Uma nova abordagem para superar o artefato de movimento usando um contraste de Speckle Laser sistema de imagem de alternância de velocidades da microcirculação

Resumo

Este estudo apresenta uma nova técnica para a medição e análise de alternando velocidades da microcirculação em uma única experiência usando um gerador de imagens de contraste do laser do salpico.

Resumo

O tonalizador de contraste do laser do salpico (LSCI) fornece uma poderosa contudo simples técnica para medir o fluxo sanguíneo microcirculatory. Ideal para respostas dinâmicas de sangue, o LSCI é usado da mesma forma como um convencional Laser Doppler Imager (LDI). No entanto, com uma profundidade máxima de pele de aproximadamente 1 mm, o LSCI destina-se a focar principalmente o fluxo de sangue superficial. Ele é usado para medir áreas de superfície de pele de até 15 cm x 20 cm. A nova técnica introduzida neste papel esclarece alternando velocidades de microcirculations; medição de fluxo de fluxo ou seja, lento e rápido usando o LSCI. A nova técnica também supera a lacuna maior do LSCI, que é a alta sensibilidade ao movimento do artefato. Um adesivo patch opaco (AOP) é introduzido para gravação satisfatória microcirculatory do fluxo de sangue, subtraindo-se o sinal LSCI de AOP do sinal da pele do laser do salpico. A configuração ideal é também definida porque o LSCI é mais poderoso quando as alterações de fluxo são medidas em relação a uma base de referência, com fluxo de sangue microcirculatory expresso em percentagem mudar da linha de base. Estas mudanças podem ser usadas para analisar o status do sistema de fluxo de sangue.

Introdução

Laser do salpico contraste Imaging (LSCI) é um comprovado sem contato, método para a análise de sangue, fluxo da microcirculação^1,2,3,4,5,6 de monitoramento em tempo real ^{, 7}. the LSCI usado neste trabalho é moorFLPI campo completo. A medição da perfusão de fluxo de sangue em grandes áreas em alta resolução espacial e temporal, usando um fenômeno chamado "speckle laser" é uma das principais vantagens deste dispositivo⁶. A avaliação em tempo real da microcirculação é feita através de padrões capturados através de uma câmera usando padrões de speckle dispersas. Dado que o moorFLPI LSCI destina-se a investigação clínica e fisiológica, o software de processamento de imagem funciona no fato de que alta perfusão produz rápida variação no padrão de salpico do laser, que em seguida é integrado pelo acusado dispositivo acoplado (CCD) para produzir uma área de baixo contraste⁸. O contraste é quantificado e o fluxo resultante é cor codificada para produzir uma imagem de perfusão⁸.

Infelizmente, o LSCI é muito sensível ao movimento do assunto área⁹, artefato e vibração ambiental. Até à data este forneceu desafiador quando alternando Estados de fluxo foram estudados. Este documento explica os detalhes da técnica explícita descrito em um estudo recente¹⁰ onde um dispositivo de estimulação elétrica Neuromuscular foi usado para medir a microcirculação do sangue quando havia movimento do membro a ser examinado.

Protocolo

o método relatado foi utilizado em um estudo que recebeu aprovação ética do Comitê de ética de pesquisa Bournemouth University em 9 de fevereiro de 2016 (referência 10571).

1. LSCI configurar

1. Connect moorFLPI LSCI painel traseiro aos seus três terminais (alimentação, Universal Serial Bus (USB) e IEEE1394) para que o sistema função.
2. Montar o braço de suporte de Desktop usando os 4 parafusos com a moorFLPI LSCI virado de cabeça para baixo e fixado ao suporte braço
3. Girar o suporte de montagem para a imagem latente descendente quando anexado.
   Nota: O LSCI tem três controles: ajuste de zoom (1) – com a câmera em uma posição, menos ampliação pode ser ajustada para configurações máximas e mínimas para pequenas e grandes campos de visão respectivamente. Para garantir a repetibilidade, é fornecido um rótulo de anel a indexação; (2) ajuste de foco – isto é dependente da distância de medição e deve ser ajustado após a posição da imagem tiver sido definida. Para garantir a repetibilidade, é fornecido um rótulo de anel a indexação; e (3) um polarizador – um filtro polarizador linear está disponível para minimizar a reflexão especular de órgãos expostos – montagem da rotação pode ser girada 360 °.
4. Instalar o software para controlar a câmera. O software é dividido em dois módulos, fornecendo uma função de medição e revisão.

