sammenligning mellem lavpris USB nailfold capillaroscopy og videocapillaroscopy: en pilotundersøgelse

abstrakt

introduktion

det er nu velkendt, at hos patienten, der præsenterer med Raynauds fænomen, er unormale neglefoldkapillærer et ‘rødt flag’ og uafhængig risikofaktor for progression til SSc . Dette anerkendes i ACR / EULAR 2013-klassificeringskriterierne for SSc : unormale neglefoldkapillærer er et af kriterierne. Det påhviler derfor alle reumatologer, der er ansvarlige for at vurdere patienter med Raynauds fænomen og/eller diagnosticere SSC-spektrumforstyrrelser for at få adgang til neglefold kapillaroskopi. Ellers kunne en diagnose af SSc gå glip af og dermed nægte patienter adgang til tidlig intervention for at forhindre udvikling af smertefulde digitale mavesår, kritisk digital iskæmi og potentielt livstruende indre organinddragelse. På nuværende tidspunkt inkorporerer flertallet af reumatologer imidlertid ikke neglefoldkapillaroskopi i deres daglige kliniske praksis, fordi kapillaroskopisystemer ikke er bredt tilgængelige, og de billeder, der en gang er opnået, kan være vanskelige at fortolke.

flere forskellige teknikker kan bruges til at visualisere neglefoldkapillærerne . Guldstandardteknikken er videokapillaroskopi (og er den, som Europæiske reumatologer med interesse for SSc er mest kendte), men dette kræver dyrt udstyr, og det er usandsynligt, at dets anvendelse vil blive udbredt blandt generelle reumatologer. Billige håndholdte mikroskoper kan også visualisere neglefoldkapillærerne; for eksempel, dermoskopi sammenligner gunstigt med nailfold videocapillaroscopy .

Universal serial bus (USB) mikroskopi—ved hjælp af et digitalt mikroskop tilsluttet en computer eller tablet via et standard USB—kabel til optagelse af forstørrede videobilleder-kunne være svaret på at give alle reumatologer et brugervenligt, billigt, håndholdt værktøj til at undersøge neglefoldkapillærerne. Endnu, erfaring med USB capillaroscopy er begrænset, uden Tidligere undersøgelser, der sammenligner det med andre capillaroscopy-systemer. Formålet med denne pilotundersøgelse var at undersøge muligheden for at erhverve og analysere billeder ved hjælp af USB-mikroskopet og sammenligne resultater opnået med dem fra videocapillaroscopy-billeder. Vellykket optagelse og kvantitativ analyse af neglefoldede kapillærbilleder fra et USB-mikroskop kunne bringe kvantitativ (objektiv) neglefold kapillær billeddannelse inden for rækkevidde af general rheumatology clinic.

patienter og metoder

patienter

tyve patienter med begrænset kutan SSC blev rekrutteret til undersøgelsen (17 kvinder, tre mænd, medianalder 63 år, interval 44-75, medianvarighed for Raynauds fænomen 21 år, interval 4-42, median sygdomsvarighed siden begyndelsen af første ikke-Raynauds manifestation 15 år, interval 3-37) og 20 sunde kontroller, hvoraf ingen havde haft Raynauds (15 kvinder, fem mænd, medianalder 52 år, interval 25-60). Alle emner deltog i et besøg, da nailfold capillaroscopy blev udført ved hjælp af både videokapillaroskopi og USB-mikroskopi (se nedenfor) af en enkelt tekniker. Alle blev bedt om at afstå fra at ryge og fra koffeinholdige drikkevarer i fire timer før studiebesøget. Undersøgelsen blev godkendt af det vestlige Skotland Research Ethics Service, og alle patienter gav informeret skriftligt samtykke.

metoder

alle forsøgspersoner gennemgik en periode på 20 minutter med akklimatisering ved 23 liter C i et temperatur-og fugtighedsreguleret rum. Nailfold capillaroscopy blev udført af venstre og højre ringfingre ved hjælp af (Fig. 1): (i) specialbygget videocapillaroscopy-system med høj præcision, taget som ‘guldstandard’; (ii) et billigt, håndholdt USB-mikroskop. Billeddannelsesteknikeren blev ikke blindet for forsøgspersoners sygdomsstatus, men en strengt standardiseret billeddannelsesprotokol blev fulgt.

