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Medicine

Um método computadorizado reprodutível para quantificação da densidade capilar usando capilaroscopia periungueal

Published: October 27, 2015 doi: 10.3791/53088
* These authors contributed equally

Abstract

A capilaroscopia é uma metodologia não-invasiva, eficaz, relativamente barata e fácil de aprender para visualizar diretamente a microcirculação. A técnica capilaroscopia pode fornecer insights sobre microvascular saúde de um paciente, levando a uma variedade de dermatológica potencialmente valiosa, oftalmológica, aplicações clínicas reumatológicas e cardiovasculares. Além disso, o crescimento de tumores pode ser dependente da angiogénese, que pode ser quantificada medindo a densidade de microvasos no interior do tumor. No entanto, não há atualmente pouca ou nenhuma padronização de técnicas, e apenas uma publicação a data relata a confiabilidade de um disponíveis atualmente algoritmos complexos baseados computador para quantificar dados capilaroscópicas. 1 Este artigo descreve um algoritmo novo, mais simples, confiável, capilar padronizado contagem para quantificar dados capilaroscópicas das cutículas. Um algoritmo capilaroscopia simples, reprodutível informatizado como este iria facilitar maisuso generalizado da técnica entre pesquisadores e clínicos. Muitos pesquisadores atualmente analisar imagens capilaroscópicas com a mão, promovendo a fadiga do usuário e da subjetividade dos resultados. Este artigo descreve um romance, easy-to-use automatizado algoritmo de processamento de imagem, além de um algoritmo de contagem reprodutível, semi-automatizado. Este algoritmo permite a análise de imagens em minutos, reduzindo a subjetividade; apenas uma quantidade mínima de tempo de treinamento (em nossa experiência, a menos de 1 hora) é necessário para aprender a técnica.

Introduction

Imaging microvascular é um campo de rápido crescimento, com muitos potenciais aplicações clínicas. 2 Por exemplo, os oncologistas estão usando imagens de microvasos para determinar a extensão da angiogénese tumoral, produzindo informações valiosas sobre o estado do tumor e insights sobre possíveis opções de tratamento. 3 4 Contudo, capilaroscopia periungueal é talvez a forma eficiente e amplamente aplicáveis ​​maioria de custo da imagiologia microvascular. Os pesquisadores estão usando o vídeo capilaroscopia periungueal para estudar as taxas de fluxo de sangue e investigar a morfologia capilar. 5 6 Ambos vídeo e de imagem estática capilaroscopia periungueal são adjuntos para cuidar de diagnóstico e tratamento de fenômeno e várias doenças do tecido conjuntivo de Raynaud, como a esclerose sistêmica. 2

A capilaroscopia periungueal tem várias aplicações potenciais cardiovasculares também. A pesquisa atual sugere usando capilaroscopia periunguealque diabetes mellitus tipo 1 e tipo 2 pacientes apresentam uma elevada prevalência de morfologia capilar anormal, ainda têm densidades capilares inalteradas em comparação com indivíduos não-diabéticos. 7-8 Capilaroscopia também tem sido estudada experimentalmente em hipertensão. Rarefação capilar estrutural que conduz a uma reduzida densidade capilar tem sido demonstrada em indivíduos hipertensos quando comparados com indivíduos não-hipertensos. 9-10 Em contraste com estes pacientes hipertensos mais velhos que apresentam rarefação estrutural, a pesquisa mais recente tem demonstrado que (idade 40 e acima de média) pacientes hipertensos mais jovens (idade média de menos de 40 anos de idade) têm rarefação funcional sem rarefação estrutural. 11 Isto sugere que a rarefação funcional ocorre antes e pode evoluir ao longo do tempo a rarefação estrutural.

