Microcirculation has become a key factor for the study and assessment of tissue perfusion and oxygenation. Detection and assessment of the microvasculature using videomicroscopy from the oral mucosa provides a metric on the density of blood vessels in each single frame. Information pertaining to the density of these microvessels within a field of view can be used to quantitatively monitor and assess the changes occurring in tissue oxygenation and perfusion over time. Automated analysis of this information can be used for real-time diagnostic and therapeutic planning of a number of clinical applications including resuscitation. The objective of this study is to design an automated image processing system to segment microvessels, estimate the density of blood vessels in video recordings, and identify the distribution of blood flow. The proposed algorithm consists of two main stages: video processing and image segmentation. The first step of video processing is stabilization. In the video stabilization step, block matching is applied to the video frames. Similarity is measured by cross-correlation coefficients. The main technique used in the segmentation step is multi-thresholding and pixel verification based on calculated geometric and contrast parameters. Segmentation results and differences of video frames are then used to identify the capillaries with blood flow. After categorizing blood vessels as active or passive, according to the amount of blood flow, quantitative measures identifying microcirculation are calculated. The algorithm is applied to the videos obtained using Microscan Side-stream Dark Field (SDF) imaging technique captured from healthy and critically ill humans/animals. Segmentation results were compared and validated using a blind detailed inspection by experts who used a commercial semi-automated image analysis software program, AVA (Automated Vascular Analysis). The algorithm was found to extract approximately 97% of functionally active capillaries and blood vessels in every frame. The aim of this study is to eliminate the human interaction, increase accuracy and reduce the computation time. The proposed method is an entirely automated process that can perform stabilization, pre-processing, segmentation, and microvessel identification without human intervention. The method may allow for assessment of microcirculatory abnormalities occurring in critically ill and injured patients including close to real-time determination of the adequacy of resuscitation.

Introdução: o uso de drogas vasoativas para restaurar a pressão arterial em pacientes com choque séptico é frequentemente utilizada em medicina intensiva. No entanto, os agentes vasopressores podem acentuar a hipoperfusão esplâncnica durante o choque séptico facilitando a translocação bacteriana e endotoxemia. Neste estudo foram comparados os efeitos de diferentes drogas vasoativas na microcirculação intestinal e nos parâmetros de oxigenação tecidual independentemente de reposição volêmica, num modelo experimental de choque séptico. Métodos: Ratos Wistar Kyoto anestesiados com pentobarbital foram submetidos a choque endotoxêmico através da administração de 2mg/Kg IV de lipopolissacarídeo da Escherichia Coli. A pressão arterial média foi restaurada através da administração de diversas drogas vasoativa, incluindo adrenalina, noradrenalina, fenilefrina, dopamina, dobutamina e uma combinação de noradrenalina com dobutamina. A densidade capilar funcional (DCF) da camada muscular do intestino delgado foi avaliada através de microscopia intravital. Gasometria e concentração de lactato da veia mesentérica superior também foram analisadas. Resultados: A DCF diminui aproximadamente 25% a 60% após a administração intravenosa de adrenalina, noradrenalina e fenilefrina. A administração de dopamina, dobutamina e da associação de noradrenalina com dobutamina não reduziu significativamente a DCF intestinal. A concentração de lactato da veia mesentérica aumentou após a administração de fenilefrina e mostrou uma tendência de aumentar após o uso de adrenalina e noradrenalina enquanto não se observou aumento de lactato após o uso de dopamina, dobutamina e da associação entre noradrenalina e dobutamina. Conclusões: O estudo confirma a presença de uma dissociação entre alterações hemodinâmicas sistêmicas e alterações microcirculatórias num modelo experimental de choque séptico. Os resultados indicam que o uso de dopamina, dobutamina e da associação entre noradrenalina e dobutamina apresentam um efeito de proteção na microcirculação da camada muscular intestinal de ratos submetidos a choque endotoxêmico. / Background: The use of vasoactive drugs to restore arterial blood pressure in patients with septic shock remains a cornerstone of intensive care medicine. However, vasopressors can accentuate the hypoperfusion of the gut during septic shock, allowing bacterial translocation and endotoxemia. In this study, we compared the effects of different vasoactive drugs on intestinal microcirculation and tissue oxygenation, independent of the effects of fluid therapy, in a rat model of endotoxemic shock. Methods: Pentobarbital-anesthetized Wistar Kyoto rats were submitted to endotoxemic shock induced by Escherichia coli lipopolysaccharide (2 mg/kg IV). Arterial blood pressure was normalized by a continuous infusion of different vasoactive drugs, including epinephrine, norepinephrine, phenylephrine, dopamine, dobutamine, or