低コストUSBネイルフォールドcapillaroscopyとvideocapillaroscopyの比較:a pilot study

Abstract

はじめに

レイノー現象を呈する患者では、異常な爪束毛細血管が”赤旗”であり、SScへの進行の独立した危険因子であることがよく認識されています。 これは、SSCのACR/EULAR2013分類基準で認められています：異常なネイルフォールド毛細血管は基準の1つです。 従ってそれはRaynaudの現象の患者を査定するためにおよび/またはNailfold capillaroscopyへのアクセスがあるためにSScスペクトルの無秩序を診断するために責任があるすべ さもなければ、SScの診断は従って苦痛なデジタル潰瘍、重大なデジタル虚血および可能性としては生命にかかわる内臓介入の開発を防ぐために早い介在への患者のアクセスを否定する逃されることができます。 しかし、現在、リウマチ専門医の大部分は、毛細管鏡検査システムが広く利用可能ではなく、一度得られた画像を解釈することが困難であるため、日常の臨床診療にネイルフォールド毛細管鏡検査を組み込んでいない。

ネイルフォールド毛細血管を視覚化するために、いくつかの異なる技術を使用することができます。 金本位制の技術はvideocapillaroscopyである（そしてSScに興味を持つヨーロッパのリウマチ学者が最もよく知られているものである）が、これは高価な機器を必要とし、そ 低価格の手持ち型の顕微鏡はまたnailfoldの毛管を視覚化できます;例えば、dermoscopyはnailfold videocapillaroscopyと好意的に比較します。

ユニバーサルシリアルバス（USB）顕微鏡—標準的なUSBケーブルを介してコンピュータまたはタブレットに接続されたデジタル顕微鏡を使用して、拡大されたビデオ画像を記録する—すべてのリウマチ科医に使いやすく、低コストで手持ちのツールを提供するための答えである可能性がある。 しかし、USB capillaroscopyの経験は限られており、他のcapillaroscopyシステムと比較した以前の研究はありません。 このパイロット研究の目的は、USB顕微鏡を用いた画像の取得と分析の可能性を検討し、得られた結果をビデオキャピラスコピー画像からの結果と比較す USBの顕微鏡からのnailfoldの毛管イメージの巧妙な捕獲そして定量分析は一般的なリウマチ学医院の範囲内の量的な(客観的な)nailfoldの毛管イメージ投射を持っ

患者と方法

患者

皮膚SScが限られている患者20人（女性17人、男性3人、年齢中央値63歳、範囲44-75、レイノー現象の期間中央値21年、範囲4-42、最初の非レイノー症状の発症からの疾患期間中央値15年、範囲3-37）および20人の健康な対照を募集した。レイノーの（15女性、五男性、中央値年齢52歳、範囲25-60）を持っていました。 すべての被験者は、単一の技術者によってビデオキャピラスコピーとUSB顕微鏡（下記参照）の両方を使用してネイルフォールドキャピラスコピーを行ったときに一回の訪問のために出席した。 すべての人は、研究訪問の4時間前に喫煙とカフェイン含有飲料を控えるように求められました。 この研究はWest of Scotland Research Ethics Serviceによって承認され、すべての患者は書面による同意を得ました。

メソッド

すべての被験者は、温度と湿度が制御された部屋で20分間の順化を23℃で受けました。 を用いて左右の薬指のネイルフォールドキャピラロスコピーを行った（図。 1）:（i）”金本位”として取られる高精度、特注、videocapillaroscopyシステム;（ii）安価、手持ち型USBの顕微鏡。 イメージング技術者は、被験者の疾患状態に盲目ではなかったが、厳密に標準化されたイメージングプロトコルに従った。

ビデオキャピラスコピー

使用されたシステムは、他の場所で詳細に説明されています。 手短に言えば、高いフレーム率（毎秒120のフレーム）のカメラおよびレンズシステムはソフトウェア制御の三軸のモーターを備えられた段階に取付けられ、nailfoldを渡るビデオ順序の急速な捕獲を可能にする。 これらのビデオシーケンスから、カスタムソフトウェアは、高品質のネイルフォールドキャピラリーモザイクを生成します（図。 1)そして次に毛管構造および流れの十分に自動化された測定をします。 イメージの決断は≤1µ m/pixelです。

この技術は、市販されている低コストの民生機器を使用しています。 この調査では、Amazon経由で購入したXCSOURCE TE389を使用しましたが、多くの同様のデバイスはわずか25ドルから入手できます。 それらは一般的なウェブカメラに見られるものと同様のカラーカメラセンサー、およびズーム/フォーカス制御を備えたプラスチック光学系を含み、高倍率の撮像を可能にする。 最終的なイメージの決断は≤2-6μ m/pixelです。