2. Preparação do participante

1. certifique-se a avaliação é realizada em uma sala de temperatura controlada (22 ± 1 ° C) e que os participantes estão sentados por 10 minutos antes do teste para se adaptar à temperatura ambiente.
2. Evitar uma forte fonte de luz artificial e luz do sol brilhando sobre o participante ou o LSCI como luz ambiente pode afetar o moorFLPI perto da fonte de laser infravermelho operando em 785 nm.
   Nota: Um teste simples para confirmar se os níveis de luz ambientes são aceitáveis é abrindo a janela de configuração de imagem e obstruindo o laser. Se a imagem é quase completamente preta, então, sem mais etapas são necessárias; se ainda há muito ambiente presente de luz, mais ação é necessária.
3. Garantir que os participantes estão relaxados durante a avaliação, com os pés no chão, se sentado e evitar conversas.
Remendo de
4. lugar 8 cm ² de adesivo opaco (AOP) (por exemplo, Leukotape) na área da pele para mascarar o fluxo de sangue. Isso é feito para conta para a desvantagem do LSCI em termos de alta sensibilidade ao movimento do artefato, e sinal retrodifusão será usado para a medição do fluxo de sangue microcirculatory.

3. Medição de imagem microcirculação

1. selecione ' processamento espacial ' para 25 quadros por segundo captura a 152 x 113 pixels.
2. Escolher ' viver medição de imagem ' e ajustar a posição do tonalizador 20 cm o participante seguido ajustando o zoom, foco e polarizador para mínima reflexão especular. A imagem deve aparecer bastante ' plana ' e inexpressivo.
3. Definir um tempo de exposição de 20 ms para alta sensibilidade para pequenas mudanças e fluxo baixo.
4. Usar uma taxa de exposição de 25 Hz e uma constante de tempo de 0,3 s para contabilizar as mudanças do fluxo de sangue rápido e para alcançar o contraste ideal, reduzindo o ruído de imagem.
5. Criar duas regiões de igual tamanho (2cm ²) de interesse (ROI), chamadas ROI 1 e 2 de ROI. Alinhe o ROI 2 assim que fica a cerca de 8 cm ² AOP. Tenha cuidado para que não são intercâmbio de ROIs mas manteve estreita dentro de 2-4 cm para reduzir a necessidade de re-centralização se qualquer movimento mecânico resulta em ROI 2 não está mais sendo na área AO.
   Nota: Medição do fluxo de sangue serão menos precisa em áreas de baixa e alta intensidade, por isso é importante ter uma configuração ideal de ganho. Os intervalos de valor de ganho entre 0 - 200. Um valor de ajuste de ganho ideal é alcançado na faixa de 70-80.
6. Fluxo de realizar medições em relação a uma base de referência. No caso desta metodologia, apresentar ' o resto ' palco como uma base de referência. Portanto, expressar um ' rápido ' e ' lento ' fase de fluxo de sangue como uma porcentagem mudar de uma linha de base, ' resto ' fase.
7. Registro de medição do fluxo de sangue em formato de vídeo e salvar para análise off-line usando um módulo de análise de imagem.

4. Análise off-line

Nota: O moorFLPI, Software de análise de imagem permite a abertura de um vídeo para realizar a análise.

