edullisen USB nailfold-kapillaroskopian ja videokapillaroskopian Vertailu: pilottitutkimus

Abstrakti

Johdanto

nyt on hyvin tiedossa, että Raynaud ’n ilmiötä sairastavalla potilaalla kynsinauhan epänormaalit hiussuonet ovat ”punainen lippu” ja riippumaton riskitekijä SSc: hen etenemisessä . Tämä todetaan SSc : n ACR/EULAR 2013-luokituskriteereissä: epänormaalit nailfold-kapillaarit ovat yksi kriteereistä. Sen vuoksi kaikkien reumatologien, jotka ovat vastuussa Raynaud ’ n ilmiön arvioinnista ja/tai SSc-spektrihäiriöiden diagnosoinnista, on päästävä nailfold capillaroscopy-hoitoon. Muussa tapauksessa SSc-diagnoosi voi jäädä tekemättä, jolloin potilailta evätään mahdollisuus varhaiseen hoitoon tuskallisten sormien haavaumien, kriittisen iskemian ja mahdollisesti hengenvaarallisen sisäelimen kehittymisen estämiseksi. Tällä hetkellä suurin osa reumatologeista ei kuitenkaan ota nailfold capillaroscopya osaksi jokapäiväistä kliinistä käytäntöään, koska capillaroscopy-järjestelmiä ei ole laajalti saatavilla, ja kerran saatuja kuvia voi olla vaikea tulkita.

nailfold-hiussuonien visualisointiin voidaan käyttää useita eri tekniikoita . Gold standard tekniikka on videocapillaroscopy (ja on yksi, jolla eurooppalaiset reumatologit kiinnostunut SSc ovat tutuimpia), mutta tämä vaatii kalliita laitteita ja on epätodennäköistä, että sen käyttö yleistyy keskuudessa yleinen reumatologia. Edullisilla käsimikroskoopeilla voidaan myös visualisoida kynsinauhan hiussuonia; esimerkiksi dermoscopy on suotuisa verrattuna nailfold-videokapillaroskopiaan .

Universal serial bus (USB)—mikroskopia—jossa käytetään tietokoneeseen tai tablettiin standardikaapelin kautta yhdistettyä digitaalista mikroskooppia suurennettujen videokuvien tallentamiseen-voisi olla vastaus siihen, että kaikki reumatologit saavat helppokäyttöisen, edullisen, kädessä pidettävän työkalun kynsinauhan hiussuonien tutkimiseen. USB-kapillaroskopiasta on kuitenkin vain vähän kokemusta, eikä sitä ole aiemmissa tutkimuksissa verrattu muihin kapillaroskopiajärjestelmiin. Tämän pilottitutkimuksen tavoitteena oli tutkia kuvien hankkimisen ja analysoinnin toteutettavuutta USB-mikroskoopilla ja verrata saatuja tuloksia videokapillaroskopiakuviin. Onnistunut nappaaminen ja kvantitatiivinen analyysi nailfold kapillaari kuvia USB-mikroskoopilla voisi tuoda kvantitatiivinen (objektiivinen) nailfold kapillaari kuvantaminen ulottuville yleisen reumatologian klinikka.

potilaat ja menetelmät

potilaat

kaksikymmentä potilasta, joilla oli rajoitettu ihon SSc (17 naista, kolme miestä, iän mediaani 63 vuotta, vaihteluväli 44-75, Raynaud ’n ilmiön mediaanikesto 21 vuotta, vaihteluväli 4-42, taudin keston mediaani ensimmäisen Ei-Raynaud’ n ilmenemisestä lähtien 15 vuotta, vaihteluväli 3-37) ja 20 tervettä verrokkia, ei joista Raynaudin (15 naista, viisi miestä, mediaani-ikä 52 vuotta, vaihteluväli 25-60). Kaikki koehenkilöt olivat mukana yhdellä käynnillä, kun nailfold-kapillaroskopia tehtiin yhdellä teknikolla sekä videokapillaroskopialla että USB-mikroskopialla (KS.alla). Kaikkia pyydettiin pidättäytymään tupakoinnista ja kofeiinipitoisista juomista neljän tunnin ajan ennen tutkimusmatkaa. Tutkimuksen hyväksyi West of Scotland Research Ethics Service ja kaikki potilaat antoivat tietoon perustuvan kirjallisen suostumuksen.

