Новый подход для преодоления артефакта движения при использовании лазерной спекл контраст изображения системы для чередующихся скорости микроциркуляции крови

Резюме

Это исследование представляет Роман техника для измерения и анализа чередующихся скорости микроциркуляции крови в одном эксперимент с использованием лазерной спекл контраст тепловизор.

Аннотация

Лазерной спекл контраст томографа (LSCI) обеспечивает мощный и простой метод для измерения потока микроциркуляции крови. Идеально подходит для динамических ответов крови, LSCI используется так же, как Doppler Imager обычных лазерных (ЛДИ). Однако с максимальной кожи глубиной примерно 1 мм, LSCI предназначен для сосредоточиться на основном поверхностное кровообращение. Он используется для измерения поверхности области кожи до 15 x 20 см. Новая техника, представил в этой бумаге счетов для чередующихся скорости microcirculations; т.е. медленный и быстрый поток поток измерение с помощью LSCI. Роман технику также преодолевает LSCI в большой недостаток, который является высокая чувствительность к движению артефакт. Клей непрозрачный патч (АОП) вводится для удовлетворительного записи потока микроциркуляции крови, путем вычитания LSCI сигнал от АОП от лазерной спекл кожи сигнала. Оптимальные настройки определяется также потому, что LSCI является самым мощным, когда изменения потока измеряются относительно исходных ссылок, с микроциркуляторного поток крови в процентах изменения от базовой линии. Эти изменения могут быть использованы для анализа состояния системы потока крови.

Введение

Контрастность изображений лазерной спекл (LSCI) является проверенным бесконтактный, реального времени мониторинг метод анализа крови поток микроциркуляции^{1,2,3,4,5,6 , 7}. LSCI, используемые в этой бумаге является moorFLPI полного поля. Измерение перфузии потока крови в крупных районах высоким пространственным и временным разрешением, используя явление под названием «лазерной спекл» является одним из главных преимуществ этого устройства⁶. Режиме реального времени оценки микроциркуляции делается через захваченных моделей через камеры с помощью разбросанных спекл шаблонов. Учитывая, что moorFLPI LSCI предназначен для физиологических и клинических исследований, обработки изображений программное обеспечение работает на тот факт, что высокие перфузии производит быстрое отклонение в лазерной спекл шаблон, который затем интегрирован, взимается устройства в сочетании (CCD) для создания области низкой контрастности⁸. Количественно контраст и результирующий поток является цветом производить перфузии изображения⁸.

К сожалению очень чувствительны к окружающей среды вибрации, артефакт и движения субъекта площадь⁹LSCI. На сегодняшний день это предоставил сложной когда изучал переменный поток государства. Этот документ объясняет подробности явного техники, изложенные в недавно исследование¹⁰ где нервно устройство электрической стимуляции был использован для измерения микроциркуляцию крови, когда там было движение конечностей, рассматривается.

протокол

метод сообщили, была использована в исследовании, которое получил этического одобрения от Комитета этики научных исследований Университета Борнмута по 9 февраля 2016 (Справочник 10571).

1. Настройка LSCI

1. подключить задней панели LSCI moorFLPI его три розетки (блок питания, универсальной последовательной шины (USB) и IEEE1394) для функционирования системы.
2. Собрать поддержку Arm рабочего стола с помощью 4 винтов с moorFLPI LSCI дном и крепится к поддержке arm.
3. Повернуть кронштейн для вниз изображений при вложении.
   Примечание: LSCI имеет три элемента управления: Регулятор масштаба (1) – с томографа, в местечке, меньше масштаб можно регулировать максимальные и минимальные параметры для малых и больших полей зрения соответственно. Для обеспечения повторяемости, предоставляется метку индексации кольцо; (2) фокус регулятор – это зависит от расстояния и должна быть скорректирована после того, как задать положение изображения. Для обеспечения повторяемости, предоставляется метку индексации кольцо; и (3) поляризатора – линейный поляризационный фильтр доступен для сведения к минимуму зеркального отражения от подвергаются органов – Вращающийся держатель может поворачиваться на 360°.
4. Установить программное обеспечение для управления камерой. Программное обеспечение состоит из двух модулей, измерения и анализа функции.

