Summary
Um dual-mode sistema de imagens foi desenvolvido para não-contato avaliação da oxigenação dos tecidos cutâneos e na função vascular.
Abstract
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.
Protocol
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.
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.
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.
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.
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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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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.
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.
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.
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.
Discussion
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.
Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
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).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Higgins Calligraphy waterproof black ink | Sanford | 44314 | diluted to 1% |
| Hamamatsu ORCA ER deep cooling CCD camera | Hamamatsu Corp. | C4742-80-12AG | |
| Varispec SNIR liquid crystal tunable filter | Cambridge Research Systems | VIS-10-HC-20 | |
| ThermoVision A40 infrared camera | FLIR Systems Inc. | A40 | |
| Thorlabs OSL1 high intensity fiber light source | Thorlabs Inc. | OSL1 |
References
- Myers, D. E., Anderson, L. D., Seifert, R. P., Ortner, J. P., Cooper, C. E., Beilman, G. J. Noninvasive method for measuring local hemoglobin oxygen saturation in tissue using wide gap second derivative near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 10 (3), 034017-034017 (2005).
- Jarm, T., Kragelj, R., Liebert, A., Lukasiewitz, P., Erjavec, T., Preseren-Strukelj, M. Postocclusive reactive hyperemia in healthy volunteers and patients with peripheral vascular disease measured by three noninvasive methods. Adv Exp Med Biol. 530, 661-669 (2003).
- Treacher, D. F., Leach, R. M.
- Leach, R. M., Treacher, D. F.
- Sen, C. K. Wound healing essentials: let there be oxygen. Wound Repair Regen. 17 (1), 1-18 (2009).
- RL, G. reenman, Panasyuk, S., Wang, X., TE, L. yons, Dinh, T., Longoria, L. Early changes in the skin microcirculation and muscle metabolism of the diabetic foot. Lancet. 366 (9498), 1711-1717 (2005).
- Valvano, J. W. The use of thermal diffusivity to quantify tissue perfusion [dissertation]. , Massachusetts Institute of Technology. (1981).
- Hassan, M., Togawa, T. Observation of skin thermal inertia distribution during reactive hyperaemia using a single-hood measurement system. Physiol Meas. 22 (1), 187-200 (2001).
- Ley, O., Deshpande, C., Prapamcham, B., Naghavi, M. Lumped parameter thermal model for the study of vascular reactivity in the fingertip. J Biomech Eng. 130 (3), 031012-031012 (2008).
- Wilson, S. B., Spence, V. A. Dynamic thermographic imaging method for quantifying dermal perfusion: potential and limitations. Med Biol Eng Comput. 27 (5), 496-501 (1989).
