Vergleich zwischen Low-Cost-USB-Nailfold-Kapillaroskopie und Videokapillaroskopie: eine Pilotstudie

Zusammenfassung

Einleitung

Es ist inzwischen allgemein anerkannt, dass bei Patienten mit Raynaud-Phänomen abnormale Nagelfaltenkapillaren eine rote Fahne und ein unabhängiger Risikofaktor für das Fortschreiten zum SSc sind . Dies wird in den ACR / EULAR 2013-Klassifizierungskriterien für SSc anerkannt : Abnormale Nagelfaltenkapillaren sind eines der Kriterien. Es obliegt daher allen Rheumatologen, die für die Beurteilung von Patienten mit Raynaud-Phänomen und / oder die Diagnose von SSc-Spektrum-Störungen verantwortlich sind, Zugang zur Nagelfaltenkapillaroskopie zu haben. Andernfalls könnte eine Diagnose von SSc verpasst werden, wodurch den Patienten der Zugang zu einer frühzeitigen Intervention verweigert wird, um die Entwicklung schmerzhafter digitaler Geschwüre, kritischer digitaler Ischämie und potenziell lebensbedrohlicher innerer Organbeteiligung zu verhindern. Gegenwärtig integrieren die meisten Rheumatologen die Nailfold-Kapillaroskopie jedoch nicht in ihren klinischen Alltag, da Kapillaroskopiesysteme nicht allgemein verfügbar sind und die einmal erhaltenen Bilder schwierig zu interpretieren sein können.

Zur Visualisierung der Nagelfaltenkapillaren können verschiedene Techniken eingesetzt werden. Die Goldstandardtechnik ist die Videokapillaroskopie (und ist diejenige, mit der europäische Rheumatologen mit Interesse an SSc am besten vertraut sind ), aber dies erfordert teure Ausrüstung und es ist unwahrscheinlich, dass ihre Verwendung unter allgemeinen Rheumatologen weit verbreitet sein wird. Kostengünstige Handmikroskope können auch die Nailfold-Kapillaren sichtbar machen; Zum Beispiel ist die Dermoskopie im Vergleich zur Nailfold-Videokapillaroskopie günstig .

USB—Mikroskopie (Universal Serial Bus) — die Verwendung eines digitalen Mikroskops, das über ein Standard-USB-Kabel an einen Computer oder ein Tablet angeschlossen ist, um vergrößerte Videobilder aufzunehmen – könnte die Antwort darauf sein, allen Rheumatologen ein benutzerfreundliches, kostengünstiges Handgerät zur Untersuchung der Nagelfaltenkapillaren zur Verfügung zu stellen. Die Erfahrung mit der USB-Kapillaroskopie ist jedoch begrenzt, da keine früheren Studien sie mit anderen Kapillaroskopiesystemen verglichen haben. Ziel dieser Pilotstudie war es, die Machbarkeit der Erfassung und Analyse von Bildern mit dem USB-Mikroskop zu untersuchen und die erzielten Ergebnisse mit denen von Videokapillaroskopiebildern zu vergleichen. Die erfolgreiche Erfassung und quantitative Analyse von Nailfold-Kapillarbildern mit einem USB-Mikroskop könnte die quantitative (objektive) Nailfold-Kapillarbildung in Reichweite der allgemeinen rheumatologischen Klinik bringen.

