Srovnání mezi low cost USB nailfold capillaroscopy a videocapillaroscopy: pilotní studie

Abstrakt

Úvod

nyní je dobře známo, že u pacientů léčících se s Raynaudův fenomén, abnormální nailfold kapiláry jsou ‚červené vlajky‘ a nezávislým rizikovým faktorem pro progresi do SSc . To je potvrzeno v klasifikačních kritériích ACR / EULAR 2013 pro SSc: jedním z kritérií jsou abnormální kapiláry nailfold. To proto sluší všem revmatologů odpovědný za posuzování pacientů s raynaudova fenoménu a/nebo diagnostikování SSc-spektrum poruch přístup k nailfold capillaroscopy. Jinak, diagnózu SSc může být minul, a tak znemožní pacientům přístup k včasné intervence, aby se zabránilo rozvoji bolestivých vředů, kritické digitální ischemie a potenciálně život ohrožující vnitřního orgánového postižení. V současné době však většina revmatologů nezahrnují nailfold capillaroscopy do jejich každodenní klinické praxi, protože capillaroscopy systémy nejsou široce dostupné, a obrázky, jednou získané, může být obtížné interpretovat.

k vizualizaci kapilár nailfold lze použít několik různých technik . Zlatý standard technika je videocapillaroscopy (a je jedno, s níž Evropských revmatologů se zájmem v SSc jsou nejvíce obeznámeni ), ale to vyžaduje drahé vybavení a je nepravděpodobné, že se jeho použití stane se rozšířený mezi obecné revmatology. Low-cost ruční mikroskopy mohou také představit nailfold kapiláry; například, dermoscopy porovnává příznivě na nailfold videocapillaroscopy .

USB (Universal serial bus) mikroskopie—pomocí digitálního mikroskopu připojeného k počítači nebo tabletu přes standardní kabel USB pro záznam zvětšeného obrazu videa—mohl by to být odpověď na poskytování všech revmatologů s snadný-k-použití, low-cost, ruční nástroj zkoumat nailfold kapiláry. Dosud, zkušenosti s USB kapilaroskopií jsou omezené, bez předchozích studií srovnávajících ji s jinými kapilaroskopickými systémy. Cílem této pilotní studie bylo zkoumat proveditelnost získávání a analýzy snímků pomocí USB mikroskopu a porovnat výsledky získané pro ty z videocapillaroscopy obrázky. Úspěšné zachycení a kvantitativní analýzy nailfold kapilární obrázky z USB mikroskop by mohl přinést kvantitativní (objektivní) nailfold kapilární zobrazování v dosahu obecné revmatologické klinice.

Pacienti a metody

Pacienti

Dvacet pacientů s omezenou kožní SSc byli přijati do studie (17 žen, tři muži, medián věku 63 let, rozmezí 44-75, medián trvání Raynaudův fenomén 21 let, rozmezí 4-42, medián trvání nemoci od vypuknutí první non-Raynaudův projev 15 let, rozsah 3-37) a 20 zdravých kontrol, z nichž žádný neměl Raynaudův (15 ženského, pět muž, medián věku 52 let, rozmezí 25-60). Všechny subjekty se zúčastnily jedné návštěvy, kdy byla nailfold kapilaroskopie provedena pomocí videokapillaroskopie i USB mikroskopie (viz níže) jediným technikem. Všichni byli požádáni, aby se zdrželi kouření a nápojů obsahujících kofein po dobu čtyř hodin před studijní návštěvou. Studie byla schválena West of Scotland Research Ethics Service a všichni pacienti dali informovaný písemný souhlas.

metody

všechny subjekty podstoupily 20 min období aklimatizace při 23°C v místnosti s kontrolovanou teplotou a vlhkostí. Nailfold kapilaroskopie byla provedena z levého a pravého prstence prstů, za použití (obr. 1): (i) vysoce přesný, zakázkový, videocapillaroskopický systém, považovaný za „zlatý standard“; (ii) levný, ruční USB mikroskop. Zobrazovací technik nebyl zaslepen stavem onemocnění subjektů, ale byl dodržen přísně standardizovaný zobrazovací protokol.

