用激光散斑对比成像系统克服运动伪影的新方法血液微循环的交替速度

摘要

本研究介绍了一种利用激光散斑造影仪测量和分析血液微循环交替速度的新方法。

摘要

激光散斑造影成像仪 (LSCI) 提供了一种强大而简单的测量微循环血流的技术。理想的血液动力反应, LSCI 的使用方式与传统的激光多普勒成像仪 (LDI) 相同。然而, 最大的皮肤深度约1毫米, LSCI 设计的重点主要是表面血流。它用于测量 15 cm x 20 cm 的皮肤表面积。本文介绍的新技术是微循环的交替速度;即使用 LSCI 的慢速和快速流量测量。该技术还克服了 LSCI 最大的缺点, 即对工件运动的灵敏度高。通过从激光散斑皮肤信号中减去来自 aop 的 LSCI 信号, 引入了一种粘着不透明贴片 (aop) 来满足微循环血流的满意记录。最佳的设置也被定义了, 因为 LSCI 是最强有力的, 当通量变动测量相对于参考基线, 以血液微循环通量表示作为一个百分比变动从基线。这些变化可用于分析血流系统的状态。

引言

激光散斑造影成像 (LSCI) 是一种行之有效的非接触、实时监测方法, 用于分析血流微循环^1,2,3,45,6,7. 本文所用的 LSCI moorFLPI 全域。利用一种称为 "激光散斑" 的现象测量大面积高时空分辨率的血流灌注是该装置⁶的主要优点之一。real-time 评估的微循环是通过拍摄的模式, 通过相机使用散斑模式。鉴于 moorFLPI LSCI 用于临床和生理学研究, 图像处理软件的工作原理是, 高灌注产生的激光散斑模式的快速变化, 然后由带电耦合器件 (CCD) 集成生成低对比度的区域⁸。对比度是量化的, 由此产生的流量是彩色编码产生一个灌注图像⁸。

不幸的是, LSCI 是非常敏感的环境振动, 工件和运动的主题领域⁹。到目前为止, 这为交流流状态的研究提供了挑战。本文详细介绍了显式技术概述了在最近的研究¹⁰ , 其中一个神经肌肉电刺激装置被用来测量血液微循环时, 有肢体的运动正在检查。

研究方案

所报告的方法被用于一项研究, 它得到了伯恩茅斯大学研究伦理学委员会2016年2月9日的伦理批准 (参考文献 10571).

1. LSCI 设置

1. 将 moorFLPI LSCI 后面板连接到其三插槽 (电源、通用串行总线 (USB) 和 IEEE1394), 以便系统正常工作.
2. 使用4螺钉将桌面支持臂装配到 moorFLPI LSCI 翻转, 并固定在支撑臂上.
3. 旋转安装托架以便在连接时向下成像.
   注: LSCI 有三控制: (1) 变焦调节器和 #8211; 随着成像器设置在一个位置, 较小的放大倍数可以分别调整为较小和更大的视野的最大和最小设置。为确保重复性, 提供了一个索引环标签;(2) 焦点调节器和 #8211; 这取决于测量距离, 必须在设置图像位置后进行调整。为确保重复性, 提供了一个索引环标签;和 (3) 偏光片和 #8211; 线性偏振滤波器可使曝光的机构和 #8211 的镜面反射最小化; 旋转安装可通过360和 #176 进行翻转;.
4. 安装软件来控制摄像头。该软件分为两个模块, 提供了一个测量和审查功能.

2。参与者准备

1. 确保在温度控制室 (22 和 #177; 1 和 #176; C) 中执行评估, 并且参与者在测试前10分钟就位, 以适应室温.
2. 避免强烈的人工光源和阳光照射在参与者或 LSCI 上, 因为环境光线会影响 moorFLPI 近红外激光源的运行在 785 nm.
   注: 一个简单的测试, 以确定是否可以接受的环境光线水平是通过打开成像设置窗口和阻碍激光。如果图像是几乎完全黑色的, 那么不需要进一步的步骤;如果仍然存在太多的环境光, 则需要进一步的操作.
3. 确保参与者在整个评估过程中都能轻松自如, 如果坐在地上, 并避免对话.
4. 放置 8 cm ² 粘附不透明贴片 (AOP) (如 、Leukotape) 在皮肤区域上以遮盖血流。这是为了解释 LSCI 的缺点, 在高灵敏度的工件运动, 和信号后向散射将用于测量微循环血流.

