jämförelse mellan låg kostnad USB nailfold capillaroscopy och videocapillaroscopy: en pilotstudie

Abstrakt

Inledning

det är nu välkänt att hos patienten som presenterar Raynauds fenomen är onormala nagelveckkapillärer en ’röd flagga’ och oberoende riskfaktor för progression till SSc . Detta erkänns i ACR / EULAR 2013 klassificeringskriterier för SSc : onormala nagelveckkapillärer är ett av kriterierna. Det anstår därför alla reumatologer som ansvarar för att bedöma patienter med Raynauds fenomen och/eller diagnostisera SSC-spektrumstörningar för att få tillgång till nailfold capillaroscopy. Annars kan en diagnos av SSc missas, vilket nekar patienter tillgång till tidigt ingripande för att förhindra utveckling av smärtsamma digitala sår, kritisk digital ischemi och potentiellt livshotande inre organ involvering. Men för närvarande införlivar majoriteten av reumatologerna inte nailfold capillaroscopy i sin dagliga kliniska praxis, eftersom capillaroscopy-system inte är allmänt tillgängliga, och bilderna som en gång erhållits kan vara svåra att tolka.

flera olika tekniker kan användas för att visualisera nailfold kapillärerna . Guldstandardtekniken är videokapillaroskopi (och är den som Europeiska reumatologer med intresse för SSc är mest kända ), men detta kräver dyr utrustning och det är osannolikt att dess användning kommer att bli utbredd bland allmänna reumatologer. Billiga handhållna Mikroskop kan också visualisera nailfold kapillärer; till exempel, dermoscopy jämförs positivt med nailfold videocapillaroscopy .

Universal serial bus (USB) mikroskopi—med hjälp av ett digitalt mikroskop anslutet till en dator eller surfplatta via en vanlig USB—kabel för att spela in förstorade videobilder-kan vara svaret på att ge alla reumatologer ett lättanvänt, billigt, handhållet verktyg för att undersöka nagelfoldkapillärerna. Ändå är erfarenheten av USB capillaroscopy begränsad, utan tidigare studier som jämför det med andra capillaroscopy-system. Syftet med denna pilotstudie var att undersöka möjligheten att förvärva och analysera bilder med hjälp av USB-mikroskopet och att jämföra resultat som erhållits med dem från videokapillaroskopibilder. Framgångsrik fångst och kvantitativ analys av nailfold kapillärbilder från ett USB-mikroskop kan ge kvantitativ (objektiv) nailfold kapillär avbildning inom räckhåll för general rheumatology clinic.

patienter och metoder

patienter

tjugo patienter med begränsad kutan SSc rekryterades till studien (17 kvinnor, tre män, medianålder 63 år, intervall 44-75, medianvaraktighet för Raynauds fenomen 21 år, intervall 4-42, median sjukdomvaraktighet sedan början av första icke-Raynauds manifestation 15 år, intervall 3-37) och 20 friska kontroller, varav ingen hade Raynauds (15 kvinnor, fem män, medianålder 52 år, intervall 25-60). Alla ämnen deltog i ett besök när nailfold capillaroscopy utfördes med både videokapillaroskopi och USB-mikroskopi (se nedan) av en enda tekniker. Alla ombads att avstå från att röka och från koffeinhaltiga drycker i fyra timmar före studiebesöket. Studien godkändes av West of Scotland Research Ethics Service och alla patienter gav informerat skriftligt samtycke.

metoder

alla försökspersoner genomgick en 20-min-period av acklimatisering vid 23 kcal C i ett temperatur-och fuktighetskontrollerat rum. Nailfold capillaroscopy utfördes av vänster och höger ring fingrar, med användning (Fig. 1): (i) hög precision, specialbyggda, videocapillaroscopy system, tas som ’Gold standard’; (ii) en låg kostnad, handhållen USB-mikroskop. Bildteknikern var inte blind för försökspersonernas sjukdomsstatus, men ett strikt standardiserat bildprotokoll följdes.