Videocapillaroscopy

použitý systém byl podrobně popsán jinde . Ve zkratce, vysokou snímkovou frekvencí (120 snímků za sekundu) fotoaparát a objektiv systému jsou namontovány na software-řízený tříosý motorizované fázi, což umožňuje rychlý záznam video sekvencí v celé nailfold. Z těchto videosekvencí vlastní software generuje vysoce kvalitní nailfold kapilární mozaiky (obr. 1) a poté provede plně automatizovaná měření kapilární struktury a průtoku . Rozlišení obrazu je ∼1 µm/pixel.

USB kapilaroskopie

tato technika používá komerčně dostupné, levné spotřební zařízení. V této studii jsme použili XCSOURCE TE389 zakoupený přes Amazon, ačkoli mnoho podobných zařízení je k dispozici již od 25 USD. Obsahují barevný kamerový senzor podobný těm, které se nacházejí v běžných webových kamerách, a plastovou optiku s ovládacími prvky zoomu/zaostření, které umožňují zobrazování s vysokým zvětšením. Konečné rozlišení obrazu je ∼2–6µm/pixel.

automatizovaná analýza obrazu

použili jsme metodu super-rozlišení pro generování kompozitních obrazů z video dat mikroskopu USB. Pro kvantitativní srovnání mezi videocapillaroscopy a USB mikroskopie, jsme se zaměřili na mysli kapilární průměr (šířka), což bylo jediné opatření, které nejlépe diskriminují mezi pacienty s a bez SSc v naší předchozí studii a kapilární hustoty (opatření, s nimiž revmatologů jsou nejvíce obeznámeni). Pro generování těchto (a dalších) parametrů software nejprve detekuje každou kapiláru distální řady a odhaduje umístění jejího vrcholu. Průměrná šířka každé kapiláry se vypočítá z odhadů šířky v každém bodě podél kapilární dráhy až do vzdálenosti 100 µm od vrcholu. Pro každý nailfold obraz, průměrná šířka byla vypočtena (průměr jednotlivých kapilár šířky) a kapilární hustoty (počtu kapilár apexů na milimetry, měří od nejvíce vlevo vpravo-většina kapilár). Pravý a levý prsteníček) byly zprůměrovány k vytvoření parametrů na úrovni účastníka.

Statistická analýza

naše analýza zahrnovala kombinaci kvalitativních (popisných) a kvantitativních metod. Pro kvantitativní srovnání byla plocha pod křivkou provozní charakteristiky přijímače (ROC AZ) použita k měření oddělení mezi SSc a zdravými kontrolními skupinami pomocí automatizovaných měření střední šířky a hustoty kapilár.

výsledky

aplikace nového softwaru na USB obrazy

Obr. 2 ukazuje, že vysoce kvalitní obrazy mohou být generovány z USB mikroskopu. Obr. 2a-c ukazují tři video snímky stejné části hřebíku, zachycené pomocí USB mikroskopu. Ačkoli jsou kapiláry viditelné, nejsou dostatečně dobře definovány, aby umožnily měření morfologie, a v některých rámcích jsou zakryty, například oslněním na obr. 2c.obr. 2d ukazuje ×4 Super-resolution rekonstrukci stejné oblasti pomocí 15 snímků celkem. Obr. 2e ukazuje rekonstrukci celého hřebíku získaného pomocí USB mikroskopu a obr. 2f rekonstrukce stejného nehtupostel pomocí videokapillaroskopie. Zelené tečky ukazují kapiláry detekované analytickým softwarem. Přičemž videocapillaroscopy jako „zlatý standard“, i když USB výsledky nejsou ideální (některé vrcholy nejsou označeny na USB image), většina vrcholech byly identifikovány, a pouhým okem kvalitu obrázku (Obr. 2e) je velmi dobrá a snadno by umožnila kvalitativní analýzu, která je současným „základním kamenem“ kapilaroskopické analýzy pro většinu revmatologů.

