Summary
Denna studie introducerar en ny teknik för mätning och analys av omväxlande hastigheter av blod mikrocirkulation i en enda experiment med hjälp av en laser speckle kontrast imager.
Abstract
Den laser speckle kontrast imager (LSCI) ger en kraftfull men ändå enkel teknik för att mäta blodcirkulationens blodflödet. Perfekt för blod dynamiska svar, LSCI används på samma sätt som en konventionell Laser Doppler Imager (LDI). Dock med ett högsta huden djup på ca 1 mm, är LSCI utformad med inriktning på främst ytliga blodflödet. Används för att mäta hud ytor av upp till 15 x 20 cm. Den nya tekniken introducerades i detta papper konton för omväxlande hastigheter på microcirculations; dvs både långsamma och snabba flöde flux mätning med hjälp av LSCI. Den ny tekniken övervinner också LSCIS största brist, som är hög känslighet artefakt rörlighet. En självhäftande ogenomskinlig patch (AOP) införs för tillfredsställande inspelning av blodcirkulationens blodflödet, genom att subtrahera LSCI signalen från AOP från lasersignal speckle hud. Optimal inställning definieras också eftersom LSCI är mest kraftfulla när flux förändringar mäts i förhållande till en referens originalplan, med blod blodcirkulationens flux uttryckt som en procentandel från baslinjen. Dessa förändringar kan användas för att analysera status för blod flöde systemet.
Introduction
Laser Speckle kontrast Imaging (LSCI) är en beprövad icke-kontakt, realtid övervakning metod för att analysera blod flöde mikrocirkulationen1,2,3,4,5,6 , 7. the LSCI används i denna uppsats är moorFLPI hela området. Mätning av flöde blodgenomströmning i stora områden med hög rumsliga och temporal upplösning med hjälp av ett fenomen som kallas ”laser speckle” är en av de främsta fördelarna med denna enhet6. Realtid bedömning av mikrocirkulationen sker genom fångade mönster via en kamera som använder spridda speckle mönster. Med tanke på att moorFLPI LSCI är avsedd för kliniska och fysiologisk forskning, fungerar bildbehandling programvara på det faktum att hög perfusion producerar snabb variation i mönstret laser speckle, som sedan integreras genom debiteras kopplad enhet (CCD) att producera ett område med låg kontrast8. Kontrasten är kvantifierad och resulterande ljusflödet är färgkodade för att producera en perfusion bild8.
Tyvärr, LSCI är mycket känslig för miljömässiga vibrationer, artefakt och rörelse av föremål område9. Hittills detta har lämnat utmanande när växlande flöde stater har studerats. Denna uppsats förklarar Detaljer av explicit tekniken beskrivs i en senare studie10 där en neuromuskulär elektrisk stimulering enheten användes för att mäta blod mikrocirkulation när det fanns rörlighet av den kroppsdel som undersöks.
Protocol
metoden rapporterade utnyttjades i en studie som fått etiskt godkännande från den Bournemouth University forskningsetisk kommitté den 9 februari 2016 (referens 10571).
1. LSCI ställer in
- Connect moorFLPI LSCI bakre panelen till dess tre uttag (strömförsörjning, Universal Serial Bus (USB) och IEEE1394) för att systemet ska fungera.
- Montera skrivbordet stöd armen med 4 skruvar med den moorFLPI LSCI vände upp och ned, och fasta stöd arm
- Rotera fästet för nedåtgående avbildning när fäst.
Obs: LSCI har tre kontroller: (1) zoom adjuster – med kameran in i en position, kan mindre förstoring justeras till maximala och minimala inställningar för små och större synfält respektive. För att säkerställa repeterbarheten, tillhandahålls en indexering ringen etikett; (2) fokus adjuster – detta är beroende av mätavståndet och måste anpassas efter bildens position har ställts in. För att säkerställa repeterbarheten, tillhandahålls en indexering ringen etikett; och (3) en polarisator – en linjär polariserande filter är tillgängliga att minimera speglande reflexion från utsatta organ – roterande fästet kan vridas 360 °. - Installera programvaran för att styra kameran. Programvaran är uppdelad i två delkurser som ger en mätning och granskning funktion.
2. Deltagare förberedelse
- Se till att bedömningen görs i en kontrollerad temperatur rum (22 ± 1 ° C) och att deltagarna sitter i 10 minuter före testning för att anpassa sig till rumstemperatur.
