Name: Dual-mode de imagem de oxigenação dos tecidos cutâneos e Função Vascular (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-12-08T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 35 s
Description: Aprenda a usar um sistema de imagem dual para avaliar oxigenação tecidual cutânea e função vascular de forma não invasiva. Esta técnica integra câmera infravermelha, CCD e filtro de cristal líquido para monitorar cicatrização de feridas.

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Suportado pelo NIH prêmios RO1 HL073087, GM 077185, 069589 e GM para CKS. O trabalho também é apoiada por uma bolsa do curso de Medicina Regenerativa da DHLRI. Os autores agradecem ao apoio técnico e insumos clínica do seguinte pessoal na Ohio State University: Dr. Sabyasachi.Biswas (Centro Integral de Feridas), Dr. Allison Spiwak (Divisão de Tecnologia da Circulação), Joseph Agoston (Divisão de Circulação), Thoma cana (Divisão de Circulação), Joseph Ewing (Engenharia Mecânica), Scott Killinger (Engenharia Mecânica), e Xiaoyin Ge (Engenharia Elétrica).

1. Oxigenação dos tecidos mapeamento por imagem multiespectral Um Centro de Wound Global (CWC) de modo duplo sistema de imagem, doravante referido como o sistema CWC, foi desenvolvido na Universidade Estadual de Ohio para imagens multiespectrais de oxigenação dos tecidos cutâneos e de imagem termográfica da função vascular. A ampla diferença técnica derivada segunda espectroscópica foi utilizado para reconstruir o tecido mapas oxigenação com base em imagens multiespectrais 1. Neste estudo, um indivíduo saudável sentou-se com o antebraço esquerdo descansando sobre uma bancada. Uma porção do antebraço dentro do campo de visão do sistema CWC foi pintado com nanquim (1% dissolvido em etanol) para imitar as cores de pele diferentes. Imagens multiespectrais foram adquiridos e um mapa de oxigenação foi reconstruída com base no amplo espectro derivado segunda lacuna. O mapa oxigenação reconstruída foi comparada com a adquirida por um Hypermed OxyVu comercial hiperespectrais tecido do sistema de medição de oxigenação. Respostas dos tecidos de oxigênio para oclusão vascular foram estudados sobre o mesmo assunto na sequência de um protocolo de pós-oclusiva hiperemia reativa (PORH) 2. Antes do teste PORH, sistólica do sujeito e diastólica foram registradas por um manguito de pressão colocados no braço esquerdo. O protocolo PORH consistia de um período inicial de pré-oclusiva de dois minutos, uma oclusão suprasystolic (sistólica + 50 mm Hg) período de dois minutos, e um período de hiperemia reativa de dois minutos. Imagens multiespectrais foram adquiridas em quatro comprimentos de onda (ou seja, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm e) durante o teste PORH na taxa de amostragem de 0,75 segundos por comprimento de onda. Saturação de oxigênio dos tecidos profundos e tensão de oxigênio do tecido cutâneo no mesmo braço foram gravados simultaneamente por um espectrofotômetro tecido OxiplexTS (ISS Inc., Urbana Champaign, IL) e um monitor de TCM de oxigênio (Radiometer, Dinamarca), respectivamente. 2. Função de mapeamento vascular por imagem termográfica dinâmica Imagens termográficas dinâmica foi demonstrado em um sujeito saudável, utilizando o mesmo sistema CWC. O assunto confortavelmente mentiu sobre uma mesa em decúbito dorsal, com o braço esquerdo descansando sobre uma bancada e no dorso da mão esquerda voltada para cima em direção à unidade de câmera infravermelha do sistema CWC. Um laser Doppler sonda foi colocada na ponta do dedo da mesma mão para o monitoramento contínuo da perfusão da pele do dedo. Um manguito de pressão foi colocada sobre o braço esquerdo para produzir diferentes níveis de oclusão. Antes do experimento, o assunto foi convidado a descansar por pelo menos 10 minutos, com a pressão sistólica e diastólica registrados pelo manguito de pressão. Dinâmica imagens termográficas foram capturados nos níveis de pressão a seguir cuff: nenhuma oclusão, 0,5 x pressão arterial diastólica, 0,5 x (pressão arterial diastólica + pressão arterial sistólica), e 1,5 x pressão arterial sistólica. Em cada nível de pressão do manguito, um estímulo térmico foi introduzido pela colocação de um saco de água de temperatura ambiente (25 ° C) na mão esquerda por 30 segundos. Imediatamente após a remoção do estímulo térmico, as imagens da esquerda termográficas foram adquiridas a uma taxa de 2 frames / segundo ea perfusão da pele do dedo foi registrada pelo Doppler a laser sonda na taxa de amostragem de 10 Hz. O intervalo de tempo entre os testes foi de 10 min. A posição da mão esquerda foi marcado com antecedência para que as medições posteriores foram na mesma posição. Funções do tecido vascular em níveis diferentes de oclusão foram avaliadas através de resposta tanto a temperatura e os índices de função vascular. O índice de função vascular foi definida como a razão entre a raiz quadrada do tempo após a estimulação térmica e da mudança de temperatura correspondente. 