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Hyperspektrale (HSI) oximetrische Bildgebung zur Überwachung

von Verbrennungen und der frühen Prognose des Verbrennungsschweregrades

Fallbeispiele zur Erklärung der klinischen Verwendung (HLI) Dr. Axel Kulcke / Amadeus Holmer Diaspective Vision GmbH, Strandstraße 15 18233 Am Salzhaff, OT Pepelow, Deutschland office@diaspective-vision.com © Copyright by Diaspective Vision GmbH, Am Salzhaff 04/2018 Keine Vervielfältigung oder Verteilung ohne schriftliche Genehmigung von Diaspective Vision GmbH Zusammenfassung:

Die hyperspektrale Bildgebung (HSI) ist ein berührungsloses und nichtinvasives optisches Verfahren, das aus dem Bereich der medizinischen Forschung und der klinischen Praxis hervorgeht. Das Ziel dieses Whitepapers ist es, die Möglichkeiten dieses Verfahrens darzulegen und die Ergebnisse einiger Fallstudien zu diskutieren, um die Eignung von HSI zur Unterscheidung von Verbrennungswunden anhand des Gewebeschädigungsgrades zu ermitteln. Die hyperspektralen Datenwürfel wurden für die Mikrozirkulationsparameter zur Falschfarbendarstellung der Parameter StO2, NIR-Perfusionsindex, THI und TWI aufbereitet. Das vorgestelle Bildverarbeitungsschema für mikrozirkulatorische Perfusionsparameter ermöglichte die zeitliche Kartierung dynamischer Veränderungen spektraler Eigenschaften innerhalb der Verbrennungswunden. Die Ergebnisse der vorgestellten klinischen Fallstudien stützen die Befunde der klinischen Forschung zu multispektralen und hyperspektralen Systemen und geben erste Hinweise darauf, dass berechnete Perfusionsparameterbilder dazu beitragen können, unterschiedlich starke Brandverletzungen zu unterscheiden. Unter Verwendung dieser detaillierteren physiologischen Informationen kann dieses Verfahren für weitere Arbeiten relevant sein, um zusätzliche Erkenntnisse über den Schweregrad und die Heilung von Verbrennungen zu gewinnen und um mehr Informationen als bei der Laser-Doppler-Bildgebung zu erhalten. Über den Vergleich der beiden optischen Verfahren und den etwaigen Vorteil von früh vorliegenden, unterstützenden Informationen im frühen

Verbrennungsstatus (auch im Hinblick auf die Steuerung des Debridements) sollten mehr klinische Erfahrungen gesammelt und kontrollierte Studien durchgeführt werden.

1 EINLEITUNG

1.1 Klinische Aufgabenstellung

Bei der Behandlung größerer Brandwunden ist die Bestimmung des Schädigungsgrades (klassifiziert als „superficial partial thickness“ (2a. Grad) oder „superficial dermal, deep partial thickness“ (2b. Grad ) oder „deep dermal full thickness“(3. Grades) ) für die Auswahl der nachfolgenden Behandlungsform entscheidend. Die Bewertung der Verbrennungstiefe: Im Allgemeinen (im deutschsprachigen Raum) werden die Klassen 1 bis 4 unterschieden. Diese Einteilung ist in der Tabelle 1 beschrieben. Am wichtigsten für die klinische Beurteilung sind die Klassen 2a, 2b und 3: Bei 2a sind die Epidermis und die darunter liegende Dermis nur oberflächlich betroffen, 2b geht tiefer in die Dermis hinein und 3 noch tiefer - bis in das Unterhautgewebe. 2b kann jedoch noch unterschieden werden: das oberflächliche 2b, bei welchem die Perfusion in tieferen Schichten noch funktioniert und es immer noch einen ausreichenden Wachstumsimpuls gibt, und das tiefere 2b, bei welchem der Blutkreislauf bereits stark gestört ist (tief bis in die Dermis). Bei Grad 3 ist das obere Hautgewebe nekrotisch und wird nicht mehr perfundiert. Tiefes 2b und 3 müssen so früh wie möglich behandelt werden.

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Tabelle 1: Klinische Merkmale von Verbrennungen

Verbrennung 1°

Verbrennung 2a°

Verbrennung 2b°

Verbrennung 3°

Verbrennung 4°

Schädigung Epidermale Schicht Oberste Korium-schicht, erhaltene

Basalzellen

Tiefere Korium-schicht

Nekrose der gesam-ten Dermis

Nekrose tieferer Strukturen: Kno-chen, Sehnen,

Muskeln

Hautfarbe Rötung, Schwellung, Hyperämie

Rötung (wegdrück-bar), Wundgrund

nass, normale Haut-konsistenz

Knapp wegdrückba-re Rötung, weißli-

ches Korium, erhöh-te Konsistenz,

Wundgrund feucht

Blass, bräunlich bis graufleckig, glän-

zend, erhöhte, derbe, harte Konsis-tenz, Wundgrund

trocken

Schwarz, verkohlt

Blasenbildung keine Blasenbildung Blasenbildung Trockene Blasen keine

Nadelstichprobe Blutend auf alle Nadelstiche

Blutend auf alle Nadelstiche

Erst bei tiefem intracutanem Ste-chen sichtbar blu-

tend

Nicht blutend Nicht blutend

Schmerzen Schmerzhaft auf Berührung

Schmerzhaft auf Berührung

Schmerzempfindung stark herabgesetzt

Schmerzempfindung fehlt

Schmerzempfindung fehlt

Heilung Heilung ohne Nar-benbildung

(ca. < 1 Woche)

