Ein neuer Ansatz zur Bewegung Artefakt zu überwinden, wenn Sie einen Laser-Speckle-Kontrast Imaging-System für wechselnde Geschwindigkeiten von Blut Mikrozirkulation zu verwenden

Zusammenfassung

Diese Studie stellt eine neuartige Technik für die Messung und Analyse von wechselnden Geschwindigkeiten von Blut Mikrozirkulation in einem einzigen Experiment mit einem Laser-Speckle-Kontrast-Imager.

Zusammenfassung

Der Laser Speckle Kontrast Imager (LSCI) bietet eine leistungsstarke und dennoch einfache Technik zur Messung der mikrozirkulatorischen Blutfluss. Ideal für Blut dynamische Antworten, wird der LSCI auf die gleiche Weise wie eine herkömmliche Laser Doppler Imager (LDI) verwendet. Jedoch mit einer maximalen Hauttiefe von ca. 1 mm, der LSCI soll vor allem oberflächliche Durchblutung konzentrieren. Es wird verwendet, um Haut Flächen der Messen bis zu 15 cm x 20 cm. Die neue Technik, die in diesem Papier Konten bei wechselnden Geschwindigkeiten von Microcirculations eingeführt; d.h. sowohl langsame als auch schnelle Strömung Flussmessung mit der LSCI. Die neuartige Technik überwindet auch LSCIs größte Manko, die hohe Empfindlichkeit gegenüber Artefakt Bewegung ist. Eine undurchsichtige Pflaster (AOP) wird für die zufriedenstellende Aufnahme des mikrozirkulatorischen Blutflusses durch Subtraktion der LSCI-Signal von der AOP aus dem Laser-Speckle-Haut-Signal eingeführt. Die optimale Einstellung ist auch definiert, da die LSCI mächtigsten als Flussmittel Änderungen im Vergleich zu einer Referenz-Baseline gemessen werden, mit Blut mikrozirkulatorischen Flux, ausgedrückt als Prozentsatz von der Grundlinie zu ändern. Diese Änderungen können zur Analyse des Status der Blut-Flow-System verwendet werden.

Einleitung

Laser Speckle Kontrast Imaging (LSCI) ist eine bewährte berührungslos, Echtzeit-Überwachung Methode zur analyse von Blut fließen Mikrozirkulation^{1,2,3,4,5,6 , 7}. the LSCI verwendet in diesem Papier ist MoorFLPI Feld. Die Messung der Durchblutung Strömung in großen Bereichen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung über ein Phänomen namens "Laser Speckle" ist einer der Hauptvorteile dieses Gerät⁶. Die Echtzeit-Beurteilung der Mikrozirkulation erfolgt über aufgenommene Muster über eine Kamera mit verstreuten Speckle-Muster. Angesichts der Tatsache, dass die MoorFLPI LSCI für klinische und physiologische Forschung gedacht ist, funktioniert die Bildverarbeitungs-Software auf die Tatsache, dass hohe Perfusion schnelle Variation in der Laser-Speckle-Muster erzeugt, die dann von der Rechnung verbunden Gerät (CCD) integriert ist um eine Fläche von kontrastarmen⁸zu produzieren. Der Kontrast wird quantifiziert und der daraus resultierenden Flux ist farblich markiert, um eine Perfusion Bild⁸zu produzieren.

Leider ist der LSCI sehr empfindlich auf ökologische Vibrationen, Artefakt und Bewegung das Thema Bereich⁹. Dies bisher lieferte herausfordernd, wenn wechselnde Strömung Staaten untersucht worden sind. Dieses Dokument erklärt Details der expliziten Technik beschrieben in einer jüngsten Studie¹⁰ wo eine neuromuskuläre elektrische Stimulation Gerät verwendet wurde, um die Mikrozirkulation des Blutes zu messen, wenn gab es Bewegung der Extremität geprüft wird.

Protokoll

die Methode berichtet wurde in einer Studie, die von der Ethikkommission der Bournemouth Universität Forschung am 9. Februar 2016 (Referenz 10571) ethische Zulassung erhalten genutzt.