3. Co-registo entre oxigenação dos tecidos e mapas função vascular O mapa da função cutânea tecido vascular adquirida pela imagem termográfica dinâmico e ver o mapa da oxigenação dos tecidos cutâneos adquiridos por meio de imagens multiespectrais foram co-registradas por um algoritmo avançado de imagens. Quatro marcadores fiduciária, com simultânea contrastes térmicos e ópticos, foram colocados no tecido biológico para facilitar imagem co-registro. Atualmente, o protocolo para co-registrar a imagem óptico (eo mapa de oxigenação), com a imagem térmica (e no mapa de funções vascular) inclui as seguintes etapas principais: 1) transformar todas as imagens para escala de cinza e normalizar os valores de intensidade de pixels entre 0 e 1, 2) para a foto óptica, identificar a região de primeiro plano (pele), que tem valores de pixel de alta intensidade do que a um limiar empírico global (0,8 vezes o valor da intensidade média de toda a imagem), a pequenos furos na região foram em primeiro plano preenchido com a operação morfológica perto; 3) identificar as regiões marcador fiduciária como regiões mais escuras em primeiro plano cuja intensidade valores estão abaixo de ambos os g lobal limite eo limiar adaptativo local definido pelos valores de pixels média no 20-por-20 bairro pixel. O limiar de adaptação locais nos permitiu acomodar a variação de iluminação, 4) refinar as regiões marcador fiduciária usando operações morfológicas para eliminar o ruído e picos; os centróides das quatro regiões foram selecionadas como pontos de controle na foto óptica; 5) repita os passos semelhante ao identificar as regiões do marcador na imagem térmica; 6) correspondem ao dois conjuntos de pontos de controle com base na proximidade (dado que as duas câmeras foram posicionadas bem perto); 7) calcula uma transformação afim entre as duas imagens com a imagem térmica como referência e transformar a foto óptico eo mapa de oxigênio (que é obtido a partir da mesma câmera que a foto óptica) correspondentemente; 8), finalmente, gerar as imagens sobrepostas para visualização. 4. Resultados representativos: Os resultados representativos para o protocolo de oxigenação (ou seja, # 1) são mapas tecido cutâneo oxigenação reconstruída com base em ampla gap de espectroscopia segunda derivada. O método de gap de espectroscopia gama segunda derivada efetivamente reduziu os artefatos de medição causado pela absorção de fundo do tecido de modo que a medição oxigenação cutânea foi menos afetada pela mudança de cor da pele simulada. Também demonstramos um protocolo PORH onde o mapa oxigenação cutânea tecido, a oxigenação dos tecidos profundos, ea tensão de oxigênio do tecido cutâneo foram gravados simultaneamente. Os resultados representativos para o protocolo da função vascular (isto é, # 2) incluem as distribuições de temperatura tecido cutâneo, as mudanças de temperatura tecido cutâneo em resposta à estimulação térmica externa, eo tecido cutâneo mapas índice vascular derivado de imagem termográfica dinâmico. Correlações foram observadas entre as imagens termográficas do índice cutânea tecido vascular eo laser de medição Doppler da perfusão dos tecidos da pele. Os resultados representativos para o protocolo de co-registo (ou seja, # 3) incluir o mapa oxigenação dos tecidos, o mapa do índice vascular, ea fusão de imagens entre a oxigenação, de fotografia, e imagens índice de co-vascular registrado por contraste multi-marcadores fiduciária. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1. Configuração do sistema CWC dual-mode para não-contato de imagem de oxigenação tecidual e função vascular. O sistema foi instalado em um carrinho móvel. Ela consistia de uma câmera de infravermelho termal, uma câmera CCD, um filtro de cristal líquido ajustável, e uma fonte de luz de banda larga. Um computador foi usado para sincronizar as tarefas de coleta de dados, análise e visualização. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2. Interface de software para o sistema CWC. A interface do software foi programado em ambiente Labview. No canto superior esquerdo da interface é o painel de controle para a configuração de hardware e calibração do sistema. À direita da interface é a tela em tempo real do mapa a temperatura do tecido adquirido pela câmara de infravermelhos. Na parte inferior da interface são medições a laser Doppler da perfusão dos tecidos da pele. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig3.jpg" alt="Figura 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 3"> Figura 3. Interface de software para o sistema CWC (Cont.). Esta é uma janela pop-up para mostrar parâmetros oxigenação dos tecidos. À esquerda está o mapa oxigenação dos tecidos reconstruídos a partir das imagens multiespectrais. O lado direito da interface exibe os parâmetros de oxigenação tecidual seguinte de cima para baixo: (1) oxigenação dos tecidos cutâneos média de uma região selecionada de interesse (ROI) no mapa oxigenação dos tecidos, (2) a oxigenação profunda do tecido monitorado por um oxímetro de tecido OxplexTS (3); tensão de oxigênio do tecido cutâneo acompanhado por um monitor de oxigênio transcutânea TCM. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig4.jpg" alt="Figura 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 4"> Figura 4. Imagem oxigenação cutânea tecido por um sistema de imagem OxyVu. A figura da esquerda é uma imagem de tons de cinza do tecido da pele. A camada de tinta foi pintada na pele para simular a cor da pele. O mapa da oxigenação dos tecidos cutâneos adquiridos pelo sistema OxyVu é mostrado à direita. Dois quadrados em forma de regiões de interesse (ROIs) foram selecionados dentro e fora da área pintada de tinta respectivamente. Para o ROI dentro da área pintada de tinta, a oxigenação dos tecidos cutâneos média foi de 62,8 ± 11,0%. Para o ROI fora da área de tinta pintada, a oxigenação dos tecidos cutâneos média foi de 44,0 ± 11,0%. Uma diferença de 18,8% foi observada para as medições tecido cutâneo oxigenação dentro e fora da área da pele de tinta-pintada. gura 5 "/&gt; Figura 5. Oxigenação do tecido cutâneo imagem pelo sistema CWC. As imagens multiespectrais foram capturados pelo sistema CWC no local da pele mesmo sobre o assunto mesmo que na Figura 4. A figura da esquerda é a imagem único comprimento de onda do tecido da pele ea figura da direita é a reconstrução cutânea mapa oxigenação dos tecidos. A camada de tinta foi pintada na pele com a concentração de tinta a mesma que na Figura 4. . Dois quadrados em forma de regiões de interesse (ROIs) foram selecionados dentro e fora da área pintada de tinta respectivamente. Para o ROI dentro da área pintada de tinta, a oxigenação dos tecidos cutâneos média foi de 60,9 ± 6,9%. Para o ROI fora da área de tinta pintada, a oxigenação dos tecidos cutâneos média foi de 65,8 ± 5,5%. Uma diferença de 4,9% foi observada para as medições tecido cutâneo oxigenação dentro e fora da área da pele de tinta-pintada. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig6.jpg" alt="Figura 6" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 6"> Figura 6. O efeito da mudança de cor da pele simulado sobre a fiabilidade das medições oxigenação cutânea tecido. A análise estatística foi realizada para determinar a significância das mudanças de cor da pele simulado com as medidas de oxigenação para ambos os OxyVu e os sistemas de imagem CWC. Para cada sistema de imagem, a média da oxigenação dos tecidos cutâneos foram calculados dentro e fora das áreas de tinta-pintada pele por seleção aleatória de 10 regiões de interesse (ROIs) em cada área. Nossa hipótese nula é que a mudança de cor da pele não vai afetar a medição oxigenação cutânea tecido. Esta hipótese nula foi testada usando mapas oxigenação na Figura 4 (ou seja, as medições OxyVu) e na Figura 5 (ou seja, as medições CWC), respectivamente. Student t-testes mostram que o valor de p para as medidas OxyVu é muito menos do que 0,001, o que implica que a hipótese nula é rejeitada. Portanto, a mudança da cor da pele afeta o tecido cutâneo medições oxigenação em um sistema de imagem OxyVu. Em contraste, o valor de p para as medidas CWC é 0,728, o que implica a probabilidade de que a mudança de cor da pele não afeta as medições tecido cutâneo oxigenação em um sistema de imagem CWC. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig7.jpg" alt="Figura 7" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 7"> Figura 7. Imagens tecido cutâneo oxigenação obtida a partir do sistema CWC durante o pós-oclusiva hiperemia reativa (PORH). PORH O teste foi realizado no antebraço de um indivíduo saudável após o 1 º. (A). Único comprimento de onda imagem em escala de cinza do braço com quatro marcadores fiduciária colocado para a imagem do co-registo. (B) A linha de base cutânea mapa oxigenação dos tecidos adquiridos antes da oclusão vascular. (C) O mapa a oxigenação cutânea tecido após a oclusão vascular (pressão sistólica + 50 mmHg) por 2 minutos. (D) O mapa a oxigenação cutânea tecido após hiperemia reativa. Mudanças significativas na oxigenação dos tecidos cutâneos foram observadas antes, durante e após a oclusão vascular. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig8.jpg" alt="Figura 8" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 8"> Figura 8. Parâmetros de oxigênio nos tecidos continuamente monitorada durante um teste PORH. O protocolo de teste em (a) mostra um período de pré-oclusão basal, seguido por um período de oclusão suprasystolic, e terminar com um período de hiperemia reativa. A história de duração do tecido cutâneo oxigenação do procedimento PORH é plotado em (b). Foi obtido pela média de uma região selecionada de interesse (ROI) no mapa CWC cutânea oxigenação. Também acompanhou a oxigenação profunda do tecido por um oxímetro de tecido OxiplexTS, como plotados em (c). A tensão de oxigênio do tecido também foi monitorado por um dispositivo de TCM e plotados em (d). As medições CWC de oxigenação dos tecidos cutâneos coincidem com os parâmetros de oxigênio durante o procedimento de outras PORH. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig9.jpg" alt="Figura 9" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 9"> Figura 9. Respostas tecido cutâneo em diferentes pressões de oclusão vascular. Termográfica imagens foram adquiridas imediatamente após a estimulação térmica (ou seja, um saco de água à temperatura ambiente de 25 ° C) foi removido da mão esquerda do sujeito. O eixo horizontal corresponde aos pontos de tempo diferentes após a estimulação térmica foi removido. O eixo vertical corresponde às seguintes quatro níveis de pressões de oclusão vascular: 0 (Sem oclusão), 0.5DBP, 0,5 (PAD + PAS), 1.5SBP, onde PAD é a pressão arterial diastólica e PAS é a pressão arterial sistólica. Para este assunto específico, o PAD é 69mmHg e PAS é 123mmHg. Os resultados dos testes indicam que a resposta a temperatura do tecido para a estimulação externa térmica está correlacionada com o nível da oclusão vascular. O aumento da pressão de oclusão reduz a taxa de resposta térmica. fig10.jpg "alt =" Figura 10 "/&gt; Figura 10. Reconstruída mapas índice vascular em diferentes pressões de oclusão vascular. Índices de função Vascular (v) em cada pixel das imagens termográficas foi derivado por regressão a mudança de temperatura cutânea de tecido (Δ T) contra a raiz quadrada do tempo, após a estimulação térmica (√ t ): Δ √ t + K + ε, onde ε é o erro aleatório, e K é uma constante. Mapas função vascular índice da esquerda para a direita correspondem às condições de oclusão seguintes: (a) sem oclusão, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (PAD + PAS), (d) 1.5SBP. Para este assunto específico, a pressão arterial diastólica (PAD) é 69mmHg e da pressão arterial sistólica (PAS) é 123mmHg. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig11.jpg" alt="Figura 11" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 11"> Figura 11. Correlação entre o índice de função vascular e da perfusão dos tecidos da pele. O dedo indicador ponta a função vascular em cada pressão de oclusão em # 2 foi calculado pela média de cinco regiões de interesse (ROIs) no mapa índice do tecido vascular. A perfusão dos tecidos da pele foi medida por um dispositivo a laser Doppler em uma das ponta do dedo. O índice ponta do dedo vascular correlacionada com a medição a laser Doppler, indicando o potencial da utilização do método dinâmico termográficas para a avaliação quantitativa da função do tecido vascular. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig12.jpg" alt="Figura 12" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 12"> Figura 12. . A imagem do processo do co-registo Na primeira linha, vamos mostrar: (a) a foto normalizado, (b) a região de primeiro plano segmentado, e (c) os marcadores segmentada na imagem de foto. Na segunda linha, vamos mostrar: (d) o mapa de perfusão normalizado, (e) a região de primeiro plano segmentado, e (f) os marcadores segmentado no mapa perfusão. A transformação afim entre os dois conjuntos de posições marcador foi calculado. As imagens co-registradas (G e H) foram obtidos por transformar a imagem da foto e do mapa de oxigênio usando essa transformação recuperado afim. <img src="/files/ftp_upload/2095/2095fig13.jpg" alt="Figura 13" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 13"> Figura 13. Os resultados co-registro. A foto transformada e mapa de oxigênio, juntamente com o mapa de perfusão foram co-registradas e exibidas como um mapa de calor. O mapa de calor no (a) foi apresentado com 100% de imagem da foto transformada no canal vermelho, 100% da imagem de oxigênio transformado no canal verde e 50% do mapa de perfusão no canal azul. Para visualizar os vasos melhor, nós apresentamos uma outra versão do resultado co-registro como em (b). O mapa de calor foi composta de 100% da imagem da foto transformada no canal vermelho, 50% da imagem de oxigênio transformado em canal verde, e 50% do mapa de perfusão mudou no canal azul, onde o mapa índice vascular foi invertido e somente as informações na região de primeiro plano foi mantido.