Srovnání pacientů s SSc a zdravé kontroly

šířka

šířka měřeno automaticky v USB mikroskop obrázky od zdravých kontrol byl 15.0 µm (95% CIs 12.5, 17.4), a u pacientů s SSc 31.2 µm (95% CI 23.7, 38.6), s plocha pod receiver operator curve (ROC AZ) 0.81 (standardní chyba 0.120). S videocapillaroscopy systém, neznamená, šířka u zdravých kontrol byla 12,1 µm (95% CI 11.4, 12.9), a u pacientů s SSc 19.0 µm (95% CI 16.1, 21.8), s plocha pod receiver operator curve (ROC AZ) 0.81 (standardní chyba 0.095) (Doplňkový Obr. S1, k dispozici na revmatologii online).

Kapilární hustota

průměrná hustota pomocí USB mikroskopu u zdravých kontrol byla 4.68/mm (95% CI 2.75, 6.61), a u pacientů s SSc 3.78/mm (95% CI 2.71, 4.68), s plocha pod receiver operator curve (ROC AZ) 0.48 (standardní chyba 0.16). S videocapillaroscopy systém, průměrná hustota zdravých kontrol byla 6.43/mm (95% CI 5.19, 7.67), a u pacientů s SSc 3.99/mm (95% CI 3.12, 4.87), s plocha pod receiver operator curve (ROC AZ) 0.70 (standardní chyba 0.10) (Doplňkový Obr. S1, k dispozici na revmatologii online).

Diskuse

hlavní zjištění z naší studie je, že vysoce kvalitní nailfold capillaroscopy obrázky mohou být získány pomocí USB capillaroscopy, a to (alespoň pro kapilární šířka měření) schopnost diskriminovat mezi pacienty se SSc a zdravých kontrol je dobré pomocí USB capillaroscopy jako s videocapillaroscopy. Tím pádem, existují důsledky jak pro klinické lékaře, tak pro výzkumné pracovníky. Pro lékaře je zpráva, že je vhodné koupit levný USB mikroskop pro každodenní klinickou praxi pro hodnocení pacientů s Raynaudovým jevem nebo s jinými ukazateli na poruchu SSc spektra. Pro vědce, schopnost získat vysoce kvalitní snímky pro kvantitativní (objektivní) hodnocení z nízkonákladových systémů otevírá pohled na „velké“ kapilaroskopické údaje. Rozsáhlé studie zahrnující tisíce pacientů vidět v různých klinických nastavení a teď se zdá dosažitelné, protože lékaři z obou sekundární a terciární revmatologie středisek po celé různých kontinentech by mohly všechny mají snadný přístup k nezbytným zařízením (USB mikroskop). Nailfold capillaroscopic zjištění byla navržena jako oba prediktory a biomarkery SSc chorobný proces , a velké prospektivní studie by mohly zkoumat prediktory progrese onemocnění a léčebné odpovědi, s mírou přesnosti, které nebyly dříve možné. Díky automatizované analýze obrazu je možné sdružovat obrázky a data z rozsáhlých studií.

omezení naší studie patří jeho malá velikost vzorku: to bylo velice pilotní studie zkoumat proof-of-concept a budoucí studie by měly zahrnovat větší čísla pacienta, včetně těch s difuzní kožní SSc. Také jsme ještě optimalizovali software pro získávání a analýzu obrazu pomocí USB mikroskopu. Software byl „vyškolen“ na videocapillaroskopických obrazech a učení se nepřenáší dokonale na obrázky, které, i když mají dobrou kvalitu, mají mírně odlišné vlastnosti. To je nejvíce zřejmé pro detekci plavidel, kde kvantitativní měření hustoty plavidel a kvalitativní srovnání (viz obr. 2) uveďte pro obrázky USB, že automatizovaná analýza vynechala část nádob detekovaných ve videocapillaroskopických obrazech. Nicméně, kde byly detekovány kapiláry, byly získány klinicky užitečné míry kapilární morfologie. V další práci, nedostatky v kapilární detekce může být určena tím, že: (i) získání surového video dat na vyšší zvětšení (podobně jako low-cost USB mikroskopy s 2-3 krát vyšší zvětšení jsou nyní k dispozici); (ii) zpřesnění použití super-resolution techniku kapilární obrazy; a (iii) použitím přenosu techniky učení zdokonalit automatizovaná analýza specifik USB mikroskopie data. Kromě toho návrh studie porovnávající zařízení umožnil vyšetření pouze dvou prstů na zařízení. Kde USB mikroskop se používá jako jediné zařízení v capillaroscopy vyšetření, je možné analyzovat více prsty, které předchozí studie naznačují, že by zlepšení diagnostické přesnosti .

