Obrazowanie dwutrybowe utlenowania tkanki skórnej i funkcji naczyniowej

Dokładna ocena natlenienia tkanki skórnej i funkcji naczyniowej jest istotna dla właściwego wykrywania, oceny stopnia zaawansowania i leczenia wielu schorzeń, w tym ran przewlekłych. W niniejszym materiale obrazowanie natlenienia tkanki skórnej oraz termicznej reaktywności naczyniowej tkanki jest przeprowadzane nieinwazyjnie. Wykorzystano w tym celu nowatorski system obrazowania w trybie dualnym, który integruje kamerę podczerwieni, kamerę CCD, regulowany filtr ciekłokrystaliczny oraz wysokointensywne światłowodowe źródło światła.

Zmiany oksygenacji są indukowane w tkance ramienia zdrowego badanego przy użyciu mankietu do pomiaru ciśnienia krwi monitorowanego przez dwutrybowy system obrazowania; w porównaniu z jednoczesnymi pomiarami oksygenacji tkanek głębokich i tkanki skórnej, rejestrowane są również zmiany napięcia tlenowego i temperatury tkanki w odpowiedzi na zewnętrzną stymulację termiczną w celu zrekonstruowania mapy reaktywności naczyniowej na temperaturę. Mapa oksygenacji tkanki skórnej oraz mapa reaktywności naczyniowej tkanek na temperaturę są łączone za pomocą zaawansowanego algorytmu koregistracji. W niniejszej pracy opisujemy opracowanie nowatorskiego systemu obrazowania do nieinwazyjnego monitorowania nasycenia tlenem tkanki rany oraz dynamicznego profilu termograficznego, co pomaga w badaniu egzotermicznego stanu zapalnego oraz w śledzeniu przepływu ciepłej krwi do tkanki rany podczas poinfalmacyjnej fazy angiogenezy.

Z perspektywy klinicznej ten system obrazowania ma potencjał, aby pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie leczenia ran ostrych i przewlekłych, takie jak wykorzystanie oczyszczania rany pod kontrolą obrazową. Będzie on również pomocny w nieinwazyjnym monitorowaniu reakcji na interwencje terapeutyczne w ranie poprzez wielokrotne pomiary natlenienia tkanek. Ten dwumodelowy system obrazowania, opracowany w Comprehensive Wound Center na Uniwersytecie stanowym w Ohio, jest pierwszym krokiem w kierunku jednoczesnej oceny natlenienia tkanki rany oraz funkcji naczyniowych.

Jak widać, system jest teraz gotowy do testów funkcjonalnych; trwają prace nad ulepszeniem projektu inżynieryjnego, standaryzacją protokołu oraz walidacją systemu do rutynowego zastosowania klinicznego. Oprócz sprzętu do obrazowania i algorytmów rekonstrukcji opracowaliśmy szybsze metody korejestracji obrazów w celu integrowania i wizualizacji obrazów nakładkowych pozyskanych za pomocą różnych modalności obrazowania. Podejście to ma charakter modułowy, co umożliwia w przyszłości dodawanie nowych platform obrazowania.

Zacznij od wyboru zdrowego ochotnika. Poproś go, aby usiadł z lewym przedramieniem opartym o blat. Za pomocą pędzla nałóż cienką warstwę tuszu kreślarskiego na przedramię ochotnika, aby zasymulować różne kolory skóry.

Umieść cztery markery referencyjne na przedramieniu badanego, aby wyznaczyć obszar zainteresowania (ROI) obejmujący zarówno skórę pomalowaną tuszem, jak i skórę niezabarwioną. Markery referencyjne wykazują jednoczesny kontrast termiczny i optyczny, co ułatwia korejestrację obrazów; w tym celu wykorzystano dwumodalny system obrazowania opracowany w Comprehensive Wound Center na Uniwersytecie stanu Ohio. System obrazowania składa się z kamery podczerwieni, kamery CCD, regulowanego filtra ciekłokrystalicznego oraz wysokointensywnego światłowodowego źródła światła, co pozwala na przeprowadzenie obrazowania wielospektralnego w celu oceny natlenienia tkanek.

Wyłącz wszystkie zewnętrzne źródła światła, a następnie poproś badanego o ułożenie ramienia i wykonaj zdjęcia. Oprogramowanie do obrazowania automatycznie kalibruje czasy ekspozycji dla każdej długości fali. Po zebraniu obrazów próbkowych z obszaru zainteresowania, umieść w obszarze obrazowania białą tablicę i wykonaj zdjęcia refleksyjne przy różnych długościach fal.