Patienten und Methoden

Patienten

Zwanzig Patienten mit begrenztem kutanem SSc wurden in die Studie aufgenommen (17 Frauen, drei Männer, Durchschnittsalter 63 Jahre, Bereich 44-75, mediane Dauer des Raynaud-Phänomens 21 Jahre, Bereich 4-42, mediane Krankheitsdauer seit Beginn der ersten Nicht-Raynaud-Manifestation 15 Jahre, Bereich 3-37) und 20 gesunde Kontrollen, von denen keine hatte Raynaud (15 weiblich, fünf männlich, Durchschnittsalter 52 Jahre, Bereich 25-60). Alle Probanden nahmen an einem Besuch teil, als die Nailfold-Kapillaroskopie sowohl mit Videokapillaroskopie als auch mit USB-Mikroskopie durchgeführt wurde (siehe unten) von einem einzigen Techniker. Alle wurden gebeten, vor dem Studienbesuch vier Stunden lang auf das Rauchen und koffeinhaltige Getränke zu verzichten. Die Studie wurde vom West of Scotland Research Ethics Service genehmigt und alle Patienten gaben eine informierte schriftliche Zustimmung.

Methoden

Alle Probanden wurden einer Akklimatisationsphase von 20 Minuten bei 23 ° C in einem Raum mit kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit unterzogen. Die Nailfold-Kapillaroskopie wurde an linken und rechten Ringfingern durchgeführt, wobei (Abb. 1): (i) hochpräzises, maßgeschneidertes Videokapillaroskopiesystem, das als ‚Goldstandard‘ angesehen wird; (ii) ein kostengünstiges USB-Handmikroskop. Der Bildgebungstechniker war für den Krankheitsstatus der Probanden nicht blind, es wurde jedoch ein streng standardisiertes Bildgebungsprotokoll befolgt.

Videokapillaroskopie

Das verwendete System wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben. Kurz gesagt, eine Kamera mit hoher Bildrate (120 Bilder pro Sekunde) und ein Objektivsystem sind auf einem softwaregesteuerten dreiachsigen motorisierten Tisch montiert, der eine schnelle Erfassung von Videosequenzen über die Nagelfalte hinweg ermöglicht. Aus diesen Videosequenzen generiert eine kundenspezifische Software hochwertige Nailfold-Kapillarmosaike (Abb. 1) und führt dann vollautomatische Messungen der Kapillarstruktur und des durchflusses durch. Die Bildauflösung beträgt ∼1 µm/Pixel.

USB-Kapillaroskopie

Diese Technik verwendet ein handelsübliches, kostengünstiges Verbrauchergerät. In dieser Studie haben wir einen XCSOURCE TE389 verwendet, der über Amazon gekauft wurde, obwohl viele ähnliche Geräte bereits ab 25 US-Dollar erhältlich sind. Sie enthalten einen Farbkamerasensor, ähnlich wie bei herkömmlichen Webcams, und eine Kunststoffoptik mit Zoom- / Fokussteuerung, die eine Bildgebung mit hoher Vergrößerung ermöglicht. Die endgültige Bildauflösung beträgt ∼2-6µm / Pixel.

Automatisierte Bildanalyse

Wir haben eine superauflösende Methode verwendet, um aus den Videodaten des USB-Mikroskops zusammengesetzte Bilder zu erzeugen. Für den quantitativen Vergleich zwischen Videokapillaroskopie und USB-Mikroskopie konzentrierten wir uns auf den mittleren Kapillardurchmesser (Breite), der das einzige Maß war, das in unserer vorherigen Studie am besten zwischen Probanden mit und ohne SSc unterschied, und die Kapillardichte (das Maß, mit dem Rheumatologen am besten vertraut sind). Um diese (und andere) Parameter zu generieren, erkennt die Software zunächst jede distale Zeilenkapillare und schätzt die Position ihrer Spitze. Die mittlere Breite jeder Kapillare wird aus Schätzungen der Breite an jedem Punkt entlang des Kapillarpfades bis zu einem Abstand von 100 µm vom Scheitelpunkt berechnet. Für jedes Nagelfaltenbild wurde die mittlere Breite (der Mittelwert der einzelnen Kapillarbreiten) und die Kapillardichte (die Anzahl der Kapillarspitzen pro Millimeter, gemessen von den am weitesten links liegenden bis zu den am weitesten rechts liegenden Kapillaren) berechnet. Für jeden Teilnehmer wurden beide Messungen auf Nagelfaltenebene (d. H. rechter und linker Ringfinger) gemittelt, um Parameter auf Teilnehmerebene zu erzeugen.

