1. Mapping Sauerstoffversorgung des Gewebes durch multispektrale bildgebende Eine umfassende Wound Center (CWC) Dual-Mode-Imaging-System, im Folgenden als die CWC-System bezeichnet wird, wurde an der Ohio State University für multispektrale Bildgebung von Hautgewebe Oxygenierung und Thermographie der vaskulären Funktion entwickelt. Die große Lücke zweite Ableitung spektroskopische Technik wurde benutzt, um die Sauerstoffversorgung des Gewebes Karten auf multispektrale Bilder zeigen 1 zu rekonstruieren. In dieser Studie, saß eines gesunden Probanden mit dem linken Unterarm ruht auf einer Arbeitsplatte. Ein Teil des Unterarms in das Blickfeld der CWC-System wurde mit Tusche (1% in Ethanol gelöst) bemalt, verschiedene Hautfarben zu imitieren. Multispektrale Bilder erworben wurden und eine Sauerstoffanreicherung Karte wurde auf Basis der breiten Spalt zweite Ableitung Spektrum rekonstruiert. Das rekonstruierte Sauerstoffversorgung Karte wurde mit, die von einem kommerziellen Hypermed OxyVu hyperspectral Gewebeoxygenierung Messsystem erworben verglichen. Gewebesauerstoffspiegel Antworten zu Gefäßverschlüssen wurden zum gleichen Thema nach einem Protokoll der post-okklusiven reaktive Hyperämie (PORH) 2 untersucht. Vor dem PORH Test, waren Gegenstand des systolischen und diastolischen Blutdruckwerte durch eine Manschette am linken Oberarm gelegt aufgezeichnet. Die PORH Protokoll bestand aus einer pre-okklusiven Grundlinie Zeitraum von zwei Minuten, eine suprasystolischem Okklusion (systolischer + 50 mm Hg) innerhalb von zwei Minuten und einer reaktiven Hyperämie Dauer von zwei Minuten. Multispectral Bilder wurden bei vier Wellenlängen (dh, 530nm, 550nm, 570nm, 590nm und) während der PORH Test am Abtastrate von 0,75 Sekunden pro Wellenlänge erworben. Deep Tissue Sauerstoffsättigung und Hautgewebe Sauerstoffspannung am selben Arm wurden gleichzeitig durch eine OxiplexTS Gewebe Spektralphotometer (ISS Inc., Urbana Champaign, IL) und TCM transkutane Sauerstoff-Monitor (Radiometer, Dänemark) bzw. aufgezeichnet. 2. Mapping Gefäßfunktion durch dynamische Thermographie Dynamische Thermographie wurde auf einem gesunden Probanden mit dem gleichen CWC-System demonstriert. Das Thema bequem lied auf einem Tisch in Rückenlage, mit dem linken Arm ruht auf einer Arbeitsplatte und den Rücken der linken Hand nach oben in Richtung der Infrarot-Kamera-Einheit der CWC-System. Ein Laser-Doppler-Sonde wurde auf der Fingerspitze der gleichen Hand zur kontinuierlichen Überwachung der Finger Hautdurchblutung platziert. Eine Manschette am linken Oberarm platziert, um verschiedene Ebenen der Okklusion zu erzeugen. Vor dem Experiment wurde die Versuchsperson gebeten, für mindestens 10 Minuten ruhen lassen, mit dem systolischen und diastolischen Druck durch die Druckmanschette aufgezeichnet. Dynamische Thermographie-Aufnahmen wurden an folgenden Manschettendruck Ebenen erfasst: keine Okklusion, 0,5 x diastolischen Blutdruck, 0,5 x (diastolischer Blutdruck + systolischer Blutdruck) und 1,5 x systolischer Blutdruck. An jedem Manschettendruck Ebene wurde eine thermische Anregung, indem ein Wasser-Beutel Raumtemperatur (25 ° C) auf der linken Hand für 30 Sekunden eingeführt. Unmittelbar nach dem Entfernen der thermischen Stimulation wurden die linke Hand Thermographie-Aufnahmen mit einer Geschwindigkeit von 2 Bildern / Sekunde erfasst und mit dem Finger die Hautdurchblutung wurde durch die Laser-Doppler-Sonde an der Abtastrate von 10 Hz aufgezeichnet. Das Zeitintervall zwischen den Tests lag bei 10 min. Die Position der linken Hand wurde im Voraus markiert, so dass die nachfolgenden Messungen wurden an der gleichen Stelle. Tissue vaskulären Funktionen auf verschiedenen Ebenen Okklusion wurden durch die Berechnung sowohl die Temperatur als Antwort und die vaskuläre Funktion Index ausgewertet. Die Gefäßfunktion Index wurde als das Verhältnis zwischen der Quadratwurzel aus der Zeit nach thermischer Stimulation und die entsprechende Temperaturänderung definiert. 