menetelmät

kaikille koehenkilöille tehtiin 20 minuuttia totuttelua 23°C: n lämpötilassa lämpötila-ja kosteussäädellyssä huoneessa. Nailfold capillaroscopy tehtiin vasen ja oikea rengas sormet käyttäen (kuva. 1): (i) erittäin tarkka, mittatilaustyönä tehty videokapillaroskopia, jota pidetään ”kultakantana”; (ii) edullinen, kädessä pidettävä USB-mikroskooppi. Kuvantamisteknikkoa ei sokaistu koehenkilöiden tautitilanteelta, vaan noudatettiin tiukasti standardoitua kuvantamisprotokollaa.

Videokapillaroskopia

käytetty järjestelmä on kuvattu yksityiskohtaisesti muualla . Lyhyesti sanottuna, korkea kuvataajuus (120 kuvaa sekunnissa) kamera ja objektiivijärjestelmä on asennettu ohjelmistoohjattuun kolmiakseliseen moottoroituun vaiheeseen, mikä mahdollistaa nopean videokuvauksen koko nailfold. Näistä videosekvensseistä mukautettu ohjelmisto tuottaa laadukkaita nailfold kapillaarimosaiikkeja (Fig. 1 )ja sitten tekee täysin automatisoituja mittauksia kapillaarisen rakenteen ja virtauksen. Kuvan resoluutio on ∼1 µm / pikseli.

USB capillaroscopy

tämä tekniikka käyttää kaupallisesti saatavilla olevaa, edullista kuluttajalaitetta. Tässä tutkimuksessa käytimme XCSOURCE TE389 ostettu Amazon, vaikka monet vastaavat laitteet ovat saatavilla niinkin vähän kuin $25. Niissä on samanlainen värikamera-anturi kuin tavallisissa web-kameroissa, sekä zoom/focus-ohjauksella varustettu muovioptiikka, joka mahdollistaa suuren suurennoksen kuvaamisen. Lopullinen kuvan resoluutio on ∼2-6µm / pikseli.

Automaattinen kuva-analyysi

käytimme superresoluutiomenetelmää yhdistettyjen kuvien tuottamiseen USB-mikroskoopin videodatasta. Videokapillaroskopian ja USB-mikroskopian kvantitatiivisessa vertailussa keskityimme keskimääräiseen kapillaarihalkaisijaan (width), joka oli yksittäinen toimenpide, joka erotti parhaiten tutkittavat, joilla oli SSc ja ilman sitä edellisessä tutkimuksessamme, sekä kapillaaritiheyteen (mitta, jolla reumatologit ovat tutuimpia). Tuottaa nämä (ja muut) parametrit, ohjelmisto ensin tunnistaa jokaisen distaalinen rivi kapillaari ja arvioi sijainti sen kärki. Kunkin hiussuonen keskimääräinen leveys lasketaan arvioista, jotka koskevat leveyttä kussakin kapillaariradan pisteessä 100 µm: n etäisyydelle huipusta asti. Kullekin kynsinauhakuvalle laskettiin keskimääräinen leveys (yksittäisten kapillaarileveyksien keskiarvo) ja kapillaaritiheys (kapillaarien lukumäärä millimetriä kohti, mitattuna vasemmalta-useimmista oikeanpuoleisimmista-useimmista kapillaareista). Kunkin osallistujan osalta molemmat nailfold-tason mittaukset (eli oikea ja vasen nimetön) laskettiin keskiarvona osallistujatason parametrien tuottamiseksi.