2. Участник подготовки

1. обеспечение оценки проводится в комнате с регулируемой температурой (22 ± 1 ° C), и что участники сидят за 10 минут до начала испытаний адаптироваться к комнатной температуре.
2. Избежать сильных источников искусственного света и солнечного света, падающего на участника или LSCI, как рассеянный свет может повлиять на moorFLPI вблизи инфракрасного лазерного источника, работающих на 785 Нм.
   Примечание: Простой тест для подтверждения, приемлемы ли уровень окружающего освещения является, открыв окно настройки визуализации и препятствуя лазер. Если изображение почти полностью черный затем дальнейшие действия не требуются; Если есть еще слишком много окружающего света подарок, дальнейших действий не требуется.
3. Обеспечить участников расслабленным всей оценки, с их ноги плашмя на землю, если сидит и избегать разговоров.
4. Место 8 см ² клей укрывистая патч (АОП) (например, Leukotape) на участке кожи, чтобы замаскировать поток крови. Это делается для учета недостаток LSCI с точки зрения высокой чувствительности к движению артефакт, и сигнал обратного рассеяния будет использоваться для измерения потока микроциркуляции крови.

3. Измерение изображения микроциркуляции

1. выберите ' пространственной обработки ' для 25 кадров в вторая захват на 152 x 113 пикселей.
2. Выбрать ' Live изображение измерения ' и отрегулировать положение тепловизор 20 см от участника, последовали корректировки зум, фокус и поляризатора для минимальной зеркального отражения. Изображение должно появиться довольно ' плоские ' и безликих.
3. Задать время воздействия 20 мс для высокой чувствительности небольшие изменения и низкого потока.
4. Использовать уровень отображения 25 Гц и константа времени 0.3 s с учетом быстрого изменения кровотока и добиться оптимального контраста путем уменьшения шума изображения.
5. Создать два одинакового размера (2 см ²) регионы интереса (ROI), названный ROI 1 и ROI 2. Совместите ROI 2, поэтому она находится в пределах 8 см ² АОП. Заботиться, так что ROIs не Перепутывание, но держал закрыть в течение 2-4 см для уменьшения необходимости вновь центрирования, если любое механическое движение приводит к ROI 2 больше не находясь в районе АО.
   Примечание: Измерение потока крови будет менее точным в зонах низкой и высокой интенсивности, поэтому важно иметь параметр оптимальную прибыль. Получить значение колеблется от 0 - 200. Значение параметра оптимальный прирост достигнут в диапазоне 70-80.
6. Выполнение потока измерения по отношению к базовой ссылки. В случае этой методологии, ввести ' остальные ' этап в качестве справочных. Таким образом, Экспресс ' быстро ' и ' медленно ' изменить этап кровотока в процентах от базового плана, ' отдых ' этап.
7. Запись измерения потока крови в формате видео и сохранить автономный анализ с использованием модуля обзор изображения.

4. Автономный анализ

Примечание: moorFLPI изображения Обзор программного обеспечения позволяет открытие видео для выполнения анализа.

1. Вычислить среднее потока в пределах ROIs после серии записей среднего кровотока. ROI 1 реальные измерения потока крови кожи и ROI 2 рассеяния лазерного пятна кожи сигнал от АОП.
2. Расчет среднего кровотока путем вычитания 2 ROI от ROI 1 (кожи кровотока).
   ROI 1 - ROI 2 = средний кровотока

Результаты

LSCI экспериментальной установки приводится на рисунке 1 функциональных инструментов определены. Иллюстрируется типичным участник подготовки для измерения потока крови на площади передней поверхности бедра. Регулируемый кронштейн позволяет вращение LSCI для измерения потока крови в пределах microvasculature участка любой конкретной кожи. Рисунок 2 описан пример использования преобразованной спекл и типичный сырой спекл изображения с индивидуальных параметров, изложенных в протоколе для измерения микроциркуляции крови.

Рисунок 3 показывает пример участка кожи и размещение АОП (шаг 3.1), сырые изображения установки LSCI (шаг 3.2), живой образ для медленных кровотока (шаг 3.3) и живой образ для достигнутого в непрерывных данных записи переменного потока быстрых кровотока (шаг 3.4) нас ING moorFLPI LSCI. Палитра, цветовое кодирование параметр позволяет дифференциации между уровнями потока. С стандартную палитру из 16 цветов низкой потока рассматривается как синий, средний поток значения рассматриваются как Грин и высокий поток значения рассматриваются как оранжевый и красный.

Кожи кровотока выражается в единицах измерения перфузии лазерной спекл (ЛГПУ). Рисунок 4 показывает графическое представление ROI 1 и ROI 2 АОП на площади кожи. Средняя крови поток рассчитывается в автономный анализ с использованием данных от ROI 1 и ROI 2, уравнение (1).