3。微循环图像测量

1. 选择和 #39; 空间处理和 #39; 每秒捕获25帧, 以 152 x 113 像素为单位.
2. 选择和 #39; 实时图像测量和 #39; 调整成像器20厘米以外的位置, 然后调整缩放、焦点和偏光镜以最小的镜面反射。图像应该显得相当和 #39; 平面和 #39; 和无特征.
3. 设置20毫秒的曝光时间, 以对小的变化和低通量进行高灵敏度.
4. 使用25赫兹的显示速率和0.3 秒的时间常数来解释快速的血流变化, 并通过降低图像噪声来达到最佳对比度.
5. 创建两个相等的大小 (2 cm ² ) 感兴趣的区域 (roi), 称为 roi 1 和 roi 2。使 ROI 2 对齐, 因此它位于 8 cm ² AOP 中。小心, 使 roi 不交换, 但保持接近2-4 厘米, 以减少 re-centering 的需要, 如果任何机械运动导致 ROI 2 不再在 AO 地区.
   注意: 在低强度和高强度的区域, 血流测量将不太准确, 所以有一个最佳增益设置是很重要的。增益值范围介于 0-200 之间。在 70-80 范围内实现了最佳增益设定值.
6. 相对于参照基线执行流量测量。在这种方法的情况下, 引入和 #39; 休息和 #39; 阶段作为参考基线。因此, 表达 #39; 快速和 #39; 和 #39; 慢速和 #39; 从基线、#39、休息和 #39, 阶段的血流百分比变化; 阶段.
7. 以视频格式记录血流测量, 并使用图像复查模块保存离线分析.

4。脱机分析

注意: moorFLPI 图像审阅软件允许打开视频进行分析.

1. 在一系列的平均血流记录后, 计算 roi 内的平均通量。roi 1 是对皮肤血流的真实测量, roi 2 是来自 AOP 的散射激光散斑皮肤信号.
2. 通过从 roi 1 (皮肤血流) 中减去 roi 2 来计算平均血流.
   roi 1-roi 2 = 平均血流

结果

在图 1中概述了 LSCI 实验设置, 并确定了功能工具。一个典型的参与者准备测量的血流量在前大腿区域的说明。可调式安装支架允许旋转 LSCI 的血液流量测量在任何特定的皮肤区域微血管。图 2概述了典型的原始散斑图像和转换的散斑图像的示例, 并在《血液微循环测量协议》中列出了定制的设置。

图 3显示了 AOP 的皮肤区域和位置的示例 (步骤 3.1), LSCI 原始成像设置 (步骤 3.2), 一个慢血流的实时图像 (步骤 3.3) 和一个快速血流的实时图像 (步骤 3.4) 实现了在连续的数据记录的交替通量美国moorFLPI LSCI调色板 color-coding 设置允许差异之间的流量水平。与标准调色板的16种颜色, 低通量被视为蓝色, 中通量值被视为绿色和高通量值被视为橙色和红色。

皮肤血流是用激光散斑灌注单元 (LSPU) 来表达的。图 4显示了一个皮肤区域的 roi 1、roi 2 和 AOP 的图形表示形式。在离线分析中, 使用 roi 1 和 roi 2 的数据和公式 (1) 计算平均血流。

图 1: moorFLPI LSCI 实验设置.台式机支持臂、电缆输出、位置控制 (变焦调节器、聚焦调节器和偏振器)、AOP 和膝上型计算机用于配置图像设置。请单击此处查看此图的较大版本.

图 2: 数据记录前的原始散斑图像2.1-2.2) 流量和原始散斑图像的配置糟糕, 导致高增益, 能见度差, 这将导致一个不准确的血液流量测量。2.3-2.4) 系统配置为按协议, 导致正确的增益和最大的能见度可靠的结果。请单击此处查看此图的较大版本.

