Kwantitatieve Visualisatie en detectie van huidkanker Met behulp van Dynamic Thermal Imaging

Summary

We dat kwaadaardige pigmentvlekken aangetoond met een verhoogde metabole activiteit genereren meetbare hoeveelheden warmte en de meting van de voorbijgaande thermische reactie van de huid een koel-excitatie maakt kwantitatieve identificatie van melanoom en andere huidkankers (versus niet-proliferatieve naevi) in een vroeg stadium van de ziekte.

Abstract

In 2010 ongeveer 68.720 melanomen zal worden gediagnosticeerd in de VS alleen, met ongeveer 8650 de dood tot gevolg ^1. Tot op heden de enige effectieve behandeling voor melanomen blijft chirurgische excisie, dus de sleutel tot het verlengde de overleving is de vroegtijdige opsporing ^2,3. Gezien de grote aantallen patiënten gediagnosticeerd per jaar en de beperkingen bij de toegang tot specialistische zorg snel voor de ontwikkeling van objectieve in vivo diagnostische instrumenten om de diagnose te hulp is essentieel. Nieuwe technieken om huidkanker, in het bijzonder niet-invasieve diagnostische tools, op te sporen worden verkend in talrijke laboratoria. Samen met de chirurgische methoden, technieken, zoals digitale fotografie, dermoscopy, multispectrale beeldvormende systemen (MelaFind), op laser gebaseerde systemen (confocale laser scanning microscopie, laser doppler perfusie imaging, optische coherentie tomografie), echografie, magnetische resonantie imaging, worden getest . Elke techniek biedt unieke voordelen en nadelen, waarvan vele vormen een compromis tussen effectiviteit en nauwkeurigheid versus gebruiksgemak en kostenoverwegingen. Details over deze technieken en vergelijkingen zijn beschikbaar in de literatuur ^4.

Infrarood (IR) beeldvorming bleek een bruikbare methode om de tekenen van bepaalde ziekten te diagnosticeren door het meten van de lokale huidtemperatuur worden. Er is een grote hoeveelheid bewijs waaruit blijkt dat ziekte of afwijking van de normale werking worden gepaard met veranderingen van de temperatuur van het lichaam, wat weer van invloed op de temperatuur van de huid ^5,6. Nauwkeurige gegevens over de temperatuur van het menselijk lichaam en de huid kan een schat aan informatie over de processen die verantwoordelijk zijn voor warmte-generatie en thermoregulatie, met name de afwijking van de normale omstandigheden, vaak veroorzaakt door ziekte. Echter, IR beeldvorming niet is algemeen erkend in de geneeskunde als gevolg van de voortijdige gebruik van de technologie ^7,8 enkele decennia geleden, toen de temperatuur meetnauwkeurigheid en de ruimtelijke resolutie waren ontoereikend en geavanceerde beeldverwerking tools niet beschikbaar waren. Deze situatie veranderde drastisch in de late jaren 1990-2000. Vooruitgang in de IR-instrumentatie, implementatie van digitale beeldverwerking algoritmes en dynamische IR imaging, waarmee wetenschappers te analyseren niet alleen de ruimtelijke, maar ook het tijdelijke thermisch gedrag van de huid ^9, toegestaan ​​doorbraken op het gebied.

In ons onderzoek hebben we de haalbaarheid onderzoeken van de IR-imaging, gecombineerd met theoretische en experimentele studies, zoals een rendabele, niet-invasieve, in vivo optische meettechniek voor tumor detectie, met de nadruk op de screening en vroegtijdige opsporing van melanoom ^10-13 . In deze studie tonen we gegevens die zijn verkregen bij een patiënt studie waarbij patiënten die een gepigmenteerde laesie hebben met een klinische indicatie voor biopsie worden geselecteerd voor de beeldvorming. We vergeleken het verschil in thermische respons tussen gezond en kwaadaardig weefsel en vergeleken onze gegevens met biopsie resultaten. We tot de conclusie dat de toegenomen metabole activiteit van het melanoom laesie kan worden gedetecteerd door de infrarood-dynamische beeldvorming.

Protocol

1. Setup

1. Een temperatuur gecontroleerde examen kamer uitgerust met een infrarood camera en een pc voor infraroodbeeld aankoop en opslag, evenals een data-acquisitie kaart aangesloten op een computer worden getoond in Fig.1a.
2. De kamertemperatuur en de huid oppervlaktetemperatuur worden gecontroleerd door thermokoppels aangesloten op een data-acquisitie kaart tijdens de patiënt studie en meetgegevens worden opgeslagen op de computer.