Рисунок 1: moorFLPI LSCI экспериментальная установка наверх Обои поддержка руку, выходы кабеля, позиции управления (масштаб регулятор, Регулятор фокуса и поляризатор), АОП и ноутбук для конфигурации настройки изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: изображения Raw спекл до записи данных. 2.1 - 2.2) потока и сырые спекл изображения плохо настроенный параметр, что приводит к высоким коэффициентом усиления с плохой видимости, что приведет к менее точные измерения потока крови. 2.3 - 2.4) Система настроена в соответствии с протоколом, что приводит к правильным выгоды с максимальной видимости для получения надежного результата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: Обзор установки и запись измерения с помощью moorFLPI LSCI. 3.1. участок кожи (бедро) с 2 см² АОП для учета движения артефакт. 3.2) сырье спекл «плоские и безликих» изображение, показывающее хорошо обратное рассеяние света с оптимальной настройки. 3.3) образ live запись медленный кровоток. 3.4) запись live изображение быстро кровотока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: графическое представление ROI 1, ROI 2 и АОП макета на площади кожи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Отдых (базовые) (ЛГПУ)			Медленный кровоток (ЛГПУ)				Умеренные кровотока (ЛГПУ)				Быстрый кровотока (ЛГПУ)
Означать Flux - ROI 1	Означать Flux - ROI 2	Значит, поток крови	Означать Flux - ROI 1	Означать Flux - ROI 2	Значит, поток крови	Приток крови увеличение % от базовой линии	Означать Flux - ROI 1	Означать Flux - ROI 2	Значит, поток крови	Приток крови увеличение % от базовой линии	Означать Flux - ROI 1	Означать Flux - ROI 2	Значит, поток крови	Приток крови увеличение % от базовой линии
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

Таблица 1: означает потока в ЛГПУ ROI 1 и ROI 2 на базовой линии, медленно, умеренный и быстрый приток крови. Увеличение потока крови выражается в процентах от базового уровня.

Рисунок 5: пример ROI 1 и ROI 2 позиционирования на поверхность кожи (бедро). 16-цветная палитра излагаются lavers орошений. Данные записаны для ROI 1 и ROI 2 в единицах измерения перфузии и вычитается как описано в уравнении 1 для измерения микроциркуляции крови. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Обсуждение

Целью данного исследования было представить Роман техника для измерения и анализа чередующихся скорости микроциркуляции крови в одном эксперименте с использованием LSCI. Измерения могут быть затронуты рассеянного света, вибрации и участников движения, включая дыхание и подергивания. Шаги, изложенные в протоколе были разработаны для сведения к минимуму этих последствий и получить надежные и повторяемые измерения микроциркуляции крови.

Он подчеркнул, что каждый шаг в рамках протокола имеет решающее значение для точного измерения микроциркуляции крови, представил технику обнаружил следующие последовательные испытания всех возможных параметров и комбинации доступны в том числе: времени константа, масштаб, выдержка, отображение скорости, усиления и потока изображения палитры. Результаты были проанализированы и повторным использованием живой видео-дисплей и автономный анализ для поиска оптимального изображения установки. Это важно, поскольку обработки изображений программное обеспечение использует тот факт, что высокие перфузии производит быстрое отклонение в лазерной спекл шаблон, и в результате низкой контрастности области четко спекл производится на видеоизображении. Перфузии изображение создается в цветную карту микроциркуляторного перфузии.

Экспериментальные области и участие подготовка оказалась важным, и это может контролироваться избегая работы вблизи источников дневного света (окна) или сильных источников искусственного света, поскольку они могут мешать moorFLPI вблизи инфра красный лазерный источник. Протокол также представил АОП, как было признано, что экологические вибрации и движения участника как генерировать сигналы, которые неотличимы от потока крови. АОП оказалась простой, но эффективный выбор, предлагая более тонкий но непрозрачной, легкие и доступные вариант, который был микроскопически грубая поверхность избежать значительных зеркального отражения. Предварительные исследования по Omarjee и др. ¹¹ подчеркивается потенциальным ограничением, которое Leukotape создает амплитуда сигнала отражение отличается от кожи и значительно варьируется между субъектами; Однако Маэ и др. ¹ найти не резкое различие между участниками. Хотя Leukotape является более доступным, чем другой заказ, бислой клей патчи, точность измерения уравнение (1) может быть повышена с помощью альтернативных АОП.

Автономный анализ разделе подчеркнул важное значение размеров трансформирования и их место внутри области интереса. Первоначально больше 1 ROI, примерно 8 см², судили который выложил ROI 2. Эта методология вскоре стал ООН надежной связи артефакт движение привело движущихся ROI 2 и живой эксперимент должен был быть остановлены, чтобы повторно центр ROI 2. Еще один короткий ближайшие был, что из-за ROI 1 Наложение АОП, средний поток больше не взял площадь под АОП в счет, как больше не рассеяния сигнал. Это означало большой раздел микроциркуляции крови был незамеченными и поэтому результирующий поток данных не были правильными. Таким образом методология, в котором два ROIs 2 см², с АОП 8 см² и без взаимодействия между ROI 1 и ROI 2 (но держится в течение 2-4 см друг от друга), обеспечивает надежные и повторяемые анализа метод для измерения крови микроциркуляции.

Материалы

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