Ilościowa wizualizacja i wykrywanie raka skóry za pomocą dynamicznego obrazowania termicznego
May 5th, 2011
Wykazaliśmy, że złośliwe zmiany barwnikowe o zwiększonej aktywności metabolicznej generują wymierne ilości ciepła, a pomiar przejściowej reakcji termicznej skóry na pobudzenie chłodzące pozwala na ilościową identyfikację czerniaka i innych nowotworów skóry (w porównaniu ze znamionami nieproliferacyjnymi) we wczesnym stadium choroby.
Procedura ta ma na celu nieinwazyjne zdiagnozowanie czerniaka lub innych rodzajów raka skóry za pomocą dynamicznego obrazowania w podczerwieni. Zacznij od zrobienia zdjęcia zmiany i otaczającej jej zdrowej tkanki w świetle białym, a następnie referencyjnego obrazu w podczerwieni tego samego obszaru skóry. Następnie schładzaj zmianę i otaczającą ją skórę.
Następnie usuń stres chłodzący i nagraj film w podczerwieni z procesu podgrzewania, zwany odzyskiem termicznym. Na koniec przeprowadź analizę danych i przetwarzanie obrazu przechwyconych obrazów w świetle białym i podczerwieni, aby zmierzyć temperaturę skóry w funkcji czasu podczas procesu odzyskiwania termicznego, porównaj temperaturę skóry w miejscu zmiany i daleko od zmiany, aby ocenić różnice w odpowiedzi termicznej jako wskazanie na zwiększoną aktywność metaboliczną, która może być związana z rakiem skóry. Ostatecznie można uzyskać wyniki, które pokazują wytwarzanie ciepła za pomocą dynamicznego obrazowania termicznego.
Dynamiczne obrazowanie w podczerwieni jest nieinwazyjną metodą obiektywną i ilościową, która umożliwia wykrycie czerniaka we wczesnym stadium choroby. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w tej dziedzinie, takie jak to, czy zmiany sygnałowe u Picka są aktywne metabolicznie i mierzą poziom aktywności metabolicznej w połączeniu ze zwiększonym ukrwieniem. Może to być związane z oceną stopnia zaawansowania raka.
Metoda ta wiąże się z pewną złożonością pozyskiwania dokładnych danych o temperaturze powierzchni przy użyciu technik obrazowania w podczerwieni i kompensacji mimowolnych ruchów obiektu podczas procesu obrazowania. Tak więc Dr.Mcg Miguel Perini, doktor habilitowany z mojego laboratorium i ja zademonstrujemy teraz procedurę, Zorganizuj salę egzaminacyjną z kontrolowaną temperaturą, wyposażoną w kamerę na podczerwień i komputer do akwizycji i przechowywania obrazów w podczerwieni, a także kartę akwizycji danych podłączoną do komputera. W celu monitorowania temperatury w pomieszczeniu i na powierzchni skóry, należy podłączyć termopary do karty akwizycji danych podczas badania pacjenta i przechowywać dane pomiarowe na komputerze.
Ponieważ wykrycie zmiany na obrazie termowizyjnym wymaga efektu chłodzenia, użyj kwadratowego markera samoprzylepnego, aby zlokalizować interesującą nas zmianę barwnikową i jej otoczenie za pomocą aparatu cyfrowego. Uzyskaj jasny obraz świetlny zmiany barwnikowej i okienka adhezyjnego. Następnie podłącz dermatoskop do aparatu cyfrowego i uchwyć obrazy oskopowe.
Oprogramowanie Lab View przechwytuje i zapisuje wszystkie obrazy w podczerwieni za pomocą oprogramowania Lab View. Uchwyć obraz w podczerwieni w stanie ustalonym za pomocą kamery Merlin w podczerwieni Midway. Przystąp do przyłożenia strumienia zimnego powietrza do obszaru skóry pacjenta, w którym znajduje się zmiana, a także do otaczającego obszaru o średnicy 50 milimetrów.