Statistische Analyse

Unsere Analyse umfasste eine Kombination aus qualitativen (deskriptiven) und quantitativen Methoden. Für einen quantitativen Vergleich wurde die Fläche unter der Empfänger-Betriebskennlinie (ROC AZ) verwendet, um die Trennung zwischen der SSc und gesunden Kontrollgruppen unter Verwendung der automatisierten Messungen der mittleren Breite und der Kapillardichte zu messen.

Ergebnisse

Anwendung neuartiger Software auf die USB-Bilder

Abb. 2 zeigt, dass qualitativ hochwertige Bilder aus dem USB-Mikroskop erzeugt werden können. Abb. 2a-c zeigen drei Videobilder desselben Abschnitts einer Nagelfalte, die mit dem USB-Mikroskop aufgenommen wurden. Obwohl Kapillaren sichtbar sind, sind sie nicht ausreichend definiert, um die Messung der Morphologie zu ermöglichen, und in einigen Frames werden sie verdeckt, beispielsweise durch Blendung in Abb. 2c. Abb. 2d zeigt eine × 4 superauflösende Rekonstruktion derselben Region mit insgesamt 15 Bildern. Abb. 2e zeigt die Rekonstruktion des gesamten Nagelbettes, das mit dem USB-Mikroskop erhalten wurde, und Fig. 2f die Rekonstruktion des gleichen Nagelbettes mittels Videokapillaroskopie. Grüne Punkte zeigen Kapillaren, die von der Analysesoftware erkannt wurden. Wenn man die Videokapillaroskopie als ‚Goldstandard‘ betrachtet, sind die USB-Ergebnisse zwar nicht perfekt (einige Scheitelpunkte wurden nicht auf dem USB-Bild markiert), aber die Mehrheit der Scheitelpunkte wurde identifiziert, und mit bloßem Auge die Bildqualität (Abb. 2e) ist sehr gut und würde leicht die qualitative Analyse ermöglichen, die für die meisten Rheumatologen der derzeitige Eckpfeiler der kapillaroskopischen Analyse ist.

Vergleich von Patienten mit SSc und gesunden Kontrollen

Mittlere Breite

Die automatisch in USB-Mikroskopbildern von gesunden Kontrollen gemessene mittlere Breite betrug 15,0 µm (95% CIs 12,5, 17,4) und bei Patienten mit SSc 31,2 µm (95% CI 23,7, 38,6) mit einer Fläche unter der Empfängeroperatorkurve (ROC AZ) 0,81 (Standardfehler 0,120). Mit dem Videokapillaroskopiesystem betrug die mittlere Breite bei gesunden Kontrollen 12,1 µm (95% CI 11,4, 12,9) und bei Patienten mit SSc 19,0 µm (95% CI 16,1, 21,8) mit Fläche unter der Empfängeroperatorkurve (ROC AZ) 0,81 (Standardfehler 0.095) (Ergänzende Abb. S1, erhältlich bei Rheumatology online).

Kapillardichte

Die mittlere Dichte unter Verwendung des USB-Mikroskops betrug bei gesunden Kontrollen 4,68 / mm (95% CI 2,75, 6,61) und bei Patienten mit SSc 3,78 / mm (95% CI 2,71, 4,68) mit einer Fläche unter der Empfängeroperatorkurve (ROC AZ) 0,48 (Standardfehler 0,16). Mit dem Videokapillaroskopiesystem betrug die mittlere Dichte gesunde Kontrollen betrug 6,43 / mm (95% CI 5,19, 7,67) und bei Patienten mit SSc 3,99 / mm (95% CI 3,12, 4,87) mit Fläche unter der Empfängeroperatorkurve (ROC AZ) 0,70 (Standardfehler 0,10) (Ergänzende Abb. S1, erhältlich bei Rheumatology online).