Videocapillaroscopy

det använda systemet har beskrivits i detalj någon annanstans . Kort sagt, en hög bildhastighet (120 bilder per sekund) kamera och linssystem är monterade på ett mjukvarustyrt treaxligt motoriserat steg, vilket möjliggör snabb inspelning av videosekvenser över spikfold. Från dessa videosekvenser genererar anpassad programvara högkvalitativa nailfold kapillärmosaik (Fig. 1) och gör sedan helautomatiska mätningar av kapillärstruktur och flöde . Bildupplösning är 1 megapixelm/pixel.

USB capillaroscopy

denna teknik använder en kommersiellt tillgänglig, billig konsumentenhet. I denna studie använde vi en XCSOURCE TE389 köpt via Amazon, även om många liknande enheter är tillgängliga från så lite som $25. De innehåller en färgkamerasensor som liknar dem som finns i vanliga webbkameror och plastoptik med zoom/fokus kontroller, vilket möjliggör hög förstoring avbildning. Den slutliga bildupplösningen är 2-6 2-6 xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx.

automatiserad bildanalys

vi använde en superupplösningsmetod för att generera kompositbilder från USB-mikroskopvideodata. För kvantitativ jämförelse mellan videokapillaroskopi och USB-mikroskopi fokuserade vi på Genomsnittlig kapillärdiameter (bredd) som var det enda måttet som bäst diskriminerade mellan ämnen med och utan SSc i vår tidigare studie och kapillärdensitet (det mått som reumatologer är mest bekanta med). För att generera dessa (och andra) parametrar upptäcker programvaran först varje distal radkapillär och uppskattar platsen för dess topp. Den genomsnittliga bredden på varje kapillär beräknas från uppskattningar av bredden vid varje punkt längs kapillärbanan upp till ett avstånd av 100 micrm från toppen. För varje nagelfalsbild beräknades medelbredden (medelvärdet för de enskilda kapillärbredderna) och kapillärtätheten (antalet kapillär apices per millimeter, mätt från vänster till höger mest kapillärer). För varje deltagare var båda nailfoldnivåmätningarna (dvs. höger och vänster ringfinger) i genomsnitt för att producera parametrar på deltagarnivå.

statistisk analys

vår analys omfattade en kombination av kvalitativa (beskrivande) och kvantitativa metoder. För en kvantitativ jämförelse användes området under mottagarens rörelsekarakteristikkurva (ROC AZ) för att mäta separationen mellan SSc och friska kontrollgrupper med hjälp av automatiserade mätningar av medelbredd och kapillärdensitet.

resultat

tillämpning av ny programvara på USB-bilderna

Fig. 2 visar att högkvalitativa bilder kan genereras från USB-mikroskopet. Fig. 2a-c visar tre videoramar av samma sektion av en nagelfold, fångad med USB-mikroskopet. Även kapillärer är synliga, de är inte tillräckligt väl definierade för att möjliggöra mätning av morfologi och i vissa ramar de skyms, exempelvis genom bländning i Fig. 2C.Fig. 2D visar en rekonstruktion av superupplösning i 2-4 i samma region med 15 bilder totalt. Fig. 2e visar rekonstruktionen av hela spikbädden som erhållits med hjälp av USB-mikroskopet och Fig. 2OM rekonstruktionen av samma spikbädd med hjälp av videokapillaroskopi. Gröna prickar visar kapillärer som upptäckts av analysprogramvaran. Med videokapillaroskopi som ’guldstandard’, även om USB-resultaten inte är perfekta (vissa API: er har inte markerats på USB-bilden), har majoriteten av API: erna identifierats och för blotta ögat bildkvaliteten (Fig. 2e) är mycket bra och skulle lätt tillåta den kvalitativa analysen som är den nuvarande hörnstenen i kapillaroskopisk analys för de flesta reumatologer.

