Confronto tra basso costo USB nailfold capillaroscopia e videocapillaroscopy: uno studio pilota

Abstract

Introduzione

Ora è ben riconosciuto che nel paziente che presenta il fenomeno di Raynaud, i capillari nailfold anormali sono una “bandiera rossa” e un fattore di rischio indipendente per la progressione a SSc . Questo è riconosciuto nei criteri di classificazione ACR/EULAR 2013 per SSc : i capillari nailfold anormali sono uno dei criteri. È quindi opportuno che tutti i reumatologi responsabili della valutazione dei pazienti con il fenomeno di Raynaud e / o della diagnosi di disturbi dello spettro SSc abbiano accesso alla capillaroscopia nailfold. In caso contrario, una diagnosi di SSc potrebbe essere mancata, negando così ai pazienti l’accesso a un intervento precoce per prevenire lo sviluppo di ulcere digitali dolorose, ischemia digitale critica e coinvolgimento di organi interni potenzialmente potenzialmente letali. Tuttavia, attualmente la maggior parte dei reumatologi non incorpora la capillaroscopia nailfold nella loro pratica clinica quotidiana, perché i sistemi di capillaroscopia non sono ampiamente disponibili e le immagini una volta ottenute possono essere difficili da interpretare.

Diverse tecniche possono essere utilizzate per visualizzare i capillari nailfold . La tecnica gold standard è la videocapillaroscopia (ed è quella con cui i reumatologi europei con interesse per SSc sono più familiari ), ma ciò richiede attrezzature costose ed è improbabile che il suo uso diventi diffuso tra i reumatologi generali. Microscopi portatili a basso costo possono anche visualizzare i capillari nailfold; ad esempio, la dermoscopia si confronta favorevolmente con la videocapillaroscopia nailfold .

Universal serial bus (USB) microscopia—utilizzando un microscopio digitale collegato a un computer o tablet attraverso un cavo USB standard per registrare immagini video ingrandite—potrebbe essere la risposta a fornire tutti i reumatologi con un facile da usare, a basso costo, strumento portatile per esaminare i capillari nailfold. Tuttavia, l’esperienza con la capillaroscopia USB è limitata, senza precedenti studi che la confrontano con altri sistemi di capillaroscopia. Lo scopo di questo studio pilota era quello di esaminare la fattibilità dell’acquisizione e dell’analisi di immagini utilizzando il microscopio USB e di confrontare i risultati ottenuti con quelli delle immagini di videocapillaroscopia. L’acquisizione e l’analisi quantitativa di immagini capillari nailfold da un microscopio USB potrebbero portare l’imaging capillare nailfold quantitativo (obiettivo) alla portata della clinica di reumatologia generale.

Pazienti e metodi

Pazienti

Venti i pazienti con SSc cutanea sono stati reclutati per lo studio (17 femmine, tre maschi, età media 63 anni, range 44-75, con una durata mediana di fenomeno di Raynaud 21 anni, range 4-42, la mediana della durata di malattia dall’inizio della prima non Raynaud manifestazione 15 anni, range 3-37) e 20 controlli sani, nessuno dei quali aveva Raynaud (15 femminile, cinque maschi, età media 52 anni, range 25-60). Tutti i soggetti hanno partecipato per una visita quando la capillaroscopia nailfold è stata eseguita utilizzando sia la videocapillaroscopia che la microscopia USB (vedi sotto) da un singolo tecnico. A tutti è stato chiesto di astenersi dal fumo e dalle bevande contenenti caffeina per quattro ore prima della visita di studio. Lo studio è stato approvato dal West of Scotland Research Ethics Service e tutti i pazienti hanno dato il consenso scritto informato.

Metodi

Tutti i soggetti sono stati sottoposti a un periodo di acclimatazione di 20 minuti a 23°C in una stanza controllata da temperatura e umidità. Nailfold capillaroscopia è stata eseguita di anulare sinistro e destro, utilizzando (Fig. 1): (i) sistema di videocapillaroscopia ad alta precisione, costruito su misura, considerato il “gold standard”; (ii) un microscopio USB portatile a basso costo. Il tecnico di imaging non è stato accecato dallo stato di malattia dei soggetti, ma è stato seguito un protocollo di imaging rigorosamente standardizzato.

