Два режима изображения кожных оксигенации тканей и сосудистой функции

Точная оценка оксигенации кожных тканей и функции сосудов имеет важное значение для правильного выявления, стадирования и лечения многих заболеваний, включая хронические раны. В данной работе представлена неинвазивная визуализация оксигенации кожных тканей и термической реактивности сосудов тканей. Для этого используется новая система двухрежимной визуализации, объединяющая инфракрасную камеру, ПЗС-камеру, жидкокристаллический перестраиваемый фильтр и высокоинтенсивный волоконный источник света.

С помощью манжеты для измерения артериального давления под контролем системы визуализации в двухрежимном режиме в тканях руки здорового испытуемого индуцируют изменения оксигенации, которые сравнивают с одновременными измерениями оксигенации глубоких тканей и кожных тканей; также регистрируют изменения парциального давления кислорода и температуры тканей в ответ на внешнюю термическую стимуляцию для реконструкции карты сосудистой термической реактивности. Карта оксигенации кожных тканей и карта сосудистой термической реактивности тканей объединяются с помощью усовершенствованного алгоритма корегистрации. В данной работе мы описываем разработку новой системы визуализации для неинвазивного мониторинга насыщения кислородом тканей раны, а также динамического термографического профиля, что помогает изучать экзотермическое воспаление и отслеживать приток теплой крови в ткани раны в ходе поствоспалительной ангиогенной фазы.

С клинической точки зрения эта система визуализации обладает потенциалом для поиска ответов на ключевые вопросы в области лечения острых и хронических ран, например, при проведении хирургической обработки ран под визуальным контролем. Она также позволит неинвазивно контролировать эффективность терапевтических вмешательств путем повторных измерений оксигенации тканей. Эта система визуализации с двойной модальностью, разработанная в Комплексном центре лечения ран Университета штата Огайо, является первым шагом на пути к одновременной оценке оксигенации тканей раны и функции сосудов.

Как вы увидите, система теперь готова к функциональному тестированию; в настоящее время ведутся работы по совершенствованию инженерного проекта, стандартизации протокола и валидации системы для рутинного клинического использования. Помимо оборудования для визуализации и алгоритмов реконструкции, мы разработали более быстрые методы корегистрации изображений для интеграции и визуализации наложенных изображений, полученных с помощью различных модальностей визуализации. Данный модульный подход оставляет возможность для последующего добавления новых платформ визуализации.

Начните с подбора здорового испытуемого. Попросите его расположить левое предплечье на столешнице. С помощью кисти нанесите на предплечье испытуемого тонкий слой туши для имитации различных оттенков кожи.

Разместите четыре фидуциарных маркера на предплечье субъекта, чтобы определить область интереса (ROI), включающую как окрашенную кожу, так и обычную кожу. Фидуциарные маркеры обладают одновременным тепловым и оптическим контрастом, что облегчает совмещение изображений; в данной работе используется система двухрежимной визуализации, разработанная в Центре комплексного лечения ран Университета штата Огайо. Система визуализации состоит из инфракрасной камеры, CCD-камеры, жидкокристаллического перестраиваемого фильтра и высокоинтенсивного волоконного источника света для проведения мультиспектральной визуализации оксигенации тканей.

Выключите все внешние источники света, затем попросите испытуемого расположить руку и сделайте снимки. Программное обеспечение для визуализации автоматически калибрует время экспозиции для каждой длины волны. После сбора контрольных изображений интересующей области поместите в зону съемки белую эталонную панель и получите изображения отражения при различных длинах волн.

Они будут использоваться для калибровки. После получения эталонных изображений рассчитайте коэффициент отражения и определите уровень оксигенации ткани в каждом пикселе на основе широкого зазора.

Спектр второй производной. Для сравнения получите карту оксигенации кожных тканей с помощью коммерческой системы, чтобы определить, влияет ли изменение цвета кожи на измерения оксигенации в каждой из систем. Используйте программное обеспечение для статистического анализа, чтобы провести t-критерий Стьюдента, сравнив показатели в областях с чернилами и без них.

Затем наденьте манжету для измерения давления на левое плечо испытуемого. Определите и запишите систолическое и диастолическое артериальное давление испытуемого. Разместите датчики тканевого спектрофотометра plex TS и транскутанного монитора кислорода A TCM на той же руке и включите приборы для прогрева в течение 20 минут, контролируя карту оксигенации кожных тканей.

Вызовите изменения оксигенации в тканях руки, проведя реактивную гиперемию после окклюзии (PORH). Нажмите кнопку пуска, чтобы начать визуализацию. В течение двух минут контролируйте базовый уровень до окклюзии.

Затем накачайте манжету для измерения артериального давления до значения на 50 мм рт ст выше систолического давления, чтобы вызвать супрасистолическую окклюзию. Оставьте манжету накачанной на две минуты, продолжая мониторинг изменений параметров ткани. В завершение быстро спустите давление в манжете, чтобы вызвать реактивную гиперемию.

Записывайте все параметры оксигенации тканей в течение двух минут. Выполните динамическую термографическую съемку. Расположите здорового добровольца в удобном положении.

Расположите пациента так, чтобы его или ее левая рука лежала на столешнице. Поверните тыльную сторону левой кисти вверх по направлению к блоку инфракрасной камеры системы визуализации. Затем поместите лазерный допплеровский датчик на кончик пальца левой руки для непрерывного мониторинга перфузии кожи с частотой дискретизации 10 hertz.