tilastollinen analyysi

analyysissämme yhdistettiin kvalitatiivisia (kuvailevia) ja kvantitatiivisia menetelmiä. Kvantitatiivisessa vertailussa käytettiin vastaanottimen toimintavalmiuskäyrän (Roc AZ) alaista aluetta SSc: n ja terveiden verrokkiryhmien välisen erotuksen mittaamiseen keskileveyden ja kapillaaritiheyden automatisoiduilla mittauksilla.

tulokset

uuden ohjelmiston soveltaminen USB-kuviin

Fig. 2 osoittaa, että USB-mikroskoopista voidaan luoda korkealaatuisia kuvia. Kuva. 2A-c näyttää kolme videokuvaa samasta nailfold-osasta, jotka on kuvattu USB-mikroskoopilla. Vaikka hiussuonia on näkyvissä, ne eivät ole riittävän hyvin määriteltyjä morfologian mittaamiseksi, ja joissakin kehyksissä ne ovat hämärän peitossa esimerkiksi viikunan häikäisyn vuoksi. 2C.Kuva. 2d näyttää saman alueen suuriresoluutioisen rekonstruktion ×4 käyttäen yhteensä 15 kuvaa. Kuva. 2e näyttää koko naulapohjan rekonstruktion, joka on saatu USB-mikroskoopilla, ja Fig. 2f rekonstruktio saman naulan käyttäen videokapillaroskopia. Vihreät pisteet osoittavat hiussuonia, jotka analysointiohjelma on havainnut. Ottaen videocapillaroscopy kuin ”gold standard”, vaikka USB tulokset eivät ole täydellisiä (joitakin apices ei ole merkitty USB kuva), suurin osa apices on tunnistettu, ja paljaalla silmällä kuvanlaatu (Kuva. 2e) on erittäin hyvä ja mahdollistaisi helposti laadullisen analyysin, joka on useimpien reumatologien capillaroskooppisen analyysin nykyinen ”kulmakivi”.

Vertailu potilailla, joilla oli SSc ja terveillä verrokeilla

keskimääräinen leveys

keskimääräinen leveys mitattiin automaattisesti USB-mikroskoopilla terveistä verrokeista, oli 15, 0 µm (95% CIs 12, 5, 17, 4) ja potilailla, joilla SSc oli 31, 2 µm (95% CI 23, 7, 38, 6) ja vastaanottimen käyttäjän käyrän alle jäävä alue (Roc AZ) 0, 81 (keskivirhe 0, 120). Videokapillaroskopiassa keskimääräinen leveys terveillä verrokeilla oli 12, 1 µm (95%: n luottamusväli 11, 4; 12, 9) ja SSc-potilailla 19, 0 µm (95%: n luottamusväli 16, 1; 21, 8) ja vastaanottimen käyttäjän käyrän alle jäävä alue (ROC AZ) 0, 81 (keskivirhe 0.095) (Täydentävä Kuva. S1, saatavilla osoitteessa Reumatology online).

Kapillaaritiheys

keskimääräinen tiheys USB-mikroskoopin avulla terveillä verrokeilla oli 4, 68/mm (95%: n luottamusväli 2, 75; 6, 61) ja SSc-potilailla 3, 78/mm (95%: n luottamusväli 2, 71; 4, 68), ja vastaanottimen käyttäjän käyrän alle jäävä alue (ROC AZ) 0, 48 (keskivirhe 0, 16). Videokapillaroskopia-järjestelmässä terveillä verrokeilla keskimääräinen tiheys oli 6, 43/mm (95%: n luottamusväli 5, 19; 7, 67) ja SSc-potilailla 3, 99/mm (95%: n luottamusväli 3, 12; 4, 87), ja vastaanottimen käyttäjän käyrän alle jäävä alue (Roc AZ) 0, 70 (keskivirhe 0, 10) (täydentävä Kuva. S1, saatavilla osoitteessa Reumatology online).