- Undvika en stark källa till artificiellt ljus och solljuset skiner på deltagaren eller LSCI som omgivande ljus kan påverka moorFLPI nära infraröd laserkälla på 785 nm.
Obs: Ett enkelt test för att bekräfta huruvida omgivande ljusnivåer är acceptabla är genom att öppna fönstret imaging och hindrar lasern. Om bilden är nästan helt svart då inga ytterligare steg krävs; om det finns fortfarande alltför mycket omgivande ljus nu, ytterligare åtgärd krävs. - Se till att deltagarna är avslappnad i hela bedömningen, med fötterna platt på marken, om sittande, och undvika konversationer.
- Plats 8 cm 2 av självhäftande ogenomskinlig patch (AOP) (t.ex., Leukotape) på huden att maskera blodflödet. Detta görs till kontot för nackdelen med LSCI i form av hög känslighet artefakt rörlighet och signal backscatter kommer att användas för mätning av blodcirkulationens blodflöde.
3. Mikrocirkulationen bild mätning
- Välj ' rumsliga bearbetning ' för 25 bildrutor per andra capture på 152 x 113 pixlar.
- Välj ' Live bild mätning ' och justera placeringen av kameran 20 cm från den deltagare som följt genom att justera zoom, fokus och polarisator för minimal speglande reflexion. Bilden ska visas ganska ' platt ' och formlös.
- Satt en exponeringstid på 20 ms för hög känslighet till små förändringar och låg flux.
- Använder en display 25 Hz och en tidskonstant på 0,3 s för snabb blod flöde förändringar och för att uppnå optimal kontrast genom att minska bildbrus.
- Skapa två lika stora (2 cm 2) regioner av intresse (ROI), heter ROI 1 och ROI 2. Justera ROI 2 så det är inom den 8 cm 2 AOP. Var försiktig så att ROIs inte utbyta men höll nära inom 2-4 cm för att minska behovet av nytt centrering om någon mekanisk rörelse resulterar i ROI 2 inte längre är i området AO.
Obs: Blod flödesmätning kommer att vara mindre exakta i låg och hög intensitet områden, så det är viktigt att ha en optimal känslighetsinställningen. Det gain värde varierar mellan 0 - 200. En optimal vinst inställningsvärde uppnås i rad 70-80. - Genomför flux mätningar i förhållande till en referens originalplan. Vid denna metod, införa ' resten ' scenen som en referens baslinje. Därför uttrycka en ' snabb ' och ' långsam ' skede blodflödet i procent ändra från en baslinje, ' resten ' scenen.
- Spela in blod flödesmätning i videoformat och spara för offline analys använder en bild från gästerna modul.
4. Offline analys
Obs: moorFLPI i bildbehandlingsprogram tillåter öppnandet av en video att utföra analys.
- Beräkna medelvärdet flux inom ROIs efter en rad inspelningar av genomsnittlig blodflödet. ROI 1 är riktiga mätning av huden blodflödet och ROI 2 bakåtspritt speckle hud lasersignal från AOP.
- Beräkna medelvärdet blodflödet genom att subtrahera ROI 2 från ROI 1 (hudens blodflöde).
ROI 1 - ROI 2 = genomsnittlig blodflödet
Representative Results
Den LSCI experimentellt ställa in beskrivs i figur 1 med funktionella verktyg identifieras. En typisk deltagare förberedelse för en mätning av blodflöde på ett område av främre låret illustreras. Justerbart monteringsfäste tillåter rotation på LSCI för mätning av blodflöde inom mikrocirkulation av någon särskild hudområdet. Figur 2 beskrivs ett exempel på en typisk raw speckle bild och konverterade speckle bild med skräddarsydda inställningar beskrivs i protokollet för mätning av blod mikrocirkulation.
Figur 3 visar ett exempel på hudområdet och placering av AOP (steg 3.1), LSCI rå imaging setup (steg 3,2), en live-avbild för långsam blodflödet (steg 3.3) och en levande bild för en snabb blodflödet (steg 3,4) uppnås i en kontinuerlig registrering av en alternerande flux oss ing moorFLPI LSCI. Palett färgkodningen inställningen tillåter differentiering mellan flux nivåer. Med standardpaletten med 16 färger ses låg flux som blå, medium flux värden ses som grön och hög flux värden ses som orange och rött.