Heilung ohne Nar-benbildung

(ca. 1 - 2 Wochen)

Heilung mit Nar-benbildung

(ca. > 3 Wochen)

Spontanheilung nicht möglich

Stumpfbildung

Hinsichtlich der notwendigen Behandlung können 2a und 2b (häufig Verbrühungsverletzungen) herkömmliche selbstheilende Wunden sein, und 2b ist eine Verletzung chirurgischen Grades. LDI (Laser-Doppler-Imaging) -Geräte verwenden diese Gradeinteilung nicht, sondern geben Prognosen bezüglich der Heilungswahrscheinlichkeit mit unterschiedlicher Dauer ab. Oberflächliche Wunden haben die Fähigkeit zur Selbstheilung ohne zu vernarben und sind für eine konservative Therapie geeignet; tiefere Wunden müssen chirurgisch behandelt werden, um ein gutes funktionelles und kosmetisches Ergebnis zu gewährleisten. Generell ist eine frühzeitige sichere Bestimmung des Schädigungsgrades wichtig für eine angemessene und effiziente Behandlung [1-3]. Bisher erfolgt die Beurteilung des Verbrennungsgrades üblicherweise durch Sichtprüfung. Das heißt: charakteristische optische, insbesondere farbliche Merkmale werden von einem klinischen Experten untersucht (der sogenannte „diagnostische Blick“). Die Beurteilung aufgrund dieser Eindrücke ist nicht objektiv, hängt von der subjektiven Erfahrung des Untersuchers ab und ist fehleranfällig (25 – 40 % bei der Unterscheidung von oberflächlichen und tiefen dermalen Wunden) [4,5]. In der täglichen Praxis ist es so, dass - bevor der Patient in ein Verbrennungszentrum überführt wird - ein Arzt oder eine Krankenschwester, mit relativ geringer Erfahrung mit Brandwunden, zunächst die Verbrennungsgröße und -tiefe mit einer Genauigkeit

von nur 60 % bzw. 51 % beurteilt. Die klinische Beurteilung durch einen Experten ist Standard bei der Beurteilung der Verbrennungstiefe. Die dokumentierte Genauigkeit liegt hierbei bei 70 – 80 %. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das menschliche Auge nur den visuellen Spektralbereich erfassen kann, so dass es aufgrund der hohen Absorption nur oberflächliche Gewebeinformationen wahrnehmen kann. Im Vergleich zur rein klinischen Beurteilung zeigen Bildgebende Verfahren eine höhere Genauigkeit (> 80 %) bei der Beurteilung der Verbrennungstiefe [6] Die Entwicklung eines objektiven Messverfahrens zur frühzeitigen und zuverlässigen Bestimmung der Verbrennungstiefe ist aufgrund der Variabilität und Komplexität des Themas „Brandwunden" eine schwierige Aufgabe. Über Jahre hinweg wurden verschiedene physikalische Vefahren getestet [7-9]. In den letzten Jahren wurden im klinischen Umfeld am häufigsten Laser-Doppler-Bildgebung (LDI) oder Laser-Speckle-Bildgebung (LSCI) verwendet. Beide werden jedoch selten routinemäßig eingesetzt. Beide Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse, wobei der LSCI das neuere, benutzerfreundlichere Verfahren ist. [7]. LDI ist das am häufigsten verwendete Verfahren in der klinischen Praxis [8], konnte aber nicht zum Standardinstrument bei der Diagnose von Verbrennungen werden.

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Daher besteht immer noch Bedarf an einem Diagnoseunterstützungsverfahren, das eine hohe Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Verbrennungsgrades bietet und sowohl in der klinischen Praxis als auch von relativ unerfahrenen Klinikern verwendbar ist.

1.2 Multispektrale (MSI) - und hyperspektrale Bildgebung (HSI) für die Beurteilung von Verbrennungen

MSI und HSI sind Verfahren, die Bildgebung mit spektroskopischen Verfahren kombinieren. Eine Übersicht über medizinische Anwendungen für diese Technologie findet sich in [10-12]. Parallel zur Entwicklung von klinischen LDI-Geräten für die Verbrennungsbeurteilung wurden mehrere Studien über den Einsatz von MSI- und HSI-Geräten für die Beurteilung der Verbrennungstiefe durchgeführt. Aufgrund des Mangels an geeigneten klinischen Systemen erzielte die Technologie in der biomedizinischen Forschung zwar Aufmerksamkeit, aber die Menge an klinischen Daten war gering. Im Grunde dürfte MSI, das seinen Ursprung in der Verbrennungsbehandlung hat, viele der Anforderungen erfüllen, die im klinischen Alltag an ein System zur Verbrennungsbeurteilung gestellt werden. [6] Erste Versuche, die MSI-Technologie für die Verbrennungsbeurteilung in der biomedizinischen Forschung einzusetzen, wurden frühzeitig unternommen [13]. Die ersten Ergebnisse zum Einsatz eines MSI-Gerätes im klinischen Rahmen zeigten, dass es die Fähigkeit verbesserte, zwischen Verbrennungen mit unterschiedlicher Stärke zu unterscheiden und dadurch besser beurteilen zu können, ob ein Patient operiert werden musste oder nicht [14]. 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: Verbrennungsverletzungen wurden - basierend auf der relativen Veränderung und Verteilung des Sauerstoffgehalts und des Blutvolumens - 4 Stunden nach der Verletzung identifiziert. Die Bilder der Sauerstoffsättigung liefern Informationen über räumlich verbundene hämodynamische Veränderungen, die bei thermischen Schäden auftreten. Diese Bilder sind ein wirksames Mittel, um die Verbrennung zu lokalisieren und die gesamte Oberfläche des beschädigten Gewebes zu beurteilen. Die Bilder zur Sauerstoffsättigung können verwendet werden, um physiologische Veränderungen in der Nähe der Oberfläche bis unter der Oberfläche zu identifizieren. Es hat sich gezeigt, dass die tiefenabhängige Spektroskopie die Sauerstoffsättigung und Blutvolumenänderungen tief im thermisch verletzten Gewebe bestimmen kann. Brandverletzungen wurden - basierend auf der relativen Veränderung und Verteilung des