3. Co-Registrierung zwischen Sauerstoffversorgung des Gewebes und Gefäßfunktion Karten Die Karte von Hautgewebe Gefäßfunktion durch dynamische Thermographie und die Karte von kutanen Sauerstoffversorgung des Gewebes durch multispektrale bildgebende Unternehmen erworben wurden durch eine moderne Bildgebung Algorithmus co-registriert. Vier treuhänderischen Marker, mit gleichzeitiger thermische und optische Kontraste, wurden auf das biologische Gewebe platziert, um Bild Co-Registrierung zu erleichtern. Derzeit das Protokoll für die Zusammenarbeit der Registrierung der optischen Abbildung (und die Sauerstoffversorgung Karte) mit dem Wärmebild (und die vaskuläre Funktion map) umfasst die folgenden wesentlichen Schritten: 1) verwandeln Sie alle Bilder in Graustufen und normalisieren die Pixelintensitätswerten zwischen 0 und 1, 2) für die optische Foto, identifizieren den Vordergrund (Haut) Region, die hohe Pixelintensitätswerten als die einer empirischen globalen Schwelle (0,8 fache der mittleren Intensität Wert des gesamten Bildes) hat, die kleine Löcher in den Vordergrund Region waren gefüllt mit dem morphologischen nahe Betrieb, 3) identifizieren die treuhänderische Marker Regionen als dunklere Bereiche in den Vordergrund, deren Intensität Werte sind unten sowohl die g lobal Schwelle und die adaptive lokale Schwelle durch die mittlere Pixelwerte in der 20-vom-20 pixel Nachbarschaft definiert. Die adaptive lokale Schwelle uns erlaubt, die Beleuchtung Variation aufzunehmen; 4) Verfeinerung der treuhänderischen Marker Regionen anhand morphologischer Operationen, um Rauschen und Spikes zu entfernen; die Schwerpunkte der vier Regionen wurden als Kontrollpunkte in der optischen Foto ausgewählt, 5) wiederholen ähnliche Schritte identifizieren Marker Regionen im Wärmebild, 6) entsprechen die beiden Gruppen von Kontrollpunkten auf Nähe basieren (vorausgesetzt, dass die beiden Kameras genau positioniert waren); 7) berechnen eine affine Transformation zwischen den beiden Bildern mit dem Wärmebild als Referenz und zu transformieren das optische Bild und die Sauerstoff-Karte (die aus der gleichen Kamera als optische Bild erhalten) entsprechend; 8) schließlich generieren die überlagerten Bilder zur Visualisierung. 4. Repräsentative Ergebnisse: Die repräsentative Ergebnisse für die Sauerstoffversorgung Protokoll (dh, # 1) sind Hautgewebe Sauerstoffversorgung Karten rekonstruiert auf der Grundlage breiter Spalt zweite Ableitung Spektroskopie. Die Methode der breiten Spalt zweite Ableitung Spektroskopie effektiv reduziert die Messung Artefakte, die durch Gewebe Untergrundabsorption verursacht, so dass die Haut Sauerstoffversorgung Messung wurde weniger durch die simulierten Veränderungen der Hautfarbe betroffen. Wir zeigten eine PORH Protokoll, bei dem das Hautgewebe Sauerstoffversorgung Karte, die tiefe Sauerstoffversorgung des Gewebes, und das Hautgewebe Sauerstoffspannung gleichzeitig aufgenommen wurden. Die repräsentative Ergebnisse für die vaskuläre Funktion Protokoll (dh, # 2) sind das Hautgewebe