本文要點(diǎn)：燒傷深度測定的準(zhǔn)確性對于患者護(hù)理至關(guān)重要。最近的動物研究表明，短波紅外 （SWIR） 成像可以區(qū)分淺表燒傷和深部燒傷。這是第一項(xiàng)將多個(gè) SWIR 波段的反射率與外科醫(yī)生和組織學(xué)的燒傷深度分類相關(guān)聯(lián)的人體研究。11 例熱損傷患者的燒傷和鄰近正常皮膚用以 1200、1650、1940 和 2250 nm 為中心的視覺和窄帶成像，并從選定區(qū)域采集活檢。將 273 個(gè)感興趣區(qū)域 （ROI） 中每個(gè)波段的反射強(qiáng)度除以正常皮膚反射率，并組合成三個(gè)反射指數(shù) （RI）。對于外科醫(yī)生分類的燒傷深度增加，反射率在 1200 nm 和 2250 nm 處增加，在 1940 nm降低，在 1650 nm 處沒有變化。相比之下，所有三個(gè) RI 都隨著燃燒深度的增加而增加，并預(yù)測代表可操作區(qū)域的深度和全深度 ROI（曲線下面積 >0.6507，p < 0.0001）�？傊�，使用新型 SWAT 進(jìn)行多光譜成像是評估燒傷創(chuàng)面深度的一種很有前途的方法。

 

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本研究首次通過短波紅外（SWIR;1000 至 2500 nm 之間的光）成像新技術(shù)探索了人類燒傷創(chuàng)面評估，該技術(shù)已被提議用于表征生物組織特征。本研究希望能在各種 SWIR 波長的測量下改善部分和全層燒傷清創(chuàng)手術(shù)患者的燒傷評估。在人體研究中，本文提供了多個(gè) SWIR 窄帶及其組合處燒傷反射率的時(shí)間相關(guān)性，以及外科醫(yī)生和組織學(xué)特征分類的燒傷類別。該研究激發(fā)了對多光譜 SWAT 方法在客觀測量傷口燒傷特征方面的效用的進(jìn)一步研究。

圖1. 用于人體燒傷研究的 SWIR 多光譜成像裝置

 

用于燒傷成像的 SWAT 如圖 1 所示，由以下主要組件組成：（i） 直流供電的 0.5 kW 光源，通過漫射器準(zhǔn)直器和紅外二向色鏡面反射皮膚和燒傷區(qū)域，（ii） SWIR 相機(jī)捕獲皮膚和燒傷組織在四個(gè)不同的窄波段反射的光的圖像。分離并選擇四個(gè)條帶以大致均勻地跨越 SWIR 范圍，包括脂質(zhì)、膠原蛋白的吸收峰，特別是 1940 nm 附近突出的吸水度帶（iii） 使用環(huán)境光捕捉燒傷區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)視圖的視覺攝像機(jī)。

 

在 SWIR 成像的同時(shí)以大致相同的光軸拍攝可見光圖像。之后，這些圖像標(biāo)有 ROI，供外科醫(yī)生評估 11 名患者成像燒傷區(qū)域的燒傷深度（圖 2A）。5 名外科醫(yī)生評估了這些ROI。46% 的 ROI 被確定為全層，32% 為深層部分厚度，15% 為淺層或淺表部分厚度，6% 未達(dá)成共識 （圖 2B）。排除未達(dá)成共識的 ROI，共選擇了 273 個(gè) ROI，包括 129 個(gè)全層、97 個(gè)深層部分厚度和 47 個(gè)淺表或淺表部分厚度區(qū)域（圖 2C）使用 SWIR 成像進(jìn)行進(jìn)一步評估。

圖3. 不同波長和不同燃燒深度的反射強(qiáng)度

 