Sauerstoffgehalts und des Blutvolumens in verschiedenen Tiefen im Gewebe - identifiziert. Klinischem Personal kann die NIR-Spektroskopie ein nützliches Instrument für die Beurteilung und Bewertung von Verbrennungen bieten. [15–18] Die Ergebnisse einer neueren Veröffentlichung dieser Gruppe zur Klassifizierung von Brandwunden mittels multispektraler Daten werden als nächstes zitiert: Während dies im aktuellen Modell nicht der Fall ist, kann die Sauerstoffsättigung zu einem späteren Zeitpunkt Auswirkungen auf die Heilung von Verbrennungen haben. Ungeachtet dessen scheint SFDI in der Lage zu sein, einige wichtige Aspekte der Verbrennungstiefe non-invasiv zu erkennen. Das Modell zeigte eine angemessene Qualität bei der Rangfolge, die durch den Bereich unter der Kennlinie des Empfängers, AUC = 0,879, zusammengefasst wurde. Durch Festlegen der Schwelle für die Klassengrenzen bei einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 betrug die Modellsensitivität (echter positiver Anteil), um tiefe von oberflächlichen Verbrennungen zu unterscheiden, 0,90, während die Modellspezifität (echter negativer Anteil) 0,83 betrug. Durch die Verwendung eines Schweinemodells mit akuten thermischen Verbrennungen wurde das Potenzial der Nahinfrarotspektroskopie zur Unterscheidung zwischen oberflächlichen und tieferen Brandverletzungen demonstriert. Während diese Ergebnisse als vorläufig angesehen werden sollten und einer klinischen Validierung bedürfen, wäre ein Versuchsmodell, das in der Lage wäre, diese Verbrennungsklassen zu unterscheiden, eine signifikante Hilfe für den Verbrennungsspezialisten [18]. Eine weitere Gruppe, die die MSI—Technologie nutzte, kam zu vergleichbaren Ergebnissen: „Die Histologie bestätigte, dass wir verschiedene Verbrennungentiefen erzeugt haben. Die Analyse von Spektralbildern zeigt, dass MSI deutliche Variationen in den Spektralprofilen von gesundem Gewebe, oberflächlichen Verbrennungen und tiefen Verbrennungen erkennt. Die Absorptionsspektren von 515, 542, 629 und 669 nm funktionierten am besten bei der Unterscheidung oberflächlicher von tiefen Verbrennungen, während die Absorptionsspektren von 972 nm am genauesten bei der Steuerung des Debridementprozesses waren. Schlussfolgerung: 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. [19] Wichtig im Zusammenhang mit dem vorhergehenden Kontext ist die Schlussfolgerung, dass die Wellenlänge von 972 nm am genauesten bei der Steuerung des Debridementprozesses war. Diese Wellenlänge befindet sich genau in der Wasserabsorptionsbande

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und ist somit mit dem TWI-Parameter des TIVITA® Tissue HSI-Systems verknüpft. Da hyperspektrale Systeme technisch ausgereifter sind, wurden in letzter Zeit mehr Studien dazu veröffentlicht. Hyperspektrale Studie I: Eine Studie wurde von der Gruppe von Randeberg et al. veröffentlicht: Die Studie wurde in Kontrollumgebung und über eine begrenzte Zeit nach der Verletzung (8 h) durchgeführt; trotzdem glauben wir, dass die spektral-räumliche Klassifikation für die anfängliche Bestimmung von Brandwunden unterschiedlicher Schwere verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine spektral-räumliche Klassifikation, die für hyperspektrale Bilder eingesetzt wird, Verbrennungen unterschiedlichen Schweregrades unterscheiden kann. [20] Hyperspektrale Studie II: 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. [21]. Die Gruppe von Lalikos ordnet die Verbrennungstiefe und Veränderungen der gewonnen medizinischen Parameter physiologischen Ursachen zu, was unserer Meinung nach die richtige Interpretation der Ergebnisse ist. Sie erstellten eine wichtige Grafik (Abbildung 1), die die typische zeitliche Entwicklung der Oxygenierung bei unterschiedlicher Verbrennungstiefe zeigt.