自動画像解析

USB顕微鏡のビデオデータから合成画像を生成するために超解像法を使用しました。 ビデオキャピラロスコピーとUSB顕微鏡の定量的比較のために、我々は我々の以前の研究でSScの有無にかかわらず、被験者と毛細血管密度（リウマチ科医が最も これらの（および他の）パラメータを生成するために、ソフトウェアは最初に各遠位列毛細管を検出し、その頂点の位置を推定する。 各毛細管の平均幅は、毛細管経路に沿った各点における、頂点から１ ０ ０μ ｍの距離までの幅の推定値から計算される。 各ネイルフォールド画像について、平均幅（個々の毛管幅の平均）および毛管密度（最も左から最も右の毛管まで測定されたミリメートル当たりの毛管頂部の数）を計算した。 各参加者について、ネイルフォールドレベルの測定値（すなわち、右および左の薬指）の両方を平均化して、参加者レベルのパラメータを生成した。

統計分析

私たちの分析には、定性的（記述的）方法と定量的方法の組み合わせが含まれていました。 定量的比較のために、受信機動作特性曲線（ROC AZ）の下の面積を使用して、平均幅および毛細管密度の自動測定を使用して、SScと健常対照群との間の分離を

結果

usb画像への新規ソフトウェアの適用

図。 図2は、USB顕微鏡から高品質の画像を生成できることを示しています。 図1.1.1. 図２Ａ〜ｃは、ＵＳＢ顕微鏡を使用して捕捉された、釘留めの同じ部分の３つのビデオフレームを示す。 毛細管は可視であるが、それらは形態の測定を可能にするために十分に十分に定義されておらず、いくつかのフレームでは、例えば図１ ０ａの眩しさによ 2c.図。 2dは、合計で15フレームを使用して同じ領域の×4超解像再構成を示しています。 図1.1.1. 2eの復興の全体nailbedを使用して取得USB顕微鏡で観察すると、Fig. 2f videocapillaroscopyを使用して同じnailbedの再建。 緑色の点は、解析ソフトウェアによって検出された毛細血管を示しています。 Videocapillaroscopyを”ゴールドスタンダード”とすると、USBの結果は完璧ではありませんが（一部の頂点はUSB画像にマークされていません）、頂点の大部分は識別されており、肉眼では画質が確認されています（Fig. 2e)は非常によく、容易にほとんどのリウマチ学者のためのcapillaroscopic分析の現在の”礎石”である定性分析を可能にする。

SSc患者と健常対照の比較

平均幅

健常対照のUSB顕微鏡画像で自動的に測定された平均幅は15.0μ m(95%Ci12.5,17.4)、SSc患者では31.2μ m(95%CI23.7,38.6)で、受信者操作曲線(ROC AZ)の下の面積は0.81(標準誤差0.120)であった。 ビデオキャピラスコピーシステムでは、健康なコントロールの平均幅は12.1μ m（95％CI11.4、12.9）、SSc患者では19.0μ m（95％CI16.1、21.8）、受信者オペレータ曲線（ROC AZ）の下の面積は0.81（標準誤差0）であった。095)(附則第二十五条第一項第一号) S1、Rheumatology onlineで入手可能）。

毛細血管密度

usb顕微鏡を用いた健康な対照の平均密度は4.68/mm（95％CI2.75～6.61）、SSc患者では3.78/mm（95％CI2.71～4.68）で、受信者操作曲線下面積（ROC AZ）は0.48（標準誤差0.16）であった。 ビデオキャピラスコピーシステムでは、健康な対照の平均密度は6.43/mm（95％CI5.19〜7.67）、SSc患者では3.99/mm（95％CI3.12〜4.87）であり、受信者操作曲線（ROC AZ）の下の面積は0.70（標準誤差0.10）であった（補足図）。 S1、Rheumatology onlineで入手可能）。

ディスカッション

私たちの研究からの主な知見は、USBキャピラロスコピーを用いて高品質のネイルフォールドキャピラロスコピー画像を得ることができ、（少なくとも毛細管幅測定のために）SSc患者と健康なコントロールを区別する能力は、USBキャピラロスコピーを用いてビデオキャピラロスコピーと同じくらい良好であることである。 したがって、臨床医と研究者の両方に影響があります。 臨床医のために、メッセージはそれがRaynaudの現象とまたはSScスペクトルの無秩序への他のポインターと示す患者の査定の毎日の臨床練習のための低価格USB 研究者にとっては、低コストのシステムから定量的（客観的）評価のための高品質の画像を得る能力は、”大きな”毛細管鏡検査データの眺めを開きます。 異なった大陸を渡る二次および三次リウマチ学の中心からの臨床医がすべて必要な装置(USBの顕微鏡)への容易なアクセスがあることができるので異なった臨床設定で見られるたくさんの患者を含む大規模な調査は今達成可能ようである。 ネイルフォールド毛細血管鏡所見は、予測因子とSSc疾患プロセスのバイオマーカーの両方として示唆されており、大規模な前向き研究は、以前に可能ではな 自動化された画像解析により、大規模な研究からの画像とデータのプールが可能になります。

