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Hyperspektrale (HSI) oximetrische Bildgebung zur Überwachung von Verbrennungen und der frühen Prognose der Verbrennungstiefe

MSI und HSI sind Verfahren, die Bildgebung mit spektroskopischen Verfahren kombinieren. Viele Arbeiten zur Beurteilung von Verbrennungen wurden von der Gruppe von Sowa et al. mit einem multispektralen NIR-Imaging-Gerät erstellt. Nachfolgend einige Zitate zu ihrer Arbeit:

„Die Bilder der Sauerstoffsättigung liefern Informationen über räumlich verbundene hämodynamische Veränderungen, die bei thermischen Schäden auftreten. Es hat sich gezeigt, dass die tiefenabhängige Spektroskopie die Sauerstoffsättigung und Blutvolumenänderungen tief im thermisch verletzten Gewebe bestimmen kann. Klinischem Personal kann die NIR-Spektroskopie ein nützliches Instrument für die Beurteilung und Bewertung von Verbrennungen bieten.“ [1–4]

Eine weitere Gruppe, die die MSI—Technologie nutzte, kam zu vergleichbaren Ergebnissen:

„Die Analyse von Spektralbildern zeigt, dass MSI deutliche Variationen in den Spektralprofilen von gesundem Gewebe, oberflächlichen Verbrennungen und tiefen Verbrennungen erkennt. Die Möglichkeit, zwischen Verbrennungen unterschiedlicher Schwere zu unterscheiden, um festzustellen, ob ein Patient operiert werden muss, könnte in der klinischen Umgebung mit einem MSI-Gerät verbessert werden.“   [5]

Eine Studie mit einem HSI-System wurde von der Gruppe von Randeberg et al. veröffentlicht:

„ Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine spektral-räumliche Klassifikation, die für hyperspektrale Bilder eingesetzt wird, Verbrennungen unterschiedlichen Schweregrades unterscheiden kann.“ [6]

Eine zweite Studie wurde von der Gruppe von Lalikos et al. veröffentlicht.

„Ergebnis: Drei Stufen der Verbrennungstiefe wurden histologisch verifiziert: mittlere Dermis (ID, 2a. Grad), tiefe Dermis (DD, 2b. Grad) und gesamte Dermis (3. Grad). 24 Stunden nach der Verletzung stieg das Gesamthämoglobin (tHb) um 67% bzw. 16% bei den ID- und DD-Verbrennungen. Im Gegensatz dazu sank tHb in Verbrennungen der Verbrennungen 3. Grades auf 36% seiner ursprünglichen Werte. 24 Stunden nach der Verletzung waren die Unterschiede in Deoxygenierung und tHb bei allen Gruppen signifikant (P <0,001).

Schlussfolgerung: HSI war in der Lage, zwischen 3 einzelnen Ebenen der Verbrennungsverletzung zu unterscheiden. Dies ist wahrscheinlich aufgrund seiner Korrelation mit der Hautperfusion: eine oberflächliche Verbrennungsverletzung verursacht eine Entzündungsreaktion und eine erhöhte Perfusion an der Verbrennungsstelle, während tiefere Verbrennungen die Hautmikrovaskulatur zerstören und zu einer Abnahme der Perfusion führen. Diese Studie unterstützt weitere Untersuchungen von HSI in der frühen Beurteilung von Verbrennungstiefen. [7].

Es wurden bereits weitere MSI- und HSI-Studien zu diesem Thema publiziert [8–13].

Fallstudie I mit Verbrühungen an der Brust

Das erste Beispiel ist eine vollständige klinische Dokumentation des Behandlungs- und Heilungsprozesses von der Krankenhausaufnahme bis zum elften Tag nach der Verletzung (Abbildung 1). Die Sichtprüfung des Chirurgen ergab eine Verbrühung mit Grad 2a-b-Verbrennung.

Die vertikale, gestrichelte rote Linie markiert den Zeitpunkt, an dem der erste Debridement-Prozess durchgeführt wurde. Der unten liegende Farbcode zeigt die Zeitlinie der Bilder, die während des Heilungsprozesses aufgenommen wurden. Diese Bilder wurden ca. jeden zweiten Tag aufgenommen.