Temperaturverteilungen, das Hautgewebe Temperaturschwankungen in Reaktion auf externe thermischer Stimulation und das Hautgewebe vaskulären Index Karten aus dynamischen Thermographie abgeleitet. Korrelationen zwischen der thermographischen Abbildung von Hautgewebe vaskulären Index und der Laser-Doppler-Messung der Haut Gewebeperfusion beobachtet. Die repräsentative Ergebnisse für die Co-Registration Protocol (dh, # 3) die Sauerstoffversorgung des Gewebes Karte, die vaskuläre Index Karte, und die Bildfusion zwischen Foto-, Sauerstoffversorgung und vaskulären Index-Bilder von Multi-Kontrast treuhänderischen Marker co-registriert. Abbildung 1. CWC Dual-Mode-System-Setup für berührungslose bildgebende der Sauerstoffversorgung im Gewebe und vaskuläre Funktion. Das System wurde auf einem Rollwagen installiert. Es bestand aus einer Infrarot-Wärmebildkamera, einer CCD-Kamera, ein Flüssigkristall abstimmbaren Filter und einer Breitband-Lichtquelle. Ein Computer wurde verwendet, um die Aufgaben der Datenerfassung, Analyse und Anzeige zu synchronisieren. Abbildung 2. Software-Schnittstelle für die CWC-System. Die Software-Schnittstelle wurde in der LabVIEW-Umgebung programmiert. Auf der Oberseite der Schnittstelle links ist das Bedienfeld für die Hardware-Konfiguration und Kalibrierung des Systems. Auf der rechten Seite der Schnittstelle ist die Echtzeit-Anzeige der Gewebetemperatur Karte durch die Infrarot-Kamera aufgenommen. Auf der Unterseite der Schnittstelle sind Laser-Doppler-Messungen des Hautgewebes Perfusion. Abbildung 3. Software-Schnittstelle für die CWC-System (Forts.). Dies ist ein Pop-up-Fenster, um die Sauerstoffversorgung des Gewebes Parameter zeigen. Auf der linken Seite ist die Sauerstoffversorgung des Gewebes Karte aus dem multispektrale Bilder rekonstruiert. Die rechte Seite der Schnittstelle werden die folgenden Gewebeoxygenierung Parameter von oben nach unten: (1) Hautgewebe Sauerstoffversorgung im Durchschnitt aus einer ausgewählten Region of Interest (ROI) in die Sauerstoffversorgung des Gewebes Karte, (2) tiefe Sauerstoffversorgung des Gewebes durch eine OxplexTS Gewebe Pulsoximeter überwacht , (3) Hautgewebe Sauerstoffspannung durch einen TCM transkutane Sauerstoff-Monitor überwacht. Abbildung 4. Kutane Gewebeoxygenierung Bildgebung durch eine OxyVu Imaging-System. Das linke Bild ist ein Graustufenbild des Hautgewebes. Eine Farbschicht auf die Haut gemalt, um die Hautfarbe zu simulieren. Die Karte der kutanen Sauerstoffversorgung des Gewebes durch die OxyVu System erworben wird auf der rechten Seite angezeigt. Zwei quadratische regions of interest (ROIs) wurden innerhalb und außerhalb der Tinte lackierten Fläche bzw. ausgewählt. Für den ROI innerhalb der Tinte lackierten Fläche, wurde die gemittelte Hautgewebe Sauerstoffversorgung 62,8 ± 11,0%. Für den ROI außerhalb der Tinte lackierten Fläche, wurde die gemittelte Hautgewebe Sauerstoffversorgung 44,0 ± 11,0%. Ein Unterschied von 18,8% wurde für die kutane Gewebeoxygenierung Messungen innerhalb und außerhalb der Tinte bemalte Hautstelle beobachtet. gure 5 "/> Abbildung 5. Kutane Gewebeoxygenierung Abbildung durch die CWC-System. Die multispektrale Bilder wurden von der CWC-System an der gleichen Stelle auf der Haut über das gleiche Thema wie in Abbildung 4 erfasst. Die linke Figur ist die einzige Wellenlänge Bild des Hautgewebes und die rechte Figur ist die rekonstruierte Haut Gewebeoxygenierung Karte. Eine Farbschicht wurde auf der Haut mit der Tinte Konzentration die gleiche wie die in Abbildung 4 