NEC termografická studie infračerveného zobrazování

Základní informace o NEC:

Nejlepší prognóza vyžaduje včasné rozpoznání a léčbu NEC. Perforace nebo pokračující zhoršování může vyžadovat chirurgický zákrok. Mortalita se v posledních letech zlepšila, ale stále je asi 15-30 % u nechirurgických NEC a až 50 % u chirurgických NEC. Přeživší mohou trpět významnými komplikacemi včetně dlouhodobého poškození funkce střev.

Počáteční diagnóza je založena na klinickém vyšetření a diagnostickém zobrazení, obvykle zahrnujícím rentgen břicha +/- ultrazvuk. Bellova stagingová kritéria zahrnují klinické, laboratorní a radiografické nálezy a používají se k rozlišení podezření na NEC od definitivního NEC. Bellovo stadium 2 označuje prokázaný NEC a zahrnuje přítomnost pneumatózy střev a/nebo portálního venózního plynu na rentgenovém snímku.

Hlavním problémem při diagnostikování NEC je to, že časná/suspektní stadia NEC se klinicky a radiograficky projevují podobným způsobem jako benigní intolerance krmení pozorovaná u nedonošených. Rentgenové vyšetření břicha zahrnuje vystavení pacienta ionizujícímu záření a ultrazvukové zobrazování je pro pacienta rušivé, jeho provedení vyžaduje čas a vyžaduje kvalifikovanou obsluhu, která má omezenou dostupnost. Tyto modality budou vykazovat pouze nespecifické změny v raných stádiích NEC. Pozdní nálezy jsou náročnější, avšak v době, kdy jsou tato zjištění zjevná, se často promešká optimální časový rámec pro zahájení léčby.

Základní informace o lékařské termografii:

Lékařské infračervené (IR) zobrazování je kombinací lékařské technologie, technologie infračervené kamery a počítačové multimediální technologie. Infračervená zobrazovací zařízení zaznamenávají lidská tepelná pole. Lidské tělo je přirozeným biologickým zdrojem tepla a infračervená termokamera převádí vlnu vzdáleného infračerveného světla vyzařovanou lidským tělem na elektrický signál, který je pak převeden na digitální veličinu analogově/digitální konverzí. Signály jsou zpracovány technologií zpracování multimediálního obrazu do barevné tepelné mapy, zobrazující teplotní pole těla. Normální, zdravé tělo má charakteristickou tepelnou mapu, zatímco abnormální tělo vykazuje odchylky od této tepelné mapy. Porovnáním podobností a rozdílů mezi těmito dvěma, v kombinaci s klinickou diagnózou, mohou lékaři a výzkumníci odvodit povahu a rozsah onemocnění.

Výzkumníci zkoumali různé metody počítačového hodnocení tepelných snímků získaných od předčasně narozených dětí s definitivní NEC ve srovnání s normálními dětmi bez příznaků intolerance krmení. Vyšetřovatelé ukázali, že rozlišovací schopnost údajů o vývoji povrchové teploty mezi zdravými kontrolními dětmi a těmi, u kterých byla diagnostikována NEC, byla slibná, s poměrně vysokou klasifikací a jednoduchým lineárním klasifikačním schématem. Kromě toho naše výsledky naznačovaly pomalejší rychlost poklesu teploty břišní kůže u dětí NEC, což by mohlo být vysvětleno přítomností zánětu střev. Rice a kol. také použil lékařskou termografii, aby pomohl detekovat NEC u novorozenců přijatých na NICU. Porovnáním teplotní distribuce v břišních segmentech s segmenty hrudníku byli schopni určit rozdíly u normálních dětí v porovnání s těmi, u kterých byla diagnostikována NEC.

Základní informace o lékařském senzoru Microsoft Kinect Sensor:

Senzor Kinect je široce používaná, spotřebitelská a bezpečná barevná a hloubková kamera komerčně nabízená pro použití v počítačových hrách. Měří blízké infračervené světlo odražené od těla a vytváří povrchovou mapu prostředí. Senzor RGB-D Kinect byl nedávno aplikován ve zdravotnictví v různých aplikacích, kde se ukázal jako účinný, včetně oblasti lékařské rehabilitace, kde se senzory Kinect používají pro aktivní cvičení a rehabilitaci pacientů, pro bezpečné a automatizované radioterapie, pro analýzu pohybu hrudní stěny u pacientů s cystickou fibrózou, pro analýzu obličejových rysů kontroly držení těla u rehabilitačních pacientů, u pacientů na JIP pro automatizovaná měření mobility a dokonce i automatizované monitorování apnoe u kojenců a dětí.