1. LSCI einrichten

1. MoorFLPI LSCI Rückwand mit seinen drei Buchsen (Netzteil, Universal Serial Bus (USB) und IEEE1394) "Connect" für das System funktioniert.
2. Montieren Sie den Desktop unterstützen Arm mit den 4 Schrauben mit MoorFLPI LSCI auf den Kopf gestellt und an die Unterstützung bestückt
3. Drehen Sie die Halterung nach unten Bildgebung bei befestigt.
   Hinweis: Die LSCI hat drei Steuerelemente: (1) Zoom-Einsteller – mit der Imager, legen Sie in der Lage, weniger Vergrößerung kann bzw. maximalen und minimalen Einstellungen für kleine und größere Gesichtsfelder angepasst werden. Um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, ist eine Indizierung Ring Label zur Verfügung gestellt; (2) Schwerpunkt Einsteller – Dies ist abhängig von der Messdistanz und muss angepasst werden, nachdem die Position des Bildes festgelegt wurde. Um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, ist eine Indizierung Ring Label zur Verfügung gestellt; (3) ein Polarisator – ein lineare Polarisationsfilter ist verfügbar, specular Reflexion von exponierten Organe zu minimieren – die drehbare Halterung 360° gedreht werden kann.
4. Installieren Sie die Software um die Kamera zu steuern. Die Software gliedert sich in zwei Module bieten eine Messung und Überprüfung Funktion.

2. Teilnehmer Vorbereitung

1. stellen Sie sicher die Bewertung erfolgt in einem klimatisierten Raum (22 ± 1 ° C) und die Teilnehmer sitzen für 10 Minuten vor dem Test auf Raumtemperatur anzupassen.
2. Vermeiden Sie eine starke Quelle von künstlichem Licht und das Sonnenlicht auf der Teilnehmer oder die LSCI wie Umgebungslicht beeinträchtigt die MoorFLPI in der Nähe von Infrarot-Laser-Quelle bei 785 nm.
   Hinweis: Ein einfacher Test zu bestätigen, dass Umgebungslicht akzeptiert werden ist durch die bildgebenden Setup-Fenster öffnen und behindern die Laser. Wenn das Bild fast komplett schwarz ist, sind keine weiteren Schritte erforderlich; Wenn es noch zu viel Umgebungslicht Licht vorhanden immer, weitere Maßnahmen sind erforderlich.
3. Gewährleisten, dass die Teilnehmer entspannt während der Beurteilung mit den Füßen flach auf dem Boden, wenn sitzen, und vermeiden Sie Gespräche.
4. Platz 8 cm ² Klebstoff deckend Patch (AOP) (z. B. Leukotape) auf die Hautfläche, die Durchblutung zu verschleiern. Dies geschieht, um den Nachteil der LSCI im Hinblick auf die hohe Empfindlichkeit gegenüber Artefakt Bewegung zu berücksichtigen und Signal Rückstreuung wird zur Messung des mikrozirkulatorischen Blutflusses verwendet werden.

3. Messung der Mikrozirkulation Bild

1. Wählen Sie ' räumliche Verarbeitung ' für 25 Frames pro zweite Aufnahme bei 152 x 113 Pixel.
2. Wählen Sie ' Live Bild Messung ' und passen Sie die Position der Imager 20 cm weg von der Teilnehmer, gefolgt von Anpassung, Zoom, Fokus und Polarisator für minimaler specular Reflexion. Das Bild erscheint recht ' flach ' und eintönig.
3. Legen Sie eine Belichtungszeit von 20 ms für hohe Empfindlichkeit auf kleine Änderungen und low Flux.
4. Verwenden eine Display-Rate von 25 Hz und eine Zeitkonstante von 0,3 s schnelle Blut fließen Änderungen berücksichtigen und optimalen Kontrast durch reduziert das Bildrauschen zu erreichen.
5. Erstellen Sie zwei gleicher Größe (2 cm ²) Bereiche von Interesse (ROI), benannt ROI 1 und ROI-2. Richten Sie ROI 2, so ist es innerhalb der 8 cm ² AOP. Achten, dass ROIs nicht vertauschen sind aber dennoch innerhalb von 2-4 cm zu reduzieren die Notwendigkeit für Nachzentrieren ROI 2 wird nicht mehr im Bereich AO ergibt sich eine mechanische Bewegung enger.
   Hinweis: Blut-Durchfluss-Messung werden ungenauer in niedriger und hoher Intensität Bereichen, so ist es wichtig, eine optimale Gain-Einstellung zu haben. Der Gewinn liegt zwischen 0 - 200. Ein optimale Gain-Einstellung-Wert im Bereich von 70-80 erreicht ist.
6. Perform Flux-Messungen im Vergleich zu einer Referenz-Baseline. Bei dieser Methode einführen ' den Rest ' Bühne als Referenz Grundlinie. Daher bekunden ein ' schnell ' und ' langsam ' Bühne Blutfluss als Prozentsatz ändern von einem Ausgangswert ' Rest ' Bühne.
7. Blut-Durchfluss-Messung im video-Format aufzeichnen und speichern für offline-Analyse mit Hilfe eines Bild-Beitrag-Moduls.