Diskussion

Die wichtigsten Ergebnisse unserer Studie sind, dass qualitativ hochwertige Nailfold-Kapillaroskopie-Bilder mit der USB-Kapillaroskopie erhalten werden können und dass (zumindest für Kapillarbreitenmessungen) Die Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen Patienten mit SSc und gesunden Kontrollen ist mit der USB-Kapillaroskopie genauso gut wie mit der Videokapillaroskopie. Daher gibt es Implikationen sowohl für Kliniker als auch für Forscher. Für Kliniker ist die Botschaft, dass es sich lohnt, ein kostengünstiges USB-Mikroskop für den klinischen Alltag zu kaufen, um Patienten mit Raynaud-Phänomen oder anderen Hinweisen auf eine SSc-Spektrum-Störung zu beurteilen. Für Forscher eröffnet die Möglichkeit, qualitativ hochwertige Bilder für die quantitative (objektive) Beurteilung aus kostengünstigen Systemen zu erhalten, die Möglichkeit, große Kapillaroskopie-Daten zu erhalten. Groß Angelegte Studien mit Tausenden von Patienten in verschiedenen klinischen Umgebungen scheinen nun erreichbar zu sein, da Kliniker aus sekundären und tertiären Rheumatologiezentren auf verschiedenen Kontinenten alle leicht auf die notwendige Ausrüstung (ein USB-Mikroskop) zugreifen können. Nailfold kapillaroskopische Befunde wurden sowohl als Prädiktoren als auch als Biomarker für den SSc-Krankheitsprozess vorgeschlagen , und große prospektive Studien könnten Prädiktoren für das Fortschreiten der Krankheit und das Ansprechen auf die Behandlung mit einem bisher nicht möglichen Grad an Präzision untersuchen. Die automatisierte Bildanalyse ermöglicht die Bündelung von Bildern und Daten aus groß angelegten Studien.

Zu den Einschränkungen unserer Studie gehört die geringe Stichprobengröße: Dies war eine Pilotstudie zur Untersuchung des Proof-of-Concept und zukünftige Studien sollten größere Patientenzahlen einschließen, einschließlich solcher mit diffusem kutanem SSc. Außerdem müssen wir die Software für die Bilderfassung und -analyse mit dem USB-Mikroskop noch optimieren. Die Software wurde auf Videokapillaroskopiebilder ‚trainiert‘, und das Lernen überträgt sich nicht perfekt auf Bilder, die zwar eine gute Qualität haben, aber leicht unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dies ist am offensichtlichsten für die Gefäßdetektion, wo die quantitativen Gefäßdichtemessungen und der qualitative Vergleich (siehe Abb. 2) geben Sie für die USB-Bilder die automatisierte Analyse eines Anteils von Gefäßen an, die in den Videokapillaroskopiebildern erkannt wurden. Wo jedoch Kapillaren nachgewiesen wurden, wurden klinisch nützliche Messungen der Kapillarmorphologie erhalten. In weiteren Arbeiten können Mängel bei der Kapillardetektion behoben werden durch: (i) Erfassung von Rohvideodaten bei höherer Vergrößerung (ähnlich kostengünstige USB-Mikroskope mit 2-3-fach höherer Vergrößerung sind jetzt verfügbar); (ii) Verfeinerung der Anwendung der Superauflösungstechnik auf Kapillarbilder; und (iii) Anwendung von Transferlerntechniken zur Verfeinerung der automatisierten Analyse auf die Besonderheiten von USB-Mikroskopiedaten. Darüber hinaus erlaubte das Studiendesign, Geräte zu vergleichen, nur zwei Finger pro zu untersuchendem Gerät. Wenn ein USB-Mikroskop als einziges Gerät bei einer Kapillaroskopieuntersuchung verwendet wird, besteht die Möglichkeit, mehr Finger zu analysieren, was frühere Studien darauf hindeuten würde Verbesserung der diagnostischen Genauigkeit .

