Dual-mode de imagem de oxigenação dos tecidos cutâneos e Função Vascular

A avaliação precisa da oxigenação tecidual cutânea e da função vascular é importante para a detecção, estadiamento e tratamento adequados de diversas doenças, incluindo feridas crônicas. Aqui, a oxigenação tecidual cutânea e a reatividade térmica vascular do tecido são imagiadas de forma não invasiva. Utilizando um novo sistema de imagem em modo duplo que integra uma câmera de infravermelho, uma câmera CCD, um filtro sintonizável de cristal líquido e uma fonte de luz de fibra de alta intensidade.

Alterações na oxigenação são induzidas no tecido do braço de um indivíduo saudável utilizando um manguito de pressão arterial monitorado pelo sistema de imagem em modo duplo e comparadas com medições simultâneas da oxigenação do tecido profundo e do tecido cutâneo. Alterações na tensão de oxigênio e na temperatura tecidual em resposta à estimulação térmica externa também são registradas para reconstruir o mapa de reatividade vascular térmica. O mapa de oxigenação do tecido cutâneo e o mapa de reatividade vascular térmica tecidual são fundidos por meio de um algoritmo avançado de co-registro. Neste trabalho, descrevemos o desenvolvimento de um novo sistema de imagem para o monitoramento não invasivo da saturação de oxigênio no tecido de feridas, bem como do perfil termográfico dinâmico, o que auxilia no estudo da inflamação exotérmica e no rastreamento do sangue quente que flui para o tecido da ferida durante a fase angiogênica pós-inflamatória.

Do ponto de vista clínico, este sistema de imagem tem o potencial de ajudar a responder perguntas fundamentais na área do tratamento de feridas agudas e crônicas, como o uso da desbridagem guiada por imagem. Também permitirá monitorar de forma não invasiva a resposta das feridas às intervenções terapêuticas por meio de medições repetidas da oxigenação tecidual. Este sistema de imagem de modelo duplo desenvolvido no Comprehensive Wound Center da Ohio State University representa o primeiro passo rumo à avaliação simultânea da oxigenação tecidual da ferida e da função vascular.

Como você verá, o sistema agora está pronto para testes funcionais, cujos esforços estão em andamento para aprimorar o protocolo padronizado de projeto de engenharia e um sistema validado para uso clínico rotineiro. Além do hardware de imagem e dos algoritmos de reconstrução, desenvolvemos medidas mais rápidas de co-registro de imagens para integrar e visualizar sobreposições de imagens adquiridas por diferentes modalidades de imagem. A abordagem é modular, permitindo futuras atualizações com novas plataformas de imagem.

Comece com um sujeito saudável. Peça a ele ou a ela para sentar com o antebraço esquerdo apoiado sobre uma bancada. Use um pincel para aplicar uma camada fina de tinta nanquim no antebraço do sujeito, simulando diferentes cores de pele.

Posicione quatro marcadores fiduciais no antebraço do sujeito para definir uma região de interesse (ROI) que inclua tanto a tinta, a pele pintada, quanto a pele normal. Os marcadores fiduciais apresentam contrastes térmico e óptico simultâneos, o que facilita o co-registro de imagens; aqui, utiliza-se o sistema de imagem multímodo desenvolvido no Centro Abrangente de Tratamento de Feridas da Ohio State University. O sistema de imagem é composto por uma câmera infravermelha, uma câmera CCD, um filtro sintonizável de cristal líquido e uma fonte de luz de fibra de alta intensidade, para realizar a imagem multiespectral da oxigenação tecidual.

Desligue todas as fontes de luz externas, então posicione o braço do sujeito e capture as imagens. O software de imagem calibra automaticamente os tempos de exposição em cada comprimento de onda. Após as imagens da amostra serem coletadas da região de interesse, coloque uma placa branca na área de imagem e adquira imagens de reflectância em diferentes comprimentos de onda.

Estas serão usadas para calibração. Após as imagens de referência terem sido adquiridas, calcule a razão de reflectância e derive a oxigenação tecidual em cada pixel com base na largura da faixa.

Espectro da segunda derivada. Para comparação, adquira um mapa de oxigenação do tecido cutâneo utilizando um sistema comercial para determinar se a alteração na cor da pele afeta as medições de oxigenação em cada sistema. Utilize um software de análise estatística para realizar um teste T de Student, comparando as medições nas regiões com e sem tinta.

Em seguida, coloque uma braçadeira de pressão no braço superior esquerdo do sujeito. Determine e registre as pressões sanguíneas sistólica e diastólica do sujeito. Coloque os sensores de um espectrofotômetro tecidual plex TS e de um monitor transcutâneo de oxigênio A TCM no mesmo braço e ligue os dispositivos para aquecê-los por 20 minutos, enquanto monitora o mapa de oxigenação tecidual cutânea.

Introduza alterações na oxigenação do tecido do braço realizando uma hiperemia reativa pós-oclusiva ou PORH. Clique no botão iniciar para começar a aquisição de imagens. Monitore a linha de base pré-oclusão por dois minutos.

Em seguida, insufle o manguito de pressão arterial até 50 milímetros de mercúrio acima da pressão sistólica para induzir uma oclusão suprassistólica. Mantenha o manguito insuflado por dois minutos, continuando a monitorar as alterações nos parâmetros teciduais. Por fim, desinfle rapidamente o manguito de pressão para induzir hiperemia reativa.

Registre todos os parâmetros de oxigênio tecidual durante dois minutos. Para realizar a imagem termográfica dinâmica, posicione um sujeito saudável de forma confortável.