Curiosamente, os pacientes hipertensos tratados com drogas anti-hipertensivas específicas, tais como perindopril / indapamida exibido normaal densidade capilar e função endotelial após o tratamento, enquanto aqueles tratados com ACE (conversora da angiotensina-enzima) inibidores ou diuréticos manteve uma baixa densidade capilar apesar do controle da pressão arterial comparável. 12 Isto sugere que alguns medicamentos anti-hipertensivos podem normalizar a densidade capilar, invertendo o capilar rarefação causada por hipertensão. Além disso, outros pesquisadores demonstraram que uma redução no consumo de sal leva à reversão de ambos rarefação capilar funcional e estrutural em indivíduos hipertensos 13.

Apesar das várias aplicações clínicas potenciais desta tecnologia, há pouca padronização da técnica para quantificar imagens densidade capilar. 2 Até o momento, os pesquisadores descobriram que os resultados de densidade capilar são reprodutíveis tanto intra-observador e inter-observador perspectiva apenas se o exato mesma área está sendo contado cada vez que 1,14 15. 9 16 17 18, que é um processo lento e subjetivo.

, Baseados em computador algoritmos padronizados para quantificação de imagens capilares, teoricamente, fornecer uma análise de dados mais eficiente e reprodutível com menos subjetividade, facilitando aplicações clínicas da capilaroscopia. Alguns pesquisadores têm realmente usado programas baseados em computador para quantificar os dados a partir das cutículas imagens capilaroscópicos. 1,6 19 20 No entanto, apenas uma publicação a data descreve a confiabilidade de um programa de software complexo disponíveis para quantificar dados capilaroscópicas, 1 e este programa é complicada como anteriormente mencionado acima pela exigência de contar no mesmo campo visual exata. Aqui, nós apresentamos, um protocolo simples para a quantificação fiável capilares utilizando um algoritmo normalizado que permitea utilização de vários campos visuais. A utilização de vários campos visuais não só simplifica o processo, mas também permite a avaliação da variação biológica normal em contagem capilar.

O objetivo deste estudo é descrever um algoritmo baseado em computador reprodutível e eficiente que padroniza o processo de quantificação capilar. Embora estes métodos não são totalmente automatizados que exigem entrada muito pouco do usuário e fornecer a quantificação rápida e confiável das imagens.

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Protocol

Nota: O processo de aquisição para a obtenção de imagens capilares foi publicado anteriormente e é realizada usando uma câmera fotográfica digital com um programa de computador de aquisição e análise de imagem correspondente 11 21 Este laboratório utiliza imagens estáticas para análise, não vídeos, simplificando a aquisição de imagens para análise.. O que se segue descreve a nova técnica para a quantificação dos capilares a partir das imagens.

1. Processo de Aperfeiçoamento de Imagem

  1. Obter imagens digitais com uma câmera digital monocromática. Calibrar as imagens para um objeto de tamanho conhecido por tirar uma foto de um objeto de comprimento conhecido como um governante com a câmera. Este processo permite que o programa de computador para medir com precisão e contar capilares após o processamento. O ideal para a mais alta precisão, deve ser usada uma retícula (peça cientificamente fabricados de vidro com uma régua gravada nela). Mede o número de pixels em um quadrado de 1 mmcaixa usando um programa de computador.
    Nota: A chave para a reprodutibilidade ea padronização desse protocolo depende em grande parte a colocação adequada da caixa de um milímetro 2 que é contado.
  2. Use ferramentas de aprimoramento de contraste para escurecer os capilares e clarear o fundo, que irá maximizar a visualização dos vasos capilares. Diferenciação inicial de capilares a partir do fundo é importante para o recorte da imagem adequada em etapas posteriores. Para fazer isso, o ajuste da imagem usando um Para fazer isso, clique em "melhor ajuste histograma.": Captura, intensidade, imagem histograma, melhor ajuste.
  3. Cortar uma região de interesse (ROI) para a contagem capilar como uma nova imagem (selecionar, regiões de interesse). Use uma caixa de um milímetro 2, que foi determinada pela calibração das imagens a 530 pixels igualando 1 mm. verifique se a imagem recortada coloca o ápice das alças capilares no topo da imagem.
  4. Achatar a imagem para que todos os ajustes de imagem futuras será aplicado uniformementea imagem. Para isso, clique em: guia processo, filtros 2D, alise, BG intensidade ", brilhante" width objeto para "75", se aplicam.
  5. Levante o contraste da imagem de forma capilares são maximamente visualizado. Para fazer isso, clique em: ajustar guia, exposição, levantar contraste com 75.
  6. Despeckle a imagem para suavizar as bordas dos capilares, clicando na guia processo, filtros 2D, despeckle, tamanho do kernel 7 x 7, aplique.
  7. Finalize o contraste da imagem de forma capilares são o preto eo fundo é branco. Execute esta etapa, ajustando o histograma para o "melhor ajuste" do modelo.
    Nota: Por favor, consulte a Figura 2 em resultados representativos para um exemplo do que a imagem processada deve ser semelhante a de seguir estes passos.

