vergelijking tussen low cost USB nailfold capillaroscopie en videocapillaroscopie: een pilotstudie

Abstract

Inleiding

het is nu algemeen erkend dat bij de patiënt die het fenomeen van Raynaud vertoont, abnormale nagelvapillairen een ‘rode vlag’ zijn en een onafhankelijke risicofactor voor progressie tot SSc . Dit wordt erkend in de ACR/EULAR 2013 classificatiecriteria voor SSc : abnormale nailfold capillairen zijn een van de criteria. Alle reumatologen die verantwoordelijk zijn voor het beoordelen van patiënten met het fenomeen van Raynaud en/of het diagnosticeren van SSC-spectrum stoornissen moeten daarom toegang hebben tot nailfold capillaroscopie. Anders zou een diagnose van SSc kunnen worden gemist, waardoor patiënten geen toegang hebben tot vroegtijdige interventie om de ontwikkeling van pijnlijke digitale ulcera, kritieke digitale ischemie en mogelijk levensbedreigende interne orgaanbetrokkenheid te voorkomen. Echter, op dit moment de meerderheid van de reumatologen nailfold capillaroscopie niet op te nemen in hun dagelijkse klinische praktijk, omdat capillaroscopie systemen zijn niet op grote schaal beschikbaar, en de beelden eenmaal verkregen kan moeilijk te interpreteren zijn.

verschillende technieken kunnen worden gebruikt om de nagel haarvaten te visualiseren . De gouden standaard techniek is videocapillaroscopie (en is degene waarmee Europese reumatologen met een interesse in SSc het meest vertrouwd zijn), maar dit vereist dure apparatuur en het is onwaarschijnlijk dat het gebruik ervan wijdverspreid zal worden onder algemene reumatologen. Goedkope handmicroscopen kunnen ook de nailfold capillairen visualiseren; bijvoorbeeld, dermoscopie is gunstig te vergelijken met nailfold videocapillaroscopie .

Universal serial bus (USB) microscopie—met behulp van een digitale microscoop die via een standaard USB—kabel op een computer of tablet is aangesloten om vergrote videobeelden op te nemen-zou het antwoord kunnen zijn om alle reumatologen te voorzien van een eenvoudig te gebruiken, goedkope, handgereedschap om de nailfold capillairen te onderzoeken. Toch is de ervaring met USB-capillaroscopie beperkt, zonder eerdere studies die het vergelijken met andere capillaroscopiesystemen. Het doel van deze pilootstudie was de haalbaarheid te onderzoeken van het verkrijgen en analyseren van beelden met behulp van de USB-microscoop en de verkregen resultaten te vergelijken met die van videocapillaroscopiebeelden. De succesvolle vangst en kwantitatieve analyse van nailfold capillaire beelden van een USB microscoop zouden kwantitatieve (objectieve) nailfold capillaire weergave binnen bereik van de Algemene reumatologiekliniek kunnen brengen.

Patiënten en methoden

Patiënten

Twintig patiënten met cutane SSc werden aangeworven in de studie (17 vrouw, drie mannen, gemiddelde leeftijd 63 jaar, bereik 44-75, mediane duur van het fenomeen van Raynaud 21 jaar, bereik 4-42, mediane ziekteduur sinds het begin van de eerste niet-Raynaud manifestatie 15 jaar, bereik 3-37) en 20 gezonde controles, die geen van allen had het Raynaud (15 vrouwelijke, vijf man, gemiddelde leeftijd 52 jaar, bereik 25-60). Alle proefpersonen waren aanwezig voor één bezoek toen nailfold capillaroscopie werd uitgevoerd met behulp van zowel videocapillaroscopie als USB-microscopie (zie hieronder) door één enkele technicus. Iedereen werd gevraagd om vier uur voor het studiebezoek niet te roken en cafeïnehoudende dranken te drinken. De studie werd goedgekeurd door West of Scotland Research Ethics Service en alle patiënten gaven geïnformeerde schriftelijke toestemming.

methoden

alle proefpersonen ondergingen een periode van 20 minuten van acclimatisatie bij 23°C in een kamer met temperatuur en vochtigheid gecontroleerd. Nailfold capillaroscopie werd uitgevoerd van linker en rechter ring vingers, met behulp van (Fig. 1):-een zeer nauwkeurig, op maat gemaakt videocapillaroscopiesysteem, genomen als de “gouden standaard”;-een goedkope, draagbare usb-microscoop. De beeldvormingstechnicus was niet verblind voor de ziektestatus van de proefpersonen, maar er werd een strikt gestandaardiseerd beeldvormingsprotocol gevolgd.