Sente-se com o braço esquerdo apoiado sobre uma bancada. Posicione o dorso da mão esquerda voltado para cima, em direção à unidade de câmera infravermelha do sistema de imagem. Em seguida, coloque uma sonda de doppler a laser na ponta do dedo da mão esquerda para monitorar continuamente a perfusão cutânea numa taxa de amostragem de 10 hertz.

Coloque uma braçadeira de pressão no braço superior esquerdo do sujeito. Em seguida, determine e registre as pressões sanguíneas sistólica e diastólica do sujeito. Gere diferentes níveis de oclusão vascular controlando a inflação da braçadeira de pressão nos seguintes níveis de pressão: sem oclusão, 0,5 vezes a pressão diastólica, 0,5 vezes a pressão diastólica combinada com a pressão sistólica e 1,5 vezes a pressão sistólica.

Em seguida, realize testes de imagem termográfica em dois níveis de oclusão vascular: sem oclusão e oclusão sistólica em cada nível de oclusão vascular. Introduza uma estimulação térmica colocando uma bolsa de água à temperatura ambiente na mão esquerda durante 30 segundos. Imediatamente após a remoção da bolsa de água, comece a adquirir imagens termográficas continuamente, numa taxa de aquisição de dois quadros por segundo.

Utilizando software, determine a função de reatividade térmica vascular do tecido. Calcule o índice da função em cada pixel da imagem termográfica, obtendo a razão entre a raiz quadrada da duração da estimulação térmica e a variação correspondente da temperatura do tecido. Calcule o valor da reatividade térmica vascular do dedo em cada pressão de oclusão, fazendo a média de cinco ROI no mapa de reatividade térmica vascular do tecido. Os valores de reatividade térmica vascular do dedo são comparados com as medições de perfusão vascular do dedo por laser Doppler em diferentes níveis de oclusão.

Para realizar o registro conjunto do mapa de oxigenação obtido por meio de imagem multiespectral e do mapa de função vascular obtido por meio de imagem térmica dinâmica. Utilize o MATLAB para transformar todas as imagens em escala de cinza. Em seguida, normalize os valores de intensidade dos pixels ajustando-os entre zero e um.

A seguir, no mapa de oxigenação ou na imagem multiespectral, identifique a região de primeiro plano ou da pele com valores de intensidade de pixel superiores ao limiar global empírico de 0,8 vezes o valor médio de intensidade da imagem inteira. Melhore ainda mais a imagem utilizando a operação morfológica. Em seguida, para acomodar a variação de iluminação, identifique os marcadores fiduciais.

Esses marcadores aparecerão como regiões mais escuras em primeiro plano e terão valores de intensidade abaixo dos limiares globais e locais adaptativos. Refine as regiões dos marcadores fiduciais usando operações morfológicas para remover o ruído na imagem e selecione os OID dessas quatro regiões como pontos de controle na foto óptica.

Repita etapas semelhantes para identificar regiões marcadoras no mapa de função vascular ou na imagem termográfica. Associe os dois conjuntos de pontos de controle com base na proximidade. Após normalizá-los para a mesma escala, associe um ponto de controle na primeira imagem ao ponto de controle mais próximo.

No segundo, calcule uma transformação refinada com informações de translação, rotação e escala entre as duas imagens, utilizando o mapa da função vascular como referência. Em seguida, transforme o mapa de oxigenação usando a transformação calculada.

Por fim, sobreponha as imagens coregistradas para visualização. É apresentado aqui um mapa reconstruído de oxigenação tecidual cutânea adquirido a partir do antebraço de um indivíduo saudável utilizando o sistema abrangente de imagem dual modalidade centrado na ferida. Observe que diferenças significativas de oxigenação entre as regiões teciduais pintadas e não pintadas não são observadas.

10 ROI foram selecionadas aleatoriamente fora e dentro da região pintada com tinta para avaliar as medições de oxigenação. Os resultados apresentados aqui sugerem que a medição da oxigenação tecidual pelo sistema do centro abrangente de feridas não é significativamente afetada pela cor da pele. Em comparação, as medições de oxigenação tecidual obtidas usando um sistema comercial são significativamente afetadas pela cor da pele.

O sistema abrangente de imagem do centro de feridas é capaz de monitorar continuamente as alterações na oxigenação do tecido cutâneo durante todas as fases de oclusão basal e hiperemia do procedimento PORH. Durante o procedimento PORH, a alteração na oxigenação do tecido cutâneo coincide com mudanças na oxigenação do tecido profundo. O sistema abrangente de imagem do centro de feridas também é capaz de imagens da reatividade térmica vascular do tecido cutâneo.

Essas figuras mostram mapas representativos da função vascular do mesmo indivíduo em diferentes pressões de oclusão vascular introduzidas por um manguito de pressão. O índice médio de função vascular nas pontas dos dedos do indivíduo correlaciona-se com a medição por laser doppler nas pontas dos dedos. Perfusão tecidual da pele.

O mapa de oxigenação e o mapa da função vascular adquiridos pelo sistema de imagem são fundidos por meio de um algoritmo de co-registro. Esta figura mostra uma fusão representativa de imagens. O que temos aqui é um sistema de imagem com modelo duplo para avaliação simultânea da oxigenação tecidual contínua e da reatividade térmica vascular do tecido.

Outras plataformas, como a imagem de fluorescência, podem ser adicionadas. A integração do sistema entre componentes de hardware e software representa um pilar fundamental. Nesse sentido, o algoritmo de co-registro de imagens do sistema pode ser facilmente adaptado para acomodar modalidades de imagem adicionais, tornando este um produto versátil.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão das possibilidades oferecidas por esta nova abordagem de imagem. O desenvolvimento do sistema é um exemplo de pesquisa translacional interdisciplinar realizada no Comprehensive Wound Center da Ohio State University. Boa sorte com seus experimentos.