Huden blodflödet uttrycks i laser speckle perfusion (LSPU). Figur 4 visar den grafiska återgivningen av ROI 1, ROI 2 och AOP på en yta av huden. Genomsnittlig blodflödet beräknas i offline analys av data från ROI 1 och ROI 2 och ekvation (1).
Figur 1: moorFLPI LSCI experimentell uppsättning upp Skrivbordet stöd arm, kabel utgångar, position kontroller (zooma adjuster, fokus justeraren och polariserande), AOP och laptop för konfiguration av bilden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Raw speckle bild före dataregistrering. 2.1 - 2.2 och andra) flux och rå speckle bilder av en dåligt konfigurerade inställningen resulterar i en hög vinst med dålig sikt som kommer att resultera i en mindre noggrann flödesmätning i blod. 2,3 - 2,4) System konfigureras enligt protokoll, vilket resulterar i en rätt vinst med maximal synlighet för ett tillförlitligt resultat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: en översikt över installationen och posten mätning med moorFLPI LSCI. 3.1 en område av huden (lår) med en 2 cm2 AOP att redovisa artefakt rörelse. 3.2) en rå speckle 'platt och formlös' bild som visar bra backscatter ljusintensiteten med optimal inställning. 3.3) en live-avbild inspelning av en långsam blodflödet. 3.4) en live-avbild inspelning av en snabb blodflödet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: grafisk representation av ROI 1, ROI 2 och AOP layouten på en yta av huden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Resten (baslinjen referens) (LSPU) | Långsam blodflödet (LSPU) | Måttlig blodflödet (LSPU) | Snabb blodflödet (LSPU) | |||||||||||
| Menar Flux - ROI 1 | Menar Flux - ROI 2 | Menar blodflödet | Menar Flux - ROI 1 | Menar Flux - ROI 2 | Menar blodflödet | Blodflödet ökar % från baslinjen | Menar Flux - ROI 1 | Menar Flux - ROI 2 | Menar blodflödet | Blodflödet ökar % från baslinjen | Menar Flux - ROI 1 | Menar Flux - ROI 2 | Menar blodflödet | Blodflödet ökar % från baslinjen |
| 157,9 | 35,1 | 122,8 | 178,5 | 41,6 | 136,9 | 10,9 | 216,9 | 44,6 | 172,3 | 33,5 | 418,9 | 77,5 | 341.4 | 94,2 |
Tabell 1: menar flux i LSPU för ROI 1 och ROI 2 vid baslinjen, långsam, måttlig och snabbt blodflöde. Flödet i blodet uttrycks som en procentuell förändring från en baslinje-scenen.
Figur 5: exempel på ROI 1 och ROI 2 placering på en hud yta (lår). En 16-färgpalett beskriver lavers av perfusioner. Data registreras för ROI 1 och ROI 2 i perfusion enheter och subtraheras som förklaras i ekvation 1 för mätningen av blod mikrocirkulation. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Syftet med denna studie var att införa en ny teknik för mätning och analys av omväxlande hastigheter av blod mikrocirkulation i en enda experiment med hjälp av LSCI. Mätningarna kan påverkas av omgivande ljus, vibrationer och deltagare rörelse inklusive andas och ryckningar. Stegen i protokollet har alla utformats för att minimera dessa effekter och erhålla pålitliga och repeterbara mätningar av blod mikrocirkulation.
Det betonas att varje steg inom protokollet är avgörande för en korrekt mätning av blod mikrocirkulation, den teknik som infördes var upptäckt följande sekventiell provning av alla möjliga alternativ och kombinationer tillgängliga inklusive: tid konstant, zoominställning, exponeringstid, Visa pris, vinst och flux bild paletten. Resultaten analyserades och upprepas med live video display och offline analys för att hitta inställningen för optimal bildåtergivning. Detta var viktigt eftersom det bildbehandlingsprogram använder det faktum att hög perfusion producerar snabb variation i laser speckle mönster, och därmed en låg kontrast område av väldefinierade speckle produceras i videobilden. Perfusion bild skapas sedan i en färgkodad karta över blodcirkulationens perfusion.