Próbki te zostaną wykorzystane do kalibracji. Po pozyskaniu obrazów referencyjnych należy obliczyć stosunek odbicia i wyznaczyć utlenowanie tkanki dla każdego piksela na podstawie szerokiej przerwy.

Widmo drugiej pochodnej. Dla porównania, uzyskaj mapę utlenowania tkanki skórnej za pomocą komercyjnego systemu, aby ustalić, czy zmiana koloru skóry wpływa na pomiary utlenowania w każdym z systemów. Użyj oprogramowania do analizy statystycznej, aby przeprowadzić test t-Studenta, porównując pomiary w obszarach z tuszem i bez niego.

Następnie załóż mankiet ciśnieniowy na lewe ramię badanego. Zmierz i zapisz skurczowe oraz rozkurczowe ciśnienie tętnicze krwi badanego. Umieść sensory spektrofotometru tkankowego plex TS oraz transkutaneousnego monitora tlenu A TCM na tym samym ramieniu i włącz urządzenia, aby rozgrzewały się przez 20 minut, monitorując w tym czasie mapę utlenowania tkanek skórnych.

Wprowadź zmiany w utlenowaniu tkanki ramienia, wykonując reaktywną hiperemię pozakluzyjną (PORH). Kliknij przycisk start, aby rozpocząć obrazowanie. Monitoruj linię bazową przed okluzją przez dwie minuty.

Następnie napompuj mankiet do ciśnienia o 50 mmHg wyższego od ciśnienia skurczowego, aby wywołać okluzję nadsystoliczną. Pozostaw mankiet napompowany przez dwie minuty, kontynuując monitorowanie zmian parametrów tkankowych. Na koniec szybko spuść powietrze z mankietu, aby wywołać hiperemię reaktywną.

Rejestruj wszystkie parametry natlenienia tkanek przez dwie minuty. W celu wykonania dynamicznego obrazowania termograficznego, zapewnij badanej zdrowej osobie komfortową pozycję.

Osoba badana powinna usiąść z lewym ramieniem opartym o blat. Grzbiet lewej dłoni należy skierować w górę, w stronę jednostki kamery podczerwieni systemu obrazowania. Następnie na opuszkę palca lewej dłoni należy przyłożyć sondę laserowego dopplera, aby stale monitorować perfuzję skóry z częstotliwością próbkowania 10 hertz.

Załóż mankiet ciśnieniowy na lewe ramię badanego. Następnie zmierz i zapisz skurczowe oraz rozkurczowe ciśnienie tętnicze badanego. Wygeneruj różne poziomy okluzji naczyniowej poprzez kontrolowanie stopnia napompowania mankietu przy następujących poziomach ciśnienia: brak okluzji, 0,5 raz ciśnienia rozkurczowego, suma 0,5 raz ciśnienia rozkurczowego i ciśnienia skurczowego oraz 1,5 raz ciśnienia skurczowego.

Następnie należy przeprowadzić badania obrazowania termograficznego dla dwóch poziomów okluzji naczyniowej: braku okluzji oraz okluzji skurczowej. Stymulację termiczną wprowadza się poprzez przyłożenie worka z wodą o temperaturze pokojowej do lewej dłoni na 30 sekund. Natychmiast po usunięciu worka z wodą należy rozpocząć ciągłą akwizycję obrazów termograficznych z częstotliwością obrazowania dwóch klatek na sekundę.

Przy użyciu oprogramowania określ funkcję reaktywności termicznej naczyń tkankowych. Oblicz indeks funkcji dla każdego piksela obrazu termograficznego, wyliczając stosunek pierwiastka kwadratowego z czasu stymulacji termicznej do odpowiadającej mu zmiany temperatury tkanki. Oblicz wartość reaktywności termicznej naczyń palca dla każdego ciśnienia okluzji, uśredniając pięć obszarów ROI na mapie reaktywności termicznej naczyń tkankowych. Wartości reaktywności termicznej naczyń palca porównuje się z pomiarami laserowskiej dopplerometrii perfuzji naczyń palca przy różnych poziomach okluzji.

W celu korejestracji mapy natlenienia uzyskanej z obrazowania wielospektralnego oraz mapy funkcji naczyniowej uzyskanej z dynamicznego obrazowania termograficznego, należy wykorzystać program MATLAB do przekształcenia wszystkich obrazów w skalę szarości. Następnie należy znormalizować wartości intensywności pikseli, ustawiając je w przedziale od zera do jeden.