Keskustelu

tutkimuksemme keskeiset havainnot ovat, että korkealaatuiset nailfold-kapillaroskopiakuvat voidaan saada käyttämällä USB-kapillaroskopiaa ja että (ainakin kapillaarileveyden mittauksissa) SSc-potilaiden ja terveiden verrokkien erottelukyky on yhtä hyvä USB-kapillaroskopiaa käytettäessä kuin videokapillaroskopiaa käytettäessä. Tällä on siis vaikutuksia sekä kliinikoille että tutkijoille. Kliinikoille viesti on, että kannattaa ostaa edullinen USB-mikroskooppi päivittäiseen kliiniseen harjoitteluun, jossa arvioidaan potilaita, joilla esiintyy Raynaud ’ n ilmiö tai muita viitteitä SSc-spektrihäiriöön. Tutkijoille mahdollisuus saada laadukkaita kuvia kvantitatiivista (objektiivista) arviointia varten edullisista järjestelmistä avaa näkymän ”isoille” capillaroscopy-tiedoille. Laaja-alaiset tutkimukset, joissa on mukana tuhansia potilaita erilaisissa kliinisissä ympäristöissä, näyttävät nyt toteutettavilta, koska sekä keskiasteen että tertiäärisen reumatologian keskuksista eri mantereilla olevilla lääkäreillä voisi olla helppo pääsy tarvittaviin laitteisiin (USB-mikroskooppi). Nailfold capillaroscopic-löydöksiä on ehdotettu SSc-tautiprosessin ennustajiksi ja biomarkkereiksi , ja laajoissa prospektiivisissa tutkimuksissa voitaisiin tutkia taudin etenemistä ja hoitovastetta ennustavia tekijöitä sellaisella tarkkuudella, joka ei ole aiemmin ollut mahdollista. Automatisoitu kuva-analyysi mahdollistaa laajamittaisten tutkimusten kuvien ja tietojen yhdistämisen.

tutkimuksemme rajoituksiin kuuluu sen pieni otoskoko: tämä oli hyvin pitkälti pilottitutkimus, jossa tutkittiin konseptin todisteita, ja tuleviin tutkimuksiin tulisi sisältyä suurempia potilasmääriä, mukaan lukien diffuusia ihon SSc: tä sairastavat. Lisäksi, meillä on vielä optimoida ohjelmiston kuvan hankinta ja analysointi USB-mikroskoopilla. Ohjelmisto ”koulutettiin” videokapillaroskopiakuviin, eikä oppiminen siirry täydellisesti kuviin, jotka ovat hyvälaatuisia, mutta ominaisuuksiltaan hieman erilaisia. Tämä on ilmeisintä alusten havaitsemisessa, jossa määrälliset astian tiheysmittaukset, ja laadullisessa vertailussa(KS. 2) ilmoita USB-kuvien osalta, että automatisoitu analyysi jätti väliin osan videocapillaroscopy-kuvissa havaituista aluksista. Kun kapillaareja kuitenkin havaittiin, saatiin kliinisesti hyödyllisiä kapillaarimorfologisia mittauksia. Hiussuonitunnistuksen puutteita voidaan edelleen korjata i) hankkimalla raakaa videodataa suuremmalla suurennuksella (samoin edullisia USB-mikroskooppeja, joissa on 2-3 kertaa suurempi suurennos, on nyt saatavilla), II) jalostamalla hiomalla hiussuonikuvien superresoluutiotekniikkaa ja III) soveltamalla siirtooppimistekniikoita automatisoidun analyysin tarkentamiseksi USB-mikroskopiatietojen erityispiirteisiin. Lisäksi laitteita vertailevassa tutkimusasetelmassa sai tutkia vain kaksi sormea laitetta kohden. Jos kapillaroskopiatutkimuksessa käytetään ainoana laitteena USB-mikroskooppia, voidaan analysoida useampia sormia, mikä aiempien tutkimusten mukaan parantaisi diagnostista tarkkuutta .