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Não há conflitos de interesse declarados.

De oxigênio existente no tecido biológico em múltiplas formas, tais como hemoglobina ou mioglobina oxigênio ligado, oxigênio dissolvido, e as espécies reativas de oxigênio. Transporte de oxigênio desempenha um papel crítico na manutenção da viabilidade dos tecidos e processos metabólicos normais 3. Aguda ligeira a moderada hipóxia iniciará adaptação metabólica, regulação vascular, e as respostas angiogênico 4. Hipóxia extrema e anoxia levará a angiogênese insuficiente e morte celular. O desequilíbrio entre a oferta de oxigênio limitada ea demanda de oxigênio aumentada é um dos principais fatores causadores de muitas doenças, como feridas crônicas 5. No caso de feridas isquêmicas, suprimento de oxigênio é limitada pela falta de perfusão e não pode atender a necessidade metabólica do processo de cicatrização e função respiratória explosão comprometer destinadas a combater a infecção. Avaliação simultânea da oxigenação dos tecidos cutâneos e na função vascular tem relevância clínica em tratamento de feridas crônicas. A técnica de imagem hiperespectral estimativas oxigenação dos tecidos cutâneos por tecido de iluminação e detecção de reflectância do tecido em comprimentos de onda diferentes 6. Uma grande vantagem das imagens hiperespectrais é não-invasivo e sem contato detecção de propriedades do tecido funcional. No entanto, a confiabilidade de medição de oxigênio para muitos sistemas de imagens hiperespectrais é afetado pela cor da pele e outras variações de absorção de fundo. Gap de espectroscopia gama segunda derivada foi desenvolvido anteriormente para a medição de oxigenação dos tecidos com um efeito mínimo de dispersão e pigmentação da pele 1. Nós aplicamos o princípio da espectroscopia de segunda derivada para imageamento multiespectral e demonstrou a medição consistente de oxigenação dos tecidos cutâneos independente, com as mudanças de cor da pele simulada. Perfusão tecidual foi estudado anteriormente por determinação do tecido 7 difusividade térmica. Um método único capô foi desenvolvido para introduzir estimulação térmica e respostas imagem tecido dinâmico, a fim de estimar a distribuição do tecido da pele inércia térmica 8. Experimentos sobre a pele do antebraço humano submetido a oclusão arterial manguito demonstrado relação linear entre a inércia térmica e perfusão arterial medida por uma impressora a laser Doppler, antes e durante a oclusão do fluxo sanguíneo 8. Um modelo bioheat lumped também foi utilizada para estimar a reatividade vascular do dedo a ponta durante a pletismografia de oclusão venosa 9. Apesar dos esforços acima, perfusão sanguínea da pele quantificar a partir de medições da temperatura da pele é um desafio por causa da falta de sensibilidade, a dependência da espessura de gordura subcutânea, e outros fatores contribuintes, como vasoconstrição, vasodilatação e artefatos de movimento 10. Neste protocolo, usamos uma câmera de infravermelho para captar a dinâmica da temperatura do tecido em resposta a uma estimulação térmica à temperatura ambiente. A estimulação térmica foi selecionado de modo que o efeito de vasoconstrição e vasodilatação foi minimizado. Modelagem e esforços de medição são necessários, a fim de delinear uma correlação confiável quantitativa entre o índice de função vascular e da perfusão dos tecidos da pele. Em # 3, foi utilizada a transformação afim para as tarefas de co-registro. No entanto, dado que as duas câmeras são posicionadas com ângulos diferentes no espaço 3D, é potencialmente mais preciso aplicar uma transformação relacionada com a transformação em 3D entre as duas câmaras. Atualmente estamos explorando nesse sentido que envolvem calibração extrínseca das câmeras no espaço 3D utilizando a geometria epipolar.