Abbildung 1: Schwankungen des oxygenierten Hämoglobins (OxyHb) in 3 Verbrennungstiefen. Das OxyHb ist relativ zu seinen Ausgangswerten für die 3 Verbrennungstiefen dargestellt, gemessen wurde in den ersten 72 Stunden nach der Verletzung. Alle Werte sind als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt. Die statistische Signifikanz des P-Wertes von weniger als 0,05 zwischen ID- und DD-Verbrennungen ist mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet [21]

Zu einem späteren Zeitpunkt werden vergleichbare Entwicklungen auch in den Fallstudien des TIVITA® Systems gezeigt werden. Hyperspektrale Studie III:

Chin et. al. präsentierten Arbeiten mit einem LCTF-basierten HSI-Gerät im Spektralbereich von 420 nm - 750 nm: Die Verbrennungsbereiche von Patienten wurden mit

verschiedenen Farben markiert, die einen

unterschiedlichen Verbrennungsgrad darstellen, und

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das spektrale Bildgebungssystem hat auf diese Weise

die Fähigkeit bewiesen, dass es die

Verbrennungsbereiche durch Vergleich ihrer

reflektierenden Spektralkurven mit dem

charakteristischen Spektrum des unterschiedlichen

Verbrennungsgrades in einer zukünftigen spektralen

Datenbank klassifizieren kann. [22].

Eine Technologie die eng mit der MSI-Technologie verwandt ist, wurde ebenfalls für die Beurteilung von Verbrennungen benutzt: Gewebesauerstoffsättigung (StO2) und Gesamthämoglobin (ctHbT) unterschieden oberflächliche Verbrennungen von schwereren Verbrennungstypen nach 2 bzw. 72 h (p <0,01), konnten jedoch in den ersten 72 h nicht 2b. Grad von 3. Grad Verbrennungen unterscheiden. Gewebestreuparameter unterschieden unmittelbar nach der Verletzung (p <0,01) oberflächliche Verbrennungen von allen anderen Verbrennungstypen und nach 24 h (p<0,01) konnten sie alle drei Verbrennungstypen voneinander unterscheiden. [23] Der Vollständigkeit halber sollen hier auch andere MSI- und HSI-Studien erwähnt werden [24–26].

1.3 Laser Doppler Imaging (LDI) und Laser Speckle Imaging (LSCI)

LDI und LSCI sind nicht-invasive und schnelle Techniken zum Messen des mikrovaskulären Blutflusses, und beide wurden in letzter Zeit klinisch bei der Bewertung von Verbrennungen und der Beurteilung von Lappen eingesetzt. LDI ermittelt einen lokalen Messparameter, der mit dem wichtigen funktionalen Systemparameter "Perfusion" als Vitalitätsindex in Zusammenhang steht. Da dieser Messparameter nicht einem genau definierbaren Systemparameter entspricht, ist er nicht absolut berechenbar. Die meisten anderen getesteten physikalischen Verfahren spezialisieren sich auch auf die Messung der Zusammensetzung oder des Merkmals einer Wunde, aber dies reicht nicht aus, um eine zuverlässige Bestimmung des Wundstatus zu gewährleisten (mindestens der Grad der Schädigung, wie oben definiert) [27]. Daher besteht immer noch Bedarf für ein Diagnoseunterstützungsverfahren, das eine hohe Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Verbrennungsgrads zeigt und das leicht in der klinischen Praxis eingesetzt werden kann. Voraussetzung für ein Messverfahren ist es somit, ausreichende Informationen über den individuellen und lokalen Zustand der Brandwunde einzubeziehen, um eine zuverlässige Bestimmung der Verbrennungstiefe zu erreichen. Insbesondere sollte die Primärdiagnose (so früh wie möglich, idealerweise unmittelbar nach der ersten Reinigung oder dem Debridement der Verbrennungswunde) die Unterscheidung zwischen den Klassen 2a und 2b ermöglichen, um praktisch eine bestmögliche