a combination of dobutamine and norepinephrine. The functional capillary density (FCD) of the muscular layer of the small intestine was evaluated by intravital video-microscopy. Mesenteric venous blood gases and lactate concentrations were also analyzed. Results: FCD decreased by approximately 25% to 60% after the IV infusion of epinephrine, norepinephrine, and phenylephrine. Administration of dopamine, dobutamine, and the combination of dobutamine and norepinephrine did not induce significant alterations in gut FCD. In addition, the mesenteric venous lactate concentration increased in the presence of phenylephrine and showed a tendency to increase after the administration of epinephrine and norepinephrine, whereas there was no observable increase after the administration of dopamine, dobutamine, and the combination of dobutamine with norepinephrine. Conclusion: This study confirms dissociation of the systemic hemodynamic and microvascular alterations in an experimental model of septic shock. Moreover, the results indicate that the use of dopamine, dobutamine, and dobutamine in combination with norepinephrine yields a protective effect on the microcirculation of the intestinal muscular layer in endotoxemic rats.

Introdução: o uso de drogas vasoativas para restaurar a pressão arterial em pacientes com choque séptico é frequentemente utilizada em medicina intensiva. No entanto, os agentes vasopressores podem acentuar a hipoperfusão esplâncnica durante o choque séptico facilitando a translocação bacteriana e endotoxemia. Neste estudo foram comparados os efeitos de diferentes drogas vasoativas na microcirculação intestinal e nos parâmetros de oxigenação tecidual independentemente de reposição volêmica, num modelo experimental de choque séptico. Métodos: Ratos Wistar Kyoto anestesiados com pentobarbital foram submetidos a choque endotoxêmico através da administração de 2mg/Kg IV de lipopolissacarídeo da Escherichia Coli. A pressão arterial média foi restaurada através da administração de diversas drogas vasoativa, incluindo adrenalina, noradrenalina, fenilefrina, dopamina, dobutamina e uma combinação de noradrenalina com dobutamina. A densidade capilar funcional (DCF) da camada muscular do intestino delgado foi avaliada através de microscopia intravital. Gasometria e concentração de lactato da veia mesentérica superior também foram analisadas. Resultados: A DCF diminui aproximadamente 25% a 60% após a administração intravenosa de adrenalina, noradrenalina e fenilefrina. A administração de dopamina, dobutamina e da associação de noradrenalina com dobutamina não reduziu significativamente a DCF intestinal. A concentração de lactato da veia mesentérica aumentou após a administração de fenilefrina e mostrou uma tendência de aumentar após o uso de adrenalina e noradrenalina enquanto não se observou aumento de lactato após o uso de dopamina, dobutamina e da associação entre noradrenalina e dobutamina. Conclusões: O estudo confirma a presença de uma dissociação entre alterações hemodinâmicas sistêmicas e alterações microcirculatórias num modelo experimental de choque séptico. Os resultados indicam que o uso de dopamina, dobutamina e da associação entre noradrenalina e dobutamina apresentam um efeito de proteção na microcirculação da camada muscular intestinal de ratos submetidos a choque endotoxêmico. / Background: The use of vasoactive drugs to restore arterial blood pressure in patients with septic shock remains a cornerstone of intensive care medicine. However, vasopressors can accentuate the hypoperfusion of the gut during septic shock, allowing bacterial translocation and endotoxemia. In this study, we compared the effects of different vasoactive drugs on intestinal microcirculation and tissue oxygenation, independent of the effects of fluid therapy, in a rat model of endotoxemic shock. Methods: Pentobarbital-anesthetized Wistar Kyoto rats were submitted to endotoxemic shock induced by Escherichia coli lipopolysaccharide (2 mg/kg IV). Arterial blood pressure was normalized by a continuous infusion of different vasoactive drugs, including epinephrine, norepinephrine, phenylephrine, dopamine, dobutamine, or a combination of dobutamine and norepinephrine. The functional capillary density (FCD) of the muscular layer of the small intestine was evaluated by intravital video-microscopy. Mesenteric venous blood gases and lactate concentrations were also analyzed. Results: FCD decreased by approximately 25% to 60% after the IV infusion of epinephrine, norepinephrine, and phenylephrine. Administration of dopamine, dobutamine, and the combination of dobutamine and norepinephrine did not induce significant alterations in gut FCD. In addition, the mesenteric venous lactate concentration increased in the presence of phenylephrine and showed a tendency to increase after the administration of epinephrine and norepinephrine, whereas there was no observable increase after the administration of dopamine, dobutamine, and the combination of dobutamine with norepinephrine. Conclusion: This study confirms dissociation of the systemic hemodynamic and microvascular alterations in an experimental model of septic shock. Moreover, the results indicate that the use of dopamine, dobutamine, and dobutamine in combination with norepinephrine yields a protective effect on the microcirculation of the intestinal muscular layer in endotoxemic rats.