Videocapillaroscopie

het gebruikte systeem is elders in detail beschreven . Kortom, een hoge framesnelheid (120 frames per seconde) camera en lenssysteem zijn gemonteerd op een softwaregestuurde drieassige gemotoriseerde trap, waardoor videosequenties snel over de nailfold kunnen worden vastgelegd. Uit deze videosequenties genereert aangepaste software hoogwaardige nailfold capillaire mozaïeken (Fig. 1) en maakt dan volledig geautomatiseerde metingen van capillaire structuur en stroom . De beeldresolutie is ∼1 µm / pixel.

USB capillaroscopie

deze techniek maakt gebruik van een in de handel verkrijgbaar, goedkoop consumentenapparaat. In deze studie gebruikten we een XCSOURCE TE389 gekocht via Amazon, hoewel veel soortgelijke apparaten zijn beschikbaar vanaf slechts $25. Ze bevatten een kleurencamerasensor vergelijkbaar met die in gewone webcams, en plastic optica met zoom/focus controles, waardoor hoge vergroting beeldvorming. De uiteindelijke beeldresolutie is ∼2-6µm / pixel.

geautomatiseerde beeldanalyse

we gebruikten een super-resolutiemethode om samengestelde beelden te genereren van de videogegevens van de USB-microscoop. Voor een kwantitatieve vergelijking tussen videocapillaroscopie en USB-microscopie hebben we ons gericht op de gemiddelde capillaire diameter (breedte), de enige maat die het beste onderscheid maakte tussen proefpersonen met en zonder SSc in onze vorige studie en de capillaire dichtheid (de maat waarmee reumatologen het meest vertrouwd zijn). Om deze (en andere) parameters te genereren, detecteert de software eerst elke distale rij capillair en schat de locatie van de apex. De gemiddelde breedte van elk capillair wordt berekend uit schattingen van de breedte op elk punt langs de capillaire weg tot een afstand van 100 µm van de top. Voor elk nailfold beeld werd de gemiddelde breedte berekend (Het gemiddelde van de individuele capillaire breedtes) en de capillaire dichtheid (het aantal capillaire toppen per millimeter, gemeten van de linker-meest naar de rechter-meeste capillairen). Voor elke deelnemer werden beide nailfold-niveau metingen (dat wil zeggen rechter en linker ringvinger) gemiddeld om deelnemer-niveau parameters te produceren.

statistische analyse

onze analyse omvatte een combinatie van kwalitatieve (beschrijvende) en kwantitatieve methoden. Voor een kwantitatieve vergelijking werd het gebied onder de receiver operating characteristic curve (ROC AZ) gebruikt om de scheiding tussen de SSC en gezonde controlegroepen te meten met behulp van geautomatiseerde metingen van gemiddelde breedte en capillaire dichtheid.

resultaten

toepassing van nieuwe software op de USB-images

Fig. 2 toont aan dat beelden van hoge kwaliteit kunnen worden gegenereerd met de USB-microscoop. Fig. 2a-c laat drie videoframes zien van hetzelfde gedeelte van een nailfold, vastgelegd met behulp van de USB-microscoop. Hoewel haarvaten zichtbaar zijn, zijn ze niet goed genoeg gedefinieerd om de morfologie te kunnen meten en in sommige frames zijn ze verduisterd, bijvoorbeeld door verblinding in Fig. 2C.Fig. 2d toont een × 4 super-resolutie reconstructie van hetzelfde gebied met behulp van 15 frames in totaal. Fig. 2e toont de reconstructie van het hele spijkerbed verkregen met behulp van de USB microscoop, en Fig. 2f de reconstructie van hetzelfde nagelbed met behulp van videocapillaroscopie. Groene stippen tonen capillairen gedetecteerd door de analysesoftware. Het nemen van videocapillaroscopie als ‘gouden standaard’, hoewel USB-resultaten niet perfect zijn (sommige toppen zijn niet gemarkeerd op het USB-beeld), zijn de meeste toppen geïdentificeerd, en met het blote oog de beeldkwaliteit (Fig. 2e) is zeer goed en zou gemakkelijk de kwalitatieve analyse die de huidige ‘hoeksteen’ van capillaroscopische analyse voor de meeste reumatologen.