Videocapillaroscopy

det anvendte system er blevet beskrevet detaljeret andetsteds . Kort sagt er et kamera-og objektivsystem med høj billedhastighed (120 billeder i sekundet) monteret på et programstyret treakset motoriseret trin, hvilket muliggør hurtig optagelse af videosekvenser over neglefolden. Fra disse videosekvenser, brugerdefinerede programmer genererer høj kvalitet nailfold kapillær mosaikker (Fig. 1) og derefter foretager fuldautomatiske målinger af kapillær struktur og strømning . Billedopløsningen er 1.

USB capillaroscopy

denne teknik bruger en kommercielt tilgængelig, billig forbruger enhed. I denne undersøgelse brugte vi en TE389 købt via , selvom mange lignende enheder er tilgængelige fra så lidt som $25. De indeholder en farvekamerasensor, der ligner dem, der findes i almindelige kameraer, og plastoptik med forstørrelsesglas/fokuskontroller, der tillader billeddannelse med høj forstørrelse. Den endelige billedopløsning er 2-6.

automatiseret billedanalyse

vi brugte en superopløsningsmetode til at generere sammensatte billeder fra USB-mikroskopvideodata. Til kvantitativ sammenligning mellem videokapillaroskopi og USB-mikroskopi fokuserede vi på gennemsnitlig kapillærdiameter (bredde), som var det eneste mål, der bedst diskriminerede mellem emner med og uden SSc i vores tidligere undersøgelse og kapillærdensitet (det mål, som reumatologer er mest kendte med). For at generere disse (og andre) parametre registrerer programmet først hver distal række kapillær og estimerer placeringen af dens spids. Den gennemsnitlige bredde af hver kapillær beregnes ud fra estimater af bredden ved hvert punkt langs kapillærbanen op til en afstand på 100 liter fra toppen. For hvert neglefoldsbillede blev gennemsnitsbredden beregnet (gennemsnittet af de individuelle kapillærbredder) og kapillærdensiteten (antallet af kapillærspidser pr.millimeter målt fra de mest venstre til de mest højre kapillærer). For hver deltager blev begge målinger på neglefoldniveau (dvs.højre og venstre ringfinger) i gennemsnit beregnet til at producere parametre på deltagerniveau.

statistisk analyse

vores Analyse involverede en kombination af kvalitative (beskrivende) og kvantitative metoder. Til en kvantitativ sammenligning blev området under modtagerens driftskarakteristikkurve (ROC) brugt til at måle adskillelse mellem SSc og sunde kontrolgrupper ved hjælp af de automatiserede målinger af gennemsnitlig bredde og kapillærdensitet.

resultater

anvendelse af nye programmer til USB-billeder

Fig. 2 viser, at billeder af høj kvalitet kan genereres fra USB-mikroskopet. Fig. 2a-c viser tre videobilleder af samme sektion af en neglefold, fanget ved hjælp af USB-mikroskopet. Selvom kapillærer er synlige, er de ikke tilstrækkeligt veldefinerede til at tillade måling af morfologi, og i nogle rammer er de skjult, for eksempel ved blænding i Fig. 2C.Fig. 2d viser en karrus 4 superopløsningsrekonstruktion af den samme region ved hjælp af 15 billeder i alt. Fig. 2e viser rekonstruktionen af hele sømbedet opnået ved hjælp af USB-mikroskopet, og Fig. 2f rekonstruktion af det samme neglebed ved hjælp af videokapillaroskopi. Grønne prikker viser kapillærer opdaget af analyseprogrammet. At tage videocapillaroscopy som ‘guldstandard’, selvom USB-resultater ikke er perfekte (nogle apices er ikke markeret på USB-billedet), er størstedelen af apices blevet identificeret og med det blotte øje billedkvaliteten (Fig. 2e) er meget god og ville let tillade den kvalitative analyse, der er den nuværende ‘hjørnesten’ i kapillaroskopisk analyse for de fleste reumatologer.