tutkimuksemme keskittyi automatisoituun, kvantitatiiviseen analyysiin. Myös tutkimukset, joissa verrataan kvalitatiivisia ja puolikvantitatiivisia analyysejä (esim. ”varhainen”, ”aktiivinen” ja ”myöhäinen” skleroderma-analyysi ) USB-mikroskopian ja videokapillaroskopian välillä, olisivat kiinnostavia.

vaikuttaa yllättävältä, että edullisia kapillaroscopy-sytemejä on tutkittu niin vähän, vaikka kansainvälisesti kiinnostus nailfold capillaroscopya kohtaan on lisääntynyt. Hiljattain tehdyssä pilottitutkimuksessa, johon osallistui 42 SSc: stä kiinnostunutta yhdysvaltalaista lääkäriä, havaittiin, että vain 7% käytti videokapillaroskopiaa verrattuna 64%: iin, jotka käyttivät joko dermatoskooppia tai opthalmoskooppia, mikä viittaa siihen, että ainakin Yhdysvalloissa SSc: n asiantuntijat suosivat edullisempia käsikäyttöisiä järjestelmiä (USB-mikroskopiaa ei mainittu). Vastaavasti tutkimuksessa 88 (pääasiassa Eurooppalainen) aikuisen reumatologia , 90.9% koki videokapillaroskopian tuntemuksensa joko hyväksi tai tyydyttäväksi, kun taas alle 40% oli samaa mieltä USB-mikroskopian kanssa. Siksi ainakin erikoislääkärikeskuksissa kliininen käytäntö vaihtelee tällä hetkellä maittain.

Emme ole tietoisia aiemmista raporteista, joissa olisi verrattu USB-mikroskopiaa videokapillaroskopiaan, vaikka vuonna 2012 Bhakuni et al. korostivat USB-mikroskopian mahdollisuuksia nailfold-hiussuonien tutkimiseen tutkimuksessa, johon osallistui 42 SSc-potilasta ja 42 kontrollihenkilöä. Kuten aiemmin todettiin, dermoscopy on verrattu videocapillaroscopy. Dermoscopy (samoin kuin USB-mikroskopia) on kädessä pidettävä ja siten helposti kannettava, mutta vaatii kiinnitetyn kameran kuvankaappaukseen ja on kalliimpaa (noin $1000–$2000) kuin USB-mikroskoopilla. Äskettäin tehdyssä tutkimuksessa verrattiin nailfold-kapillaarivalokuvia, jotka on otettu ”älypuhelimen linssillä” ja ”älypuhelimen dermatoskoopilla” widefield-mikroskopiaan, ja korostettiin edullisten, kannettavien laitteiden mahdollisuuksia tavanomaiseen kliiniseen käyttöön.

lopuksi totean, että havaintomme osoittavat, että USB capillaroscopy on erittäin lupaava ja edullinen tekniikka, joka voisi hyvinkin olla tapa maksimoida nailfold capillaroscopyn mahdollisuudet diagnostisena ja tutkimusvälineenä. Seuraavat askeleet ovat reumatologien tietoisuuden lisääminen tekniikasta ja automatisoidun analyysin tarkentaminen diagnostisen tarkkuuden parantamiseksi sekä laajamittaisen capillaroscopy-tutkimuksen pohjustamiseksi.

kiitokset

olemme kiitollisia Joanne Manningille teknisestä tuesta. Tätä työtä tuki NIHR Manchester biolääketieteen tutkimuskeskus.

Rahoitus: tätä työtä tuki MRC grant MC_PC_15038 ”MRC Confidence in Concept 2015-The University of Manchester”.

tiedonanto: tekijät ovat ilmoittaneet, ettei eturistiriitoja ole.

tiedon saatavuuslausunto

tämän artikkelin taustalla olevat tiedot jaetaan kohtuullisesta pyynnöstä vastaavalle tekijälle.

lisätiedot

lisätiedot löytyvät reumatologian verkko-osoitteesta.