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.
Методическая статья
Количественная визуализация и обнаружение рака кожи с использованием динамических Тепловизор
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
В 2010 году только в США будет диагностировано примерно 68 720 случаев меланомы, около 8 650 из которых приведут к летальному исходу 1. На сегодняшний день единственным эффективным методом лечения меланомы остается хирургическое иссечение, поэтому ключом к увеличению выживаемости является ранняя диагностика 2,3. Учитывая большое количество пациентов, диагностируемых ежегодно, и ограниченный доступ к оперативной специализированной помощи, крайне важна разработка объективных диагностических инструментов in vivo для помощи в постановке диагноза. В многочисленных лабораториях изучаются новые методы обнаружения рака кожи, особенно неинвазивные диагностические средства. Наряду с хирургическими методами тестируются такие технологии, как цифровая фотография, дермоскопия, системы мультиспектральной визуализации (MelaFind), системы на основе лазеров (конфокальная сканирующая лазерная микроскопия, лазерная допплеровская перфузионная визуализация, оптическая когерентная томография), ультразвуковое исследование и магнитно-резонансная томография. Каждый метод обладает уникальными преимуществами и недостатками, многие из которых представляют собой компромисс между эффективностью и точностью с одной стороны, и простотой использования и стоимостью — с другой. Подробная информация об этих методах и их сравнения представлены в литературе 4.
Было показано, что инфракрасная (ИК) томография является полезным методом диагностики признаков определенных заболеваний путем измерения локальной температуры кожи. Существует множество данных, свидетельствующих о том, что заболевания или отклонения от нормального функционирования сопровождаются изменениями температуры тела, которые, в свою очередь, влияют на температуру кожи 5,6. Точные данные о температуре человеческого тела и кожи могут предоставить обширную информацию о процессах, ответственных за теплопродукцию и терморегуляцию, в частности, об отклонениях от нормального состояния, часто вызванных болезнью. Однако ИК-визуализация не получила широкого признания в медицине из-за преждевременного использования этой технологии 7,8 несколько десятилетий назад, когда точность измерения температуры и пространственное разрешение были недостаточными, а сложные инструменты обработки изображений отсутствовали. Эта ситуация кардинально изменилась в конце 1990-х — 2000-х годах. Достижения в области ИК-инструментария, внедрение алгоритмов цифровой обработки изображений и динамической ИК-визуализации, которая позволяет ученым анализировать не только пространственное, но и временное тепловое поведение кожи 9, привели к прорывам в этой области.
В нашем исследовании мы изучаем возможность применения ИК-визуализации в сочетании с теоретическими и экспериментальными исследованиями в качестве экономически эффективного, неинвазивного метода оптических измерений in vivo для обнаружения опухолей, уделяя особое внимание скринингу и ранней диагностике меланомы 10-13. В данной работе мы представляем данные, полученные в ходе клинического исследования, в котором для визуализации отбирались пациенты с пигментированным образованием и клиническими показаниями к биопсии. Мы сравнили различия в тепловом ответе здоровых и злокачественных тканей, а также сопоставили наши данные с результатами биопсии. Мы пришли к выводу, что повышенную метаболическую активность очага меланомы можно обнаружить с помощью динамической инфракрасной визуализации.
Протокол
1. Установка
- 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.
- 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
- 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).
- Мы приобретаем яркое изображение свете пигментированные поражения и клей окно с цифровых камер (Canon PowerShot G11) (рис. 1б).
- Дерматоскоп подключен к цифровой камерой (DermLite Foto System) используется для захвата изображения поляризованный свет.
- Мы приобретаем установившемся режиме инфракрасного изображения с Мерлин midwave (3-5 мкм) инфракрасной камеры показана на рис.1, c.
- Мы применяем поток холодного воздуха, чтобы участок кожи пациента содержащие поражения, а также диаметром 50 мм окружающего региона на протяжении одной минуты.
- 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).
- Во время фазы восстановления теплового, инфракрасного изображения пигментированные поражения фиксируются каждые 2 секунды (рис. 1в-д).
- 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
- 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.
- Начнем с применением ориентир алгоритм обнаружения, чтобы светлый образ света для локализации углах клей маркером. Далее, мы определили соответствующие точки на изображении ссылкой IR.
- 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.
- Мы используем случайное ходунки, интерактивные алгоритм сегментации изображений, где пользователь может пространственно руководство сегментации путем размещения семян точек, чтобы создать маску изображения разграничения поражения.
- Как только мы определим форму поражения, мы отождествляем соответствующей области в каждом из зарегистрированных ИК-изображений.
- Мы выбираем случайных точек внутри поражения и от поражения представляют поражения и здоровой ткани, соответственно.
- Мы сравниваем переходных термических реакция здоровой кожи и реакция поражения.
- 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.
Обсуждение
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.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом грант № 0651981 и Александра и Маргарет Стюарт целевой хотя онкологического центра имени Джонса Хопкинса. Авторы хотели бы отметить вклад доктора Рода Алани к IRB и пациентов исследования, а также помощь и поддержку доктора Sewon Кан и его ведомство в течение пациента исследования.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Наименование оборудования | Компания | Номер в каталоге | |
| Мерлин MWIR камеры | FLIR | - | |
| Canon PowerShot G11 | Канон | - | |
| DermLite Foto системы | DermLite | - | |
| Вихревые трубки | EXAIR | - | |
| Воздух танки | Airgas | - |
Ссылки
- Skin cancer foundation website [Internet]. , Skin Cancer Foundation. Available from: http://www.skincancer.org/Skin-Cancer-Facts (2010).
- Elder, D. Tumor progression, early diagnosis and prognosis of melanoma. Acta Oncol. 38, 535-547 (1999).
- Wartman, D., Weinstock, M. Are we overemphasizing sun avoidance in protection from melanoma. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 17, 469-470 (2008).
- Pirtini Cetingul, M. Using high resolution infrared imaging to detect melanoma and dysplastic nevi [dissertation]. , Johns Hopkins University. (2010).
- Jones, B. F. A reappraisal of the use of infrared thermal image analysis in medicine. IEEE Trans. Med. Imaging. 17, 1019-1027 (1998).
- Anbar, M. Clinical thermal imaging today-shifting from phenomenological thermography to pathophysiologically based thermal imaging. IEEE Eng. Med. Biol. Mag. 17, 25-33 (1998).
- Anbar, M., Gratt, B. M., Hong, D. Thermology and facial telethermography. Part I: history and technical review. Dentomaxillofacial Radiology. 27, 61-67 (1998).
- Jones, B. F., Plassmann, P. Digital infrared thermal imaging of human skin. IEEE Eng. Med. Bio. 21, 41-48 (2002).
- Qi, H., Diakides, N. A. Infrared imaging in Medicine. , CRC Press. (2007).
- Pirtini Cetingul, M., Herman, C. Identification of skin lesions from the transient thermal response using infrared imaging technique. IEEE 5th Int. Symp. on Biomedical Imaging: From Nano to Macro 1-4. , 1219-1222 (2008).
- Cetingul, P. irtini, M,, Herman, C. Quantification of the thermal signature of a melanoma lesion. Int. Journal of Thermal Science. 50, 421-431 (2011).
- Pirtini Cetingul, M., Herman, C. A heat transfer model of skin tissue for the detection of lesions: sensitivity analysis. Physics in Medicine and Biology. 55, 5933-5951 (2010).
- Pirtini Cetingul, M., Herman, C. Quantitative evaluation of skin lesions using transient thermal imaging. Proc. Int. Heat Transfer Conf. , (2010).
Перепечатки и разрешения