Na sepse, o mecanismo desencadeador de morte é a disfunção múltipla de órgãos e sistemas. Com isso a microcirculação é considerada o motor na patogênese da sepse. A perfusão microcirculatória representa um dos principais objetivos para melhorar as taxas de sobrevida. Uma vez reconhecida a síndrome séptica, o protocolo clínico estabelece o uso de fluidoterapia com salina, de forma vigorosa na primeira hora e seguida de suporte inotrópico com Dobutamina. A partir daí foi levantada a hipótese das drogas &#946;-agonistas serem relevantes na recuperação da microcirculação, antes mesmo de seu conhecido papel na recuperação do choque cardiogênico. Assim, estudar o papel da Dobutamina, um &#946;-agonista, na resposta adrenérgica em situação de sepse se faz necessário e urgente e o entendimento de sua ação, associada à reposição volêmica, foi objeto deste estudo. Foram usados no presente estudo, 78 hamsters, induzida a endotoxemia com LPS (2mg/kg/de massa de peso corporal) e divididos em 9 grupos: controle (n=10), endotóxico(n=10), endotóxico tratados com Dobutamina na dose de 5 e 15 &#956;g /kg/min (n=10), Isoproterenol(n=10), ressuscitação volêmica (n=10) e ressuscitação volêmica associada à Dobutamina 5 (n=10) e 15 &#956;g/kg/min (n=4) e Isoproterenol (n=4). Foram comparados os resultados de recuperação da densidade capilar funcional ao longo do tempo entre os grupos, e obteve-se resultado estatisticamente significativo no grupo em que se usa Dobutamina de 5&#956;g/kg/min associada à ressuscitação volêmica p< 0,05. Em conclusão este estudo mostra que o papel da ressuscitação volêmica é crucial na resposta da microcirculação para melhorar a densidade capilar funcional, que a velocidade da hemácia capilar tem relação direta com a melhora na perfusão tecidual e que a associação de recuperação volêmica com solução salina e Dobutamina na dose de 5 &#956;g /kg /min melhora significativamente sua resposta e melhora a perfusão. / During sepsis the mechanism responsible for death is multiple dysfunctions of organs and systems and therefore the microcirculation is considered the motor in the pathogenesis of sepsis and microcirculatory perfusion represents one of the main objectives to improve survival rate. Once one recognizes the septic syndrome, the clinical protocol establishes the use of fluid therapy with physiological saline, in a vigorous way, in the first hour followed by inotropic support with dobutamine. With these facts in mind, our hypothesis is that &#946;-agonist drugs are relevant for microcirculatory recuperation, even before their role was known in the recuperation of cardiogenic shock. In this way, to study the role of dobutamine, a &#946;-agonist, in the adrenergic response in sepsis is needed and urgent. The understanding of its action associated to volume resuscitation was the aim of our study. Seventy-eight male hamsters were used in our study, endotoxemia being induced with LPS (2 mg/kg body weight), divided in 9 groups: control (n=10), endotoxic (n=10), endotoxic treated with dobutamine in the concentrations of 5 and 15 &#956;g/kg/min (n=10, each), isoproterenol (n=10), volume resuscitation associated to dobutamine 5 &#956;g/kg/min (n=10), 15 &#956;g/kg/min (n=4), isoproterenol (n=4) or not (n=10). The microcirculation was observed in the dorsal window chamber and the results compared the recuperation of function capillary density with time and the group treated with dobutamine 5 &#956;g/kg/min associated to volume resuscitation showed a statistically significant improvement (p<0.05) of it. In conclusion, this study has shown that volume resuscitation plays a crucial role in the microcirculatory response in terms of improvement of functional capillary density, the velocity of red blood cells in the capillary has a direct relationship with the improvement of tissue perfusion and the association of volume resuscitation with physiological saline and dobutamine 5 &#956;g/kg/min elicits a significant amelioration of perfusion.

