利用新型多光谱短波红外成像评估人体烧伤创面的深度

本文要点：烧伤深度测定的准确性对于患者护理至关重要。最近的动物研究表明，短波红外 （SWIR） 成像可以区分浅表烧伤和深部烧伤。这是第一项将多个 SWIR 波段的反射率与外科医生和组织学的烧伤深度分类相关联的人体研究。11 例热损伤患者的烧伤和邻近正常皮肤用以 1200、1650、1940 和 2250 nm 为中心的视觉和窄带成像，并从选定区域采集活检。将 273 个感兴趣区域 （ROI） 中每个波段的反射强度除以正常皮肤反射率，并组合成三个反射指数 （RI）。对于外科医生分类的烧伤深度增加，反射率在 1200 nm 和 2250 nm 处增加，在 1940 nm降低，在 1650 nm 处没有变化。相比之下，所有三个 RI 都随着燃烧深度的增加而增加，并预测代表可操作区域的深度和全深度 ROI（曲线下面积 >0.6507，p < 0.0001）。总之，使用新型 SWAT 进行多光谱成像是评估烧伤创面深度的一种很有前途的方法。

活体成像仪

本研究通过短波红外（SWIR;1000 至 2500 nm 之间的光）成像新技术探索了人类烧伤创面评估，该技术已被提议用于表征生物组织特征。本研究希望能在各种 SWIR 波长的测量下改善部分和全层烧伤清创手术患者的烧伤评估。在人体研究中，本文提供了多个 SWIR 窄带及其组合处烧伤反射率的时间相关性，以及外科医生和组织学特征分类的烧伤类别。该研究激发了对多光谱 SWAT 方法在客观测量伤口烧伤特征方面的效用的进一步研究。

图1. 用于人体烧伤研究的 SWIR 多光谱成像装置

用于烧伤成像的 SWAT 如图 1 所示，由以下主要组件组成：（i） 直流供电的 0.5 kW 光源，通过漫射器准直器和红外二向色镜面反射皮肤和烧伤区域，（ii） SWIR 相机捕获皮肤和烧伤组织在四个不同的窄波段反射的光的图像。分离并选择四个条带以大致均匀地跨越 SWIR 范围，包括脂质、胶原蛋白的吸收峰，特别是 1940 nm 附近突出的吸水度带（iii） 使用环境光捕捉烧伤区域标准视图的视觉摄像机。

在 SWIR 成像的同时以大致相同的光轴拍摄可见光图像。之后，这些图像标有 ROI，供外科医生评估 11 名患者成像烧伤区域的烧伤深度（图 2A）。5 名外科医生评估了这些ROI。46% 的 ROI 被确定为全层，32% 为深层部分厚度，15% 为浅层或浅表部分厚度，6% 未达成共识 （图 2B）。排除未达成共识的 ROI，共选择了 273 个 ROI，包括 129 个全层、97 个深层部分厚度和 47 个浅表或浅表部分厚度区域（图 2C）使用 SWIR 成像进行进一步评估。

图3. 不同波长和不同燃烧深度的反射强度

图4. ROC 和 AUC 分析

本文继续分析 SWIR 反射率参数的敏感性和特异性，以区分两组操作和非操作的 ROI。在图 4 中，展示了图 3 B 和 C 中所示的所有 SWIR 反射率参数的 ROC 分析。总体而言，除 I1650 之外的所有参数，显示出根据外科医生分类检测手术 ROI 的能力，其中 AUC 明显大于AUC = 0.5 的非歧视性对角线。一般来说，三个反射指数的 AUC 大于四个单独波长的反射率。特别是，反射指数 RI3，它是 SWAT 中四个单独 SWIR 波段的所有四个反射率参数的组合，呈现出最高的 AUC 0.7565，高于单个波段 I1200 的最高 AUC的 0.6513 （p = 0.0109）。因此，将多个 SWIR 波段的反射率组合成一个反射率指数，增强了对确定为清创物的烧伤 ROI 的检测。

图5. 烧伤创面的组织学评估

在图5A 中，视觉图像显示了烧伤区域，带有深部分厚度（左）和全层（右）的标记丝环，需要收集穿刺活检。图 5B 显示了 RI3活检采集前基于多重 SWIR 波长成像的两个相应烧伤区域的图像。对于深度部分（左）和（右）燃烧，丝环中心 ROI 的 RI 值分别为 1.064和 1.189，与平均 RI3 一致（图 3C ）。图 5C 显示了两个样本，其中标记了坏死边界，并且由三位病理学家确定烧伤的深度类别为深层部分（左）和全层（右）。

对 31 个样本进行了类似的分析，其中 7 个被确定为太浅，无法进行基于组织学的烧伤类别分类，而在 3 个样本中，病理学家没有达成分类共识。病理学家将其余 21 个样本分为浅表部分层 （n = 3） 、深部部分层 （n = 13） 或全层 （n = 5）。将病理学家对特定 ROI 样本的分类与外科医生的分类进行比较，21 个 ROI 中只有 8 个显示出相似的深层、部分层和全层分类 （38.1%）。在这 8 个类似分类的ROI 中，5 个是深度部分烧伤，3 个烧伤。总体而言，病理学家的类别分类不与外科医生的分类一致 （χ2检验：p = 0.4101）。