Videocapillaroscopia

Il sistema utilizzato è stato descritto in dettaglio altrove . In breve, un frame rate elevato (120 fotogrammi al secondo) fotocamera e sistema di lenti sono montati su un software controllato a tre assi motorizzato fase, consentendo una rapida acquisizione di sequenze video attraverso il nailfold. Da queste sequenze video, un software personalizzato genera mosaici capillari nailfold di alta qualità (Fig. 1) e poi fa le misure completamente automatizzate della struttura capillare e del flusso . La risoluzione dell’immagine è ∼1 µm / pixel.

USB capillaroscopy

Questa tecnica utilizza un dispositivo consumer a basso costo disponibile in commercio. In questo studio abbiamo utilizzato un XCSOURCE TE389 acquistato tramite Amazon, anche se molti dispositivi simili sono disponibili da un minimo di $25. Contengono un sensore della fotocamera a colori simile a quelli che si trovano nelle comuni webcam e un’ottica in plastica con controlli zoom/messa a fuoco, che consente immagini ad alto ingrandimento. La risoluzione finale dell’immagine è di ∼2–6µm/pixel.

Analisi automatica delle immagini

Abbiamo utilizzato un metodo a super risoluzione per generare immagini composite dai dati video del microscopio USB. Per il confronto quantitativo tra videocapillaroscopia e microscopia USB, ci siamo concentrati sul diametro capillare medio (larghezza) che era la singola misura che meglio discriminava tra soggetti con e senza SSc nel nostro studio precedente e sulla densità capillare (la misura con cui i reumatologi sono più familiari). Per generare questi (e altri) parametri, il software rileva innanzitutto ogni capillare distale e stima la posizione del suo apice. La larghezza media di ciascun capillare viene calcolata dalle stime della larghezza in ciascun punto lungo il percorso capillare fino a una distanza di 100 µm dall’apice. Per ogni immagine di nailfold, è stata calcolata la larghezza media (la media delle singole larghezze capillari) e la densità capillare (il numero di apici capillari per millimetro, misurati dai capillari più a sinistra a quelli più a destra). Per ogni partecipante, entrambe le misurazioni a livello di nailfold (cioè l’anulare destro e sinistro) sono state calcolate in media per produrre parametri a livello di partecipante.

Analisi statistica

La nostra analisi ha coinvolto una combinazione di metodi qualitativi (descrittivi) e quantitativi. Per un confronto quantitativo, l’area sotto la curva caratteristica operativa del ricevitore (ROC AZ) è stata utilizzata per misurare la separazione tra SSc e gruppi di controllo sani utilizzando le misurazioni automatizzate della larghezza media e della densità capillare.

Risultati

Applicazione di un nuovo software alle immagini USB

Fig. 2 dimostra che è possibile generare immagini di alta qualità dal microscopio USB. Fico. 2a-c mostra tre fotogrammi video della stessa sezione di un nailfold, catturati utilizzando il microscopio USB. Sebbene i capillari siano visibili, non sono sufficientemente ben definiti per consentire la misurazione della morfologia e in alcuni fotogrammi sono oscurati, ad esempio dall’abbagliamento in Fig. 2c.Fig. 2d mostra una ricostruzione ×4 super-risoluzione della stessa regione utilizzando 15 fotogrammi in totale. Fico. 2e mostra la ricostruzione dell’intero letto chiodato ottenuta con il microscopio USB, e Fig. 2f la ricostruzione del letto stesso mediante videocapillaroscopia. I punti verdi mostrano i capillari rilevati dal software di analisi. Prendendo videocapillaroscopia come ‘gold standard’, anche se i risultati USB non sono perfetti (alcuni apici non sono stati contrassegnati sull’immagine USB), la maggior parte degli apici sono stati identificati, e ad occhio nudo la qualità dell’immagine (Fig. 2e) è molto buono e consentirebbe facilmente l’analisi qualitativa che è l’attuale “pietra angolare” dell’analisi capillaroscopica per la maggior parte dei reumatologi.