Po jednej minucie usuń stres chłodzący, aby skóra mogła się ponownie ogrzać w temperaturze pokojowej przez trzy do czterech minut. Podczas tej fazy regeneracji termicznej należy co dwie sekundy rejestrować obrazy zmiany barwnikowej w podczerwieni, aby uzyskać dokładny przejściowy rozkład temperatury na powierzchni skóry. Analizuj obrazy w podczerwieni za pomocą dostosowanego do tego celu kodu MATLAB, w tym kilku etapów kalibracji i multimodalnego systemu analizy obrazu.
Zacznij od zastosowania algorytmu wykrywania punktów orientacyjnych do obrazu w jasnym świetle, aby zlokalizować rogi markera samoprzylepnego. Następnie zidentyfikuj odpowiednie punkty na referencyjnym obrazie w podczerwieni, skompensuj mimowolne ruchy ciała lub kończyny pacjenta, używając tych punktów jako punktów orientacyjnych w kwadratowym modelu ruchu w celu wyrównania sekwencji obrazu w podczerwieni podczas fazy rekonwalescencji. Następnie użyj losowego szwendacza, aby przestrzennie poprowadzić segmentację, umieszczając punkty początkowe, aby utworzyć obraz maski wyznaczający zmianę.
Po ustaleniu kształtu zmiany zidentyfikuj odpowiedni obszar na każdym z zarejestrowanych obrazów w podczerwieni. Wybierz losowe punkty wewnątrz zmiany i z dala od zmiany reprezentujące odpowiednio zmianę i zdrową tkankę. Następnie porównaj przejściowe odpowiedzi termiczne obu miejsc.
Na koniec przygotuj tabelę zawierającą wszystkie oznaczone kolorami obrazy IR zmiany i otaczającego ją obszaru oskopijnego oznaczone kolorami zarejestrowane w warunkach otoczenia i dwie sekundy po wzbudzeniu chłodzącym, a także przejściowe reakcje termiczne zmiany i odpowiadającej jej zdrowej tkanki. W badaniu z udziałem pacjentów, w którym do obrazowania wybiera się pacjentów z barwnikową zmianą ze wskazaniem klinicznym do biopsji, zwiększoną aktywność metaboliczną zmiany czerniaka można wykryć za pomocą dynamicznego obrazowania w podczerwieni. Po zebraniu danych z badania pacjenta uzyskuje się precyzyjną krzywą odpowiedzi termicznej z korekcją ruchu.
Nie ma różnicy w temperaturze między łagodną zmianą barwnikową a zdrową tkanką skórną na obrazie w podczerwieni lub podczas rekonwalescencji termicznej. Obrazowanie termowizyjne okazuje się szczególnie korzystne w przypadku złośliwych zmian skórnych na podstawie obrazów w podczerwieni. Podczas odzysku termicznego obserwuje się znaczną różnicę temperatur i kolorów, tylko w miejscu zmiany czerniaka na obrazie w podczerwieni.
Po pełnej optymalizacji i zautomatyzowaniu, technikę tę można wykonać w ciągu dwóch, trzech minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Ta procedura obrazowania jest nieszkodliwa. Nie ma w związku z tym żadnych zagrożeń, a jest to niezbędne w diagnostyce klinicznej.
Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby pamiętać, że pacjent musi pozostać tak nieruchomy, jak to tylko możliwe, po tej procedurze. Inne metody, takie jak biopsja, można wykonać, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak stopień zaawansowania i poziom penetracji raka oraz druga zmiana.
Przegląd
To badanie demonstruje nieinwazyjną metodę diagnozowania czerniaka i innych nowotworów skóry za pomocą dynamicznej obrazowania w podczerwieni. Poprzez pomiar reakcji termicznej zmian skórnych na chłodzenie, naukowcy mogą identyfikować złośliwe zmiany na podstawie ich aktywności metabolicznej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Onkologia
- Dermatologia
- Wizoryzacja medyczna
Tło
- Czerniak jest poważną postacią raka skóry, która wymaga wczesnego wykrycia.
- Tradcyjne metody diagnostyczne mogą być inwazyjne i mogą nie dostarczać natychmiastowych wyników.