1. Calcular o fluxo médio dentro ROIs após uma série de gravações de má circulação. 1 ROI é a medida real do fluxo de sangue da pele e ROI 2 é o sinal de pele de speckle retroespalhados do laser do AOP.
2. Calcular o fluxo de sangue significa subtraindo 2 ROI de ROI 1 (fluxo de sangue da pele).
   ROI 1 - ROI 2 = fluxo sanguíneo média

Resultados

O LSCI experimental Setup é descrito na Figura 1 com ferramentas funcionais identificadas. Uma típica preparação participante para a medição do fluxo de sangue em uma área da coxa anterior é ilustrada. Suporte de montagem ajustável permite a rotação da LSCI para a medição do fluxo de sangue dentro da microvasculatura de qualquer área de pele particular. Figura 2 descreve um exemplo de uma imagem típica do salpico cru e imagem de speckle convertido com bespoke configurações descritas no protocolo para medição da microcirculação.

A Figura 3 mostra um exemplo de área de pele e colocação de AOP (passo 3.1), configuração de imagem crua de LSCI (passo 3.2), uma imagem ao vivo para o fluxo de sangue lento (passo 3.3) e ao vivo de imagem para um fluxo de sangue rápido (passo 3.4) alcançado em uma gravação contínua de dados de um fluxo alternado nos ing moorFLPI LSCI. Configuração de codificação de cores de paleta permite a diferenciação entre níveis de fluxo. Com a padrão paleta de 16 cores, baixo fluxo é visto como azul, valores de fluxo médio são vistos como verde e valores de alto fluxo são vistos como laranja e vermelho.

O fluxo sanguíneo da pele é expresso em unidades de perfusão de salpico do laser (LSPU). A Figura 4 mostra a representação gráfica do ROI 1 e 2 de ROI, AOP em uma área da pele. O fluxo de sangue média é calculado em análise off-line usando os dados de ROI 1 e 2 de ROI e a equação (1).

Figura 1: moorFLPI LSCI experimental conjunto cima Braço de suporte de desktop, saídas de cabo, controles de posição (zoom ajuste, ajuste de foco e polarizador), AOP e portátil para configuração de ajuste de imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: imagem Raw speckle antes da gravação de dados. 2.1 - 2.2) fluxo e imagens de speckle cru de uma configuração mal configurada, resultando em um alto ganho com pouca visibilidade, o que resultará em uma medição menos precisa de fluxo de sangue. 2.3 - 2.4) Sistema configurado conforme protocolo, resultando em um ganho correto com a máxima visibilidade para um resultado confiável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: uma visão geral da instalação e registro de medição usando moorFLPI LSCI. 3.1. uma área da pele (coxa), com um 2 cm² AOP para contabilizar o movimento do artefato. 3.2) uma salpico cru 'plana e inexpressivo' imagem indicando a intensidade de luz de retroespalhamento de boa com a configuração ideal. 3.3) uma gravação ao vivo de imagem de um fluxo de sangue lento. 3.4) uma gravação ao vivo de imagem de um fluxo de sangue rápido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: representação gráfica do layout ROI 1 e 2 de ROI, AOP em uma área da pele. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resto (referência de linha de base) (LSPU)			Fluxo sanguíneo lento (LSPU)				Fluxo sanguíneo moderada (LSPU)				Fluxo de sangue rápido (LSPU)
Quer dizer fluxo - ROI 1	Quer dizer fluxo - ROI 2	Quer dizer fluxo sanguíneo	Quer dizer fluxo - ROI 1	Quer dizer fluxo - ROI 2	Quer dizer fluxo sanguíneo	% Aumento da linha de base do fluxo de sangue	Quer dizer fluxo - ROI 1	Quer dizer fluxo - ROI 2	Quer dizer fluxo sanguíneo	% Aumento da linha de base do fluxo de sangue	Quer dizer fluxo - ROI 1	Quer dizer fluxo - ROI 2	Quer dizer fluxo sanguíneo	% Aumento da linha de base do fluxo de sangue
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

Tabela 1: quer dizer fluxo em LSPU para ROI 1 e 2 de ROI na linha de base, lenta, moderada e rápido fluxo de sangue. Aumento do fluxo de sangue é expresso como uma taxa de variação percentual de um estágio de linha de base.

