Количественная визуализация и обнаружение рака кожи с использованием динамических Тепловизор

Summary

Мы показали, что злокачественных пигментных с повышенной метаболической активности генерировать количественному количество тепла и измерение переходных термических реакция кожи на охлаждение возбуждения позволяет количественное определение меланомы и других раковых заболеваний кожи (по сравнению без пролиферации невусы) на ранней стадии заболевания.

Abstract

В 2010 году только в США будет диагностировано около 68 720 меланомал, из которых около 8 650 приведут к смерти ¹. На сегодняшний день единственным эффективным методом лечения меланомы остается хирургическое иссечение, поэтому ключом к длительной выживаемости является раннее выявление ^2,3. Учитывая большое количество пациентов, которым ежегодно ставится диагноз, и ограничения в быстром доступе к специализированной помощи, разработка объективных диагностических инструментов in vivo для помощи в диагностике имеет важное значение. Новые методы выявления рака кожи, особенно неинвазивные диагностические инструменты, исследуются во многих лабораториях. Наряду с хирургическими методами апробируются такие методики, как цифровая фотография, дерматоскопия, мультиспектральные системы визуализации (MelaFind), лазерные системы (конфокальная сканирующая лазерная микроскопия, лазерная допплеровская перфузионная визуализация, оптическая когерентная томография), ультразвук, магнитно-резонансная томография. Каждый метод имеет уникальные преимущества и недостатки, многие из которых представляют собой компромисс между эффективностью и точностью и простотой использования и соображениями стоимости. Подробная информация об этих методах и сравнениях доступна в литературе ⁴.

Инфракрасная (ИК) визуализация оказалась полезным методом диагностики признаков определенных заболеваний путем измерения локальной температуры кожи. Существует большое количество данных, свидетельствующих о том, что болезнь или отклонение от нормального функционирования сопровождаются изменениями температуры тела, которые опять-таки отражаются на температуре кожи ^5,6. Точные данные о температуре тела и кожи человека могут дать богатую информацию о процессах, отвечающих за выработку тепла и терморегуляцию, в частности об отклонениях от нормальных условий, часто вызванных болезнями. Тем не менее, ИК-визуализация не получила широкого признания в медицине из-за преждевременного использования технологии ^7,8 несколько десятилетий назад, когда точность измерения температуры и пространственное разрешение были недостаточными, а сложные инструменты обработки изображений были недоступны. Эта ситуация кардинально изменилась в конце 1990-х – 2000-х годах. Достижения в области ИК-приборов, реализация алгоритмов цифровой обработки изображений и динамической ИК-визуализации, которая позволяет ученым анализировать не только пространственное, но и временное тепловое поведение ^кожи9, позволили совершить прорыв в этой области.

В нашем исследовании мы изучаем целесообразность ИК-визуализации в сочетании с теоретическими и экспериментальными исследованиями как экономически эффективного, неинвазивного, in vivo оптического метода измерения для обнаружения опухолей, с акцентом на скрининг и раннее обнаружение меланомы ^10-13. В данном исследовании мы приводим данные, полученные в исследовании пациентов, в котором для визуализации отбираются пациенты, обладающие пигментным поражением с клиническим показанием к биопсии. Мы сравнили разницу в тепловых реакциях между здоровыми и злокачественными тканями и сравнили наши данные с результатами биопсии. Мы пришли к выводу, что повышенная метаболическая активность меланомного поражения может быть обнаружена с помощью динамической инфракрасной визуализации.

Protocol

1. Установка

1. Температура контролируемой комнате экзамена оснащен инфракрасной камерой и ПК для инфракрасной съемки фото и хранения, а также карты сбора данных подключен к компьютеру показаны на рис.1.
2. Комнатной температуре и температуре поверхности кожи контролируется термопарами прилагается к карте сбора данных во время пациент изучения и измерения данных, хранящихся на компьютере.

