porównanie taniej kapilaroskopii NAILFOLD USB i videocapillaroskopią: badanie pilotażowe

Streszczenie

wprowadzenie

powszechnie wiadomo, że u pacjentów ze zjawiskiem Raynauda nieprawidłowe nailfold Capillar są „czerwoną flagą” i niezależnym czynnikiem ryzyka progresji do SSc . Jest to potwierdzone w kryteriach klasyfikacji ACR/EULAR 2013 dla SSc: nieprawidłowe nailfold capillaries są jednym z kryteriów. Dlatego wszyscy reumatolodzy odpowiedzialni za ocenę pacjentów ze zjawiskiem Raynauda i/lub diagnozowanie zaburzeń ze spektrum SSc powinni mieć dostęp do kapilaroskopii nailfold. W przeciwnym razie można pominąć diagnozę SSc, co uniemożliwia pacjentom dostęp do wczesnej interwencji w celu zapobiegania rozwojowi bolesnych owrzodzeń palców, krytycznego niedokrwienia palców i potencjalnie zagrażającego życiu zajęcia narządów wewnętrznych. Jednak obecnie większość reumatologów nie włącza kapilaroskopii nailfold do swojej codziennej praktyki klinicznej, ponieważ systemy kapilaroskopii nie są powszechnie dostępne, a uzyskane obrazy mogą być trudne do zinterpretowania.

można użyć kilku różnych technik do wizualizacji naczyń włosowatych z fałdą paznokci . Złotą techniką standardową jest videocapillaroskopia (i jest to ta, z którą najbardziej znają europejscy reumatolodzy zainteresowani SSc), ale wymaga to drogiego sprzętu i jest mało prawdopodobne, że jego zastosowanie stanie się powszechne wśród ogólnych reumatologów. Tanie mikroskopy ręczne mogą również wizualizować nailfold kapilary; na przykład, dermoskopia porównuje korzystnie do videocapillaroskopii nailfold .

mikroskopia Universal serial bus (USB)—przy użyciu mikroskopu cyfrowego podłączonego do komputera lub tabletu za pomocą standardowego kabla USB do nagrywania powiększonych obrazów wideo—może być odpowiedzią na zapewnienie wszystkim reumatologom łatwego w użyciu, taniego, ręcznego narzędzia do badania naczyń włosowatych z gwoździami. Jednak doświadczenie z kapilaroskopią USB jest ograniczone, nie ma wcześniejszych badań porównujących ją z innymi systemami kapilaroskopii. Celem tego pilotażowego badania było zbadanie możliwości pozyskania i analizy obrazów za pomocą mikroskopu USB oraz porównanie wyników uzyskanych z obrazami z wideokapillaroskopii. Udane przechwytywanie i analiza ilościowa obrazów kapilarnych z paznokci za pomocą mikroskopu USB może przynieść ilościowe (obiektywne) obrazowanie kapilarne z paznokci w zasięgu kliniki reumatologii ogólnej.

pacjenci i metody

pacjenci

do badania zakwalifikowano dwudziestu pacjentów z ograniczoną skórną SSc (17 kobiet, trzech mężczyzn, mediana wieku 63 lata, zakres 44-75, mediana czasu trwania zjawiska Raynauda 21 lat, zakres 4-42, mediana czasu trwania choroby od wystąpienia pierwszego objawu nie będącego objawem Raynauda 15 lat, zakres 3-37) i 20 zdrowych grup kontrolnych, z których żaden miał Raynauda (15 kobiet, 5 mężczyzn, mediana wieku 52 lat, zakres 25-60 lat). Wszyscy uczestnicy wzięli udział w jednej wizycie, podczas której kapilaroskopia paznokciowa była wykonywana zarówno przy użyciu wideokapilaroskopii, jak i mikroskopii USB (patrz poniżej) przez jednego technika. Wszyscy zostali poproszeni o powstrzymanie się od palenia tytoniu i napojów zawierających kofeinę na cztery godziny przed wizytą studyjną. Badanie zostało zatwierdzone przez West of Scotland Research Ethics Service, a wszyscy pacjenci wyrazili świadomą pisemną zgodę.

metody

wszyscy badani przeszli 20-minutową aklimatyzację w temperaturze 23°C w pomieszczeniu kontrolowanym temperaturą i wilgotnością. Kapilaroskopię Nailfold wykonano z lewego i prawego palca serdecznego, używając (rys. 1): (i) precyzyjny, niestandardowy system videocapillaroskopii, traktowany jako „złoty standard”; (ii) tani, ręczny mikroskop USB. Technik obrazowania nie był zaślepiony stanem choroby, ale przestrzegano ściśle znormalizowanego protokołu obrazowania.