2. Image Acquisition

1. Omdat de laesie niet kan worden gedetecteerd in het thermische beeld zonder het koeleffect, is een vierkant lijm marker wordt gebruikt voor het lokaliseren van de gepigmenteerde laesie van belang en zijn omgeving (Fig. 1b).
2. We krijgen een helder licht beeld van de gepigmenteerde laesie en de lijm venster met een digitale camera (Canon PowerShot G11) (Fig. 1b).
3. Een dermatoscoop aangesloten op een digitale camera (DermLite Foto System) wordt gebruikt om de gepolariseerde licht beeld vast te leggen.
4. We krijgen een steady state infrarood beeld met een Merlin midwave (3-5 micrometer) infrarood camera getoond in Fig.1a, c.
5. Wij hanteren een stroom van koude lucht naar het gebied van huid van de patiënt met het letsel en een diameter van 50 mm omgeving voor de duur van een minuut.
6. Na een minuut, verwijderen we deze koeling spanning, zodat de huid opnieuw warm bij kamertemperatuur binnen 3-4 minuten (thermische fase van herstel) (fig. 1c-d).
7. Tijdens de thermische fase van herstel, zijn infrarood beelden van de gepigmenteerde laesie gevangen elke 2 seconden (Fig. 1c-d).
8. Alle IR-beelden (in aanvulling op het witte licht en gepolariseerd licht beelden) die tijdens de studie worden opgeslagen en bewaard met behulp van de Labview software.

3. Image Processing

1. De IR-beelden worden geanalyseerd met behulp van een speciale Matlab-code in om nauwkeurige voorbijgaande temperatuur distributies te verkrijgen over het huidoppervlak. Voor dit doel, introduceren we een aantal calibratie stappen en een multimodaal beeldanalyse-systeem.
2. We beginnen met het toepassen van een mijlpaal detectie-algoritme om het heldere licht afbeelding voor het lokaliseren van de hoeken van de lijm marker. Vervolgens identificeerden we de overeenkomstige punten in de referentie-IR-beeld.
3. Ter compensatie voor onvrijwillige lichaam / beweging van de ledematen van de patiënt, gebruiken we deze punten als oriëntatiepunten in een kwadratische beweging model voor het uitlijnen van het IR-beeld reeks tijdens de fase van herstel.
4. We maken gebruik van de random walker, een interactieve afbeelding segmentatie-algoritme waar de gebruiker kan de segmentatie ruimtelijk gids door het plaatsen van zaad punten, een masker afbeelding de afbakening van de laesie te creëren.
5. Zodra we de vorm van de laesie te bepalen, identificeren we het overeenkomstige gebied in elk van de geregistreerde IR-beelden.
6. Wij selecteren willekeurige punten binnen het letsel en uit de buurt van het letsel die de laesie en het gezonde weefsel, respectievelijk.
7. We vergelijken de voorbijgaande thermische respons van een gezonde huid en de reactie van de laesie.
8. We bereiden een tabel met alle gegevens: digitaal, dermoscopy, kleur-gecodeerde IR-beelden van de laesie en het omringende gebied opgenomen onder de heersende omstandigheden en 2 seconden na de koeling excitatie, en de voorbijgaande thermische reactie van de laesie en het gezonde weefsel.

4. Representatieve resultaten:

Figuur 1. a) De infrarood imaging systeem HRIS in de klinische proef kamer, b) een foto van het grotere lichaam oppervlak met een cluster van gepigmenteerde laesies en de sjabloon kader aangevraagd voor de beeldvorming, c) een verwijzing infrarood beeld van de regio bij omgevingstemperatuur, d) hetzelfde gebied na afkoeling en e), vergroot gedeelte van het melanoom laesie en omgeving

Figuur 2. Exam kamer met onze thermische beeldvorming systeem.

Figuur 3. Koeling van de laesie en de omliggende huid weefsel door te blazen een stroom van koude lucht uit een vortex tube.

Discussion

De resultaten suggereren dat door het toepassen van de koeling benadrukken we de temperatuur verschillen tussen het letsel en het omliggende gezonde weefsel verbeterd. Ook vanwege kleine bewegingen van de patiënt tijdens de thermische beeldvorming, we moesten motion tracking correct overlay beelden om de temperatuur verschillen tussen de referentie-staat en de verdeling van de temperatuur tijdens de thermische valorisatie maatregel toe te passen. Zonder de motion tracking zouden we niet hebben kunnen detecteren en meten het temperatuurverschil tussen de kwaadaardige laesie en het gezonde weefsel. Deze resultaten en de noodzaak voor nauwkeurige motion tracking verklaring voor de moeilijkheden waarmee onderzoekers in het verleden bij een poging om melanoom te diagnosticeren met behulp van infrarood imaging op basis van steady-state informatie alleen en bewijzen duidelijk de voordelen van dynamische thermische beeldvorming.

Opgemerkt moet worden dat de ruimtelijke resolutie van de IR-camera (aantal pixels in de IR-focal plane array) is kritisch wanneer kritische kleine letsels. Zowel de ruimtelijke resolutie en de temperatuur gevoeligheid van het begin van de infrarood camera's was beperkt, wat ook goed is voor de moeilijkheden bij het opsporen van een vroeg stadium melanoom in het verleden. De belangrijkste verschillen tussen onze aanpak en vóór thermische beeldvorming pogingen - die werden matig succes - zijn de sequenties van de kalibratie-en beeldverwerking stappen die ons in staat om nauwkeurig te meten temperatuurverschillen in dit systeem in aanvulling op de dynamische beeldvorming proces dat steunt op actieve koeling.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Naam van het apparaat	Vennootschap	Catalogus nummer
Merlin MWIR camera	FLIR	-
Canon PowerShot G11	Canon	-
DermLite Foto System	DermLite	-
Vortex buis	EXAIR	-
Luchttanks	Airgas	-