sammenligning af patienter med SSc og sunde kontroller

gennemsnitlig bredde

gennemsnitlig bredde målt automatisk i USB-mikroskopbilleder fra sunde kontroller var 15,0 liter (95% CIs 12,5, 17,4) og hos patienter med SSC 31,2 liter (95% CI 23,7, 38,6) med areal under modtageroperatørkurven (ROC) 0,81 (standardfejl 0,120). Med videocapillaroscopy-systemet var den gennemsnitlige bredde i sunde kontroller 12,1 liter (95% CI 11,4; 12,9) og hos patienter med SSC 19,0 liter (95% CI 16,1; 21,8) med areal under modtageroperatørkurven (ROC) 0,81 (standardfejl 0.095) (Supplerende Fig. S1, tilgængelig på reumatologi online).

kapillær densitet

gennemsnitlig densitet ved brug af USB-mikroskopet i sunde kontroller var 4,68/mm (95% CI 2,75; 6,61) og hos patienter med SSc 3,78/mm (95% CI 2,71; 4,68) med areal under modtageroperatørkurven (ROC) 0,48 (standardfejl 0,16). Med videocapillaroscopy-systemet var den gennemsnitlige tæthed sunde kontroller 6,43 / mm (95% CI 5,19; 7,67) og hos patienter med SSc 3,99/mm (95% CI 3,12; 4,87) med areal under modtageroperatørkurven (ROC) 0,70 (standardfejl 0,10) (supplerende Fig. S1, tilgængelig på reumatologi online).

Diskussion

de vigtigste fund fra vores undersøgelse er, at neglefold capillaroscopy-billeder af høj kvalitet kan opnås ved hjælp af USB capillaroscopy, og at (i det mindste til kapillærbreddemålinger) evnen til at skelne mellem patienter med SSc og sunde kontroller er lige så god ved hjælp af USB capillaroscopy som med videocapillaroscopy. Der er således konsekvenser for både klinikere og forskere. For klinikere er budskabet, at det er værd at købe et billigt USB-mikroskop til daglig klinisk praksis til vurdering af patienter, der præsenterer med Raynauds fænomen eller med andre henvisninger til en SSc-spektrumforstyrrelse. For forskere åbner evnen til at opnå billeder af høj kvalitet til kvantitativ (objektiv) vurdering fra lavprissystemer udsigten til ‘store’ kapillaroskopidata. Store undersøgelser, der involverer tusinder af patienter set i forskellige kliniske omgivelser, synes nu opnåelige, fordi klinikere fra både sekundære og tertiære reumatologicentre på tværs af forskellige kontinenter alle kunne have let adgang til det nødvendige udstyr (et USB-mikroskop). Nailfold capillaroscopic fund er blevet foreslået som både forudsigere og biomarkører for SSc-sygdomsprocessen , og store prospektive undersøgelser kunne undersøge forudsigere for sygdomsprogression og behandlingsrespons med en grad af præcision, der ikke tidligere var mulig. Automatiseret billedanalyse gør det muligt at samle billeder og data fra store undersøgelser.

begrænsningerne i vores undersøgelse inkluderer dens lille stikprøvestørrelse: dette var meget en pilotundersøgelse for at undersøge proof-of-concept, og fremtidige undersøgelser bør omfatte større patientantal inklusive dem med diffus kutan SSc. Vi har også endnu ikke optimeret programmet til billedopsamling og analyse ved hjælp af USB-mikroskopet. Programmet blev ‘trænet’ på videocapillaroscopy-billeder, og læringen overføres ikke perfekt til billeder, der, selvom de er af god kvalitet, har lidt forskellige egenskaber. Dette er mest oplagt for fartøjsdetektion, hvor de kvantitative beholdertæthedsmålinger og kvalitativ sammenligning (Se Fig. 2) Angiv for USB-billederne, at den automatiserede analyse savnede en andel af fartøjer, der blev detekteret i videocapillaroscopy-billederne. Hvor kapillærer blev påvist, blev der imidlertid opnået klinisk nyttige målinger af kapillærmorfologi. I yderligere arbejde kan mangler ved kapillærdetektering løses ved: (i) erhvervelse af rå videodata ved højere forstørrelse (tilsvarende billige USB-mikroskoper med 2-3 gange højere forstørrelse er nu tilgængelige); (ii) raffinering af anvendelsen af superopløsningsteknikken på kapillærbilleder; og (iii) anvendelse af overførselsindlæringsteknikker til at forfine den automatiserede analyse til specifikationerne for USB-mikroskopidata. Derudover tillod undersøgelsesdesignet, der sammenlignede enheder, kun to fingre pr. Hvor et USB-mikroskop bruges som den eneste enhed i en kapillaroskopiundersøgelse, er der potentiale til at analysere flere fingre, hvilket tidligere undersøgelser antyder ville forbedre diagnostisk nøjagtighed .