Unsere Studie konzentrierte sich auf automatisierte, quantitative Analysen. Studien, die qualitative und semiquantitative Analysen (z. B. ‚frühe‘, ‚aktive‘ und ’späte‘ Sklerodermiemuster) zwischen USB-Mikroskopie und Videokapillaroskopie vergleichen, wären ebenfalls von Interesse.

Es scheint überraschend, dass es so wenig Forschung in Low-Cost-Kapillaroskopie-Systeme, trotz des zunehmenden Interesses an nailfold Kapillaroskopie international. Eine kürzlich durchgeführte Piloterhebung unter 42 US-amerikanischen Klinikern mit Interesse an SSc ergab, dass nur 7% die Videokapillaroskopie verwendeten, verglichen mit 64%, die entweder ein Dermatoskop oder ein Ophthalmoskop verwendeten, was darauf hindeutet, dass zumindest in den USA die SSC-Spezialisten bevorzugen kostengünstigere handgehaltene Systeme (USB-Mikroskopie wurde nicht erwähnt). Umgekehrt, in einer Umfrage unter 88 (hauptsächlich europäischen) erwachsenen Rheumatologen , 90.9% waren der Meinung, dass ihre Kenntnisse in der Videokapillaroskopie entweder gut oder zufriedenstellend waren, während weniger als 40% sich für die USB-Mikroskopie ähnlich fühlten. Daher ist die klinische Praxis, zumindest in Fachzentren, derzeit von Land zu Land unterschiedlich.

Frühere Berichte, in denen die USB-Mikroskopie mit der Videokapillaroskopie verglichen wurde, sind uns nicht bekannt, obwohl Bhakuni et al. hob das Potenzial der USB-Mikroskopie hervor, nailfold Kapillaren in einer Studie mit 42 Patienten mit SSc und 42 Kontrollpersonen zu untersuchen. Wie bereits erwähnt, wurde die Dermoskopie mit der Videokapillaroskopie verglichen. Die Dermoskopie (ähnlich wie die USB-Mikroskopie) ist handlich und daher leicht tragbar, erfordert jedoch eine angeschlossene Kamera zur Bilderfassung und ist teurer (in der Größenordnung von 1000 bis 2000 US-Dollar) als ein USB–Mikroskop. Eine kürzlich durchgeführte Studie, in der Nailfold-Kapillarfotos, die mit einer Smartphone-Linse und einem Smartphone-Dermatoskop aufgenommen wurden, mit der Weitfeldmikroskopie verglichen wurden, hob das Potenzial kostengünstiger tragbarer Geräte für den Einsatz in der klinischen Routinepraxis hervor.

Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die USB-Kapillaroskopie eine vielversprechende, kostengünstige Technik ist, die das Potenzial der Nailfold-Kapillaroskopie als Diagnose- und Forschungsinstrument maximieren könnte. Die nächsten Schritte sind die Sensibilisierung der Rheumatologen für die Technik und die Verfeinerung der automatisierten Analyse, um nicht nur die diagnostische Genauigkeit zu verbessern, sondern auch den Weg für eine groß angelegte Kapillaroskopieforschung zu ebnen.

Danksagung

Wir danken Joanne Manning für die technische Unterstützung. Diese Arbeit wurde vom NIHR Manchester Biomedical Research Centre unterstützt.

Finanzierung: Diese Arbeit wurde durch MRC grant MC_PC_15038 ‚MRC Confidence in Concept 2015 – The University of Manchester‘ unterstützt.

Disclosure Statement: Die Autoren haben keine Interessenkonflikte erklärt.

Erklärung zur Datenverfügbarkeit

Die diesem Artikel zugrunde liegenden Daten werden auf angemessene Anfrage an den entsprechenden Autor weitergegeben.

Ergänzende Daten

Ergänzende Daten sind bei Rheumatology online verfügbar.