收集了 11 名患者的 22 個(gè)燒傷區(qū)域的 SWIR 和視覺圖像，每位患者 1-4 張圖像。圖 3 顯示了三個(gè)燒傷類別組在四個(gè) SWIR 波段的代表性圖像和集體 SWIR 反射強(qiáng)度，由專業(yè)外科醫(yī)生評估確定，并與同一患者未燒傷區(qū)域的正常皮膚進(jìn)行比較。圖 A 顯示了使用可見光（左）以及 1200、1650、1940 和 2250 nm SWIR 波長成像的代表性燒傷區(qū)域。盡管圖像看起來不同，但絲縫合線在所有圖像中都可見，并用于空間共對齊。外科醫(yī)生評估的 ROI 疊加在可見光和 1200 nm 圖像上（所有 4 個(gè) SWIR 反射圖像的 ROI 都位于相同位置）。記錄了總共 273 個(gè) ROI 中每個(gè)波長的反射率值，以及外科醫(yī)生對燒傷深度類別的共識分類。面板 B 顯示了反射率 （Iλ） 在 22 個(gè)成像燒傷區(qū)域中，四個(gè) SWIR 波段的 273 個(gè)燒傷ROI 由正常皮膚 ROI 的平均反射率歸一化。皮爾遜相關(guān)值為0.0026 證實(shí)了所有燃燒類別的反射率和波段之間的獨(dú)立性。但是，反射率取決于燃燒深度類別。燃燒深度對反射率的影響最明顯是在 1200 和 2250 nm 波長處。全層燒傷在 1200 nm 處的平均歸一化反射率分別為 1.0652 ± 0.0852 （平均 ± SEM），深層部分燒傷為 1.0375 ± 0.1144，淺表和淺表部分層燒傷分別為 1.0206 ± 0.0852。全層燒傷在 2250 nm 處的平均反射率為 1.0501 ± 0.0737，深層部分燒傷為 1.0326 ± 0.0914，淺表和淺表部分層燒傷為 1.0293 ± 0.0895。使用 Mann-Whitney U 檢驗(yàn)，1200 nm （p = 0.0012） 和 2250 nm （p = 0.0027） 的深層部分和全層燒傷之間以及 1200 nm 處的全層和淺層燒傷之間存在顯著差異 （p = 0.0056）。在評估 1940 nm 波長時(shí)，淺表和淺表部分層燒傷與深部部分層燒傷 （p = 0.05） 顯著不同，也與全層燒傷 （p = 0.009） 顯著不同。

圖 3C 顯示了三個(gè) RI 值普遍從正常皮膚到淺表部分、深部部分和全層燒傷深度增加，大多數(shù)病例（但不是全部）顯示出顯著差異。RI3隨燒傷嚴(yán)重程度類別的中位數(shù)和平均值持續(xù)增加，其中全層燒傷與正常皮膚之間的平均差異為 0.15 （P < 0.0001）。在（均值 ± SEM）1.1136 ± 0.0184時(shí)，RI3對于可操作的深層 ROI，比 1.0642 ± 0.0192 對于非可操作的淺層厚度 ROI 多 0.05 （p = 0.0328），這大約是觀察到的 I1200 平均值之間差異的 3 倍，對于具有這兩個(gè)燃燒類別的 ROI，分別為 1.0375 ±0.0116 和 1.0206 ± 0.0124（圖 3B）。

圖4. ROC 和 AUC 分析

 

本文繼續(xù)分析 SWIR 反射率參數(shù)的敏感性和特異性，以區(qū)分兩組操作和非操作的 ROI。在圖 4 中，展示了圖 3 B 和 C 中所示的所有 SWIR 反射率參數(shù)的 ROC 分析。總體而言，除 I1650 之外的所有參數(shù)，顯示出根據(jù)外科醫(yī)生分類檢測手術(shù) ROI 的能力，其中 AUC 明顯大于AUC = 0.5 的非歧視性對角線。一般來說，三個(gè)反射指數(shù)的 AUC 大于四個(gè)單獨(dú)波長的反射率。特別是，反射指數(shù) RI3，它是 SWAT 中四個(gè)單獨(dú) SWIR 波段的所有四個(gè)反射率參數(shù)的組合，呈現(xiàn)出最高的 AUC 0.7565，高于單個(gè)波段 I1200 的最高 AUC的 0.6513 （p = 0.0109）。因此，將多個(gè) SWIR 波段的反射率組合成一個(gè)反射率指數(shù)，增強(qiáng)了對確定為清創(chuàng)物的燒傷 ROI 的檢測。

圖5. 燒傷創(chuàng)面的組織學(xué)評估

 