Videocapillaroskopia

zastosowany system został szczegółowo opisany w innym miejscu . W skrócie, system kamer i obiektywów o wysokiej szybkości klatek (120 klatek na sekundę) jest zamontowany na sterowanym programowo trójosiowym, zmotoryzowanym etapie, umożliwiając szybkie przechwytywanie sekwencji wideo w poprzek gwoździ. Z tych sekwencji wideo niestandardowe oprogramowanie generuje wysokiej jakości mozaiki kapilarne z gwoździami (rys. 1), a następnie wykonuje w pełni zautomatyzowane pomiary struktury kapilarnej i przepływu . Rozdzielczość obrazu wynosi ∼1 µm / piksel.

kapilaroskopia USB

ta technika wykorzystuje dostępne na rynku, tanie urządzenie konsumenckie. W tym badaniu użyliśmy XCSOURCE TE389 zakupionego przez Amazon, chociaż wiele podobnych urządzeń jest dostępnych już od $ 25. Zawierają one kolorowy czujnik kamery podobny do tych spotykanych w popularnych kamerach internetowych oraz plastikową optykę z funkcją zoom/focus, umożliwiającą obrazowanie o dużym powiększeniu. Ostateczna rozdzielczość obrazu wynosi ∼2–6µm / piksel.

Automatyczna analiza obrazu

wykorzystaliśmy metodę superrozdzielczości do generowania złożonych obrazów z danych wideo z mikroskopu USB. W celu ilościowego porównania wideokapilaroskopii i mikroskopii USB skupiliśmy się na średniej średnicy kapilary (szerokości), która była pojedynczym miernikiem, który najlepiej rozróżniał osoby z SSc i bez SSc w naszym poprzednim badaniu i gęstości kapilarnej (miara, z którą reumatolodzy są najbardziej zaznajomieni). Aby wygenerować te (i inne) parametry, oprogramowanie najpierw wykrywa kapilarę dystalnego rzędu i szacuje położenie jej wierzchołka. Średnia szerokość każdej kapilary jest obliczana na podstawie szacunków szerokości w każdym punkcie wzdłuż ścieżki kapilarnej do odległości 100 µm od wierzchołka. Dla każdego obrazu z fałdą paznokci obliczono średnią szerokość (średnią poszczególnych szerokości naczyń włosowatych) i gęstość naczyń włosowatych (liczbę wierzchołków kapilarnych na milimetr, mierzoną od najbardziej lewej do najbardziej prawej kapilary). Dla każdego uczestnika uśredniono oba pomiary na poziomie gwoździ (tj. prawy i lewy palec serdeczny), aby uzyskać parametry na poziomie uczestnika.

analiza statystyczna

nasza analiza obejmowała połączenie metod jakościowych (opisowych) i ilościowych. Dla porównania ilościowego obszar pod krzywą charakterystyki operacyjnej odbiornika (ROC AZ) został wykorzystany do pomiaru separacji między SSc a zdrowymi grupami kontrolnymi za pomocą automatycznych pomiarów średniej szerokości i gęstości kapilarnej.

wyniki

zastosowanie nowego oprogramowania do obrazów USB

rys. 2 pokazuje, że wysokiej jakości obrazy mogą być generowane z mikroskopu USB. Fig. 2a – C pokazuje trzy klatki wideo z tej samej sekcji gwoździa, zarejestrowane za pomocą mikroskopu USB. Chociaż naczynia włosowate są widoczne, nie są one wystarczająco dobrze zdefiniowane, aby umożliwić pomiar morfologii, a w niektórych kadrach są zasłonięte, na przykład przez olśnienie na Fig. 2C.rys. 2d pokazuje rekonstrukcję tego samego regionu w superrozdzielczości ×4 przy użyciu łącznie 15 klatek. Fig. 2e przedstawia rekonstrukcję całego łoża gwoździ uzyskaną za pomocą mikroskopu USB, rys. 2F rekonstrukcja tej samej gwoździarki za pomocą wideokapilaroskopii. Zielone kropki pokazują naczynia włosowate wykryte przez oprogramowanie do analizy. Biorąc videocapillaroskopię jako „złoty standard”, chociaż wyniki USB nie są doskonałe (niektóre apices nie zostały oznaczone na obrazie USB), większość apices zostały zidentyfikowane, a gołym okiem jakość obrazu (rys. 2e) jest bardzo dobry i z łatwością pozwoliłby na analizę jakościową, która jest obecnie „podstawą” analizy kapilaroskopowej dla większości reumatologów.