图6. 活检和非活检 ROI 的反射率参数比较

对外科医生 ROIs 分类最敏感和最特异的反射率参数 RI3，外科医生和病理学家都同意的 5 个深部分 ROI 和 3 个全层 ROI 之间没有显着差异，并且通常活检样本的数量较低受到限制，因此无法进行严格的调查。因此，本文专注于表征按两种分类分组的反射率参数的相关性和差异。图 6 显示了正常和浅表部分厚度（即非手术）与深部分和全层（即手术）以及非活检与活检ROI 的所有反射率参数的相关性。图6 A 显示，归类为深部分或全层的活检的 ROI 具有反射率 Iλ在1200、1650、1940 和 2250 nm 的 ROI 高于归类为正常或浅表部分厚度的非活检 ROI。对于1200nm 和 2250 nm的Iλ，活检和非活检 ROI 之间没有差异，深度部分和全层。深部、部分层和全层活检的 ROI 的 3 个 RI 值与具有相同外科医生分类的非活检 ROI 没有差异。病理学家和外科医生就深、部分厚度和全层分类达成一致的 8 个 ROI 的特征尚无定论，大多数反射率参数没有区别。总体而言，图 6 中呈现的各种反射率参数证明了活检中的手术 ROI 与非活检 ROI 数据组中的非手术烧伤之间的相关性和不兼容性。应该强调的是，尽管外科医生和病理学家在活检 ROI 中对手术深部部分和全层烧伤进行分类时不一致，但所有四个波段和 RI1显示的反射率与非活检和非手术 ROI 显着不同。

该研究提出了用于烧伤深度评估的多光谱 SWIR 评估工具 （SWAT） 的人体成像和分析。主要研究结果表明，以 1200、1650、1940 和 2250 nm 为中心的窄 SWIR 波段具有不同的反射强度，与外科医生和病理学家分类的烧伤类别具有不同程度的相关性。在考虑外科医生分类时，浅层部分烧伤深度在 1200、1940 和 2250 nm处与深层部分和全层烧伤深度具有不同的反射率，以及包含波段组合的反射指数。除 1650 nm 外，所有波段的反射率及其指数都表明能够预测临床上针对清创术的深部分层或全层烧伤。尽管基于病理学家组织学评估的烧伤深度分类仅部分与外科医生的分类相匹配，但也可以区分手术和非手术烧伤，尽管与外科医生的分类相比，反射率参数的数量减少了。总的来说，本文的数据表明，多光谱 SWIR 图像提供了与不同烧伤创面深度相关的反射率测量，并激发了确定生理机制和临床应用的额外研究和开发。

SWIR 范围内的成像为体内烧伤深度表征提供了机会。本文的研究侧重于 SWIR 反射强度的量化，图 3、4 和 6 中的分析支持使用窄 SWIR 波段来区分运行和非运行燃烧区域。考虑光-组织相互作用应该可以深入了解有助于研究者观察的因素。与SWIR 范围内的血液吸光度有几个峰，一个是与吸水率相关的 1940 nm 附近，以及 1200 和 1650 nm 附近的谷值。总体而言，本文研究中探索的烧伤深度波段的反射率已被证明是异质的，并且可能反映了烧伤中组织特征的复杂变化。例如，图 3 显示了 I1200和I2250随着燃烧深度的增加而增加，而I1940正在减少，反映了一个多因素和复杂的过程，可能与 1940 nm 处的水肿相关的含水量急剧增加有关。然而，由于烧伤中的水气屏障受损，患者也可能在透皮输液后出现脱水。因此，在本文中研究的各种 SWIR 波段中，反射率随燃烧深度增加或减少的确切来源尚不清楚，其他研究，包括使用额外的 SWIR 波段、机器学习算法、以及显示水肿形成和进展的 THz 成像等方式，是必需的。

与目前用于量化烧伤深度和组织水分的其他方法相比，本文的 SWAT 设备具有多项优势。LDI 和热成像不能在术中用于在止血带下清创的肢体烧伤，因为它们需要血流。在研究中，外科医生确定的仅匹配部分组织学确定的深层、部分层和全层反射强度，与之前的研究一致。然而，SWAT 设备对实时组织特征（包括水分）的测量给出了与外科医生和组织学在这些条件下进行清创评估一致的读数。SWAT 设备是无创的，可以立即测量烧伤深度，而无需使用可能引起过敏反应的可注射荧光染料。与近红外光谱相比，SWIR 波长对组织含水量更敏感，允许评估浅表和更深的真皮，以便对烧伤进行更完整的分析。此外，由于 SWIR 不在可见范围内，可能影响其他技术的头顶照明和皮肤色素沉着对 SWIR 读数的影响要小得多。

总之，本文的研究表明，多光谱 SWIR 成像会产生不同的反射强度，具体取决于波段波长和燃烧深度。这项研究的结果为使用 SWAT 提供组织活力和烧伤深度的客观测量提供了证据。烧伤深度的视觉评估差异很大，这项技术可以进一步发展，以便外科医生可以利用它提供更准确的评估，无论经验水平如何。使用这项技术，外科医生将有可能优化受损组织的切除和清创，并最大限度地保留活组织。这些初步结果激发了对烧伤 SWIR 成像的进一步研究，以期以非侵入性和准确的方式识别手术烧伤和非手术烧伤。