Einschätzung des verbleibenden Selbstheilungspotentials zu liefern (2a). Mehrere Arbeiten und klinische Studien wurden durchgeführt, um die arbiträren Einheiten des LDI-Strömungsparameters des MOOR-LDI-Systems in Korrelation zur Heilungszeit zu setzen [28–32]. Pape et al. [33] berichteten über eine Überprüfung der Wundheilung nach 21 Tagen für 76 Wunden mittlerer Tiefe bei 48 Patienten. Die Ergebnisse zeigten, dass der moorLDI2-BI bei der Vorhersage der Wundheilung nach 21 Tagen zu 97% genau war (74/76), verglichen mit 70% (53/76) bei der klinischen Bewertung (kein statistischer Vergleich bekannt). Hoeksema et al. [34] untersuchten die wechselnden Genauigkeiten der Laser-Doppler-Bildgebung und der klinischen Bewertung an den Tagen 0, 1, 3, 5 und 8 nach einer Verletzung. Vierzig Patienten mit Brandwunden mittlerer Tiefe wurden mit dem moorLDI2-BI gescannt. Die abschließende Beurteilung der Wundtiefe zeigte bei 14 Patienten (davon 12 mit einer Hauttransplantation) eine tiefe oder eine Verbrennung 3. Grades, und eine oberflächliche dermale Verbrennung bei 26 Patienten. Die Genauigkeit betrug bei der klinischen Bewertung an den Tagen 0, 1, 3, 5 und 8 jeweils 41%, 62%, 53%, 71% und 100% und bei der Bewertung durch Laser-Doppler-Bildgebung jeweils 55%, 80%, 95%, 97% und 100%. Die Genauigkeit der Bestimmung der Verbrennungswundtiefe mit dem moorLDI2-BI war am 3. Tag (p <0.001) und am 5. Tag (p = 0.005) signifikant höher als bei der klinischen Bewertung, jedoch nicht an den Tagen 0, 1 oder 8. Der mit der Technologie verbundene klinische Nutzen liegt in der Vermeidung von unnötigen Operationen, dem Ausmaß der Operationen, der Anzahl der Verbandswechsel, der Veremeidung von Komplikationen und der Aufenthaltsdauer im Krankenhaus. Längerfristige Ergebnisse sind die Reduktion des Ausmaßes und die Art der Narbenbildung sowie die Wiederherstellung der Funktionen des betroffenen Gewebes. Beim Laser-Doppler-Imaging sind verschiedene Punkte zu beachten. Eine typische Bilderfassung dauert z. B. 30 - 40 Sekunden lang. Wenn sich das Objekt während dieser Zeit bewegt, ändern sich die aufgezeichneten Werte. Infolge der Bewegung des Patienten während der Bilderfassung sind die gemessenen Perfusionswerte höher [9]. Beim Laser Speckle Imaging nimmt durch Bewegung des Gewebes die gemessene Perfusion zu und bei einem Messwinkel jenseits von 45° wieder ab. Diese Ergebnisse müssen berücksichtigt werden, wenn LSCI verwendet wird, um sich bewegende oder gekrümmte Gewebeoberflächen zu beurteilen, was in der klinischen Anwendung häufig vorkommt [27]. Allerdings gibt es auch Kritik an der Verbrennungstiefenbeurteilung mit LSCI [35,36]. Auf der anderen Seite gibt es aber auch Studien, die den wirtschaftlichen Wert von Laser-Doppler-Imaging Geräten für die Bewertung von Verbrennungen und damit die Bedeutung von optischen Verfahren für die klinische Behandlung von Verbrennungen betonen.

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“Die Laser-Doppler-Bildgebung verbessert die Therapieentscheidungen ... und kann 875 Euro pro Patient einsparen” [37]

1.4 Vergleich von HSI- und LDI-Technologie

HSI und LDI sind zwei optische bildgebende Verfahren zur Beurteilung der Mikrozirkulation im menschlichen Gewebe. Aus der allgemeinen wissenschaftlichen Sicht eignen sich beide Technologien für die Bewertung von Verbrennungen, wie von Randeberg et al. erläutert: HSI war in der Lage, zwischen 3 einzelnen Ebenen der Verbrennungsverletzung zu unterscheiden. Dies ist

wahrscheinlich aufgrund seines Zusammenhangs mit der Hautperfusion: eine oberflächliche Verbrennungsverletzung verursacht eine Entzündungsreaktion und eine erhöhte Perfusion an der Verbrennungsstelle während tiefere Verbrennungen die Hautmikrovaskularisation zerstören und zu einer Abnahme der Perfusion führen. [21] Der wissenschaftliche Zusammenhang zwischen den beiden Verfahren ist in Abbildung 2 dargestellt:

Abbildung 2: Messparameter der HSI- und LDI-Technologie für die Beurteilung von Verbrennungen

Die Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der beiden verfügbaren klinischen Systeme für HSI- und LDI-Technologie:

Tabelle 2: Vergleich der beiden klinischen HSI- und LDI-Systeme

HSI (TIVITA®) LDI (moorLDI2-IR)

Technologie Hyperspektrale Bildgebung Laser Doppler Imaging

Zulassung CE-Kennzeichen CE-Kennzeichen, FDA 510k

CE-Klasse I IIa

Laser Kein Laser Laser Klasse 3R

Schutz für Operateur und Patient Nein Schutzbrille

Patientenisolation Klasse I Klasse I

Abstand zum Patienten 50 cm 20 cm oder 100 cm

Bildauflösung 640 x 480 Max. 256 x 256;

Scandauer 7 sek. 40 sek. (@ 12.5 x 12.5 cm / 64 x 64 px) 6 min. (@ 50 x 50 cm / 256 x 256 px)

Bereich 30 cm x 22 cm 25 cm x 25 cm / 50 cm x 50 cm

Farbbild Ja, genormt, aus dem HSI Datenwürfel erstellt

Ja

Parameterbilder StO2 (%), THI (AU), NIR-Perfusion (AU), TWI (AU)

Flux (AU)

Dokumentationssoftware Ja Ja

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Patientenbericht Ja Ja

DICOM-Format Nein Ja

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Ein Vergleich der Laser Speckle Technologie mit einer modifzierten MSI-Technologie wurde in wissenschaftlicher und klinischer Zusammenarbeit mit dem Beckman Institut in Irvine/CA durchgeführt: Wir haben zwei nicht-invasive Verfahren, die Verbrennungstiefe vorherzusagen, untersucht: SFDI, das in der Lage ist, in vivo-Streuung und Absorptionsänderungen zu beschreiben, und LSI, das in der Lage ist, Veränderungen des Blutflusses anzuzeigen. Verbrennungen, die in einem Schweinemodell von 2a. bis 3. Grad reichten, wurden über drei Tage beobachtet. Hier haben wir gezeigt, dass durch Überwachung von Veränderungen des Blutflusses eine Stunde nach der Brandverletzung bereits 2a. von 2b. Grad Verbrennungen unterschieden werden können. Zudem können durch Änderungen beim reduzierten Streukoeffizienten 2a, 2b und 3. Grad Verbrennungen eine Stunde nach der Verletzung unterschieden werden. Diese Techniken haben das Potenzial, den Schweregrad der Verbrennung in den frühesten Stadien vorherzusagen, was für die Steuerung der Behandlungsoptionen entscheidend ist [38,39].