Experimentell område och deltagande förberedelse befinns vara nödvändigt, och detta kan kontrolleras genom att undvika arbete nära källor för dagsljus (fönster) eller starka artificiella ljuskällor, eftersom dessa kan störa moorFLPI nära infraröd laserkälla. Protokollet också infört en AOP som det bekräftades att den miljömässiga vibration och rörelse av deltagare båda generera signaler som är omöjlig att skilja från blodflödet. AOP visade sig vara ett enkelt men effektivt val, erbjuder en tunn men täckande, ljus och tillgängliga alternativ som hade en mikroskopiskt grov yta att undvika betydande speglande reflexion. Preliminär forskning av Omarjee et al. 11 belyser en potentiell begränsning som Leukotape skapar en reflektion signalens amplitud skiljer sig från huden och varierar betydligt mellan ämnen; men Mahe o.a. 1 fann ingen drastisk skillnad mellan deltagarna. Även om Leukotape är mer tillgänglig än andra beställda, lipidens självhäftande plåster, kan noggrannheten i ekvation (1) mätning förbättras med hjälp av en alternativ AOP.
Avsnittet offline analys betonade vikten av storlekar av ROIs och deras plats inom området av intresse. Initialt, försöktes en större ROI 1, ca 8 cm2, som överdras de ROI-2. Denna metod blev snart un-tillförlitliga på grund av artefakt rörelse resulterar i ROI 2 rörliga och levande experimentet måste att stoppas för att centrera den ROI-2. En annan kort kommande var att på grund av ROI 1 överliggande AOP, genomsnittlig flux inte längre tog området under AOP in på ett konto, så fanns det inte längre en bakåtspritt signal. Detta innebar en stor del av blod mikrocirkulation som förbisågs och därför resulterande flux data inte var rätt. Därför ger en metod i vilken två ROIs 2 cm2, med en AOP av 8 cm2 och ingen interaktion mellan ROI 1 och ROI 2 (men bevarade inom 2-4 cm från varandra), en tillförlitlig och repeterbara analys teknik för mätning av blod mikrocirkulationen.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna har inga bekräftelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| moorFLPI LSCI | Moor Instruments | Not Available - Online Link Provided in descreption | moorFLPI is an instrument designed for the measurment of blood flow within microvasculature by using infra red laser speckle contrast analysis. https://gb.moor.co.uk/ |
| moorFLPI Image Review Module | Moor Instruments | No Available - Online Link Provided | Used with moorFLPI, user can record and measure changes in blood flow by changerating a colour coded map of tissue perfusion. https://gb.moor.co.uk/ |
| Leukotape | BSN Medical | 72978-10 | Medical tape with microporous surface. http://www.bsnmedical.co.uk/fileadmin/z-countries/United_Kingdom/PDF/L/Leukotape_K_A46PP_low_res_11112013.pdf |
References
- Mahe, G., Rousseau, P., Durand, S., Leftheriotis, G., Abraham, P. Laser speckle contract imaging accurately measures blood flow over moving skin surfaces. Microvas Res. 81 (2), 183-188 (2010).
- Rousseau, P., et al. Increasing the "region of interest" and "time of interest", both reduce the variability of blood flow measurements using laser speckle contrast imaging. Microvas Res. 82, 88-91 (2011).
- Hecht, N., Woitzik, J., Dreier, J., Vajkoczy, P. Intraoperative monitoring of cerebral blood flow by laser speckle contrast analysis. Neurosurg Focus. 27 (4), 1-6 (2009).
- Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Leftheriotis, G., Abrham, P. Impact of experimental conditions on noncontact laser recordings in microvascular studies. Microcirculation. 19 (8), 669-675 (2012).
- Cheng, H., Duong, T. Q. Simplified laser-speckle-imaging analysis method and its application to retinal blood flow imaging. Opt Lett. 32 (15), 2188-2190 (2007).
- Doherty, J., McNamara, P., Clancy, N. T., Enfield, J. G., Leahy, M. J. Comparison of instruments for investigation of microcirculatory blood flow and red blood cell concentration. J Biomed Opt. 14 (3), 034025 (2009).
- Briers, D. J. Laser speckle contrast imaging for measuring blood flow. Opt Appl. 37 (1), 139-152 (2007).
- moorFLPI User Manual. (8), Moor Instrument Limited. Devon, UK. (2012).
- Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Abraham, P. Impact of Experimental Conditions on Noncontact Laser Recordings in Microvascular Studies. Microcirculation. 19, 669-675 (2012).
- Bahadori, S., Immins, T., Wainwright, T. The effect of calf neuromuscular electrical stimulation and intermittent pneumatic compression on thigh microcirculation. Micro Res. 111, 37-41 (2017).
- Omarjee, L., et al. Optimisation of movement detection and artifact removal during laser speckle contrast imaging. Miscrovas Res. 97 (1), 75-80 (2015).
