij verschillende golflengten.

Deze zullen worden gebruikt voor kalibratie. Zodra de referentiebeelden zijn verkregen, wordt de reflectieverhouding berekend en de weefseloxygenatie per pixel afgeleid op basis van de wide gap.

Tweede afgeleid spectrum. Neem ter vergelijking een kaart van de cutane weefseloxygenatie op met een commercieel systeem om vast te stellen of een verandering in huidskleur de oxygenatiemetingen in elk systeem beïnvloedt. Gebruik statistische analysesoftware om een student-T-toets uit te voeren, waarbij de metingen in de regio's met en zonder inkt worden vergeleken.

Plaats vervolgens een bloeddrukmanschet om de linker bovenarm van de proefpersoon. Bepaal en noteer de systolische en diastolische bloeddruk van de proefpersoon. Plaats de sensoren van een plex TS weefselspectrofotometer en een A TCM transcutane zuurstofmonitor op dezelfde arm en schakel de apparaten in om ze 20 minuten voor te verwarmen, terwijl de zuurstofkaart van het cutane weefsel wordt gemonitord.

Introduceer veranderingen in de oxygenatie van het armweefsel door een post-occlusieve reactieve hyperemie of PORH uit te voeren. Klik op de startknop om te beginnen met beelden. Monitor de pre-occlusieve baseline gedurende twee minuten.

Blaas vervolgens de bloeddrukmanchet op tot 50 mmHg boven de systolische druk om een suprasystolische occlusie op te wekken. Laat de manchet twee minuten opgeblazen, terwijl de veranderingen in de weefselparameters worden gemonitord. Laat tot slot de bloeddrukmanchet snel leeglopen om reactieve hyperemie op te wekken.

Registreer alle weefselzuurstofparameters gedurende twee minuten. Voer dynamische thermografische beeldvorming uit. Zorg dat een gezonde proefpersoon comfortabel zit.

Laat de proefpersoon zitten met de linkerarm rustend op een aanrecht. Positioneer de handrug van de linkerhand naar boven, richting de infraroodcamera-unit van het beeldvormingssysteem. Plaats vervolgens een laser-doppler-sonde op de vingertop van de linkerhand om de huidperfusie continu te monitoren met een bemonsteringsfrequentie van 10 hertz.

Plaats een bloeddrukmanchet om de linker bovenarm van de proefpersoon. Bepaal vervolgens de systolische en diastolische bloeddruk van de proefpersoon en noteer deze. Genereer verschillende niveaus van vasculaire occlusie door de opblazing van de bloeddrukmanchet te regelen op de volgende drukwaarden: geen occlusie, 0,5 keer de diastolische bloeddruk, 0,5 keer de gecombineerde diastolische en systolische bloeddruk, en 1,5 keer de systolische bloeddruk.

Voer vervolgens thermografische beeldtesten uit bij twee niveaus van vasculaire occlusie: geen occlusie en systolische occlusie. Introduceer een thermische stimulatie door gedurende 30 seconden een waterzak op kamertemperatuur op de linkerhand te plaatsen. Start direct na het verwijderen van de waterzak met het continu vastleggen van thermografische beelden met een beeldsnelheid van twee frames per seconde.

Bepaal met behulp van software de thermische reactiviteitsfunctie van de weefselvascularisatie. Bereken de functie-index voor elke pixel van het thermografische beeld door de verhouding te nemen tussen de vierkantswortel van de duur van de thermische stimulatie en de overeenkomstige temperatuurverandering van het weefsel. Bereken de waarde van de thermische reactiviteit van de vaten in de vinger bij elke occlusiedruk door het gemiddelde te nemen van vijf ROI's in de kaart van de thermische reactiviteit van de weefselvascularisatie. De waarden van de thermische reactiviteit van de vaten in de vinger worden vergeleken met laser-doppler-metingen van de vasculaire perfusie van de vinger bij verschillende occlusieniveaus.

Om de oxygenatiekaart verkregen via multispectrale beeldvorming en de vasculaire functiekaart verkregen via dynamische thermografische beeldvorming te corregistreren, wordt MATLAB gebruikt om alle beelden om te zetten naar grijswaarden. Vervolgens worden de pixelintensiteitswaarden genormaliseerd door deze vast te stellen tussen nul en één.