2 2 VERFAHREN

2.1 Bildaufnahme

Die HSI-Datenwürfel der Brandwunden wurden so früh wie möglich (möglichst innerhalb der ersten 24 bis 48 Stunden nach der Verletzung), spätestens vor Beginn des ersten Debridements, aufgenommen. Nach dem ersten Debridement wurde die Dokumentation auf der sauberen trockenen Wunde und periodisch während des Heilungsprozesses durchgeführt. Der Bildgebungsprozess dauert ca. 30 Sekunden (davon 7 Sekunden Bildaufnahme) und die Aufnahme erfolgt in einem Abstand von 50 cm von der Wunde und beeinträchtigt praktisch nicht den

üblichen Behandlungsvorgang. Die Farbe und die ausgewerteten physiologischen Parameterbilder werden direkt auf dem Bildschirm angezeigt und die Datensätze werden automatisch im Dokumentationsbereich der Software gespeichert, sobald sie aufgezeichnet wurden. Somit stehen die Datensätze auch in der Datenbank für die anschließende quantitative Analyse und Auswertung während des Heilungsprozesses zur Verfügung. Durch zusätzliche Verwendung des Markerwerkzeuges können bestimmte Bereiche der Brandwunde quantitativ analysiert werden. Anhand verschiedener Fallstudien werden klinische Aspekte der Brandwundenbeurteilung mit Hilfe der hyperspektralen Analyse vorgestellt. Die Fallstudien wurden von drei Kliniken (Städt. Klin. Dessau, Universitätsklinikum Greifswald und Unfallkrankenhaus Berlin) vorgenommen. Die Daten wurden während der routinemäßigen Behandlung gesammelt, die Bilder dienten zur objektiven Dokumentation des Behandlungsverlaufs und wurden mit schriftlicher Zustimmung der Patienten aufgenommen. Aus der Standarddokumentation von insgesamt ca. 30 Behandlungen werden hier fünf Beispiele mit unterschiedlichen Aspekten erörtert.

3 ERGEBNISSE

3.1 Fallstudie 1 mit Verbrühungen an der Brust eines Kindes

Das erste Beispiel ist eine vollständige klinische Dokumentation des Behandlungs- und Heilungsprozesses von der Krankenhausaufnahme bis zum elften Tag nach der Verletzung (Abbildung 3). Die Sichtprüfung des Chirurgen ergab eine Verbrühung mit Grad 2a-b-Verbrennung.

Abbildung 3: Darstellung einer typischen Dokumentationsreihe des Behandlungs- und Heilungsprozesses. Die rote gestrichelte Linie markiert die Bilder vor und nach dem chirurgischen Debridement. Die Erläuterungen der Ergebnisse befinden sich im Text

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. Die Informationen aus den Parameterbildern, die aus dem HSI-Datenwürfel berechnet werden, werden als nächstes erläutert.

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NIR-Perfusion (nahinfrarot Persfusions-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 (Oxygenierung [%]): Ein ähnlicher Verlauf zeigt

sich bei der oberflächlichen Sauerstoffversorgung StO2. THI (Tissue-Hämoglobin-Index): 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 (neues Epithelisierungsgewebe). TWI (Tissue-Water-Index): 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. Diese Verläufe können auch quantitativ mit dem Marker Tool der TIVITA Suite evaluiert werden, welches in Abbildung 4 dargestellt wird

Abbildung 4: Beispiel für die Quantifizierung von Parameterwerten innerhalb des Parameterbildes

In Abbildung 5 sind die Änderungen der Parameterwerte vor und nach dem Debridement angegeben:

Abbildung 5: Quantifizierung der Parameter an einer einzigen Position innerhalb der Verbrennung vor und nach dem Debridement

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Zur besseren Veranschaulichung folgt in Abbildung 6 eine andere Darstellung der Dokumentation mit einer reduzierten Anzahl von Bildern:

Abbildung 6: Zeitliche Entwicklung bei der reduzierten Dokumentation (pro Tag wurde nur ein Bild gewählt)

Die Entwicklung der Parameter in der zeitlichen Abfolge ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Zeitliche Entwicklung der medizinischen Parameter an einer Stelle innerhalb der Verbrennung

3.2 Fallstudie mit Lappentransplantat

Das in Abbildung 8 gezeigte Beispiel dokumentiert einen Fall, in dem der Chirurg in einem frühen Stadium beschloss, Gewebe auf die Brandwunde zu transplantieren.