4. Offline-Analyse

Hinweis: die MoorFLPI Bild-Review-Software ermöglicht die Eröffnung eines Videos zu analysieren.

1. Berechnen der mittlere Fluss innerhalb ROIs nach einer Reihe von Aufnahmen der mittlere Blutfluss. ROI-1 ist die reale Messung der Hautdurchblutung und ROI-2 ist das rückgestreute Laser Speckle Haut Signal aus der AOP.
2. Berechnung den mittleren Blutfluss durch Subtraktion ROI 2 von ROI 1 (Hautdurchblutung).
   ROI 1 - ROI 2 = mittlere Blutfluss

Ergebnisse

Die LSCI experimentelle einrichten ist in Abbildung 1 mit funktionale Tools identifiziert skizziert. Eine typische Teilnehmer Vorbereitung für eine Messung des Blutflusses auf einen Bereich des vorderen Oberschenkels wird dargestellt. Verstellbare Halterung ermöglicht die Drehung des LSCI für die Messung des Blutflusses in Microvasculature bestimmten Hautbereich. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine typische roh Speckle Bild und konvertierte Speckle Bild mit individuellen Einstellungen des Protokolls für die Messung der Mikrozirkulation des Blutes.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel der Hautbereich und Platzierung von AOP (Schritt 3.1), LSCI raw imaging Setup (Schritt 3.2), ein live-Bild für langsamen Blutfluss (Schritt 3.3) und eine live-image für eine schnelle Durchblutung (Schritt 3.4) in eine kontinuierliche Datenaufzeichnung eine alternierende Bewegung erreicht uns Ing MoorFLPI LSCI. Palette, die Farbcodierung Einstellung ermöglicht eine Differenzierung zwischen Flussmittel. Mit der standard-Palette von 16 Farben niedrigen Fluss gilt als blau, mittlere Flussmittel Werte gelten als grün und Hochfluss Werte gelten als Orange und rot.

Hautdurchblutung drückt sich in Laser Speckle Perfusion Einheiten (LSPU). Abbildung 4 zeigt die grafische Darstellung von ROI 1, ROI 2 und AOP auf einer Fläche von Haut. Der mittlere Blutfluss errechnet sich in offline-Analyse anhand von Daten aus Gleichung (1), ROI 1 und ROI-2.

Abbildung 1: MoorFLPI LSCI experimentellen Set up Desktop-Tragarm, Kabel Ausgänge, Position Steuerungen (zoom-Einsteller, Schwerpunkt Einsteller und Polarisator), AOP und Laptop für die Konfiguration der Bildeinstellung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Raw Speckle Bild vor Datenaufzeichnung. 2.1 - 2.2) Flux und rohen Speckle Bilder einer schlecht konfigurierte Einstellung, wodurch eine hohe Verstärkung bei schlechter Sicht ein ungenauer Messung von Blut führt. 2.3 - 2.4) Konfiguriertes System gemäß Protokoll, was zu einer richtigen Gewinn mit maximale Sichtbarkeit für ein zuverlässiges Ergebnis. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Überblick über Aufbau und Datensatz Messung mit MoorFLPI LSCI. 3.1. eine Fläche von Haut (Oberschenkel) mit einer 2 cm² AOP Artefakt Bewegung berücksichtigen. 3.2) ein rohes Speckle "flach und nichtssagend" Bild zeigt gute Backscatter Lichtintensität mit der optimalen Einstellung. 3.3) eine Livebild-Aufnahme von einem langsamen Blutfluss. 3.4) eine live-Bild-Aufnahme eine schnelle Durchblutung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: grafische Darstellung des ROI 1, ROI 2 und AOP Layouts auf einer Fläche von der Haut. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Rest (Referenzbasis) (LSPU)			Langsamen Blutfluss (LSPU)				Mäßige Durchblutung (LSPU)				Schnelle Durchblutung (LSPU)
Meine Flux - ROI 1	Meine Flux - ROI 2	Meine Durchblutung	Meine Flux - ROI 1	Meine Flux - ROI 2	Meine Durchblutung	Blutfluss Erhöhung % gegenüber dem Ausgangswert	Meine Flux - ROI 1	Meine Flux - ROI 2	Meine Durchblutung	Blutfluss Erhöhung % gegenüber dem Ausgangswert	Meine Flux - ROI 1	Meine Flux - ROI 2	Meine Durchblutung	Blutfluss Erhöhung % gegenüber dem Ausgangswert
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

Tabelle 1: Flux in LSPU für ROI 1 und 2 der ROI bei Studienbeginn, langsam, mäßig und schnell Blut fließen. Erhöhung der Blut-Fluss wird als prozentuale Veränderung von einer Grundlinie Bühne ausgedrückt.