jämförelse av patienter med SSC och friska kontroller

medelbredd

medelbredd uppmätt automatiskt i USB-mikroskopbilder från friska kontroller var 15,0 occurm (95% CIs 12,5, 17,4) och hos patienter med SSC 31,2 occurm (95% CI 23,7, 38,6), med area under receiver operator curve (ROC AZ) 0,81 (standardfel 0,120). Med videocapillaroscopy-systemet var medelbredden i friska kontroller 12,1 occurm (95% CI 11,4, 12,9) och hos patienter med SSc 19,0 occurm (95% CI 16,1, 21,8), med arean under mottagaroperatörskurvan (ROC AZ) 0,81 (standardfel 0.095) (Kompletterande Fig. S1, tillgänglig på Rheumatology online).

Kapillärtäthet

medeltäthet med hjälp av USB-mikroskopet i friska kontroller var 4,68/mm (95% CI 2,75, 6,61) och hos patienter med SSc 3,78 / mm (95% CI 2,71, 4,68), med område under mottagaroperatörskurvan (ROC AZ) 0,48 (standardfel 0,16). Med videocapillaroscopy-systemet var medeltätheten friska kontroller 6,43 / mm (95% CI 5,19, 7,67) och hos patienter med SSc 3,99/mm (95% CI 3,12, 4,87), med område under mottagaroperatörskurvan (ROC AZ) 0,70 (standardfel 0,10) (kompletterande Fig. S1, tillgänglig på Rheumatology online).

diskussion

de viktigaste resultaten från vår studie är att högkvalitativa nailfold capillaroscopy-bilder kan erhållas med hjälp av USB capillaroscopy, och att (åtminstone för kapillärbreddmätningar) förmågan att diskriminera mellan patienter med SSc och friska kontroller är lika bra med USB capillaroscopy som med videokapillaroskopi. Således finns det konsekvenser för både kliniker och för forskare. För kliniker är meddelandet att det är väl värt att köpa ett billigt USB-mikroskop för daglig klinisk praxis för bedömning av patienter som presenterar Raynauds fenomen eller med andra pekare till en SSc-spektrumstörning. För forskare öppnar möjligheten att få högkvalitativa bilder för kvantitativ (objektiv) bedömning från lågkostnadssystem vista för ’stora’ kapillaroskopidata. Storskaliga studier som involverar tusentals patienter som ses i olika kliniska miljöer verkar nu uppnåeliga eftersom kliniker från både sekundära och tertiära reumatologiska centra över olika kontinenter alla kan ha enkel tillgång till nödvändig utrustning (ett USB-mikroskop). Nailfold capillaroscopic fynd har föreslagits som både prediktorer och biomarkörer för SSC-sjukdomsprocessen , och stora prospektiva studier kunde undersöka prediktorer för sjukdomsprogression och behandlingssvar med en grad av precision som inte tidigare varit möjlig. Automatiserad bildanalys gör det möjligt att samla bilder och data från storskaliga studier.

begränsningarna i vår studie inkluderar dess lilla provstorlek: detta var väldigt mycket en pilotstudie för att undersöka proof-of-concept och framtida studier bör inkludera större patientnummer inklusive de med diffus kutan SSc. Dessutom har vi ännu inte optimerat programvaran för bildförvärv och analys med hjälp av USB-mikroskopet. Programvaran ’tränades’ på videocapillaroscopy-bilder, och lärandet överförs inte perfekt till bilder som, även om de är av god kvalitet, har något olika egenskaper. Detta är mest uppenbart för fartygsdetektering, där de kvantitativa fartygsdensitetsmätningarna och kvalitativ jämförelse (Se Fig. 2) Ange för USB-bilderna den automatiska analysen missade en andel fartyg som detekterades i videokapillaroskopibilderna. Men där kapillärer detekterades erhölls kliniskt användbara mått på kapillärmorfologi. I det fortsatta arbetet kan brister i kapillärdetektering åtgärdas genom att: (i) förvärva raw-videodata vid högre förstoring (på liknande sätt billiga USB-mikroskop med 2-3 gånger högre förstoring är nu tillgängliga); (ii) förfina tillämpningen av superupplösningstekniken till kapillärbilder; och (iii) tillämpa överföringsinlärningstekniker för att förfina den automatiserade analysen till specifikationerna för USB-mikroskopidata. Dessutom tillät studiedesignen att jämföra enheter endast två fingrar per enhet att undersökas. Där ett USB-mikroskop används som den enda enheten i en capillaroscopy-undersökning, finns det potential att analysera fler fingrar, vilket tidigare studier tyder på skulle förbättra diagnostisk noggrannhet .