Abbildung 8: Lappentransplantataion auf die 2a-b Brandwunde einer Hand mit schnellem Heilungsprozess

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Bei der Gewebetransplantation kann klar festgestellt werden: Im Gegensatz zur Transplantation auf eine normale chronische Wunde wird eine Transplantation auf eine Verbrennungswunde auf ein stark durchblutetes (entzündliches) Gewebe durchgeführt. Daher können auf der oberen Schicht des Transplantates sehr hohe NIR-Perfusionswerte und niedrige StO2-Werte beobachtet werden. Zwei Tage nach der Transplantation ist es offensichtlich, dass sich die Werte der StO2- und NIR-Perfusion so gut wie möglich an das gesunde umgebende Gewebe angepasst haben. Die Werte sind standardmäßig noch erhöht, da der Heilungsprozess noch nicht abgeschlossen ist. Trotzdem zeigt diese Transplantation, dass das Wachstum des transplantierten Gewebes bedingt durch die sehr hohe Perfusion (verglichen mit Transplantationen auf beispielsweise schwach durchblutetes Wundgewebe von venösen Beingeschwüren) sehr stark beschleunigt wird.

3.3 Fallstudie eines Fußes

Abbildung 9: Typische Verbrennungsentwicklung am Fuß

Es könnte einen möglichen zusätzlichen Patienten- und Systemvorteil geben, indem das HSI-System dazu verwendet wird, die Ränder von Operationsbereichen für Hauttransplantatoperationen genau zu definieren, wodurch das Ausmaß von Exzision und Transplantation bei einigen Patienten begrenzt wird (Abbildung 9).

3.4 Fallstudie I einer Hand

Eine weitere interessante Fallstudie ist die in Abbildung 10 gezeigte Hand. Diese Verbrennung zeigt viele signifikant unterschiedliche Bereiche innerhalb der Brandwunde: Der Wassergehalt ist in bestimmten Bereichen deutlich erhöht und die mit Flüssigkeit gefüllte Brandblase ist gut zu erkennen. Der hohe THI in einem Bereich deutet darauf hin, dass die oberste Hautschicht bereits fehlt.

Abbildung 10: Brandwunde an einer Hand mit regional stark strukturierten Perfusionszuständen

3.5 Fallstudien II, III und IV einer Hand

In den nächsten 3 Fällen werden verschiedene 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 11: Stark segmentierte Brandwunde einer Hand

Diese Beobachtungen können auch für Abbildung 12 gemacht werden, außer dass der Wasserindex innerhalb des normalen Bereichs liegt. Das RGB-Bild zeigt, dass es eine graue Verfärbung der Haut um die Verbrennung herum gibt. Der NIR-Perfusionsindex und die Oxygenierung sind in diesen Bereichen nicht erhöht.

Abbildung 12: Brandwunde einer Hand

Abbildung 13 zeigt Aufnahmen einer Kinderhandfläche vor und nach dem Debridement an der rechten Hand und nach dem Debridement an der linken Hand.

Abbildung 13: Illustration einer verbrannten Handfläche vor (rechte Hand) und nach Debridement (linke und rechte 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. Deshalb sollte das offene Gewebe durch eine Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse geschützt werden.

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3.6 Fallstudie V einer Hand

Ein Fall einer Brandwunde wurde während der routinemäßigen Wundbehandlung dokumentiert (Abbildung 14). Spezifische Daten zur Beurteilung durch den Chirurgen fehlen. Aufgrund des langen

Behandlungsprozesses, der schließlich in einer Gewebetransplantation gipfelte, wurde der Fall ausgewählt, um hier dargestellt zu werden.

Abbildung 14: Wunddokumentation der Brandwunde einer Hand

4 DISKUSSION

4.1 Objektive Dokumentation von Behandlung und Heilungsprozeß

Bei der Behandlung von Kindern mit verbrannter Haut sind Verbrennungen durch Verbrühungen in den letzten Jahren stark angestiegen. Es ist bekannt, dass ein nicht optimaler Heilungsverlauf zu schweren Narben führt, mit denen die Patienten in der Regel während ihres gesamten Lebens konfrontiert werden. Die Narbenbildung verursacht viele Jahre lang orthopädische und psychische Probleme, die oft dazu führen, dass Patienten ihr Leben lang nicht am normalen Arbeitsleben teilhaben können [Krause-Wloch, Salzhemmendorf]. Um die Behandlung von Kindern mittelfristig zu optimieren, muss im ersten Schritt eine objektivierte Dokumentation des Heilungsprozesses eingeführt werden. Dies ist im klinischen Alltag noch nicht gewährleistet. Die Daten der LDI-Technik sind zwar für die Diagnose und Dokumentation in den ersten ca. 5 Tagen nach der Verbrennung geeignet, aber im weiteren Heilungsprozess sinkt der Informationswert der Daten. 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.

4.2 NIR Perfusionsindex

Der NIR-Parameter ist am besten vergleichbar mit dem Strömungsparameter von LDI-Systemen. In der ersten Stufe der Verbrennungswunde ist der Parameter sehr hoch, nimmt im Laufe der Zeit aber ab. Ob der Anstieg nach einem ersten Rückgang (wie in Abschnitt 3.1 gezeigt) reproduzierbar gemessen werden kann, muss durch weitere Untersuchungen nachgewiesen werden

4.3 Tissue Water Index

Der Tissue Water Index-Parameter ist eine wichtige Informationsquelle und die Literatur zeigt, dass er für die Steuerung des Debridement-Prozesses geeignet ist [19]. Der typische zeitliche Verlauf während der Heilungszeit ist ein erster Anstieg gefolgt von einem Rückgang. Diese Aussagen müssen in weiteren Untersuchungen wissenschaftlich belegt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass das TIVITA® System hier einen klaren Vorteil gegenüber LDI aufweist.