NIR-Perfusion Index: Bei der NIR-Perfusion erkennt man regional unterschiedliche Erhöhungen der Werte innerhalb des Wundbereiches. Es ist davon auszugehen, dass stärkere Anstiege mit einer tieferen Schädigung des Gewebes einhergehen und somit ein Maß für die regionale Variation der Verbrennungstiefe darstellen. Im Laufe der Zeit, bis zum 4. Tag nach der Verletzung, wird eine Zunahme der NIR-Perfusion beobachtet, die mit einer Zunahme der Entzündungsreaktion des Gewebes korrelieren kann. Im weiteren Verlauf erfolgt eine sukzessive Reduktion der Perfusionen gegenüber den Grundwerten des umgebenden, nicht geschädigten Gewebes.

StO2 [%]: Ein ähnlicher Verlauf zeigt sich bei der oberflächlichen Sauerstoffversorgung StO2.

THI: Beim THI zeigen sich erhöhte Werte innerhalb der Verbrennungswunde, weil die Haut geschädigt ist und daher ein erhöhter Hämoglobinwert für die Kamera sichtbar wird. Die Werte nehmen in den ersten sechs Tagen zu und sind über die Wunde strukturiert verteilt. Dies hängt zum einen mit der erhöhten Perfusion zusammen, zum anderen mit der Differenzierung der Wunde. Höhere THI-Werte korrelieren normalerweise mit einer dünneren Epidermisschicht. Im Laufe der Zeit nehmen die Werte langsam auf die Normalwerte der umgebenden Haut hin ab. Dies ist auf den Heilungsprozess zurückzuführen und weist auf die Bildung einer neuen Deckschicht der Haut hin.

TWI: Am ersten Tag nach der Verletzung ist der Wassergehalt in der Brandwunde deutlich erhöht. Am zweiten Tag hat er sich normalisiert und bleibt danach stabil.

 

Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung bei der reduzierten Dokumentation (pro Tag wurde nur ein Bild gewählt)

 

Abbildung 2: Zeitliche Entwicklung der medizinischen Parameter an einer Stelle innerhalb der Verbrennung

Fallstudien II und III

In den nächsten 2 Fällen werden Beispiele von Brandwunden gezeigt. In Abbildung 11 ist die Perfusion der gesamten Hand im Vergleich zu normal perfundiertem Gewebe (StO2 ~ 80% gegenüber 60-70%; NIR ~ 80-90 gegenüber 50-70) insbesondere in den offenen Blasen erhöht. Auch der Wassergehalt ist im Vergleich zu normalen Werten leicht erhöht.

Abbildung 3: Stark segmentierte Brandwunde einer Hand

Diese Beobachtungen für StO2 und NIR-Perfusionindex können auch für Abbildung 12 gemacht werden. Das RGB-Bild zeigt, dass es eine graue Verfärbung der Haut um die Verbrennung herum gibt. Der StO2 und NIR-Perfusionindex sind in diesen Bereichen nicht erhöht.

Abbildung 4: Brandwunde einer Hand

Der Debridement-Prozess erhöht den NIR-Perfusionsindex signifikant und auch die Oxygenierung ist erhöht, obwohl sie bereits von Anfang an sehr hoch war. Der hohe Wasserindex in der ersten Aufnahme zeigt, dass sich in diesem Fall die Epidermis bereits vom darunter liegenden Gewebe gelöst hat und sich eine Wasserschicht entwickelt hat. Dieses Gewebe wird während des Debridement-Prozesses entfernt. Der hohe THI in einem Bereich deutet darauf hin, dass die Epidermis nicht mehr vorhanden ist und dass nach dem Debridement die Handinnenfläche stark mit Blut versorgt wird.