porównanie pacjentów z SSc i zdrowymi grupami kontrolnymi

średnia szerokość

średnia szerokość mierzona automatycznie w obrazach mikroskopowych USB z zdrowych grup kontrolnych wynosiła 15,0 µm (95% CIs 12,5, 17,4), a u pacjentów z SSc 31,2 µm (95% CI 23,7, 38,6), z obszarem pod krzywą operatora odbiornika (ROC AZ) 0,81 (błąd standardowy 0,120). W przypadku systemu videocapillaroscopy średnia szerokość u zdrowych kontrolek wynosiła 12,1 µm (95% CI 11,4, 12,9), a u pacjentów z SSc 19,0 µm (95% CI 16,1, 21,8), z obszarem pod krzywą operatora odbiornika (ROC AZ) 0,81 (błąd standardowy 0.095) (Dodatkowe Rys. S1, dostępny w Reumatologii online).

gęstość kapilarna

średnia gęstość przy użyciu mikroskopu USB w zdrowych kontrolach wynosiła 4,68/mm (95% CI 2,75; 6,61), a u pacjentów z SSc 3,78/mm (95% CI 2,71; 4,68), z obszarem pod krzywą operatora odbiornika (ROC AZ) 0,48 (błąd standardowy 0,16). W przypadku systemu videocapillaroscopy średnia gęstość zdrowych kontroli wynosiła 6,43 / mm (95% CI 5,19, 7,67), a u pacjentów z SSc 3,99 / mm (95% CI 3,12, 4,87), z obszarem pod krzywą operatora odbiornika (ROC AZ) 0,70 (błąd standardowy 0,10) (dodatkowe rys. S1, dostępny w Reumatologii online).

dyskusja

kluczowe wnioski z naszego badania są takie, że wysokiej jakości obrazy kapilaroskopii z fałdkami paznokci można uzyskać za pomocą kapilaroskopii USB i że (przynajmniej w przypadku pomiarów szerokości naczyń włosowatych) zdolność do rozróżniania między pacjentami z SSc i zdrowymi kontrolami jest tak dobra przy użyciu kapilaroskopii USB, jak w przypadku wideokapilaroskopii. Tak więc istnieją implikacje zarówno dla klinicystów, jak i dla naukowców. Dla klinicystów przesłanie jest takie, że warto kupić tani mikroskop USB do codziennej praktyki klinicznej do oceny pacjentów ze zjawiskiem Raynauda lub innymi wskaźnikami zaburzenia ze spektrum SSc. Dla badaczy możliwość uzyskania wysokiej jakości obrazów do ilościowej (obiektywnej) oceny z tanich systemów otwiera perspektywę „dużych” danych kapilaroskopowych. Badania na dużą skalę z udziałem tysięcy pacjentów obserwowanych w różnych warunkach klinicznych wydają się teraz osiągalne, ponieważ klinicyści zarówno z drugorzędnych, jak i trzeciorzędowych ośrodków reumatologicznych na różnych kontynentach mogą mieć łatwy dostęp do niezbędnego sprzętu (mikroskopu USB). Wyniki kapilaroskopowe Nailfold zostały zasugerowane jako zarówno predyktory, jak i biomarkery procesu chorobowego SSc , a Duże prospektywne badania mogłyby badać predyktory progresji choroby i odpowiedzi na leczenie z dokładnością, która wcześniej nie była możliwa. Zautomatyzowana analiza obrazów umożliwia łączenie obrazów i danych z badań na dużą skalę.