4.4 Tissue Hämoglobin Index

Durch den THI-Parameter kann offenes Gewebe erkannt werden und während der Heilung kann aus

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dem Sinken abgeleitet werden, wie die Bildung der deckenden Epithelschicht voranschreitet.

5 ERGEBNISSE

Dieser Fallbericht ist eine Dokumentation der ersten, vorläufigen Anwendungen der TIVITA® Tissue bei der Beurteilung und Behandlung von Verbrennungen und der Dokumentation der Heilung. Die Fallstudien zeigen einen hohen Informations-

gehalt innerhalb der Parameterbilder, differenziert

nach verschiedenen Parametern.

Aus wissenschaftlicher Sicht sind die HSI-NIR-

Perfusionsindex-Daten meist mit den LDI-Flow-

Daten korreliert. Da beide Systeme NIR-optische

Strahlung im äquivalenten Spektralbereich zur In-

formationsgewinnung verwenden, haben sie eine

vergleichbare Eindringtiefe und damit eine ver-

gleichbare Reichweite im Gewebe. Da der LDI-

Systemparameter "Flow" durch die Mikrobewe-

gung im Gewebe erzeugt wird, welche wiederum

ihre Ursache im Blutfluss durch das Gewebe hat,

liefert der spektral gemessene HSI-Parameter

"NIR-Perfusionsindex" vergleichbare Informatio-

nen.

Die Parameterbilder StO2, THI und TWI liefern

zusätzliche Informationen zur Struktur der Ver-

brennung und zum Heilungsprozess. Gerade der

TWI liefert sehr wichtige Informationen über die

Brandwunde von den ersten Stunden bis hin zu

einigen Tagen. Dies wurde bereits in [19] erwähnt.

wobei diese Wellenlänge (970 nm) als die genau-

este zur Steuerung des Debridement-Prozesses

identifiziert wurde

Die bewegungsabhängigen Artefakte der LDI-

Technologie können in der hyperspektralen Tech-

nologie, die auf dem Prinzip der technischen Auf-

zeichnung beruht, nicht auftreten.

Der Vergleich der vorläufigen Fallstudien mit ver-

öffentlichten Ergebnissen für MSI und HSI deutet

auf eine gute Übereinstimmung hin.

Es könnte einen zusätzlichen Patienten- und Sys-

temvorteil geben, wenn das HSI-System dazu ge-

nutzt wird, um die Ränder der chirurgischen Berei-

che für Hauttransplantatoperationen genau zu de-

finieren, so daß das Ausmaß von Exzision und

Transplantation bei einigen Patienten begrenzt

werden kann.

Nach den vorgestellten Beobachtungen kann angenommen werden, dass HSI mehr Verbrennungsparameter misst und damit eine bessere und vollständigere Beurteilung der Verbrennungen ermöglicht, was zu einer besseren Behandlung, objektivierten chirurgischen Eingriffen und Verifizierung der durchgeführten Operationen führt. 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. Verbrennungsverletzungen wurden basierend auf der relativen Veränderung und Verteilung des Sauerstoffgehalts und des Blutvolumens in verschiedenen Tiefen im Gewebe identifiziert. Die NIR-Spektroskopie kann klinischem Personal ein nützliches Instrument für die Beurteilung und Bewertung von Verbrennungen bieten. Erste qualitative Aussagen über die Perfusions-Parameter (von Dr. Dr. J. Marotz): Die akute Reaktion in 2a und oberflächlichen 2b Verbrennungen (2b1) zeigt einen sehr hohen StO2- und THI-Wert (Stase, Ischämie), NIR befindet sich in einem hohen bis sehr hohen Bereich, und in einigen Fällen ist eine erhöhte Wasseransammlung (Ödeme) erkennbar. In 2b-Verbrennungen tieferer Stufe (2b2) sind die anfänglichen StO2-, THI- und NIR-Werte immer noch mittelmäßig (Ischämie nicht sehr ausgeprägt), aber niedriger als die akuten Werte in 2a und 2b1. Bei Verbrennungen dritten Grades sind in dieser Phase bereits niedrige Parameterwerte vorhanden (kein Wasser). Bei 2b1 und 2b2 können sich die Werte innerhalb der ersten Stunden ändern ((Stasen-Bildung (StO2 und THI) und NIR-Entwicklung)). Diese Änderungen sind wichtig für eine genaue Auswertung. In der zweiten Phase ab dem dritten Tag zeigen 2a-Verbrennungen erhöhte StO2- und THI-Werte im Vergleich zu normalen Werten (Umgebung) und erhöhten NIR-Werten. Bei Grad 2b1 sind StO2 und THI vermindert, aber NIR ist immer noch gut und zeigt die Heilungsfähigkeit. Bei Grad 2b2 ist NIR bereits gesunken, womit die Heilungsfähigkeit schlechter geworden ist. Auf Stufe 3 sind in den Spektren die typischen Nekrosezeichen zu sehen. Grob gesagt spiegelt NIR hauptsächlich die Fähigkeit zur Heilung wider; dies korreliert auch mit dem LDI-Strom, der in einer ähnlichen Tiefe ermittelt wird.

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