Figura 5: exemplo de ROI 1 e 2 de ROI posicionando-se sobre uma área de superfície da pele (coxa). Uma paleta de 16 cores descreve a lima de perfusions. Dados são registrados para ROI 1 e 2 do ROI nas unidades de perfusão e subtraídos conforme explicado na equação 1 para medição da microcirculação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

O objetivo deste estudo foi apresentar uma nova técnica para a medição e análise de alternando velocidades da microcirculação em uma única experiência usando o LSCI. As medições podem ser afetadas pela luz ambiente, vibração e movimento participante, incluindo a respiração e se contraindo. As etapas descritas no protocolo todos foram projetadas para minimizar esses efeitos e obter medições confiáveis e reproduzíveis de microcirculação.

Ressalta que cada passo dentro do protocolo é fundamental para uma medição precisa da microcirculação, introduziu a técnica foi descoberta sequencial seguintes testes de todas as opções de configuração possíveis e combinações disponíveis incluindo: tempo constante, configuração de zoom, tempo de exposição, exibir a paleta de imagem taxa, ganho e fluxo. Os resultados foram analisados e repetido usando o monitor de vídeo ao vivo e análise off-line para encontrar a configuração ideal de imagem. Isto era essencial como o software de processamento de imagem usa o facto de alta perfusão produz rápida variação no padrão de salpico do laser, e como resultado uma área de baixo contraste de speckle bem-definidos é produzida em imagem de vídeo. Imagem de perfusão, em seguida, é criada em um mapa com código de cores de perfusão microcirculatory.

Preparação de área e participação experimental é encontrada para ser essencial, e isso pode ser controlado, evitando o trabalho perto de fontes de luz (janela) ou de fortes fontes de luz artificial, como estes podem interferir com a moorFLPI perto da fonte de laser infravermelho. O protocolo também introduziu um AOP como que reconheceu que o movimento de participante e vibração ambiental ambos geram sinais que são indistinguíveis de fluxo sanguíneo. O AOP provou para ser uma escolha simples, mas eficaz, oferecendo uma opção fina mas opaca, leve e acessível, que tinha uma área de superfície microscopicamente áspera para evitar a reflexão especular significativa. Pesquisa preliminar por Omarjee et al . ¹¹ destaca uma limitação potencial pelo qual Leukotape cria uma amplitude de sinal de reflexão diferente da pele e varia significativamente entre os sujeitos; no entanto marinho et al . ¹ não encontrado nenhuma diferença drástica entre os participantes. Embora Leukotape seja mais acessível do que outros bespoke, patches adesivo BICAMADA, a precisão da medição da equação (1) poderia ser melhorada usando um AOP alternativo.

A seção de análise off-line destacou a importância de tamanhos de ROIs e sua localização dentro da área de interesse. Inicialmente, um maior ROI 1, aproximadamente 8 cm², foi julgado que cobriu o ROI 2. Esta metodologia logo se tornou não-confiável devido ao movimento de artefato resultando em ROI 2 mover-se e a experiência ao vivo tinha de parar a fim de re-centralizar o ROI 2. Outra vinda curta foi que devido a ROI 1 sobrepondo o AOP, o fluxo médio já não a área sob AOP em uma conta, como já não havia um sinal retroespalhado. Isto significou uma grande parte da microcirculação foi sendo esquecida e, portanto, os dados resultantes do fluxo não eram corretos. Portanto, uma metodologia na quais dois ROIs de 2 cm², com um AOP de 8 cm² e nenhuma interação entre ROI 1 e 2 de ROI (mas guardado dentro de 2 a 4 cm do outro), fornece uma técnica de análise confiável e reproduzível para medição de sangue microcirculação.

Materiais

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