本文要點：燒傷深度測定的準確性對于患者護理至關重要。最近的動物研究表明，短波紅外 （SWIR） 成像可以區分淺表燒傷和深部燒傷。這是第一項將多個 SWIR 波段的反射率與外科醫生和組織學的燒傷深度分類相關聯的人體研究。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，并從選定區域采集活檢。將 273 個感興趣區域 （ROI） 中每個波段的反射強度除以正常皮膚反射率，并組合成三個反射指數 （RI）。對于外科醫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 RI 都隨著燃燒深度的增加而增加，并預測代表可操作區域的深度和全深度 ROI（曲線下面積 >0.6507，p < 0.0001）。總之，使用新型 SWAT 進行多光譜成像是評估燒傷創面深度的一種很有前途的方法。

活體成像儀

本研究通過短波紅外（SWIR;1000 至 2500 nm 之間的光）成像新技術探索了人類燒傷創面評估，該技術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手術患者的燒傷評估。在人體研究中，本文提供了多個 SWIR 窄帶及其組合處燒傷反射率的時間相關性，以及外科醫生和組織學特征分類的燒傷類別。該研究激發了對多光譜 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，通過漫射器準直器和紅外二向色鏡面反射皮膚和燒傷區域，（ii） SWIR 相機捕獲皮膚和燒傷組織在四個不同的窄波段反射的光的圖像。分離并選擇四個條帶以大致均勻地跨越 SWIR 范圍，包括脂質、膠原蛋白的吸收峰，特別是 1940 nm 附近突出的吸水度帶（iii） 使用環境光捕捉燒傷區域標準視圖的視覺攝像機。

在 SWIR 成像的同時以大致相同的光軸拍攝可見光圖像。之后，這些圖像標有 ROI，供外科醫生評估 11 名患者成像燒傷區域的燒傷深度（圖 2A）。5 名外科醫生評估了這些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% 未達成共識 （圖 2B）。排除未達成共識的 ROI，共選擇了 273 個 ROI，包括 129 個全層、97 個深層部分厚度和 47 個淺表或淺表部分厚度區域（圖 2C）使用 SWIR 成像進行進一步評估。

圖3. 不同波長和不同燃燒深度的反射強度

圖4. ROC 和 AUC 分析

本文繼續分析 SWIR 反射率參數的敏感性和特異性，以區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 反射率參數的 ROC 分析。總體而言，除 I1650 之外的所有參數，顯示出根據外科醫生分類檢測手術 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，三個反射指數的 AUC 大于四個單獨波長的反射率。特別是，反射指數 RI3，它是 SWAT 中四個單獨 SWIR 波段的所有四個反射率參數的組合，呈現出最高的 AUC 0.7565，高于單個波段 I1200 的最高 AUC的 0.6513 （p = 0.0109）。因此，將多個 SWIR 波段的反射率組合成一個反射率指數，增強了對確定為清創物的燒傷 ROI 的檢測。

圖5. 燒傷創面的組織學評估

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

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

圖6. 活檢和非活檢 ROI 的反射率參數比較

對外科醫生 ROIs 分類最敏感和最特異的反射率參數 RI3，外科醫生和病理學家都同意的 5 個深部分 ROI 和 3 個全層 ROI 之間沒有顯著差異，并且通常活檢樣本的數量較低受到限制，因此無法進行嚴格的調查。因此，本文專注于表征按兩種分類分組的反射率參數的相關性和差異。圖 6 顯示了正常和淺表部分厚度（即非手術）與深部分和全層（即手術）以及非活檢與活檢ROI 的所有反射率參數的相關性。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 RI 值與具有相同外科醫生分類的非活檢 ROI 沒有差異。病理學家和外科醫生就深、部分厚度和全層分類達成一致的 8 個 ROI 的特征尚無定論，大多數反射率參數沒有區別。總體而言，圖 6 中呈現的各種反射率參數證明了活檢中的手術 ROI 與非活檢 ROI 數據組中的非手術燒傷之間的相關性和不兼容性。應該強調的是，盡管外科醫生和病理學家在活檢 ROI 中對手術深部部分和全層燒傷進行分類時不一致，但所有四個波段和 RI1顯示的反射率與非活檢和非手術 ROI 顯著不同。

該研究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度，與外科醫生和病理學家分類的燒傷類別具有不同程度的相關性。在考慮外科醫生分類時，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。除 1650 nm 外，所有波段的反射率及其指數都表明能夠預測臨床上針對清創術的深部分層或全層燒傷。盡管基于病理學家組織學評估的燒傷深度分類僅部分與外科醫生的分類相匹配，但也可以區分手術和非手術燒傷，盡管與外科醫生的分類相比，反射率參數的數量減少了。總的來說，本文的數據表明，多光譜 SWIR 圖像提供了與不同燒傷創面深度相關的反射率測量，并激發了確定生理機制和臨床應用的額外研究和開發。

SWIR 范圍內的成像為體內燒傷深度表征提供了機會。本文的研究側重于 SWIR 反射強度的量化，圖 3、4 和 6 中的分析支持使用窄 SWIR 波段來區分運行和非運行燃燒區域。考慮光-組織相互作用應該可以深入了解有助于研究者觀察的因素。與SWIR 范圍內的血液吸光度有幾個峰，一個是與吸水率相關的 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的，并且可能反映了燒傷中組織特征的復雜變化。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，反映了一個多因素和復雜的過程，可能與 1940 nm 處的水腫相關的含水量急劇增加有關。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、機器學習算法、以及顯示水腫形成和進展的 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 設備具有多項優勢。LDI 和熱成像不能在術中用于在止血帶下清創的肢體燒傷，因為它們需要血流。在研究中，外科醫生確定的僅匹配部分組織學確定的深層、部分層和全層反射強度，與之前的研究一致。然而，SWAT 設備對實時組織特征（包括水分）的測量給出了與外科醫生和組織學在這些條件下進行清創評估一致的讀數。SWAT 設備是無創的，可以立即測量燒傷深度，而無需使用可能引起過敏反應的可注射熒光染料。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，以便對燒傷進行更完整的分析。此外，由于 SWIR 不在可見范圍內，可能影響其他技術的頭頂照明和皮膚色素沉著對 SWIR 讀數的影響要小得多。

總之，本文的研究表明，多光譜 SWIR 成像會產生不同的反射強度，具體取決于波段波長和燃燒深度。這項研究的結果為使用 SWAT 提供組織活力和燒傷深度的客觀測量提供了證據。燒傷深度的視覺評估差異很大，這項技術可以進一步發展，以便外科醫生可以利用它提供更準確的評估，無論經驗水平如何。使用這項技術，外科醫生將有可能優化受損組織的切除和清創，并最大限度地保留活組織。這些初步結果激發了對燒傷 SWIR 成像的進一步研究，以期以非侵入性和準確的方式識別手術燒傷和非手術燒傷。