Identificeer vervolgens op de oxygenatiekaart of het multispectrale beeld de voorgrond of het huidgebied met pixelintensiteitswaarden die groter zijn dan de empirische globale drempelwaarde van 0,8 maal de gemiddelde intensiteitswaarde van het gehele beeld. Verbeter het beeld verder met behulp van de morfologische operatie. Identificeer vervolgens de referentiepunten om rekening te houden met variaties in de belichting.

Deze markeringen verschijnen als donkere gebieden op de voorgrond en hebben intensiteitswaarden onder de globale en adaptieve lokale drempelwaarden. Verfijn de gebieden van de referentiemarkeringen met behulp van morfologische bewerkingen om ruis in het beeld te verwijderen, en selecteer de OID's van deze vier gebieden als controlepunten in de optische foto.

Herhaal soortgelijke stappen om markerregio's in de vasculaire functiekaart of de thermografische afbeelding te identificeren. Koppel de twee sets controlepunten op basis van nabijheid. Nadat deze naar dezelfde schaal zijn genormaliseerd, wordt een controlepunt in de eerste afbeelding gekoppeld aan het dichtstbijzijnde controlepunt.

Bereken in de tweede stap een fijne transformatie met translatie-, rotatie- en schalingsinformatie tussen de twee afbeeldingen, waarbij de vasculaire functiekaart als referentie wordt gebruikt. Transformeer vervolgens de oxygenatiekaart met behulp van de berekende transformatie.

Leg tenslotte de gecoregistreerde beelden over elkaar heen voor visualisatie. Hier wordt een gereconstrueerde kaart van de cutane weefseloxygenatie getoond, verkregen uit de onderarm van een gezond subject met behulp van het uitgebreide wondgecentreerde duale-modus beeldvormingssysteem. Merk op dat er geen significante verschillen in oxygenatie worden waargenomen tussen de geschilderde en ongeschilderde weefselregio's.

Er werden willekeurig 10 ROI's geselecteerd van buiten en binnen het met inkt geschilderde gebied om oxygenatiemetingen te evalueren. De hier getoonde resultaten suggereren dat de meting van weefseloxygenatie door het comprehensive wound center-systeem niet significant wordt beïnvloed door de huidskleur. In vergelijking hiermee worden weefseloxygenatiemetingen die met een commercieel systeem zijn verkregen, wel significant beïnvloed door de huidskleur.

Het uitgebreide beeldsysteem voor wondcentra is in staat om veranderingen in de oxygenatie van het cutane weefsel continu te monitoren gedurende de baseline-occlusie- en hyperemiafasen van de PORH-procedure. Tijdens de PORH-procedure valt de verandering in de oxygenatie van het cutane weefsel samen met veranderingen in de oxygenatie van het diepe weefsel. Het uitgebreide beeldsysteem voor wondcentra is daarnaast in staat om de vasculaire thermische reactiviteit van het cutane weefsel in beeld te brengen.

Deze figuren tonen representatieve kaarten van de vasculaire functie van hetzelfde subject bij verschillende vasculaire occlusiedrukken, opgewekt door een bloeddrukmanchet. De gemiddelde index van de vasculaire functie bij de vingertoppen van het subject correleert met de laser-doppler-meting van de vingertoppen. Perfusie van het huidweefsel.

De oxygenatiekaart en de vasculaire functiekaart die door het beeldsysteem zijn verkregen, worden samengevoegd door een co-registratiealgoritme. Deze figuur toont een representatieve beeldfusie. Wat we hier hebben is een duaal modelbeeldsysteem voor de gelijktijdige beoordeling van continue weefseloxygenatie en de vasculaire thermische reactiviteit van het weefsel.

Andere platforms, zoals fluorescentie-imaging, kunnen worden toegevoegd. De systeemintegratie van hardware- en softwarecomponenten vormt een cruciale basis. In dit kader kan het algoritme voor beeldco-registratie in het systeem eenvoudig worden aangepast om extra imaging-modaliteiten te ondersteunen, waardoor dit een veelzijdig product wordt.

Na het bekijken van deze video zou u een goed beeld moeten hebben van de potentie die deze nieuwe beeldvormingsmethode biedt. De ontwikkeling van het systeem is een voorbeeld van interdisciplinair translationeel onderzoek bij het comprehensive wound Center van de Ohio State University. Veel succes met uw experimenten.