vår studie fokuserade på automatiserad, kvantitativ analys. Studier som jämför kvalitativa och semi-quantitatve analyser (t.ex. ’tidiga’, ’aktiva’ och ’sena’ sklerodermi mönster ) mellan USB-mikroskopi och videokapillaroskopi skulle också vara av intresse.

det verkar förvånande att det har gjorts så lite forskning om billiga kapillaroskopi sytems, trots det ökande intresset för nailfold capillaroscopy internationellt. En nyligen genomförd pilotundersökning av 42 amerikanska kliniker med intresse för SSc fann att endast 7% använde videokapillaroskopi jämfört med 64% som använde antingen ett dermatoskop eller oftalmoskop, vilket tyder på att SSC-specialisternas preferens åtminstone i USA är för handhållna system med lägre kostnad (USB-mikroskopi nämndes inte). Omvänt, i en undersökning av 88 (främst Europeiska) vuxna reumatologer , 90.9% kände att deras kunskap om videokapillaroskopi var antingen bra eller tillfredsställande, medan färre än 40% kände på samma sätt för USB-mikroskopi. Därför skiljer sig klinisk praxis, åtminstone i specialistcentra, för närvarande mellan länder.

vi är inte medvetna om tidigare rapporter som jämför USB-mikroskopi med videokapillaroskopi, även om Bhakuni et al 2012. markerade potentialen för USB-mikroskopi för att undersöka nagelveckkapillärer i en studie inklusive 42 patienter med SSc och 42 kontrollpersoner. Som tidigare nämnts har dermoskopi jämförts med videokapillaroskopi. Dermoskopi (på samma sätt som USB-mikroskopi) är handhållen och därför lätt bärbar, men kräver en ansluten kamera för bildinspelning och är dyrare (i storleksordningen $1000-$2000) än ett USB–mikrokope. En färsk studie som jämför nailfold kapillär fotografier tagna med en’ smartphone lins ’och med en’ smartphone dermatoskop ’ till widefield mikroskopi belyste potentialen av låg kostnad, bärbara enheter för användning i rutinmässig klinisk praxis.

Sammanfattningsvis visar våra resultat att USB capillaroscopy är en mycket lovande, billig teknik som mycket väl kan vara vägen framåt för att maximera potentialen för nailfold capillaroscopy som ett diagnostiskt och forskningsverktyg. Nästa steg är att öka medvetenheten om tekniken bland reumatologer och att förfina automatiserad analys inte bara för att förbättra diagnostisk noggrannhet utan för att bana väg för storskalig kapillaroskopiforskning.

bekräftelser

vi är tacksamma för Joanne Manning för teknisk support. Detta arbete stöddes av NIHR Manchester Biomedical Research Center.

finansiering: detta arbete stöddes av MRC grant MC_PC_15038 ’MRC förtroende för konceptet 2015-University of Manchester’.

Disclosure statement: författarna har förklarat inga intressekonflikter.

datatillgänglighet uttalande

de data som ligger till grund för denna artikel kommer att delas på rimlig begäran till motsvarande författare.

kompletterande data

kompletterande data finns tillgängliga på Rheumatology online.