gemalt. . Zwei quadratische regions of interest (ROIs) wurden innerhalb und außerhalb der Tinte lackierten Fläche bzw. ausgewählt. Für den ROI innerhalb der Tinte lackierten Fläche, wurde die gemittelte Hautgewebe Sauerstoffversorgung 60,9 ± 6,9%. Für den ROI außerhalb der Tinte lackierten Fläche, wurde die gemittelte Hautgewebe Sauerstoffversorgung 65,8 ± 5,5%. Ein Unterschied von 4,9% wurde für die kutane Gewebeoxygenierung Messungen innerhalb und außerhalb der Tinte bemalte Hautstelle beobachtet. Abbildung 6. Die Wirkung von simulierten Veränderungen der Hautfarbe auf die Zuverlässigkeit der kutanen Gewebeoxygenierung Messungen. Statistische Analyse wurde durchgeführt, um die Bedeutung des simulierten Veränderungen der Hautfarbe zu Sauerstoffversorgung Messungen sowohl für die OxyVu und der CWC bildgebenden Systemen zu bestimmen. Für jede Imaging-System, wurden die gemittelten Hautgewebe Oxygenierungen innerhalb und außerhalb der Tinte bemalt Hautpartien nach dem Zufallsprinzip auswählen 10 Regionen von Interesse (ROI) in jedem Bereich berechnet. Unsere Nullhypothese ist, dass die Veränderung der Hautfarbe hat keinen Einfluss auf das Hautgewebe Sauerstoffversorgung Messung. Diese Hypothese wurde anhand Sauerstoffversorgung Karten in Abbildung 4 (dh die OxyVu Messungen) und Abbildung 5 (dh der CWC-Messungen) bzw.. Student-t-Tests zeigen, dass der p-Wert für die OxyVu Messungen weniger als 0,001 ist, was bedeutet, dass die Nullhypothese abgelehnt wird. Daher hat die Änderung der Hautfarbe auf die kutanen Gewebeoxygenierung Messungen in einem OxyVu Imaging-System. Im Gegensatz dazu ist der p-Wert für die CWC Messungen 0,728, was bedeutet, die Wahrscheinlichkeit, dass die Veränderung der Hautfarbe hat keinen Einfluss auf das Hautgewebe Sauerstoffversorgung Messungen in einem CWC Imaging-System. Abbildung 7. Kutane Gewebeoxygenierung Bilder aus dem CWC-System während der Post-okklusiven reaktive Hyperämie (PORH) erhalten. Die PORH Test wurde auf den Unterarm eines gesunden Probanden nach # 1 durchgeführt. (A). Einzigen Wellenlänge Graustufenbild des Armes mit vier treuhänderischen Marker für Bild Co-Registrierung gelegt. (B) Die Baseline-kutane Gewebe-Oxygenierung Karte vor Gefäßverschluss erworben. (C) Die kutane Gewebeoxygenierung Karte nach Gefäßverschlüssen (systolischer Druck + 50 mmHg) für 2 Minuten. (D) Die kutane Gewebeoxygenierung Karte nach reaktive Hyperämie. Wesentliche Veränderungen in der Haut die Sauerstoffversorgung des Gewebes wurden zuvor beobachtet, während und nach dem Gefäßverschluss. Abbildung 8. Gewebesauerstoffspiegel Parameter kontinuierlich während eines PORH Tests überwacht. Das Prüfprotokoll in (a) zeigt einen Zeitraum von pre-Okklusion Grundlinie, von einem suprasystolischem Okklusion Periode folgte, und am Ende mit einer reaktiven Hyperämie Zeitraum. Die Geschichte des kutanen Gewebeoxygenierung Dauer der PORH Verfahren ist in (b) aufgetragen. Es wurde von durchschnittlich einer ausgewählten Region of Interest (ROI) in der CWC kutanen Sauerstoffversorgung Karte erhalten. Wir haben auch beobachtet das tiefe Gewebe-Oxygenierung durch eine OxiplexTS Gewebe Pulsoximeter, wie dargestellt in (c). Die transkutane Sauerstoffspannung Gewebe wurde auch durch eine TCM-Gerät überwacht und aufgezeichnet in (d). Die CWC Messungen der kutanen Sauerstoffversorgung des Gewebes gut zusammen mit anderen Sauerstoff-Parameter während des PORH Verfahren. Abbildung 9. Kutane Gewebe Reaktionen bei unterschiedlichen Gefäßverschluss Druck. Thermografie-Bilder