Abbildung 5: Beispiel für ROI 1 und ROI 2 Positionierung auf einer Fläche der Haut (Oberschenkel). Eine 16-Farbpalette zeigt die Lavers der Verbandwechsel. Daten für ROI 1 und 2 der ROI im Perfusion Einheiten aufgezeichnet und abgezogen wie in Gleichung 1 für die Messung der Mikrozirkulation des Blutes. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Diskussion

Das Ziel dieser Studie war es, eine neuartige Technik für die Messung und Analyse von wechselnden Geschwindigkeiten von Blut Mikrozirkulation in einem einzigen Experiment mit der LSCI einzuführen. Die Messungen können durch Umgebungslicht, Vibration und Teilnehmer einschließlich Atmung und zuckenden Bewegung beeinflusst werden. Die Schritte in das Protokoll wurden alle entworfen, diese Auswirkungen zu minimieren und zuverlässige und wiederholbare Messungen der Mikrozirkulation des Blutes zu erhalten.

Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Schritt im Rahmen des Protokolls ist entscheidend für eine genaue Messung der Mikrozirkulation des Blutes, die Technik eingeführt war entdeckten folgende sequenzielle Prüfung aller möglichen Optionen und Kombinationen verfügbar, einschließlich: Zeit konstant, Zoom-Einstellung, Belichtungszeit, Preis, Gewinn und Flussmittel Bildpalette anzuzeigen. Ergebnisse wurden analysiert und wiederholt mit live-video-Anzeige und offline-Analyse, um das optimale Bildgebung Setup zu finden. Dies war notwendig, da die Bildverarbeitungs-Software die Tatsache nutzt, dass hohe Perfusion schnelle Variation in Laser-Speckle-Muster produziert, und infolgedessen ist ein geringer Kontrastbereich der klar definierten Speckle im Videobild. Perfusion Bild entsteht dann eine farbkodierte Karte der mikrozirkulatorischen Perfusion.

Experimentellen Bereich und Teilnahme Vorbereitung findet sich wesentlich, und dies kann durch die Vermeidung von Arbeit in der Nähe von Quellen von Tageslicht (Fenster) oder starke künstliche Lichtquellen, gesteuert werden, wie diese MoorFLPI in der Nähe von Infrarot-Laserquelle stören können. Das Protokoll führte auch ein AOP, wie es anerkannt wurde, dass die Umwelt Vibration und Bewegung des Teilnehmers beide Signale zu generieren, die von Blutfluss nisht zu unterscheidend sind. Das AOP erwies sich als eine einfache, aber effektive Wahl bietet eine dünne, aber deckende, leichte und zugänglich-Option, die hatte eine mikroskopisch raue Oberfläche zu erheblichen spiegelnden Reflexion zu vermeiden. Vorläufige Untersuchungen von Omarjee Et al. ¹¹ weist auf eine mögliche Einschränkung mit der Leukotape schafft eine Reflexion Signalamplitude unterscheidet sich von der Haut und variiert erheblich zwischen Subjekten; aber Mahe Et Al. ¹ keine drastischen Unterschied zwischen den Teilnehmern zu finden. Obwohl Leukotape leichter zugänglich ist als andere, Bilayer Kleber Flecken maßgeschneiderte, könnte die Richtigkeit der Gleichung (1) Messung verbessert werden, mithilfe eines alternativen AOP.

Die offline-Analyse Abschnitt hervorgehoben, die Bedeutung der Größen des ROIs und ihre Lage im Bereich von Interesse. Zunächst wurde eine größere ROI 1, ca. 8 cm², versucht die ROI-2 überlagert. Diese Methodik wurde bald UN zuverlässig durch Artefakt Bewegung im ROI 2 bewegten und die live-Experiment musste unterbrochen werden, um den ROI-2 neu zu zentrieren. Eine weitere kurze kommen war, dass durch ROI 1 überlagern die AOP, der mittlere Fluss nicht mehr Bereich unter AOP auf ein Konto gab es nicht mehr ein rückgestreute Signal. Dies bedeutete ein großer Teil der Mikrozirkulation des Blutes wurde übersehen und daher resultierenden Flussmittel Daten waren nicht korrekt. Daher bietet eine Methodik in welche zwei ROIs von 2 cm², mit einem AOP 8 cm² und keine Interaktion zwischen ROI 1 und ROI-2 (aber innerhalb von 2-4 cm voneinander entfernt gehalten), eine zuverlässige und wiederholbare Analyse-Technik für die Messung des Blutes Mikrozirkulation.

Materialien

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