在圖5A 中，視覺圖像顯示了燒傷區(qū)域，帶有深部分厚度（左）和全層（右）的標(biāo)記絲環(huán)，需要收集穿刺活檢。圖 5B 顯示了 RI3活檢采集前基于多重 SWIR 波長成像的兩個(gè)相應(yīng)燒傷區(qū)域的圖像。對于深度部分（左）和完全（右）燃燒，絲環(huán)中心 ROI 的 RI 值分別為 1.064和 1.189，與平均 RI3 一致（圖 3C ）。圖 5C 顯示了兩個(gè)樣本，其中標(biāo)記了壞死邊界，并且由三位病理學(xué)家確定燒傷的深度類別為深層部分（左）和全層（右）。

對 31 個(gè)樣本進(jìn)行了類似的分析，其中 7 個(gè)被確定為太淺，無法進(jìn)行基于組織學(xué)的燒傷類別分類，而在 3 個(gè)樣本中，病理學(xué)家沒有達(dá)成分類共識。病理學(xué)家將其余 21 個(gè)樣本分為淺表部分層 （n = 3） 、深部部分層 （n = 13） 或全層 （n = 5）。將病理學(xué)家對特定 ROI 樣本的分類與外科醫(yī)生的分類進(jìn)行比較，21 個(gè) ROI 中只有 8 個(gè)顯示出相似的深層、部分層和全層分類 （38.1%）。在這 8 個(gè)類似分類的ROI 中，5 個(gè)是深度部分燒傷，3 個(gè)是完全燒傷。總體而言，病理學(xué)家的類別分類不完全與外科醫(yī)生的分類一致 （χ2檢驗(yàn)：p = 0.4101）。

圖6. 活檢和非活檢 ROI 的反射率參數(shù)比較

 

對外科醫(yī)生 ROIs 分類最敏感和最特異的反射率參數(shù) RI3，外科醫(yī)生和病理學(xué)家都同意的 5 個(gè)深部分 ROI 和 3 個(gè)全層 ROI 之間沒有顯著差異，并且通�；顧z樣本的數(shù)量較低受到限制，因此無法進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查。因此，本文專注于表征按兩種分類分組的反射率參數(shù)的相關(guān)性和差異。圖 6 顯示了正常和淺表部分厚度（即非手術(shù)）與深部分和全層（即手術(shù)）以及非活檢與活檢ROI 的所有反射率參數(shù)的相關(guān)性。圖6 A 顯示，歸類為深部分或全層的活檢的 ROI 具有反射率 Iλ在1200、1650、1940 和 2250 nm 的 ROI 高于歸類為正常或淺表部分厚度的非活檢 ROI。對于1200nm 和 2250 nm的Iλ，活檢和非活檢 ROI 之間沒有差異，深度部分和全層。深部、部分層和全層活檢的 ROI 的 3 個(gè) RI 值與具有相同外科醫(yī)生分類的非活檢 ROI 沒有差異。病理學(xué)家和外科醫(yī)生就深、部分厚度和全層分類達(dá)成一致的 8 個(gè) ROI 的特征尚無定論，大多數(shù)反射率參數(shù)沒有區(qū)別�？傮w而言，圖 6 中呈現(xiàn)的各種反射率參數(shù)證明了活檢中的手術(shù) ROI 與非活檢 ROI 數(shù)據(jù)組中的非手術(shù)燒傷之間的相關(guān)性和不兼容性。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，盡管外科醫(yī)生和病理學(xué)家在活檢 ROI 中對手術(shù)深部部分和全層燒傷進(jìn)行分類時(shí)不一致，但所有四個(gè)波段和 RI1顯示的反射率與非活檢和非手術(shù) ROI 顯著不同。

該研究首次提出了用于燒傷深度評估的多光譜 SWIR 評估工具 （SWAT） 的人體成像和分析。主要研究結(jié)果表明，以 1200、1650、1940 和 2250 nm 為中心的窄 SWIR 波段具有不同的反射強(qiáng)度，與外科醫(yī)生和病理學(xué)家分類的燒傷類別具有不同程度的相關(guān)性。在考慮外科醫(yī)生分類時(shí)，淺層部分燒傷深度在 1200、1940 和 2250 nm處與深層部分和全層燒傷深度具有不同的反射率，以及包含波段組合的反射指數(shù)。除 1650 nm 外，所有波段的反射率及其指數(shù)都表明能夠預(yù)測臨床上針對清創(chuàng)術(shù)的深部分層或全層燒傷。盡管基于病理學(xué)家組織學(xué)評估的燒傷深度分類僅部分與外科醫(yī)生的分類相匹配，但也可以區(qū)分手術(shù)和非手術(shù)燒傷，盡管與外科醫(yī)生的分類相比，反射率參數(shù)的數(shù)量減少了�？偟膩碚f，本文的數(shù)據(jù)表明，多光譜 SWIR 圖像提供了與不同燒傷創(chuàng)面深度相關(guān)的反射率測量，并激發(fā)了確定生理機(jī)制和臨床應(yīng)用的額外研究和開發(fā)。