Na sepse, o mecanismo desencadeador de morte é a disfunção múltipla de órgãos e sistemas. Com isso a microcirculação é considerada o motor na patogênese da sepse. A perfusão microcirculatória representa um dos principais objetivos para melhorar as taxas de sobrevida. Uma vez reconhecida a síndrome séptica, o protocolo clínico estabelece o uso de fluidoterapia com salina, de forma vigorosa na primeira hora e seguida de suporte inotrópico com Dobutamina. A partir daí foi levantada a hipótese das drogas &#946;-agonistas serem relevantes na recuperação da microcirculação, antes mesmo de seu conhecido papel na recuperação do choque cardiogênico. Assim, estudar o papel da Dobutamina, um &#946;-agonista, na resposta adrenérgica em situação de sepse se faz necessário e urgente e o entendimento de sua ação, associada à reposição volêmica, foi objeto deste estudo. Foram usados no presente estudo, 78 hamsters, induzida a endotoxemia com LPS (2mg/kg/de massa de peso corporal) e divididos em 9 grupos: controle (n=10), endotóxico(n=10), endotóxico tratados com Dobutamina na dose de 5 e 15 &#956;g /kg/min (n=10), Isoproterenol(n=10), ressuscitação volêmica (n=10) e ressuscitação volêmica associada à Dobutamina 5 (n=10) e 15 &#956;g/kg/min (n=4) e Isoproterenol (n=4). Foram comparados os resultados de recuperação da densidade capilar funcional ao longo do tempo entre os grupos, e obteve-se resultado estatisticamente significativo no grupo em que se usa Dobutamina de 5&#956;g/kg/min associada à ressuscitação volêmica p< 0,05. Em conclusão este estudo mostra que o papel da ressuscitação volêmica é crucial na resposta da microcirculação para melhorar a densidade capilar funcional, que a velocidade da hemácia capilar tem relação direta com a melhora na perfusão tecidual e que a associação de recuperação volêmica com solução salina e Dobutamina na dose de 5 &#956;g /kg /min melhora significativamente sua resposta e melhora a perfusão. / During sepsis the mechanism responsible for death is multiple dysfunctions of organs and systems and therefore the microcirculation is considered the motor in the pathogenesis of sepsis and microcirculatory perfusion represents one of the main objectives to improve survival rate. Once one recognizes the septic syndrome, the clinical protocol establishes the use of fluid therapy with physiological saline, in a vigorous way, in the first hour followed by inotropic support with dobutamine. With these facts in mind, our hypothesis is that &#946;-agonist drugs are relevant for microcirculatory recuperation, even before their role was known in the recuperation of cardiogenic shock. In this way, to study the role of dobutamine, a &#946;-agonist, in the adrenergic response in sepsis is needed and urgent. The understanding of its action associated to volume resuscitation was the aim of our study. Seventy-eight male hamsters were used in our study, endotoxemia being induced with LPS (2 mg/kg body weight), divided in 9 groups: control (n=10), endotoxic (n=10), endotoxic treated with dobutamine in the concentrations of 5 and 15 &#956;g/kg/min (n=10, each), isoproterenol (n=10), volume resuscitation associated to dobutamine 5 &#956;g/kg/min (n=10), 15 &#956;g/kg/min (n=4), isoproterenol (n=4) or not (n=10). The microcirculation was observed in the dorsal window chamber and the results compared the recuperation of function capillary density with time and the group treated with dobutamine 5 &#956;g/kg/min associated to volume resuscitation showed a statistically significant improvement (p<0.05) of it. In conclusion, this study has shown that volume resuscitation plays a crucial role in the microcirculatory response in terms of improvement of functional capillary density, the velocity of red blood cells in the capillary has a direct relationship with the improvement of tissue perfusion and the association of volume resuscitation with physiological saline and dobutamine 5 &#956;g/kg/min elicits a significant amelioration of perfusion.