wurden unmittelbar nach der thermischen Stimulation (dh ein Wassersack bei Raumtemperatur 25 ° C) erworben wurde, vom Motiv der linken Hand entfernt werden. Die horizontale Achse entspricht der unterschiedlichen Zeit-Spots nach der thermischen Stimulation wurde entfernt. Die vertikale Achse entspricht der folgenden 4 Stufen von Gefäßverschlüssen Druck: 0 (keine Okklusion), 0.5DBP, 0,5 (DBP + SBP), 1.5SBP, wo DBP ist der diastolische Blutdruck und SBP ist der systolische Blutdruck. Aus diesem speziellen Thema ist die DBP 69mmHg und die SBP ist 123mmHg. Die Testergebnisse zeigen, dass das Gewebe Temperatur Reaktion auf die äußere thermische Stimulation mit der Ebene der Gefäßverschluss korreliert ist. Die Erhöhung der Okklusion Druck verringert die thermische Response-Rate. fig10.jpg "alt =" Bild 10 "/> Abbildung 10. Rekonstruierte vaskulären Index Karten in verschiedenen Gefäßverschluss Druck. Vascular Funktion index (v) für jedes Pixel der Thermographie-Aufnahmen wurde durch Regression der Hautgewebe Temperaturänderung (Δ T) gegen die Quadratwurzel aus der Zeit nach der thermischen Stimulation (√ t abgeleitet ): Δ √ t + K + ε, wo ε ist der zufällige Fehler und K eine Konstante ist. Gefäßfunktion Index Karten von links nach rechts die folgenden Okklusion Bedingungen entsprechen: (a) keine Okklusion, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (DBP + SBP), (d) 1.5SBP. Aus diesem spezifischen Thema, ist der diastolische Blutdruck (DBP) 69mmHg und den systolischen Blutdruck (SBP) ist 123mmHg. Abbildung 11. Die Korrelation zwischen der Gefäßfunktion Index und die Haut Gewebedurchblutung. Die Fingerspitze Gefäßfunktion Index an jedem Okklusionsdruck in # 2 wurde von durchschnittlich fünf Regions of Interest (ROI) in das Gewebe vaskulären Index Karte berechnet. Die Haut Gewebeperfusion wurde von einem Laser-Doppler-Gerät in einem der Fingerspitze gemessen. Die Fingerspitze vaskulären Index mit dem Laser-Doppler-Messung korreliert, was auf das Potential der Verwendung der dynamischen Thermographie-Verfahren für die quantitative Beurteilung von Gewebe Gefäßfunktion. Abbildung 12. . Das Bild Co-Registrierung In der ersten Reihe zeigen wir: (a) der normierten Foto, (b) der segmentierten Vordergrund Region, und (c) der segmentierten Marker auf dem Foto Bild. In der zweiten Reihe zeigen wir: (d) der normierten Perfusion Karte, (e) der segmentierten Vordergrund Region, und (f) der segmentierten Marker in der Perfusion Karte. Die affine Transformation zwischen den beiden Gruppen von Marker-Positionen berechnet. Die co-registrierte Bilder (g und h) wurden durch Transformation der Fotobild und die Sauerstoff-Karte mit dieser erholt affine Transformation erhalten. Abbildung 13. Die Co-Registrierung Ergebnisse. Die transformierten Foto-und Sauerstoff-Karte zusammen mit der Perfusion Karte wurden co-registriert und angezeigt als Wärme-Karte. Die Heatmap in (a) wurde mit 100% der transformierten Foto Bild in den roten Kanal, 100% der transformierten Sauerstoff Bild in den grünen Kanal und 50% der Perfusion Karte in den blauen Kanal präsentiert. Um die Gefäße besser sichtbar zu machen, stellen wir eine andere Version der Co-Registrierung Ergebnis wie in (b). Die Hitze Karte wurde von 100% der transformierten Foto Bild in den roten Kanal zusammen, 50% der transformierten Sauerstoff Bild in Grün-Kanal, und 50% der veränderten Perfusion Karte in den blauen Kanal, wo die vaskuläre Index Karte wurde umgedreht und nur die Informationen im Vordergrund Region gehalten wurde.