V této studii bude role senzoru RGB-D Kinect v podstatě spočívat v podpoře automatizované segmentace a získávání dat o distribuci tepla ze společně umístěného a kalibrovaného IR FLIR imageru. Díky barevným a hloubkovým mapám, které budou k dispozici, budou k identifikaci oblastí zájmu (tělo dítěte a případně břicho) využity klasické a robustní techniky zpracování obrazu. Tento druh přesné segmentace nelze spolehlivě provést pouze z IR snímků, protože je dobře známo, že počítačové vidění a techniky zpracování obrazu nejsou pro IR snímky dobře přizpůsobeny. Již byly provedeny rané laboratorní testy, aby se zjistilo, že provoz RGB-D senzoru v překrývajícím se zorném poli s IR zobrazovačem neovlivňuje data shromážděná v tepelné mapě. Kombinovaný provoz je proto bezpečný a poskytne přesné rozložení tepla, jako kdyby IR zobrazovač pracoval samostatně. Konečným cílem je spojit silné stránky tří zobrazovacích technologií pro zlepšení lékařské diagnostiky.

Zdůvodnění studie:

Předchozí studie zkoumající termografii a diagnostiku NEC používaly k pořizování snímků pouze infračervenou kameru. Ačkoli výzkumníci byli schopni odvodit teplotní distribuce pro děti různých GA, naše předchozí studie nepřijala přísný protokol pro umístění IR senzoru v optimální konfiguraci, což vedlo k větším změnám v kvalitě obrazu a velikosti oblasti zájmu. Tato omezení znesnadňovala automatizaci výběru přesných oblastí zájmu v rámci termosnímku a vyžadovala manuální zásah odborníka na zpracování obrazu. V naší současné studii bude proces získávání obrazu vylepšen a standardizován; Senzor Microsoft Kinect využívající termální, barevné a aktivní hloubkové vidění bude integrován do termografické kamery, která umožní automatizovaný výběr oblastí zájmu a usnadní použití lékařským personálem u lůžka pacienta. Budou vyvinuty vestavěné algoritmy pro zpracování obrazu, které budou využívat multispektrální povahu shromážděných informací k automatickému segmentování a odstranění nepořádku oblasti zájmu, ve které budou sledovány relevantní teplotní distribuce.

Počáteční vývoj tohoto systému, včetně integrace a montáže přístroje, přísných postupů kalibrace kamery mezi RGB-D a IR senzory a kompletní testování bude prováděno v laboratorním prostředí, za použití pouze maketových modelů klinického prostředí. Poté, aby bylo možné plně ověřit aplikaci tohoto automatizovaného systému zpracování infračerveného obrazu pro včasnou diagnostiku NEC, je zapotřebí získání příslušných snímků od lidských subjektů. Studie bude pokračovat v prostředí NICU s cílem dále ověřit nově vyvinutý neinvazivní a automatizovaný zobrazovací protokol u dětí různých velikostí a GA na NICU, protože NEC se může vyskytovat u dětí od extrémně předčasně narozených až po ty narozené v termínu. Protože vyšetřovatelé doufají, že jednou tuto technologii využijí ke zlepšení diagnózy NEC, bude experimentální zobrazovací postup proveden na dvou populacích pacientů. Vyšetřovatelé nejprve zobrazí břišní dutinu skupiny zdravých novorozenců pomocí nově vyvinutého přístroje a protokolu zpracování obrazu, aby se nastavila standardní distribuce tepla. Poté vyšetřovatelé také pomocí stejného zařízení zobrazí břicho skupiny novorozenců s prokázaným NEC. Z analýzy snímků z těchto dvou populací vyšetřovatelé určí vhodnost a nezbytné doladění navrhovaných automatizovaných infračervených zobrazovacích nástrojů s cílem zvýšit přesnost, použitelnost a spolehlivost postupu pro včasnou diagnostiku NEC.

Cíle:

1. Vyvinout automatizovaný přístup k zobrazování a analýze břicha předčasně narozených dětí pomocí termografických senzorů a vestavěných algoritmů pro zpracování obrazu.
2. Odvoďte termografické rozložení teploty břicha dvou skupin dětí: těch, která jsou normální (nemají žádné známky intolerance krmení nebo známky NEC) a těch, u kterých byla diagnostikována prokázaná NEC.
3. Zjistěte, zda automatizované algoritmy zpracování obrazu dokážou rozeznat statisticky významný rozdíl mezi normálními tepelnými distribucemi a distribucemi odvozenými od dětí s NEC.