Następnie na mapie natlenienia lub obrazie wielospektralnym zidentyfikuj pierwszy plan lub obszar skóry, którego wartości intensywności pikseli są wyższe niż empiryczny globalny próg wynoszący 0,8 średniej wartości intensywności całego obrazu. W dalszym ciągu ulepsz obraz, stosując operację morfologiczną. Następnie, aby skompensować zmienność oświetlenia, zidentyfikuj markery referencyjne.

Markery te będą widoczne jako ciemniejsze obszary na pierwszym planie i będą miały wartości intensywności poniżej globalnych i adaptacyjnych progów lokalnych. Należy doprecyzować obszary markerów fiducyjnych za pomocą operacji morfologicznych w celu usunięcia szumu z obrazu, a następnie wybrać identyfikatory obiektów (OID) tych czterech obszarów jako punkty kontrolne na zdjęciu optycznym.

Powtórz analogiczne kroki w celu zidentyfikowania obszarów znacznikowych na mapie funkcji naczyniowych lub obrazie termograficznym. Dopasuj dwa zestawy punktów kontrolnych na podstawie ich bliskości. Po znormalizowaniu ich do tej samej skali, dopasuj punkt kontrolny na pierwszym obrazie do najbliższego punktu kontrolnego.

W drugim przypadku oblicz dokładną transformację zawierającą informacje o translacji, rotacji i skalowaniu między dwoma obrazami, przyjmując mapę naczyń krwionośnych jako punkt odniesienia. Następnie przekształć mapę natlenienia, korzystając z obliczonej transformacji.

Na koniec, w celu wizualizacji, nałóż na siebie zarejestrowane obrazy. Przedstawiono tutaj zrekonstruowaną mapę utlenowania tkanki skórnej, pozyskaną z przedramienia zdrowego ochotnika przy użyciu kompleksowego dwumodalnego systemu obrazowania centrycznego w ranie. Należy zauważyć, że nie zaobserwowano istotnych różnic w utlenowaniu pomiędzy obszarami tkanki pomalowanej a niepomalowanej.

W celu oceny pomiarów natlenienia z obszarów poza i w obrębie regionu pomalowanego tuszem losowo wybrano 10 ROI. Przedstawione tutaj wyniki sugerują, że pomiar natlenienia tkanek za pomocą kompleksowego systemu centrum leczenia ran nie jest w znacznym stopniu zależny od koloru skóry. W porównaniu z tym, pomiary natlenienia tkanek uzyskane przy użyciu systemu komercyjnego są w znacznym stopniu zależne od koloru skóry.

Kompleksowy system obrazowania centrum leczenia ran umożliwia ciągłe monitorowanie zmian w utlenowaniu tkanki skórnej podczas fazy baseline’owej okluzji oraz fazy hiperemii w procedurze PORH. W trakcie procedury PORH zmiana utlenowania tkanki skórnej pokrywa się ze zmianami utlenowania tkanek głębokich. Kompleksowy system obrazowania centrum leczenia ran pozwala również na obrazowanie termicznej reaktywności naczyniowej tkanki skórnej.

Ryciny te przedstawiają reprezentatywne mapy funkcji naczyniowej tego samego badanego przy różnych ciśnieniach okluzji naczyniowej wywołanych przez mankiet ciśnieniowy. Średni wskaźnik funkcji naczyniowej w opuszkach palców badanego koreluje z pomiarem dopplerowskim laserowym opuszek palców. Perfundacja tkanki skóry.

Mapa natlenienia oraz mapa funkcji naczyniowej pozyskane przez system obrazowania są łączone za pomocą algorytmu korejestracji. Na tej ilustracji przedstawiono reprezentatywny przykład fuzji obrazów. Prezentowany układ to system obrazowania z podwójnym modelem, służący do jednoczesnej oceny natlenienia tkanek ciągłych oraz naczyniowej reaktywności termicznej tkanek.

Można dodać inne platformy, takie jak obrazowanie fluorescencyjne. Integracja systemowa komponentów sprzętowych i programowych stanowi kluczowy fundament. Dzięki temu algorytm korejestracji obrazów w systemie można łatwo dostosować do dodatkowych modalności obrazowania, co czyni ten produkt wszechstronnym.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobre zrozumienie możliwości, jakie oferuje to nowe podejście do obrazowania. Opracowanie tego systemu jest przykładem interdyscyplinarnejy badań translacyjnych prowadzonych w kompleksowym centrum leczenia ran na Uniwersytecie Stanowym Ohio. Powodzenia w przeprowadzaniu doświadczeń.