Objektive Dokumentation von Behandlung und Heilungsprozess

Um die Behandlung von Verbrennungen mittelfristig zu optimieren, muss im ersten Schritt eine objektivierte Dokumentation des Heilungsprozesses eingeführt werden. Daher ist die TIVITA® Tissue inklusive der Wunddokumentation das perfekte System zur Einrichtung einer routinemäßigen Dokumentation des Behandlungsprozesses. Aufgrund der aus den HSI-Datenwürfeln extrahierten normierten Farbbilder und der zusätzlichen physiologischen Parameterbilder ist eine umfassende Dokumentation, eine objektive Auswertung, eine kontrollierte Verbesserung des Behandlungsprozesses und die Ausbildung von Chirurgen und Klinikpersonal anhand der Dokumentation möglich.

Der nächste Schritt für den praktischen Einsatz von HSI- oder MSI-Geräten ist die Durchführung von kontrollierten Studien zur Korrelation von HSI- und LDI-Parametern und den Wert des Parameters TWI für die Steuerung des Debridements.

Das vollständige Whitepaper finden Sie hier.

Literatur

[1] Leonardi L, Sowa MG, Payette JR, Mantsch HH. Near-infrared spectroscopy and imaging: a new approach to assess burn injuries. American clinical laboratory 2000; 19: 20–22.

[2] Leonardi L, Sowa MG, Payette JR, et al. Applications of visible near-infrared spectroscopy and imaging in burn injury assessment. In: Mahadevan-Jansen A, Puppels GJ, editors: SPIE; 2000. p. 83 (SPIE Proceedings).

[3] Sowa MG, Leonardi L, Payette JR, Fish JS, Mantsch HH. Near infrared spectroscopic assessment of hemodynamic changes in the early post-burn period. Burns : journal of the International Society for Burn Injuries 2001; 27: 241–249.

[4] Sowa MG, Leonardi L, Payette JR, Cross KM, Gomez M, Fish JS. Classification of burn injuries using near-infrared spectroscopy. Journal of biomedical optics 2006; 11: 54002.

[5] King DR, Li W, Squiers JJ, et al. Surgical wound debridement sequentially characterized in a porcine burn model with multispectral imaging. Burns : journal of the International Society for Burn Injuries 2015; 41: 1478–1487.

[6] Paluchowski LA, Nordgaard HB, Bjorgan A, Hov H, Berget SM, Randeberg LL. Can spectral-spatial image segmentation be used to discriminate experimental burn wounds? Journal of biomedical optics 2016; 21: 101413.

[7] Chin MS, Babchenko O, Lujan-Hernandez J, Nobel L, Ignotz R, Lalikos JF. Hyperspectral Imaging for Burn Depth Assessment in an Animal Model. Plastic and reconstructive surgery. Global open 2015; 3: e591.

[8] Luo Y, Huang LX, Yang J-j, Shen Z-X, Zhang D-Y, Wu J. Research on application of spectral imaging technology in determining on thermal burn degree. In: LeVan PD, Sood AK, Wijewarnasuriya PS, D’Souza AI, editors: SPIE; 2012. 85120S (SPIE Proceedings).

[9] Mazhar A, Saggese S, Pollins AC, Cardwell NL, Nanney L, Cuccia DJ. Noncontact imaging of burn depth and extent in a porcine model using spatial frequency domain imaging. Journal of biomedical optics 2014; 19: 86019.

[10] Ye H, De S. Thermal injury of skin and subcutaneous tissues: A review of experimental approaches and numerical models. Burns : journal of the International Society for Burn Injuries 2017; 43: 909–932.

[11] Goertz O, Ring A, Köhlinger A, et al. Orthogonal polarization spectral imaging: a tool for assessing burn depths? Annals of plastic surgery 2010; 64: 217–221.

[12] Calin MA, Parasca SV, Savastru R, Manea D. Characterization of burns using hyperspectral imaging technique – a preliminary study. Burns : journal of the International Society for Burn Injuries 2015; 41: 118–124.

[13] Parasca SV, Calin MA, Manea D, Miclos S, Savastru R. Hyperspectral index-based metric for burn depth assessment. Biomedical Optics Express. 2018 Nov 1;9(11):5778.