vergelijking van patiënten met SSc en gezonde controles

gemiddelde breedte

gemiddelde breedte die automatisch werd gemeten in usb-microscoopbeelden van gezonde controles was 15,0 µm (95% CIs 12,5; 17,4), en bij patiënten met SSC 31,2 µm (95% BI 23,7; 38,6), met area under the receiver operator curve (ROC AZ) 0,81 (standaardfout 0,120). Met het videocapillaroscopiesysteem was de gemiddelde breedte bij gezonde controles 12,1 µm (95% BI 11,4; 12,9) en bij patiënten met SSc 19,0 µm (95% BI 16,1; 21,8), met area under the receiver operator curve (ROC AZ) 0,81 (standaardfout 0.095) (Aanvullende Fig. S1, beschikbaar bij Rheumatology online).

capillaire dichtheid

De gemiddelde dichtheid met behulp van de USB-microscoop in gezonde controles was 4,68/mm (95% BI 2,75; 6,61) en bij patiënten met SSc 3,78/mm (95% BI 2,71; 4,68), met area under the receiver operator curve (ROC AZ) 0,48 (standaardfout 0,16). Met het videocapillaroscopiesysteem was de gemiddelde dichtheid gezonde controles 6,43/mm (95% BI 5,19; 7,67), en bij patiënten met SSc 3,99/mm (95% BI 3,12; 4,87), met area under the receiver operator curve (ROC AZ) 0,70 (standaardfout 0,10) (aanvullende Fig. S1, beschikbaar bij Rheumatology online).

discussie

de belangrijkste bevindingen van onze studie zijn dat hoge kwaliteit nailfold capillaroscopie beelden kunnen worden verkregen met behulp van USB capillaroscopie, en dat (tenminste voor capillaire breedtemetingen) het vermogen om onderscheid te maken tussen patiënten met SSc en gezonde controles even goed is met behulp van USB capillaroscopie als met videocapillaroscopie. Er zijn dus implicaties voor zowel clinici als onderzoekers. Voor artsen is de boodschap dat het de moeite waard is om een goedkope USB-microscoop te kopen voor de dagelijkse klinische praktijk voor de beoordeling van patiënten met het fenomeen van Raynaud of met andere aanwijzingen voor een SSC-spectrum stoornis. Voor onderzoekers opent de mogelijkheid om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen voor kwantitatieve (objectieve) beoordeling van low-cost systemen het uitzicht op ‘grote’ capillaroscopie data. Grootschalige studies waarbij duizenden patiënten in verschillende klinische omgevingen zijn betrokken, lijken nu haalbaar omdat clinici van zowel secundaire als tertiaire reumatologische centra op verschillende continenten gemakkelijk toegang zouden kunnen hebben tot de benodigde apparatuur (een USB-microscoop). De nailfold capillaroscopische bevindingen zijn voorgesteld als zowel voorspellers als biomarkers van het SSC ziekteproces , en de grote prospectieve studies konden voorspellers van ziektevooruitgang en van behandelingsrespons met een graad van precisie onderzoeken die niet eerder mogelijk was. Geautomatiseerde beeldanalyse maakt het samenvoegen van beelden en gegevens uit grootschalige studies mogelijk.

de beperkingen van onze studie omvatten de kleine steekproefgrootte: dit was in feite een pilotstudie om proof-of-concept te onderzoeken en toekomstige studies zouden grotere patiëntenaantallen moeten omvatten, inclusief patiënten met diffuse cutane SSc. Ook moeten we de software voor beeldverwerving en-analyse nog optimaliseren met behulp van de USB-microscoop. De software werd ‘getraind’ op videocapillaroscopiebeelden, en het leren wordt niet perfect overgedragen op beelden die, hoewel van goede kwaliteit, iets andere kenmerken hebben. Dit is het meest voor de hand liggend voor vat detectie, waarbij de kwantitatieve vat dichtheid metingen, en kwalitatieve vergelijking( zie Fig. 2) Geef aan voor de USB-beelden de geautomatiseerde analyse miste een deel van de schepen gedetecteerd in de videocapillaroscopie beelden. Nochtans, waar haarvaten werden ontdekt, werden klinisch nuttige metingen van capillaire morfologie verkregen. In verder werk, kunnen de tekortkomingen in capillaire opsporing worden aangepakt door: (i) het verwerven van ruwe videodata bij hogere vergroting (zo ook lage kosten USB-microscopen met 2-3 keer hogere vergroting zijn nu beschikbaar); (ii) het verfijnen van de toepassing van de super-resolutietechniek op capillaire beelden; en (iii) het toepassen van overdracht het leren technieken om de geautomatiseerde analyse aan de specificiteiten van USB-microscopiegegevens te verfijnen. Bovendien konden bij de opzet van het onderzoek waarbij hulpmiddelen werden vergeleken slechts twee vingers per hulpmiddel worden onderzocht. Waar een USB-microscoop als enig apparaat in een capillaroscopieonderzoek wordt gebruikt, is er potentieel om meer vingers te analyseren, die de vorige studies suggereren kenmerkende nauwkeurigheid zou verbeteren .