vores undersøgelse fokuserede på automatiseret, kvantitativ analyse. Undersøgelser, der sammenligner kvalitative og semikvantitatve-analyser (f.eks. ‘tidlige’, ‘aktive’ og ‘sene’ sklerodermimønstre ) mellem USB-mikroskopi og videokapillaroskopi ville også være af interesse.

det virker overraskende, at der har været så lidt forskning i billige capillaroscopy sytems, på trods af den stigende interesse for nailfold capillaroscopy internationalt. En nylig pilotundersøgelse af 42 Amerikanske klinikere med interesse for SSc viste, at kun 7% brugte videokapillaroskopi sammenlignet med 64%, der brugte enten et dermatoskop eller opthalmoskop, hvilket tyder på, at i det mindste i USA er SSC-specialisternes præference for håndholdte systemer til lavere omkostninger (USB-mikroskopi blev ikke nævnt). Omvendt i en undersøgelse af 88 (hovedsageligt Europæiske) voksne reumatologer , 90.9% mente, at deres viden om videokapillaroskopi var enten god eller tilfredsstillende, mens færre end 40% følte det samme for USB-mikroskopi. Derfor er klinisk praksis, i det mindste i specialcentre, i øjeblikket forskellig fra land til land.

vi er ikke opmærksomme på tidligere rapporter, der sammenligner USB-mikroskopi med videocapillaroscopy, selvom Bhakuni et al.i 2012. fremhævede potentialet ved USB-mikroskopi til at undersøge neglefoldede kapillærer i en undersøgelse, der omfattede 42 patienter med SSc og 42 kontrolpersoner. Som tidligere nævnt er dermoskopi blevet sammenlignet med videokapillaroskopi. Dermoskopi (på samme måde som USB-mikroskopi) er håndholdt og derfor let bærbar, men kræver et vedhæftet kamera til billedoptagelse og er dyrere (i størrelsesordenen $1000–$2000) end en USB-mikroskop. En nylig undersøgelse, der sammenlignede neglefoldede kapillærfotografier taget med en’ smartphone-linse ‘og med et’ smartphone-dermatoskop ‘ til bredfeltmikroskopi, fremhævede potentialet for billige, bærbare enheder til brug i rutinemæssig klinisk praksis.

afslutningsvis viser vores resultater, at USB capillaroscopy er en meget lovende, billig teknik, der godt kunne være vejen frem for at maksimere potentialet i nailfold capillaroscopy som et diagnostisk og forskningsværktøj. Næste skridt er at øge bevidstheden om teknikken blandt reumatologer og forfine automatiseret analyse ikke kun for at forbedre diagnostisk nøjagtighed, men for at bane vejen for storstilet kapillaroskopiforskning.

anerkendelser

vi er taknemmelige for Joanne Manning for teknisk support. Dette arbejde blev støttet af NIHR Manchester Biomedical Research Center.

finansiering: dette arbejde blev støttet af MRC grant MC_PC_15038 ‘MRC Confidence in Concept 2015 – University of Manchester’.

oplysningserklæring: forfatterne har ikke erklæret nogen interessekonflikter.

data tilgængelighedserklæring

de data, der ligger til grund for denne artikel, deles på rimelig anmodning til den tilsvarende forfatter.

supplerende data

supplerende data er tilgængelige på Rheumatology online.