[논문 리뷰] Skin color independent robust assessment of capillary refill time

Raquel Pantojo de Souza Bachour, Eduardo Lopes Dias외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 표피 반사 영향을 줄이기 위해 RGB 카메라, LED 조명 및 교차된 원형 투명 필터를 사용하여 피부 색소에 영향을 받지 않는 내성적인 모세관 재충만 시간(pCRT) 평가 방법을 제안한다. 7 kPa의 압력을 5초 동안 가하고 녹색 채널 강도 감쇠를 데이터 기반 커프오프 및 불확실성 기반 플래그 기반의 지수 회귀 분석을 통해 분석함으로써, 피부 색소형 I–VI 전반에서 높은 재현성(개인 평균의 ±20% 이내 측정치의 80%)을 달성한다.

ABSTRACT

Capillary refill time (CRT) is a method for evaluating peripheral perfusion by visual assessment. CRT is especially useful for quick evaluations in the absence of sophisticated equipment. However, there are repeatability and reproducibility limitations with CRT, especially for dark skin. To test the limits of CRT repeatability and skin color independence, we developed a system and method to perform simple and robust CRT measurements. The system consists of an RGB camera and an LED lamp, with crossed circular polarizers imaging to attenuate the light reflected by the superficial layer of the skin. The capillary refill time is determined using an exponential regression on the time-dependent green channel mean pixel intensity of the region of interest after the compression is released. We limited this regression up to a data-dependent cut-off time, after which we assume the exponential model is invalid, and used the confidence interval of the uncertainty to develop a criterion to flag and discard faulty measurements. We tested the system on twenty-two volunteers with skin phototypes ranging from I to VI on the Fitzpatrick scale, applying to their forearms a 7 kPa compression for 5 s. After the release of measurements flagged as inadequate (about 20\% of measurements) by our regressions, our results indicated good precision, with high repeatability for all skin phototypes. Approximately 80\% of measurements fall within $\pm 20\%$ of the individual's expected value for CRT (mean CRT value). Our results suggest CRT can be used as a quantitative measurement and encourages further developments for the implementation of a similar method on smartphone cameras for quick and robust CRT measurements in patients' triage, monitoring, and telehealth.

연구 동기 및 목표

• 어두운 피부에서 특히 심한 표준화 부족 및 낮은 재현성으로 인한 수동 모세관 재충만 시간(CRT) 측정의 문제를 해결한다.
• 관찰자 간 변동성, 조명, 온도 및 피부 색소형 영향으로 인한 시각적 CRT 평가의 한계를 극복한다.
• 피부 색소 및 관찰자 편향에 영향을 받지 않는 저비용, 내성적이고 객관적인 정량적 CRT 측정 방법을 개발한다.
• 회귀 불확실성 및 동적 커프오프 시간을 활용하여 낮은 품질의 읽기 데이터를 플래그하고 기각함으로써 측정 신뢰도를 확보한다.
• 미래에 스마트폰 카메라에 구현 가능하게 하여 현장 진료, 원격의료 및 지속적인 모니터링 응용 분야를 지원한다.

제안 방법

• 표면 반사를 최소화하고 피부 영상의 신호 대 잡음 비율을 향상시키기 위해 RGB 카메라와 교차된 원형 투명 필터를 갖춘 LED 조명원을 사용한다.
• 테프론 접촉면을 갖춘 맞춤형 실린더형 장치를 사용해 팔뚝에 7 kPa의 압력을 5초 동안 일정하게 가한다.
• 압력 해제 후 관심 영역(ROI)의 영상을 기록하고 시간 순서의 평균 녹색 채널 강도를 추출한다.
• 데이터 기반 커프오프 시간을 사용하여 유효하지 않은 재충만 후 단계를 제외하고, 비선형 회귀를 통해 강도 복구 곡선에 지수 감쇠 모델을 적합시킨다.
• 회귀의 신뢰구간을 활용해 신뢰할 수 없는 측정치를 식별하고 기각 플래그를 설정한다.
• pCRT를 지수 적합의 시간 상수로 정의하여 통제된 객관적 조건 하에서 모세관 재충만 시간을 나타낸다.

Figure 1: Experimental setup. a) Schematic illustration of the weight and arm support, front view; (1) Standard aluminum cylindrical weight; (2) $4cm^{2}$ thermally insulating Teflon tip, that comes into contact with the subject’s skin; (3) Armrest (dense polyurethane foam). b) Setup with a voluntee

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 카메라 기반 시스템을 사용하여 모든 피부 색소형(Fitzpatrick I–VI)에서 모세관 재충만 시간을 신뢰성 있고 재현성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ2 교차된 원형 투명 필터의 사용이 표면 반사 잡음 요인을 줄여 측정의 내성성을 높이는 데 유의미한 영향을 미치는가?
• RQ3 데이터 기반 커프오프 시간과 회귀 불확실성 기준이 결함 있는 측정치를 효과적으로 식별하고 기각하는 데 유용한가?
• RQ4 기존 CRT에서 사용하는 높은 압력 대비, 저압(7 kPa) 압력이 측정의 재현성과 정확성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 방법이 관찰자 편향과 피부 색소에 영향을 받지 않아 다양한 임상 집단에서의 적용 가능성이 얼마나 높은가?

주요 결과

• 모든 피부 색소형에서 약 80%의 pCRT 측정치가 개인의 평균 CRT 값의 ±20% 이내에 위치하여 높은 재현성을 확보하였다.
• 약 20%의 측정치가 낮은 회귀 적합도 또는 높은 불확실성으로 인해 플래그 처리되어 기각되었으며, 이는 효과적인 품질 제어를 의미한다.
• 시스템은 모든 피부 색소형(Fitzpatrick I–VI)에서 높은 내성성을 보였으며, pCRT 측정의 피부 색소 독립성을 확인하였다.
• 낮은 7 kPa의 압력이 더 높은 압력 대비 측정 안정성 향상과 잡음 감소에 기여하여, 회귀 적합도 품질이 향상되었다.
• 동적 커프오프 시간을 갖는 지수 회귀 모델이 pCRT 추정의 신뢰성과 재현성 향상에 크게 기여하였다.
• 결과는 스마트폰 카메라에 유사한 pCRT 시스템을 구현할 수 있음을 뒷받침하며, 비침습적이고 객관적이며 접근 가능한 말초 순환 모니터링을 가능하게 한다.

Figure 2: Mean ROI pixel intensities during a pCRT experiment. a) Mean intensities of the R, G and B channels from the pixels inside the ROI. The cylindrical weight blocking the camera during compression causes the sharp drop in intensities observed between 14 s and 19 s. After the weight is lifted,