SWIR 范圍內(nèi)的成像為體內(nèi)燒傷深度表征提供了獨(dú)特的機(jī)會。本文的研究側(cè)重于 SWIR 反射強(qiáng)度的量化，圖 3、4 和 6 中的分析支持使用窄 SWIR 波段來區(qū)分運(yùn)行和非運(yùn)行燃燒區(qū)域�？紤]光-組織相互作用應(yīng)該可以深入了解有助于研究者觀察的因素。與本文的研究最相關(guān)的是，SWIR 范圍內(nèi)的血液吸光度有幾個(gè)峰，最突出的一個(gè)是與吸水率相關(guān)的 1940 nm 附近，以及 1200 和 1650 nm 附近的谷值。總體而言，本文研究中探索的燒傷深度波段的反射率已被證明是異質(zhì)的，并且可能反映了燒傷中組織特征的復(fù)雜變化。例如，圖 3 顯示了 I1200和I2250隨著燃燒深度的增加而增加，而I1940正在減少，反映了一個(gè)多因素和復(fù)雜的過程，可能與 1940 nm 處的水腫相關(guān)的含水量急劇增加有關(guān)。然而，由于燒傷中的水氣屏障受損，患者也可能在透皮輸液后出現(xiàn)脫水。因此，在本文中研究的各種 SWIR 波段中，反射率隨燃燒深度增加或減少的確切來源尚不清楚，其他研究，包括使用額外的 SWIR 波段、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、以及顯示水腫形成和進(jìn)展的 THz 成像等方式，是必需的。

與目前用于量化燒傷深度和組織水分的其他方法相比，本文的 SWAT 設(shè)備具有多項(xiàng)優(yōu)勢。LDI 和熱成像不能在術(shù)中用于在止血帶下清創(chuàng)的肢體燒傷，因?yàn)樗鼈冃枰�血流。在研究中，外科醫(yī)生確定的僅匹配部分組織學(xué)確定的深層、部分層和全層反射強(qiáng)度，與之前的研究一致。然而，SWAT 設(shè)備對實(shí)時(shí)組織特征（包括水分）的測量給出了與外科醫(yī)生和組織學(xué)在這些條件下進(jìn)行清創(chuàng)評估一致的讀數(shù)。SWAT 設(shè)備是無創(chuàng)的，可以立即測量燒傷深度，而無需使用可能引起過敏反應(yīng)的可注射熒光染料。與近紅外光譜相比，SWIR 波長對組織含水量更敏感，允許評估淺表和更深的真皮，以便對燒傷進(jìn)行更完整的分析。此外，由于 SWIR 不在可見范圍內(nèi)，可能影響其他技術(shù)的頭頂照明和皮膚色素沉著對 SWIR 讀數(shù)的影響要小得多。

總之，本文的研究表明，多光譜 SWIR 成像會產(chǎn)生不同的反射強(qiáng)度，具體取決于波段波長和燃燒深度。這項(xiàng)研究的結(jié)果為使用 SWAT 提供組織活力和燒傷深度的客觀測量提供了證據(jù)。燒傷深度的視覺評估差異很大，這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)一步發(fā)展，以便外科醫(yī)生可以利用它提供更準(zhǔn)確的評估，無論經(jīng)驗(yàn)水平如何。使用這項(xiàng)技術(shù)，外科醫(yī)生將有可能優(yōu)化受損組織的切除和清創(chuàng)，并最大限度地保留活組織。這些初步結(jié)果激發(fā)了對燒傷 SWIR 成像的進(jìn)一步研究，以期以非侵入性和準(zhǔn)確的方式識別手術(shù)燒傷和非手術(shù)燒傷。

 

參考文獻(xiàn)

Nunez J, Mironov S, Wan B, et al. Novel multi‐spectral short‐wave infrared imaging for assessment of human burn wound depth[J]. Wound Repair and Regeneration, 2024.

 

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