2. Executando Counts capilares / quantificação de densidade capilar

  1. Em cada imagem, selecionar manualmente uma parte de um capilar bem definida usando o featur "target objeto"E para ser reconhecido como objectos a serem contados pelo programa. Em seguida, selecione uma pequena parte do fundo, usando o recurso de "base", como uma referência para as áreas que precisam ser desconsiderada pelo algoritmo de contagem.
    Nota: A combinação desses destaques faz com que todos os capilares a ser destacado ignorando o ruído de fundo. A (contagem) protocolo de quantificação utiliza as funções do computador para diferenciar partes da imagem com base na cor e morfologia.
  2. Use a função de contagem para contar instantaneamente todos os capilares na imagem com o equipamento de imagem. Definir o diâmetro mínimo de objectos contados a 5 pixels, a fim de evitar a contagem de ruído de fundo como capilares.
  3. Para cada indivíduo, a contagem média de 3 - 4 imagens, a fim de se obter uma avaliação mais fiável.
    Nota: Por favor, consulte a Figura 3 em resultados representativos para um exemplo do que a imagem deve ser semelhante durante o processo de contagem.
  4. 3. Criar e utilizar macros para automatizar Processamento de Imagem

    Nota: Para economizar tempo, macros podem ser criados a fim de executar automaticamente uma seqüência específica de processos em uma ou várias imagens. Estas sequências podem ser personalizados, a fim de fazer as modificações imagem mais rápido. Em essência, esses macros lembrar de como as imagens são processadas, e executar todas as etapas de forma rápida e sem entrada do usuário. Realizando conta com 12 imagens capilares leva este laboratório entre 20 a 30 minutos com as macros (2 a 3 minutos por imagem), em oposição a cerca de 8 minutos por imagem sem as macros. Por conseguinte, utilizar as macros é 3 a 5 vezes mais eficiente do que o processamento manualmente cada imagem individual.

    1. A fim de criar uma macro, selecione "Gravar Macro" e em uma imagem execute as etapas e processos desejado, conforme descrito nas etapas 1 e 2 acima. Nome da macro com base na qual a imagem de processamento etapas foram executadas para referência futura. Quando using a macro sobre as futuras imagens, basta clicar em "Executar macro" eo programa aplicará automaticamente as melhorias registadas para a imagem (s) desejada.
      Nota: Este laboratório usa uma macro para executar todos, mas um dos passos na Seção 1 dos métodos em poucos segundos. O único passo que requer entrada do usuário é escolher onde cortar a imagem, Passo 1.2.