<table><tbody><tr><td>Tinta preta à prova d'água para caligrafia Higgins</td><td>Sanford</td><td>44314</td><td>diluída a 1%</td></tr><tr><td>Câmera CCD com refrigeração profunda Hamamatsu ORCA ER</td><td>Hamamatsu Corp.</td><td>C4742-80-12AG</td><td></td></tr><tr><td>Filtro sintonizável de cristal líquido Varispec SNIR</td><td>Cambridge Research Systems</td><td>VIS-10-HC-20</td><td></td></tr><tr><td>Câmera infravermelha ThermoVision A40</td><td>FLIR Systems Inc.</td><td>A40</td><td></td></tr><tr><td>Fonte de luz de fibra de alta intensidade Thorlabs OSL1</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>OSL1</td><td></td></tr></tbody></table>

dual-mode de imagem de oxigenação dos tecidos cutâneos e função vascular

Dual-mode Imaging of Cutaneous Tissue Oxygenation and Vascular Function

Avaliação precisa de oxigenação dos tecidos cutâneos e na função vascular é importante para a detecção apropriado, estadiamento e tratamento de problemas de saúde, como muitas feridas crônicas. Nós relatamos o desenvolvimento de um sistema de imagem de modo duplo para geração de imagens não-invasiva e sem contato de oxigenação dos tecidos cutâneos e na função vascular. O sistema integrado de imagem uma câmara de infravermelhos, uma câmera CCD, um filtro de cristal líquido ajustável e uma fonte de luz de alta intensidade de fibra. Uma interface Labview foi programado para o controle de equipamentos, a sincronização, de aquisição de imagem, processamento e visualização. Imagens multiespectrais capturada pela câmera CCD foram usados ​​para reconstruir o mapa oxigenação dos tecidos. Dinâmica imagens termográficas capturada pela câmera infravermelha foram usados ​​para reconstruir o mapa de funções vasculares. Oxigenação dos tecidos cutâneos e imagens a função vascular foram co-registradas através de marcadores fiduciária. As características de desempenho do sistema de imagem dual-mode foram testadas em seres humanos.

Um dual-mode sistema de imagens foi desenvolvido para não-contato avaliação da oxigenação dos tecidos cutâneos e na função vascular.

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

A avaliação precisa da oxigenação do tecido cutâneo e da função vascular é importante para a detecção, o estadiamento e o tratamento adequados de muitas condições de saúde...

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.

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Research

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Medicine

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