Kvantitativa Visualisering och detektion av hudcancer Använda dynamiska Värmekameror

Summary

Vi visade att maligna pigmenterade lesioner med ökad metabolisk aktivitet genererar mätbara mängder värme och mätning av övergående termisk reaktion i huden för en svalkande excitation tillåter kvantitativa identifiering av melanom och andra hudcancer (kontra icke-proliferativ nevi) på ett tidigt stadium av sjukdomen.

Abstract

År 2010 ca 68.720 melanom kommer att diagnostiseras enbart i USA, med ca 8650 som ledde till döden ^1. Hittills är det enda effektiva behandling för malignt melanom kirurgisk excision, därför är nyckeln till förlängd överlevnad tidig upptäckt ^2,3. Med tanke på ett stort antal patienter diagnostiseras varje år och de begränsningar i tillgång till specialiserad vård snabbt, är utvecklingen av objektiva in vivo diagnostiska instrument för att underlätta diagnos viktig. Nya tekniker för att upptäcka hudcancer, särskilt icke-invasiva diagnostiska verktyg, håller på att utforskas i många laboratorier. Tillsammans med de kirurgiska metoder, tekniker såsom digital fotografering, dermoscopy, multispektrala system imaging (MelaFind), laser-baserade system (konfokala scanning mikroskopi, Laser Doppler perfusion imaging, optisk koherens tomografi), ultraljud, magnetisk resonanstomografi, testas . Varje teknik erbjuder unika fördelar och nackdelar, av vilka många utgör en kompromiss mellan effektivitet och noggrannhet kontra användarvänlighet och överväganden kostnad. Detaljer om dessa tekniker och jämförelser finns i litteraturen ^4.

Infraröd (IR) imaging visade sig vara en användbar metod för att diagnostisera tecken på vissa sjukdomar genom att mäta hudens lokala temperaturen. Det finns en stor mängd bevis som visar att sjukdomen eller avvikelsen från att fungera normalt åtföljs av förändringar av temperaturen i kroppen, som påverkar åter temperaturen i huden ^5,6. Exakta uppgifter om temperaturen i kroppen och huden kan ge en mängd information om de processer som ansvarar för värme-och thermoregulation, särskilt avvikelsen från det normala, ofta orsakad av sjukdom. Dock har IR-avbildning inte allmänt erkänts i medicin på grund av tidig användning av tekniken ^7,8 flera decennier sedan, när temperaturen mätnoggrannhet och den rumsliga upplösningen var otillräckliga och sofistikerade bildbehandling verktyg var otillgänglig. Denna situation förändrades dramatiskt i slutet av 1990-2000-talet. Framsteg inom IR-instrumentering, implementering av digitala bildbearbetningsalgoritmer och dynamiska IR-avbildning, vilket gör det möjligt för forskare att analysera inte bara den rumsliga, men också den tidsmässiga termiska beteende huden ^9, tillät genombrott inom området.

I vår forskning, utforskar vi möjligheterna att IR-avbildning, kombinerat med teoretiska och experimentella studier, som en kostnadseffektiv, icke-invasiv, in vivo-optisk mätteknik för tumördetektion, med betoning på screening och tidig upptäckt av melanom ^10-13 . I denna studie visar vi data som erhållits i en patientstudie där patienter som har en pigmenterad lesion med en klinisk indikation för biopsi väljs för avbildning. Vi jämförde skillnaden i termisk svaren mellan friska och maligna vävnader och jämfört våra data med biopsi resultat. Vi drog slutsatsen att den ökade metaboliska aktivitet melanom lesionen kan upptäckas av dynamiska värmekamera.

Protocol

1. Setup

1. En temperaturstyrd examen rum utrustat med en infraröd kamera och en dator för infraröd bild förvärv och lagring samt en datainsamling kort ansluten till en dator visas i Fig.1a.
2. Rumstemperaturen och hud yttemperatur övervakas av termoelement fäst vid en datainsamling kortet när patientstudie och mätdata lagras på datorn.