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Representative Results

O objetivo deste procedimento de processamento de imagem é diferenciar os capilares a partir da imagem de fundo para que eles possam ser quantificados com precisão. Ambos processamento de imagem incompleta e processamento de imagem excessiva são prejudiciais para a capacidade do programa para quantificar os capilares. Como pode ser visto na Figura 3, o processamento de imagem incompleta faz com que os capilares difícil de distinguir do fundo. É fundamental que o usuário seja capaz de distinguir facilmente a fronteira de um capilar uma vez que o método de contagem descrito acima depende da capacidade do usuário para destacar com precisão de alguns capilares. Por outro lado, como pode ser visto na Figura 3, a aplicação de passos de processamento de imagem desnecessários pode levar a desfocagem dos capilares e, portanto, pode também ser prejudicial para o processo de quantificação.

Uma imagem processada de forma otimizada pode ser contado no prazo de 30 segundos e claramente distingue capilares de fundo comobem como capilares individuais um do outro. Um exemplo de uma imagem processada é visto na Figura 2, parte D, com a imagem contado mostrado na Figura 3.

Densidade capilar varia de acordo com a localização do nailbed sendo contados. A Tabela 1 mostra que a densidade capilar aumenta com a distância da linha superior de capilares no leito ungueal. Padronização da colocação ROI é fundamental poder contar reprodutibilidade. A Figura 1 mostra como as imagens podem ser alteradas com diferentes posicionamentos de ROI.

Identidade T1 T2 T3 T4 Significa Top M1 M2 M3 M4 Significa Médio L1 L2 L3 L4 O mais baixo
Um paciente
Linha de Base 46 45 44 46 45.25 64 62 62 62 62,5 66 67 66 66 66,25
Oclusão venosa 51 53 49 59 53 59 61 64 69 63.25 70 70 75 72 71.75
Paciente B
Linha de Base 47 51 48 51 49.25 73 74 75 81 75.75 76 85 81 80 80,5
Oclusão venosa 68 57 65 64 63,5 75 78 76 72 75,25 91 89 93 83 89
O paciente C
Linha de Base 51 54 51 56 53 66 59 58 60 60,75 60 61 62 69 63
Oclusão venosa 62 66 57 59 61 63 63 73 65 66 83 74 81 77 78.75

. Tabela 1: Variação no capilar conta com Posicionamento Diferencial na Unha Bed Esta tabela mostra as contagens obtidas para três pacientes diferentes (A, B, C) ​​quando a caixa de ROI é variável posicionado na parte superior (conta T1 - T4), médio (M1 - M4), e as regiões inferiores (L1 - L4) do leito da unha. As contagens médias aumentar a partir do topo para reduzir regiões, demonstrando a necessidade de padronização da colocação de caixa de ROI para comparar contagens obtidas a partir de diferentes laboratórios.

Realização de contagem na área descrito no passo 1.2, a contagem de linha de base deve variar de 30 a 60 capilares / mm 2, enquanto a contagem de oclusão venosa pode variar de 50 a 100. Como pode ser visto na Tabela 1, estes densities diferem de outros tipos de literatura. Contagens densidade capilar obtidos no laboratório dos autores são provavelmente mais baixa, porque este laboratório começa a contagem na primeira fileira de capilares, em que a densidade é menor. Como pode ser visto na Tabela 1, realizando contagens em regiões inferiores do nailbed aumentar as contagens em direção a valores obtidos anteriormente por Antonios et al 9 e Debbabi et al. 16 Esta discrepância ilustra a necessidade de padronização na quantificação de nailbed capilaroscopia contando o primeiro (mais proximal) fileira de vasos capilares. Contagem na primeira linha de capilares também é óptima porque os capilares são mais clara e completamente visualizado na primeira linha e tornar-se progressivamente menos visível com linhas subsequentes.