Наложите манжету тонометра на левое плечо испытуемого. Затем определите и зафиксируйте систолическое и диастолическое артериальное давление испытуемого. Создайте различные уровни окклюзии сосудов, регулируя степень раздувания манжеты на следующих уровнях давления: без окклюзии, 0,5 от диастолического артериального давления, сумма 0,5 от диастолического и систолического артериального давления, а также 1,5 от систолического артериального давления.

Далее проведите термографические исследования при двух уровнях окклюзии сосудов: без окклюзии и при систолической окклюзии. Для тепловой стимуляции поместите на левую кисть грелку с водой комнатной температуры на 30 секунд. Сразу после снятия грелки начните непрерывную регистрацию термографических изображений с частотой два кадра в секунду.

С помощью программного обеспечения определите функцию термической реактивности сосудов ткани. Рассчитайте индекс функции для каждого пикселя термографического изображения, вычислив отношение квадратного корня из продолжительности термической стимуляции к соответствующему изменению температуры ткани. Рассчитайте значение термической реактивности сосудов пальца при каждом давлении окклюзии, усреднив данные по пяти областям интереса (ROI) на карте термической реактивности сосудов ткани. Значения термической реактивности сосудов пальца сравнивают с данными лазерной допплерометрии перфузии сосудов пальца при различных уровнях окклюзии.

Для совмещения карты оксигенации, полученной с помощью мультиспектральной визуализации, и карты сосудистой функции, полученной с помощью динамической термографической визуализации. Используйте MATLAB для преобразования всех изображений в оттенки серого. Затем нормализуйте значения интенсивности пикселей, установив их в диапазоне от нуля до одного.

Затем на карте оксигенации или мультиспектральном изображении определите область переднего плана или кожи с значениями интенсивности пикселей, превышающими эмпирический глобальный порог, составляющий 0,8 от среднего значения интенсивности всего изображения. Далее улучшите изображение с помощью морфологической операции. Затем, чтобы учесть вариации освещения, определите фидуциарные маркеры.

Эти маркеры будут выглядеть как более темные области на переднем плане с интенсивностью ниже глобального и адаптивного локальных порогов. Уточните области фидуциальных маркеров с помощью морфологических операций для удаления шумов на изображении, затем выберите OID этих четырех областей в качестве контрольных точек на оптической фотографии.

Повторите аналогичные действия для определения маркерных областей на карте сосудистой функции или термографическом изображении. Сопоставьте два набора контрольных точек по принципу близости. После приведения их к единому масштабу сопоставьте каждую контрольную точку на первом изображении с ближайшей контрольной точкой.

Во втором случае вычислите точное преобразование с параметрами трансляции, поворота и масштабирования между двумя изображениями, используя карту сосудистой функции в качестве эталона. Затем примените вычисленное преобразование к карте оксигенации.

Наконец, наложите зарегистрированные изображения друг на друга для визуализации. Здесь представлена реконструированная карта оксигенации кожной ткани, полученная с предплечья здорового субъекта с помощью комплексной системы двухрежимной визуализации с центрированием раны. Обратите внимание, что значительных различий в оксигенации между окрашенными и неокрашенными участками ткани не наблюдается.

Для оценки показателей оксигенации было случайным образом выбрано 10 областей интереса (ROI) за пределами и внутри области, окрашенной чернилами. Представленные здесь результаты свидетельствуют о том, что на измерение оксигенации тканей с помощью комплексной системы центра лечения ран цвет кожи существенно не влияет. Для сравнения, на показатели оксигенации тканей, полученные с использованием коммерческой системы, цвет кожи оказывает значительное влияние.

Комплексная система визуализации центра ран позволяет непрерывно мониторировать изменения оксигенации кожных тканей на протяжении фаз исходной окклюзии и гиперемии в ходе процедуры PORH. Во время процедуры PORH изменение оксигенации кожных тканей совпадает с изменениями оксигенации глубоких тканей. Комплексная система визуализации центра ран также позволяет визуализировать термическую реактивность сосудов кожных тканей.

На этих рисунках представлены репрезентативные карты сосудистой функции одного и того же субъекта при различных давлениях окклюзии сосудов, создаваемых пневможгутом. Средний индекс сосудистой функции на кончиках пальцев субъекта коррелирует с данными лазерной допплеровской флоуметрии кончиков пальцев. Перфузия тканей кожи.

Карта оксигенации и карта сосудистой функции, полученные с помощью системы визуализации, объединяются с помощью алгоритма совмещения (корегистрации). На данном рисунке показан репрезентативный пример слияния изображений. Перед нами система двухмодельной визуализации для одновременной оценки оксигенации непрерывной ткани и сосудистой термической реактивности тканей.

Могут быть добавлены другие платформы, такие как флуоресцентная визуализация. Системная интеграция аппаратных и программных компонентов является ключевым аспектом. Благодаря этому алгоритм совмещения изображений в системе может быть легко адаптирован для поддержки дополнительных модальностей визуализации, что делает данный продукт универсальным.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться четкое представление о перспективах, которые открывает этот новый метод визуализации. Разработка данной системы является примером междисциплинарного трансляционного исследования, проведенного в комплексном Центре лечения ран Университета штата Огайо. Желаем успехов в ваших экспериментах.