Raffronto dei pazienti con SSc e controlli sani

larghezza Media

larghezza Media misurata automaticamente USB microscopio immagini da controlli sani era 15.0 µm (95% CIs 12.5, 17.4), e nei pazienti con SSc 31.2 µm (IC 95% 23.7 il 38,6), con la zona sotto il ricevitore operatore curva ROC AZ) 0.81 (errore standard 0.120). Con il sistema di videocapillaroscopia, la larghezza media nei controlli sani era di 12,1 µm (95% IC 11,4, 12,9) e nei pazienti con SSc 19,0 µm (95% IC 16,1, 21,8), con area sotto la curva dell’operatore ricevente (ROC AZ) 0,81 (errore standard 0.095) (Fig. S1, disponibile presso Reumatologia on-line).

Densità capillare

La densità media utilizzando il microscopio USB nei controlli sani è stata di 4,68/mm (95% IC 2,75, 6,61) e nei pazienti con SSc 3,78/mm (95% IC 2,71, 4,68), con area sotto la curva dell’operatore ricevente (ROC AZ) 0,48 (errore standard 0,16). Con il sistema di videocapillaroscopia, i controlli sani della densità media erano 6,43 / mm (95% CI 5,19, 7,67) e nei pazienti con SSc 3,99 / mm (95% CI 3,12, 4,87), con area sotto la curva dell’operatore ricevente (ROC AZ) 0,70 (errore standard 0,10) (Fig. S1, disponibile presso Reumatologia on-line).

Discussione

I risultati chiave del nostro studio sono che le immagini di capillaroscopia nailfold di alta qualità possono essere ottenute utilizzando la capillaroscopia USB e che (almeno per le misurazioni della larghezza capillare) la capacità di discriminare tra pazienti con SSc e controlli sani è altrettanto buona usando la capillaroscopia USB come con la videocapillaroscopia. Quindi, ci sono implicazioni sia per i medici che per i ricercatori. Per i medici, il messaggio è che vale la pena acquistare un microscopio USB a basso costo per la pratica clinica quotidiana per la valutazione di pazienti che presentano il fenomeno di Raynaud o con altri indicatori di un disturbo dello spettro SSc. Per i ricercatori, la capacità di ottenere immagini di alta qualità per la valutazione quantitativa (oggettiva) da sistemi a basso costo apre la vista dei dati di capillaroscopia “grandi”. Gli studi su larga scala che coinvolgono migliaia di pazienti visti in diversi contesti clinici sembrano ora realizzabili perché i medici dei centri di reumatologia secondaria e terziaria di diversi continenti potrebbero tutti avere un facile accesso alle attrezzature necessarie (un microscopio USB). Nailfold risultati capillaroscopici sono stati suggeriti come predittori e biomarcatori del processo di malattia SSc, e ampi studi prospettici potrebbero esaminare predittori della progressione della malattia e della risposta al trattamento con un grado di precisione non precedentemente possibile. L’analisi automatica delle immagini rende fattibile il raggruppamento di immagini e dati provenienti da studi su larga scala.