私たちの研究の限界には、小さなサンプルサイズが含まれています：これは概念実証を検討するためのパイロット研究であり、将来の研究にはびまん性皮膚SScを持つ患者を含むより大きな患者数が含まれるべきです。 また、私達はUSBの顕微鏡を使用してイメージの獲得および分析のためのソフトウェアをまだ最大限に活用するために持っていません。 ソフトウェアは、videocapillaroscopy画像に”訓練”された、と学習は、良い品質が、わずかに異なる特性を持っている、画像に完全に転送されません。 これは、定量的な血管密度測定、および定性的な比較（図を参照）である血管検出にとって最も明白である。 2)USBのイメージのために自動化された分析がvideocapillaroscopyのイメージで検出される容器の割合を逃したことを示して下さい。 しかし，毛細血管が検出されたところでは，毛細血管形態の臨床的に有用な測定が得られた。 さらなる研究では、キャピラリー検出の欠点は、(i)より高い倍率で生のビデオデータを取得することによって対処することができる(同様に、2-3倍の高倍率で低コストのUSB顕微鏡が利用可能になりました)。(ii)キャピラリー画像への超解像技術の適用を洗練すること、および(iii)USB顕微鏡データの詳細に自動分析を洗練するためのトランスファーラーニング技術を適用することによって対処することができる。 さらに、デバイスを比較する研究設計では、デバイスごとに二本の指のみが検査されることができました。 Usb顕微鏡が毛細管鏡検査の唯一の装置として使用される場合、より多くの指を分析する可能性があり、これまでの研究では診断精度を向上させる

私たちの研究は、自動化された定量分析に焦点を当てました。 USB顕微鏡とビデオキャピラスコピーの間で定性的および半定量的分析（例えば、”早期”、”活性”および”後期”強皮症パターン）を比較する研究も興味深いものであろう。

国際的にネイルフォールド毛管鏡検査への関心が高まっているにもかかわらず、低コストの毛管鏡検査システムに関する研究がほとんどないことは驚くべきことである。 SScに関心を持つ42人の米国の臨床医の最近のパイロット調査では、少なくとも米国では、SScの専門家の好みは、低コストのハンドヘルドシステムのため 逆に、88（主にヨーロッパ）の成人リウマチ専門医の調査では、90。9%はビデオキャピラスコピーの知識が良いか満足のいくものであると感じましたが、40%未満はUSB顕微鏡についても同様に感じました。 したがって、少なくとも専門センターでの臨床実践は、現在、国によって異なります。

USB顕微鏡とビデオキャピラスコピーを比較した以前の報告については認識していないが、2012年にBhakuni et al. SScと42対照被験者を持つ42人の患者を含む研究でネイルフォールド毛細血管を調べるためにUSB顕微鏡の可能性を強調しました。 先に述べたように、dermoscopyはvideocapillaroscopyと比較されました。 Dermoscopyは（USBの顕微鏡検査に同様に）手持ち型、従って容易に携帯用であるが、イメージの捕獲のために付けられたカメラを要求し、USBのmicrocopeより高い（order1000-2 2000の順序で）。 “スマートフォンレンズ”と”スマートフォン皮膚鏡”で撮影したネイルフォールドキャピラリー写真を広視野顕微鏡に比較した最近の研究では、日常的な臨床診療で使用するための低コストのポータブルデバイスの可能性が強調されています。

結論として、我々の調査結果は、USBキャピラロスコピーは、診断および研究ツールとしてのネイルフォールドキャピラロスコピーの可能性を最大化するための道である可能性がある非常に有望で低コストの技術であることを示している。 次のステップは、リウマチ専門医の間で技術の意識を高め、診断精度を向上させるだけでなく、大規模な毛細管鏡検査研究の道を開くために自動化された分析を洗練することです。

謝辞

Joanne Manningに技術サポートに感謝しています。 この研究は、NIHRマンチェスター生物医学研究センターによって支援されました。

資金調達:この研究は、MRC grant MC_PC_15038’MRC Confidence in Concept2015–The University of Manchester’によって支援されました。

開示声明:著者らは利益相反を宣言していない。

データ可用性ステートメント

この記事の基礎となるデータは、対応する著者に合理的な要求に応じて共有されます。

補足データ

補足データはRheumatology onlineで入手できます。