图 3: 使用 moorFLPI LSCI 设置和记录测量的概述.3.1. 具有 2 cm² AOP 的皮肤 (大腿) 区域, 用于计算工件移动。3.2) 一个原始散斑 ' 平面和无特征 ' 图像表明良好的背向散射光强的最佳设置。3.3) 血流缓慢的实时图像记录。3.4) 一个快速血流的实时图像记录。请单击此处查看此图的较大版本.

图 4: roi 1 的图形表示、roi 2 和在皮肤区域上的 AOP 布局.请单击此处查看此图的较大版本.

休息 (基线参考) (LSPU)

慢血流量 (LSPU)

适度血流 (LSPU)

快速血流 (LSPU)

平均通量-ROI 1

平均通量-ROI 2

平均血流

平均通量-ROI 1

平均通量-ROI 2

平均血流

血流量从基线增加%

平均通量-ROI 1

平均通量-ROI 2

平均血流

血流量从基线增加%

平均通量-ROI 1

平均通量-ROI 2

平均血流

血流量从基线增加%

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

表 1: LSPU 中的平均通量, 用于 roi 1 和 roi 2 的基线、慢速、中度和快速血流.血流的增加是表示从基线阶段的百分比变化。

图 5: roi 1 和 roi 2 在皮肤表面积 (大腿) 上定位的示例.16色调色板概述了显影的克里斯·赖维斯。数据记录的 roi 1 和 roi 2 在灌注单元和减去如解释的公式1的血液微循环的测量。请单击此处查看此图的较大版本.

讨论

本研究的目的是介绍一种新的方法来测量和分析的交替速度的血液微循环在一个单一的实验使用 LSCI。测量可以受到环境光、振动和参与运动的影响, 包括呼吸和抽搐。该协议中概述的步骤都是为了尽量减少这些影响, 并获得可靠和可重复的血液微循环测量。

人们强调, 该协议中的每一个步骤对于准确测量血液微循环都是至关重要的, 在对所有可能的设置选项和组合进行顺序测试后发现了该技术, 包括:时间常数, 变焦设置, 曝光时间, 显示率, 增益和通量图像调色板。结果进行了分析和重复使用现场视频显示和离线分析找到最佳的成像设置。这是必不可少的, 因为图像处理软件使用的事实, 高灌注产生的激光散斑模式的快速变化, 并因此在视频图像中产生了一个低对比度清晰的散斑区。灌注图像, 然后创建在一个 color-coded 的微循环灌注图。

实验区和参与准备是必不可少的, 这可以通过避免工作附近的日光源 (窗口) 或强光源的人工光, 因为这些可能会干扰 moorFLPI 附近的红外激光源。该协议还介绍了一个 AOP, 因为它被承认, 环境振动和参与者的运动都产生的信号是无法区分的血流。AOP 证明是一个简单而有效的选择, 提供了一个薄但不透明, 光和容易接近的选项, 有一个微观粗糙的表面积, 以避免显着镜面反射。Omarjee et al.的初步研究¹¹突出显示了一个潜在的限制, 即 Leukotape 创建的反射信号振幅与皮肤不同, 并且各主体之间的差异很大;然而马希et al.¹发现参与者之间没有显著差异。虽然 Leukotape 比其他定制的双层粘接片更易访问, 但通过使用另一种 AOP, 可以提高方程 (1) 测量的精确度。

离线分析部分强调了 roi 大小的重要性, 以及它们在感兴趣区域的位置。最初, 一个更大的 roi 1 (大约 8 cm²) 被尝试, 其中覆盖了 roi 2。这种方法很快成为 un-reliable 由于工件运动导致的 roi 2 移动和现场实验必须停止, 以重新的 roi 2。另外一个短期的原因是, 由于 ROI 1 覆盖了 aop, 平均通量不再将 aop 下的区域作为一个帐户, 因为不再有散射信号。这意味着大量的血液微循环被忽视, 因此产生的通量数据是不正确的。因此, 一种方法, 其中两个 roi 2 cm², 具有 8 cm²的 AOP, 在 roi 1 和 roi 2 之间没有交互 (但在彼此之间保持2-4 厘米), 为血液测量提供了可靠且可重复的分析技术。微循环.

材料

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