I limiti del nostro studio includono la sua piccola dimensione del campione: questo è stato uno studio pilota per esaminare proof-of-concept e gli studi futuri dovrebbero includere un numero maggiore di pazienti inclusi quelli con SSc cutaneo diffuso. Inoltre, dobbiamo ancora ottimizzare il software per l’acquisizione e l’analisi delle immagini utilizzando il microscopio USB. Il software è stato ‘addestrato’ su immagini di videocapillaroscopia e l’apprendimento non si trasferisce perfettamente su immagini che, sebbene di buona qualità, hanno caratteristiche leggermente diverse. Questo è più ovvio per il rilevamento nave, dove le misure quantitative di densità nave, e confronto qualitativo(vedi Fig. 2) indicare per le immagini USB che l’analisi automatizzata ha mancato una percentuale di vasi rilevati nelle immagini di videocapillaroscopia. Tuttavia, dove sono stati rilevati capillari, sono state ottenute misure clinicamente utili di morfologia capillare. In ulteriori lavori, le carenze nel rilevamento capillare possono essere affrontate: (i) acquisendo dati video grezzi ad ingrandimento più elevato (sono ora disponibili microscopi USB a basso costo con ingrandimento 2-3 volte superiore); (ii) perfezionare l’applicazione della tecnica della super-risoluzione alle immagini capillari; e (iii) applicare tecniche di apprendimento del trasferimento per perfezionare l’analisi automatizzata alle specifiche dei dati di microscopia USB. Inoltre, il progetto di studio che confronta i dispositivi consentiva solo di esaminare due dita per dispositivo. Quando un microscopio USB viene utilizzato come unico dispositivo in un esame di capillaroscopia, esiste la possibilità di analizzare più dita, che studi precedenti suggeriscono migliorerebbe l’accuratezza diagnostica .

Il nostro studio si è concentrato sull’analisi quantitativa automatizzata. Potrebbero essere interessanti anche gli studi che confrontano analisi qualitative e semi-quantitative (ad esempio modelli di sclerodermia “precoce”, “attiva” e “tardiva”) tra microscopia USB e videocapillaroscopia.

Sembra sorprendente che ci sia stata così poca ricerca in sistemi di capillaroscopia a basso costo, nonostante il crescente interesse per la capillaroscopia nailfold a livello internazionale. Un recente sondaggio pilota condotto su 42 medici statunitensi interessati a SSc ha rilevato che solo il 7% ha utilizzato la videocapillaroscopia rispetto al 64% che ha utilizzato un dermatoscopio o un oftalmoscopio, suggerendo che almeno negli Stati Uniti, la preferenza degli specialisti SSc è per sistemi portatili a basso costo (la microscopia USB non è stata menzionata). Al contrario, in un sondaggio di 88 (principalmente europei) reumatologi adulti , 90.il 9% ritiene che la propria conoscenza della videocapillaroscopia sia buona o soddisfacente, mentre meno del 40% ritiene che la microscopia USB sia simile. Pertanto, la pratica clinica, almeno nei centri specializzati, attualmente differisce da paese a paese.

Non siamo a conoscenza di precedenti rapporti che confrontano la microscopia USB alla videocapillaroscopia, sebbene nel 2012, Bhakuni et al. ha evidenziato il potenziale della microscopia USB per esaminare i capillari nailfold in uno studio che ha incluso 42 pazienti con SSc e 42 soggetti di controllo. Come affermato in precedenza, la dermoscopia è stata confrontata con la videocapillaroscopia. La dermoscopia (analogamente alla microscopia USB) è portatile e quindi facilmente portatile, ma richiede una fotocamera collegata per l’acquisizione di immagini ed è più costosa (nell’ordine di $1000-$2000) rispetto a un microcopo USB. Un recente studio che ha confrontato le fotografie capillari nailfold scattate con una “lente per smartphone” e con un “dermatoscopio per smartphone” alla microscopia a campo largo ha evidenziato il potenziale dei dispositivi portatili a basso costo per l’uso nella pratica clinica di routine.

In conclusione, i nostri risultati indicano che la capillaroscopia USB è una tecnica altamente promettente e a basso costo che potrebbe essere la via da seguire per massimizzare il potenziale della capillaroscopia nailfold come strumento diagnostico e di ricerca. I prossimi passi sono aumentare la consapevolezza della tecnica tra i reumatologi e perfezionare l’analisi automatizzata non solo per migliorare l’accuratezza diagnostica, ma per aprire la strada a ricerche di capillaroscopia su larga scala.

Ringraziamenti

Siamo grati a Joanne Manning per il supporto tecnico. Questo lavoro è stato sostenuto dal NIHR Manchester Biomedical Research Centre.

Finanziamento: Questo lavoro è stato sostenuto da MRC grant MC_PC_15038 ‘MRC Confidence in Concept 2015 – The University of Manchester’.

Informativa: Gli autori non hanno dichiarato conflitti di interesse.

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