Ilościowa wizualizacja i detekcja raka skóry z wykorzystaniem dynamicznej obrazowania termowizyjnego

Celem niniejszej procedury jest nieinwazyjna diagnostyka czerniaka lub innych typów raka skóry z wykorzystaniem dynamicznego obrazowania w podczerwieni. Należy rozpocząć od wykonania zdjęcia zmiany oraz otaczającej ją zdrowej tkanki w świetle białym, a następnie wykonać referencyjny obraz w podczerwieni tego samego obszaru skóry. Następnie należy schłodzić zmianę oraz otaczający ją obszar skóry.

Następnie usuń stres chłodniczy i zarejestruj film w podczerwieni z procesu ponownego ogrzewania, nazywanego regeneracją termiczną. Na koniec przeprowadź analizę danych i przetwarzanie obrazów uchwyconych w świetle białym i podczerwieni, aby zmierzyć temperaturę skóry w funkcji czasu podczas procesu regeneracji termicznej; porównaj temperaturę skóry w miejscu zmiany chorobowej oraz w miejscu oddalonym od niej, aby ocenić różnice w odpowiedzi termicznej jako wskaźnik zwiększonej aktywności metabolicznej, która może być powiązana z rakiem skóry. W końcowej fazie można uzyskać wyniki wykazujące generowanie ciepła za pomocą dynamicznej obrazowania termicznego.

Dynamiczne obrazowanie w podczerwieni jest nieinwazyjną, obiektywną i ilościową metodą, która umożliwia wykrycie czerniaka we wczesnym stadium choroby. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w tej dziedzinie, takie jak to, czy zmiany sygnału w obrębie zmiany są metabolicznie aktywne, oraz pozwolić na pomiar poziomu aktywności metabolicznej w połączeniu ze zwiększonym ukrwieniem. Może to być powiązane z określaniem stopnia zaawansowania nowotworu.

Metoda ta wiąże się z pewnymi trudnościami w uzyskaniu dokładnych danych o temperaturze powierzchni przy użyciu technik obrazowania w podczerwieni oraz kompensacją mimowolnych ruchów badanego podczas procesu obrazowania. Dlatego dr Mcg Miguel Perini, postdoc z mojego laboratorium, oraz ja zademonstrujemy teraz procedurę: przygotuj pomieszczenie do badań z kontrolowaną temperaturą, wyposażone w kamerę podczerwieni oraz komputer PC do akwizycji i przechowywania obrazów w podczerwieni, a także kartę akwizycji danych podłączoną do komputera. W celu monitorowania temperatury w pomieszczeniu oraz temperatury powierzchni skóry, podczas badania pacjenta podłącz termopary do karty akwizycji danych i zapisz dane pomiarowe na komputerze.

Ponieważ wykrywanie zmian w obrazowaniu termicznym wymaga efektu chłodzenia, należy użyć kwadratowego znacznika adhezyjnego, aby zlokalizować badaną zmianę pigmentową oraz jej otoczenie za pomocą aparatu cyfrowego. Należy wykonać zdjęcie zmiany pigmentowej i okna adhezyjnego przy silnym oświetleniu. Następnie należy podłączyć dermatoskop do aparatu cyfrowego i wykonać obrazy dermatoskopowe.

Oprogramowanie LabVIEW rejestruje i zapisuje wszystkie obrazy podczerwone. Należy zarejestrować obraz podczerwony w stanie ustalonym, używając kamery średniej podczerwieni Merlin. Następnie należy skierować strumień zimnego powietrza na obszar skóry pacjenta z chorobą oraz na otaczający go obszar o średnicy 50 mm.

Po jednej minucie usuń stres chłodniczy, aby skóra mogła ogrzać się do temperatury pokojowej przez trzy do czterech minut. Podczas tej fazy regeneracji termicznej rejestruj obrazy podczerwone zmiany pigmentowej co dwie sekundy, aby uzyskać dokładny rozkład temperatury przejściowej na powierzchni skóry. Przeanalizuj obrazy IR przy użyciu kodu MATLAB dostosowanego do tego celu, obejmującego kilka etapów kalibracji oraz multimodalny system analizy obrazu.

Zacznij od zastosowania algorytmu detekcji punktów charakterystycznych do obrazu w jasnym świetle w celu zlokalizowania narożników markera adhezyjnego. Następnie zidentyfikuj odpowiadające im punkty na referencyjnym obrazie IR i skompensuj mimowolne ruchy ciała lub kończyn pacjenta, wykorzystując te punkty jako punkty odniesienia w kwadratowym modelu ruchu do wyrównania sekwencji obrazów IR podczas fazy rekonwalescji. Następnie użyj algorytmu random walker do przestrzennego sterowania segmentacją poprzez umieszczenie punktów nasiennych w celu utworzenia obrazu maski wyznaczającego obszar zmiany.

Po ustaleniu kształtu zmiany należy zidentyfikować odpowiadający jej obszar na każdym z zarejestrowanych obrazów IR. Należy wybrać losowe punkty w obrębie zmiany oraz poza nią, reprezentujące odpowiednio tkankę zmienioną i zdrową. Następnie należy porównać przejściowe odpowiedzi termiczne obu obszarów.

Na koniec należy przygotować tabelę zawierającą wszystkie kolorowe obrazy IR z cyfrowej oscopii zmiany oraz obszaru wokół niej, zarejestrowane w warunkach otoczenia oraz dwie sekundy po wzbudzeniu chłodzeniem, a także przejściowe odpowiedzi termiczne zmiany i odpowiadającej jej zdrowej tkanki. W badaniu z udziałem pacjentów, w którym do obrazowania wybrano osoby z pigmentową zmianą chorobową ze wskazaniem klinicznym do biopsji, zwiększoną aktywność metaboliczną zmiany czerniaka można wykryć za pomocą dynamicznego obrazowania w podczerwieni. Po zebraniu danych z badania pacjenta, dzięki korekcji ruchu uzyskuje się precyzyjną krzywą odpowiedzi termicznej.

Na obrazie w podczerwieni oraz podczas regeneracji termicznej nie stwierdzono różnic w temperaturze pomiędzy łagodną zmianą barwnikową a zdrową tkanką skóry. Obrazowanie termiczne wykazuje szczególną użyteczność w przypadku złośliwych zmian skórnych na podstawie obrazów w podczerwieni. Znacząca różnica w temperaturze i kolorze podczas regeneracji termicznej jest obserwowana wyłącznie w miejscu występowania zmiany znamięczkowej (melanoma) na obrazie w podczerwieni.

Po pełnej optymalizacji i automatyzacji technika ta, przy prawidłowym wykonaniu, może zostać przeprowadzona w dwie lub trzy minuty. Ta procedura obrazowania jest bezpieczna. Nie wiążą się z nią żadne zagrożenia, co jest kluczowe w diagnostyce klinicznej.

Podczas przeprowadzania tej procedury należy pamiętać, że pacjent musi pozostać w możliwie największym bezruchu po jej zakończeniu. W celu udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak stopień zaawansowania i poziom penetracji nowotworu oraz obecność drugiej zmiany, można zastosować inne metody, np. biopsję.