naše studie se zaměřila na automatizovanou kvantitativní analýzu. Studie srovnávající kvalitativní a semi-quantitatve analýz (např. ‚brzy‘, ‚aktivní‘ a ‚pozdní‘ sklerodermie vzory ) mezi USB mikroskopie a videocapillaroscopy by být také zajímavé.

To se zdá překvapující, že tam bylo tak málo výzkumu do low-cost capillaroscopy systémy, a to navzdory zvyšující se zájem nailfold capillaroscopy mezinárodně. Nedávná pilotní průzkum 42 NÁS lékaři, kteří mají zájem v SSc zjištěno, že pouze 7% používá videocapillaroscopy ve srovnání s 64%, kteří používají buď dermatoskopem nebo opthalmoscope, což naznačuje, že alespoň ve Spojených Státech, preference SSc specialistů je pro nižší náklady ručních systémů (USB mikroskopie nebylo uvedeno). Naopak v průzkumu 88 (hlavně evropských) dospělých revmatologů 90.9% se domnívalo, že jejich znalost videokapillaroskopie byla dobrá nebo uspokojivá, zatímco méně než 40% se cítilo podobně jako u USB mikroskopie. Proto se klinická praxe, alespoň ve specializovaných centrech, v současnosti mezi jednotlivými zeměmi liší.

nejsme si vědomi předchozích zpráv porovnávajících USB mikroskopii s videocapillaroskopií, i když v roce 2012 Bhakuni et al. zdůraznil potenciál USB mikroskopie zkoumat nailfold kapiláry ve studii zahrnující 42 pacientů s SSc a 42 kontrolních subjektů. Jak již bylo uvedeno, dermoskopie byla porovnána s videokapillaroskopií. Dermoscopy (podobně jako USB mikroskopie) je ruka-konat, a proto snadno přenosné, ale vyžaduje připojenou kamerou pro snímání obrazu a je dražší (v řádu $1000–$2000) než USB microcope. Nedávné studie srovnávající nailfold kapilární fotografie pořízené s smartphone objektiv‘ a s ‚smartphone dermatoskopem‘ widefield mikroskopie upozornila na potenciál low-cost, přenosná zařízení pro použití v rutinní klinické praxi.

Na závěr naše nálezy naznačují, že USB capillaroscopy je velmi slibný, low-cost technika, která by mohla být cesta vpřed pro maximalizaci potenciálu nailfold capillaroscopy jako diagnostický a výzkumný nástroj. Další kroky ke zvýšení povědomí o techniku mezi revmatology a zpřesnit automatizované analýzy nejen zlepšit diagnostickou přesnost, ale připravit cestu pro rozsáhlé capillaroscopy výzkumu.

poděkování

jsme vděční Joanne Manningové za technickou podporu. Tuto práci podpořilo biomedicínské výzkumné centrum NIHR Manchester.

financování: tato práce byla podpořena MRC grant MC_PC_15038 ‚MRC důvěra v koncepci 2015 – University of Manchester‘.

Prohlášení o zveřejnění: autoři nevyhlásili žádný střet zájmů.

prohlášení o dostupnosti dat

údaje, které jsou základem tohoto článku, budou na přiměřenou žádost sdíleny příslušnému autorovi.

doplňující údaje

doplňující údaje jsou k dispozici na revmatologii online.