Estudos de reprodutibilidade cegas utilizando N = 10 temas e dois observadores independentes foram conduzidos. Fiabilidade resultados referem-se às contagens médias de A, B, e C, obtidas por AV eraging resultados entre 4 imagens para cada um. As contagens de A, B, e C representam diferentes estados fisiológicos dentro do mesmo indivíduo, que são usados ​​para avaliar a saúde microvascular, brevemente resumidas aqui. Os detalhes foram publicados anteriormente 21. Densidade capilar é definida como o número de capilares por milímetro quadrado (mm2) de pele dedo periungueal. Estádio A linha de base é uma fase de repouso, onde os capilares são continuamente perfundidos 16. Fase B ocorre durante hiperemia reativa postocclusive. Estas contagens representam a soma de perfusão contínua e de forma intermitente perfundidos (reserva funcional) capilares. Esta etapa é usada como uma medida da função capilar 16.

Fase C ocorre durante a oclusão venosa, portanto, que mostra a densidade capilar máxima incluindo a perfusão (com células vermelhas do sangue ativa (RBC) de movimento) e nonperfused (cheios de estagnação, hemácias não-móveis) capilares. 22

ontent "> Para a confiabilidade intra-avaliador, a correlação intraclasse (ICC) foram 0,93 para significar uma contagem, 0,93 para contagens médias B, e 0,94 para média C conta. Para confiabilidade entre avaliadores, os ICCs foram 0,94 para significar uma contagem, 0,98 para contagens médias B, e de 0,94 para a média C conta. Assim, a técnica descrita aqui demonstra excelente confiabilidade com bons resultados, tanto para intra e reprodutibilidade inter-observador.

figura 1
Figura 1. A padronização da colheita Localização. Esta figura ilustra como a colocação variável da caixa de ROI visivelmente altera a imagem recortada. Do lado esquerdo, a caixa é colocada demasiado baixo, cortando a primeira linha de capilares. A caixa do meio é colocado muito alto, causando um espaço vazio acima da primeira linha de capilares. A caixa à direita está perfeitamente colocado. Sua imagem recortada mostra a primeira linha de capillaries no topo da imagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Estágios de Processamento de Imagem (A) Fase A mostra a imagem inicial retirado do leito ungueal do sujeito com uma câmera monocromática;. (B) Fase B mostra a imagem original após o primeiro aumento de contraste. A caixa verde mostra uma caixa de pixel 530 x 530, o que equivale a caixa 1 x 1 mm para a câmera; (C) Fase C representa a caixa de um milímetro recortada de imagem B; (D) Stage D mostra a imagem melhorada após a aplicação as melhorias acima referidas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3
Figura 3. Imagem Final contados. A imagem contado reforçada. A contagem total determinada para esta imagem foi de 54 capilares / mm 2. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Processamento de Imagens inadequada. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A foto à esquerda mostra uma foto que não é processado suficiente. Os vasos capilares são difíceis de distinguir do fundo e o processo de quantificação serão negativamente affected. A foto à direita mostra a mesma imagem depois de processamento de imagem incorreto. Capilares individuais são difíceis de distinguir dos seus vizinhos e assim o processo de quantificação serão afectadas negativamente.

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Discussion

A capilaroscopia periungueal mostra promessa como uma ferramenta clinicamente útil no futuro para vários oncologia, cardiovascular, e aplicações de doenças reumatológicas. O processo de aquisição de imagem é bastante consistente entre os pesquisadores, ainda existem atualmente vários métodos de processamento e análise de imagem. Os métodos incluem atualmente contagens informatizados e manuais capilares. Contagens manuais são problemáticas como eles são demorados e sujeitos a subjetividade do usuário e fadiga. Métodos baseados em computador atual requer um alto nível de entrada do usuário, tanto no processo de melhoria de imagem e o processo de quantificação. O novo método descrito aqui exige relativamente pouco treinamento do usuário ou envolvimento, como as etapas de aprimoramento de imagem são inteiramente automatizado. De entrada do utilizador é apenas necessário para o processo de contagem inicialmente para distinguir capilar de fundo nas imagens processadas. Usando as macros automatizados como descrito aqui é três a cinco vezes mais eficiente do que a manualiado processar cada imagem individual.

Algoritmos baseados em computadores padronizados confiáveis ​​para quantificar dados capilaroscópicas estão faltando.