- Dynamiczne obrazowanie w podczerwieni oferuje nieinwazyjną alternatywę dla oceny zmian skórnych.
- Zwiększona aktywność metaboliczna w złośliwych zmianach może być zobrazowana za pomocą termografii.
Cel badania
- Opracowanie metody wczesnego wykrywania czerniaka za pomocą obrazowania termicznego.
- Ocena aktywności metabolicznej zmian skórnych poprzez przemijające reakcje termiczne.
- Dostarczenie nieinwazyjnego narzędzia diagnostycznego, które może być stosowane w warunkach klinicznych.
Stosowane metody
- Rejestrowanie obrazów w świetle widzialnym i podczerwieni zmian skórnych.
- Zastosowanie chłodzenia zmiany i rejestrowanie procesu odzyskiwania termicznego.
- Analiza zmian temperatury za pomocą spersonalizowanego kodu MATLAB.
- Porównanie reakcji termicznych zmian z otaczającą zdrową tkanką.
Główne wyniki
- Dynamiczne obrazowanie w podczerwieni może wykryć zwiększoną aktywność metaboliczną w zmianach czerniaka.
- Istotne różnice temperatury zostały zaobserwowane podczas odzyskiwania termicznego w złośliwych zmianach.
- Metoda okazała się skuteczna w rozróżnianiu pomiędzy łagodnymi i złośliwymi przebarwieniami.
- Wyniki wskazują, że ta technika może być zoptymalizowana pod kątem szybkiego zastosowania klinicznego.
Wnioski
- Dynamiczne obrazowanie w podczerwieni jest obiecującym narzędziem do wczesnego wykrywania czerniaka.
- Procedura jest nieinwazyjna i nie stanowi zagrożenia dla pacjentów.
- Dalsza optymalizacja mogłaby poprawić efektywność tej metody diagnostycznej.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Dynamic thermal imaging enables quantitative, non-invasive detection of metabolic activity differences in skin lesions, supporting early-stage melanoma identification. This approach provides objective, reproducible data that can enhance predictive confidence in target validation for oncology diagnostics. Integrating such imaging modalities into discovery and translational workflows can accelerate risk-adjusted decision-making and portfolio triage in biopharma R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables objective interrogation of metabolic activity in disease-relevant tissue.
- Supports functional target validation by distinguishing malignant from benign lesions based on thermal response.
- Provides quantitative data to inform predictive confidence and mechanistic de-risking in oncology biomarker research.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated imaging assays for downstream compound evaluation.
- Delivers standardized, reproducible thermal response measurements for assay development.
- Enables rapid, scalable screening of lesion metabolic profiles in preclinical models.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging outputs with disease-relevant metabolic biomarkers for translational continuity.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by providing non-invasive, quantitative endpoints.
- Reduces biological ambiguity in early-stage oncology research.
Pipeline & Workflow Integration
Dynamic thermal imaging fits within the discovery-to-preclinical continuum, bridging early target validation and translational biomarker assessment in oncology pipelines.
- Discovery Biology: Quantifies metabolic activity to clarify disease mechanisms and validate targets.
- Screening: Provides reproducible, quantitative thermal readouts for assay readiness.
- Analytics: Enables statistical comparison of lesion and healthy tissue responses for robust data interpretation.
- Translational Research: Connects imaging biomarkers to preclinical and clinical endpoints in melanoma research.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, non-invasive imaging capability for diverse oncology and metabolic disease programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in lesion characterization.
- Operational Value: Standardizes imaging protocols for reproducibility and scalability across studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing early, objective data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of oncology assets based on quantitative imaging biomarkers.
Implementation Considerations
- Requires expertise in infrared imaging and quantitative image analysis.
- Needs access to calibrated IR cameras, temperature-controlled environments, and analytical software.
- Demands cross-team standardization for data acquisition and analysis protocols.
- Adaptation may be needed for different lesion types or anatomical sites.
- Minimizing patient movement and ensuring accurate temperature measurement are critical for data quality.