ograniczenia naszego badania obejmują niewielką wielkość próby: było to bardzo pilotażowe badanie mające na celu zbadanie proof-of-concept, a przyszłe badania powinny obejmować większą liczbę pacjentów, w tym pacjentów z rozproszonym SSc skóry. Ponadto musimy jeszcze zoptymalizować oprogramowanie do akwizycji i analizy obrazu za pomocą mikroskopu USB. Oprogramowanie zostało „przeszkolone”na obrazach videocapillaroskopii, a nauka nie przenosi się idealnie na obrazy, które, choć dobrej jakości, mają nieco inne cechy. Jest to najbardziej oczywiste w przypadku wykrywania statków, gdzie ilościowe pomiary gęstości statków i porównanie jakościowe(patrz Rys. 2) wskazać dla obrazów USB automatycznej analizy pominięto część naczyń wykrytych w obrazach videocapillaroskopii. Jednak w przypadku wykrycia naczyń włosowatych uzyskano klinicznie użyteczne pomiary morfologii naczyń włosowatych. W dalszych pracach niedociągnięcia w wykrywaniu kapilarnym można rozwiązać poprzez: (i) pozyskiwanie surowych danych wideo przy większym powiększeniu (podobnie tanie mikroskopy USB o 2-3-krotnym powiększeniu są obecnie dostępne); (ii) udoskonalenie zastosowania techniki superrozdzielczości do obrazów kapilarnych; oraz (iii) zastosowanie technik uczenia transferowego w celu udoskonalenia automatycznej analizy do specyfiki danych z mikroskopii USB. Ponadto projekt badania porównujący urządzenia pozwalał na zbadanie tylko dwóch palców na urządzenie. W przypadku, gdy mikroskop USB jest używany jako jedyne urządzenie w badaniu kapilaroskopowym, istnieje możliwość analizy większej liczby palców, co wcześniejsze badania sugerują, że poprawiłoby dokładność diagnostyczną .

nasze badania skupiły się na zautomatyzowanej, ilościowej analizie. Interesujące byłyby również badania porównujące analizy jakościowe i półilościowe (np. „wczesne”, „aktywne” i „późne” twardziny ) pomiędzy mikroskopią USB a wideokapilaroskopią.

wydaje się zaskakujące, że tak mało jest badań nad tanimi systemami kapilaroskopii, pomimo rosnącego zainteresowania kapilaroskopią nailfold na całym świecie. Niedawne badanie pilotażowe przeprowadzone wśród 42 amerykańskich klinicystów zainteresowanych SSc wykazało, że tylko 7% korzystało z wideokapilaroskopii w porównaniu z 64%, którzy korzystali z dermatoskopu lub optalmoskopu, co sugeruje, że przynajmniej w Stanach Zjednoczonych specjaliści SSc preferują tańsze systemy ręczne (nie wspomniano o mikroskopii USB). Odwrotnie, w badaniu 88 (głównie europejskich) dorosłych reumatologów, 90.9% uznało, że ich znajomość wideokapilaroskopii była dobra lub zadowalająca, podczas gdy mniej niż 40% uważało podobnie w przypadku mikroskopii USB. Dlatego praktyka kliniczna, przynajmniej w specjalistycznych ośrodkach, różni się obecnie w poszczególnych krajach.

nie znamy wcześniejszych doniesień porównujących mikroskopię USB do wideokapilaroskopii, chociaż w 2012 Bhakuni et al. w badaniu z udziałem 42 pacjentów z SSc i 42 osób z grupy kontrolnej podkreślono potencjał mikroskopii USB do badania naczyń włosowatych z fałdami paznokciowymi. Jak wspomniano wcześniej, dermoskopia została porównana z wideokapillaroskopią. Dermoskopia (podobnie jak mikroskopia USB) jest ręczna, a zatem łatwo przenośna, ale wymaga dołączonej kamery do przechwytywania obrazu i jest droższa (rzędu 1000-2000 USD) niż mikroskop USB. Niedawne badanie porównujące zdjęcia kapilarne wykonane za pomocą „obiektywu smartfona” i „dermatoskopu smartfona” z mikroskopem szerokokątnym uwypukliło potencjał tanich, przenośnych urządzeń do stosowania w rutynowej praktyce klinicznej.

podsumowując, nasze wyniki wskazują, że kapilaroskopia USB jest wysoce obiecującą, tanią techniką, która może być krokiem naprzód w celu maksymalizacji potencjału kapilaroskopii z gwoździami jako narzędzia diagnostycznego i badawczego. Kolejne kroki to podniesienie świadomości na temat tej techniki wśród reumatologów i udoskonalenie automatycznej analizy nie tylko w celu poprawy dokładności diagnostycznej, ale także utorowania drogi dla badań kapilaroskopowych na dużą skalę.

podziękowania

jesteśmy wdzięczni Joanne Manning za wsparcie techniczne. Prace te były wspierane przez NIHR Manchester Biomedical Research Centre.

finansowanie: praca ta była wspierana przez grant MRC MC_PC_15038 „MRC Confidence in Concept 2015-the University of Manchester”.

Oświadczenie o ujawnieniu informacji: autorzy nie zadeklarowali żadnych konfliktów interesów.

Oświadczenie o dostępności danych

dane leżące u podstaw tego artykułu będą udostępniane na uzasadnione żądanie odpowiedniego autora.

dane uzupełniające

dane uzupełniające dostępne są na stronie internetowej Reumatologii.