São necessários métodos baseados em computador padronizado confiável para a quantificação capilar, a fim de reduzir a subjetividade e promover a eficiência. A técnica descrita aqui demonstra excelente confiabilidade com bons resultados, tanto para intra e reprodutibilidade inter-observador com correlações intraclasse de 0,93 para 0,98. Temos relatado anteriormente a correlação dos resultados obtidos através de avaliação computadorizada densidade capilar, em comparação com o padrão ouro de contagem manual. 21 correlações de Pearson entre basal, pós-isquêmica e as contagens de congestionamento venoso feitas com o software e correspondentes contagens manuais em 10 indivíduos foram 0,78, 0,78, e 0,71, respectivamente (todos p <0,05), indicando concordância razoável entre os dois métodos.

Esta imagem do laboratórioetapas de manipulação de utilizar uma série de ferramentas de processamento de computador. Passo 1.3, imagem "achatamento" remove as várias "camadas" que estão presentes em cada imagem. Isso deve ser feito primeiro, para que todos os procedimentos futuros de processamento de imagem será aplicada uniformemente a todas as partes da imagem. Ajuste de contraste tanto escurece os capilares e empalidece o fundo, portanto, tornando os vasos capilares mais visível. O processo de "despeckle" suaviza as bordas dos capilares, mantendo a sua forma e tamanho. Embora parece haver nenhuma diferença em uma imagem de manchas retiradas a olho nu, esse é um processo importante para ajudar a garantir vários capilares não se misturam durante o processo de contagem. Finalizando a imagem usando um "melhor ajuste histograma" exclui todos os pixels em ambos os extremos do histograma. Isso ajuda a definir as fronteiras dos capilares, enquanto aumentando ainda mais o contraste entre os capilares e fundo. No geral, hátrês passos reforço de contraste, e todas as três são necessárias para maximizar a nitidez da imagem final para contagem capilar.

Ocasionalmente, o programa contará muitos ou poucos capilares. O primeiro passo para corrigir esse problema é para desfazer o destaque e simplesmente tentar o processo de realce novamente. Se os capilares estão a ser realçado de forma incorrecta, ajustando o diâmetro mínimo capilar pode ser necessário. Os autores recomendam um diâmetro mínimo padrão de 5 pixels. Se o programa está a contar muitas capilares ou contagem de um capilar como múltiplos capilares que o usuário deve aumentar o diâmetro mínimo por um ou dois pixels. Por outro lado, se o programa não está contando grupos de pixels escuros que são capilares, o utilizador pode reduzir o diâmetro mínimo por um pixel.

Há também uma necessidade para padronizar a posição destas contagens no leito ungueal. Como se pode ver na Tabela, conta no mesmo indivíduo são altamenteposição dependente, que variam muito com base em qual parte do nailbed está sendo contado.

As etapas críticas do protocolo incluem a visualização apropriada e óptima dos capilares. Os passos que permitem melhor visualização dos capilares neste protocolo são totalmente automatizados, permitindo a manipulação de imagem rápida e precisa. Embora estes métodos representam um grande avanço na confiabilidade e facilidade de processamento e contando imagem capilaroscópico, a principal limitação da técnica é o processo semi-automatizado de contagem. Idealmente, um processo completamente automatizado vai ser criado no futuro próximo. Os pesquisadores devem se sentir encorajados a construir sobre a metodologia descrita neste artigo, a fim de desenvolver uma tecnologia clinicamente útil totalmente automatizado que permite a quantificação rápida de densidade capilar periungueal de um paciente.

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Image-Pro Premier Media Cybernetics, Inc 9.1 Image processing software

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Cheng, C., Lee, C. W., Daskalakis, C. A Reproducible Computerized Method for Quantitation of Capillary Density using Nailfold Capillaroscopy. J. Vis. Exp. (104), e53088, doi:10.3791/53088 (2015).

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