2. Image Acquisition

1. С поражением не может быть обнаружен в тепловом изображении без охлаждающий эффект, квадратный маркер клей используется для локализации пигментированные поражения интерес и в ее окрестностях (рис. 1б).
2. Мы приобретаем яркое изображение свете пигментированные поражения и клей окно с цифровых камер (Canon PowerShot G11) (рис. 1б).
3. Дерматоскоп подключен к цифровой камерой (DermLite Foto System) используется для захвата изображения поляризованный свет.
4. Мы приобретаем установившемся режиме инфракрасного изображения с Мерлин midwave (3-5 мкм) инфракрасной камеры показана на рис.1, c.
5. Мы применяем поток холодного воздуха, чтобы участок кожи пациента содержащие поражения, а также диаметром 50 мм окружающего региона на протяжении одной минуты.
6. Через одну минуту, мы удаляем это охлаждение стресса, чтобы кожа для разогревания при комнатной температуре в течение 3-4 минут (тепловая фаза восстановления) (рис. 1в-д).
7. Во время фазы восстановления теплового, инфракрасного изображения пигментированные поражения фиксируются каждые 2 секунды (рис. 1в-д).
8. Все ИК-изображений (в дополнение к белым светом и поляризованном свете изображения), принятые в ходе исследования сохраняются и хранятся с использованием программного обеспечения LabVIEW.

3. Обработка изображений

1. ИК-изображений, анализируются с помощью специального кода Matlab для того, чтобы получить точные переходного распределения температуры на поверхности кожи. С этой целью мы вводим несколько шагов калибровки и мультимодальные системы анализа изображений.
2. Начнем с применением ориентир алгоритм обнаружения, чтобы светлый образ света для локализации углах клей маркером. Далее, мы определили соответствующие точки на изображении ссылкой IR.
3. Для того, чтобы компенсировать непроизвольные тела / движение конечностей пациента, мы используем эти точки в качестве ориентиров в квадратичная модель движения для выравнивания ИК последовательности изображений во время фазы восстановления.
4. Мы используем случайное ходунки, интерактивные алгоритм сегментации изображений, где пользователь может пространственно руководство сегментации путем размещения семян точек, чтобы создать маску изображения разграничения поражения.
5. Как только мы определим форму поражения, мы отождествляем соответствующей области в каждом из зарегистрированных ИК-изображений.
6. Мы выбираем случайных точек внутри поражения и от поражения представляют поражения и здоровой ткани, соответственно.
7. Мы сравниваем переходных термических реакция здоровой кожи и реакция поражения.
8. Мы готовим таблицу с указанием всех данных: цифровые, дермоскопии, цветные ИК-изображений поражения и его окрестностях записано в условиях окружающей среды, и через 2 секунды после охлаждения возбуждения и переходные тепловые реакции и поражение здоровых тканей.

4. Представитель Результаты:

Рисунок 1. а) инфракрасной системой HRIS в клинической комнате суда, б) фотографию большей площади поверхности тела с кластером пигментных образований и шаблон кадра применяется для работы с изображениями, с) ссылки инфракрасного имиджа региона при температуре окружающей среды, г) же районе после охлаждения и д) увеличенная поражения меланомы и окрестности

Рисунок 2. Экзамена комната с нашей тепловизионная система.

Рисунок 3. Охлаждение поражения и окружающие ткани кожи путем продувки поток холодного воздуха с вихревой трубки.

Discussion

Результаты показывают, что путем применения охлаждения стресса мы повысили температурные различия между поражением и окружающие здоровые ткани. Кроме того, из-за небольшого движения пациента во время тепловой обработки изображений, мы были вынуждены применить отслеживания движения правильно наложения на изображения для измерения разности температур между государством полномочий и распределение температуры в процессе термического восстановления. Без отслеживания движения, мы бы не смогли обнаружить и измерить разницу температур между злокачественной опухоли и здоровой ткани. Эти результаты, а также необходимость для точного отслеживания движения объясняют трудности исследователи сталкивались в прошлом при попытке диагностики меланомы использованием ИК-изображений на основе устойчивой информации о состоянии в одиночку и ясно доказывают преимущества динамического тепловидения.

Следует отметить, что пространственное разрешение камеры ИК (количество пикселей в ИК фокальной плоскости) имеет решающее значение, когда взыскательных небольших повреждений. Оба пространственным разрешением и температурной чувствительности ранних инфракрасные камеры был ограничен, что также объясняет трудности в выявлении ранних стадия меланомы в прошлом. Основные различия между нашим подходом и до тепловой попытки визуализации, - которые были умеренно успешным - это последовательности калибровки и обработки изображений шаги, которые позволяют нам точно измерять перепады температур в этой системе в дополнение к динамическим процессом визуализации, которая опирается на активное охлаждение.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Наименование оборудования	Компания	Номер в каталоге
Мерлин MWIR камеры	FLIR	-
Canon PowerShot G11	Канон	-
DermLite Foto системы	DermLite	-
Вихревые трубки	EXAIR	-
Воздух танки	Airgas	-