onze studie was gericht op geautomatiseerde kwantitatieve analyse. Studies die kwalitatieve en semi-kwantitatve analyses vergelijken (bijvoorbeeld ‘vroege’, ‘actieve’ en ‘late’ sclerodermie patronen ) tussen USB microscopie en videocapillaroscopie zouden ook van belang zijn.Het lijkt verrassend dat er zo weinig onderzoek is gedaan naar goedkope capillaroscopiesystemen, ondanks de toenemende internationale belangstelling voor nailfold capillaroscopie. Uit een recente pilot survey onder 42 Amerikaanse artsen met een interesse in SSc bleek dat slechts 7% videocapillaroscopie gebruikte, vergeleken met 64% die een dermatoscoop of opthalmoscoop gebruikte, wat erop wijst dat in ieder geval in de Verenigde Staten de voorkeur van SSC-specialisten uitgaat naar goedkopere handbediende systemen (USB-microscopie werd niet genoemd). Omgekeerd, in een onderzoek van 88 (voornamelijk Europese) volwassen reumatologen , 90.9% vond dat hun kennis van videocapillaroscopie goed of bevredigend was, terwijl minder dan 40% hetzelfde vond voor USB-microscopie. Daarom verschilt de klinische praktijk, althans in gespecialiseerde centra, momenteel van land tot land.

we zijn niet op de hoogte van eerdere rapporten die USB-microscopie vergelijken met videocapillaroscopie, hoewel in 2012 Bhakuni et al. benadrukte het potentieel van USB-microscopie om nailfold capillairen te onderzoeken in een studie met 42 patiënten met SSc en 42 controlepersonen. Zoals eerder vermeld, is dermoscopie vergeleken met videocapillaroscopie. Dermoscopie (vergelijkbaar met USB microscopie) is hand-held en daarom gemakkelijk draagbaar, maar vereist een bijgevoegde camera voor beeldopname en is duurder (in de Orde van $1000–$2000) dan een USB microcope. Een recente studie waarbij nailfold capillaire foto ’s genomen met een’ smartphone lens ‘en met een’ smartphone dermatoscoop ‘ werden vergeleken met Widefield microscopie, wees op het potentieel van goedkope, draagbare apparaten voor gebruik in de routine klinische praktijk.Tot slot wijzen onze bevindingen erop dat USB-capillaroscopie een veelbelovende, goedkope techniek is die de weg zou kunnen zijn om het potentieel van nailfold-capillaroscopie als diagnostisch en onderzoeksinstrument te maximaliseren. De volgende stappen zijn om het bewustzijn van de techniek onder reumatologen te verhogen en om geautomatiseerde analyse te verfijnen niet alleen om diagnostische nauwkeurigheid te verbeteren, maar om de weg te effenen voor grootschalig capillaroscopieonderzoek.

Dankbetuigingen

Wij zijn Joanne Manning dankbaar voor de technische ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door het NIHR Manchester Biomedical Research Centre.

financiering: dit werk werd ondersteund door MRC grant MC_PC_15038 ‘MRC Confidence in Concept 2015 – the University of Manchester’.

verklaring inzake openbaarmaking: de auteurs hebben geen belangenconflicten verklaard.

gegevensbeschikbaarheidsverklaring

de gegevens die aan dit artikel ten grondslag liggen, zullen op redelijk verzoek aan de corresponderende auteur worden gedeeld.

aanvullende gegevens

aanvullende gegevens zijn beschikbaar op Rheumatology online.