2. Image Acquisition

1. Eftersom lesionen inte kan upptäckas i IR-bilden utan att kyleffekten, är en fyrkantig lim markör används för att lokalisera pigmenterade lesioner av intresse och dess omgivningar (Fig. 1b).
2. Vi förvärvar en ljus bild av pigmenterade lesioner och limmet fönstret med en digitalkamera (Canon PowerShot G11) (Fig. 1b).
3. En dermatoscope ansluten till en digital kamera (DermLite Foto System) används för att fånga polariserat ljus bild.
4. Vi förvärvar en steady state-bilden med en Merlin midwave (3-5 mikrometer) värmekamera visas i Fig.1a, c.
5. Vi tillämpar en ström av kall luft till området för patientens hud innehåller lesioner samt en 50 mm diameter omgivande regionen för den tid som en minut.
6. Efter en minut tar vi bort denna kylning understryka att låta huden att åter värma i rumstemperatur inom 3-4 minuter (termisk återhämtningsfasen) (Fig. 1c-d).
7. Under den termiska återhämtningsfasen är infraröda bilder av pigmenterade lesioner fångas varje 2 sekunder (bild 1c-d).
8. Alla IR-bilder (förutom de vita ljus och polariserat ljus bilder) tagits under studien sparas och lagras med Labview programmet.

3. Bildbehandling

1. IR-bilderna analyseras med en dedikerad Matlab-kod för att få korrekta övergående temperatur distributioner på hudytan. För detta ändamål presenterar vi flera kalibrering steg och ett multimodalt bildanalys systemet.
2. Vi börjar med att tillämpa ett landmärke upptäckt algoritm för att det starka ljuset på bilden för att lokalisera hörn limmet markör. Därefter identifierade vi de motsvarande punkter i referens-IR-bilden.
3. För att kompensera för ofrivilligt organ / rörelseförmågan i extremiteterna av patienten använder vi dessa punkter som landmärken i en kvadratisk rörelse modell för att rikta IR bildsekvensen under återhämtningsfasen.
4. Vi använder slumpmässiga Walker, en interaktiv bild segmentering algoritm där användaren kan rumsligt vägleda segmentering genom att placera utsädet poäng, att skapa en mask bild avgränsar lesionen.
5. När vi bestämmer formen på lesionen identifierar vi den berörda regionen i de registrerade IR-bilder.
6. Vi väljer slumpmässigt punkter inne i lesionen och bort från lesionen representerar lesionen och frisk vävnad, respektive.
7. Vi jämför transient termisk respons frisk hud och svaret av lesionen.
8. Vi förbereder en tabell som visar alla data: digitala, dermoscopy, färgkodade IR-bilder av lesion och omgivande området redovisas under normala förhållanden och 2 sekunder efter kylning excitation och övergående termisk respons av lesionen och frisk vävnad.

4. Representativa resultat:

Figur 1. a) Den infraröda bildsystem HRIS i den kliniska prövningen rummet, b) fotografi av större kroppsyta med ett kluster av pigmenterade lesioner och mallen ram tillämpas för bildkommunikation, c) hänvisning infraröd bild av regionen vid rumstemperatur, d) samma område efter kyla och e) förstorad del av melanom lesionen och omgivning

Figur 2. Exam rum med våra värmekameror system.

Figur 3. Kylning lesionen och omgivande hud vävnad genom att blåsa en ström av kall luft från en vortexröret.

Discussion

Resultaten tyder på att med tillämpning av kyla stress vi förstärkt temperaturskillnader mellan lesion och omgivande frisk vävnad. Också, på grund av små rörelser av patienten under termisk avbildning, var vi tvungna att använda motion tracking korrekt överlagra bilder för att mäta temperaturskillnader mellan referens stat och temperaturfördelningen under termisk återhämtning. Utan motion tracking skulle vi inte kunnat upptäcka och mäta temperaturskillnaden mellan maligna lesioner och frisk vävnad. Dessa resultat och behovet av noggranna motion tracking förklara de svårigheter utredarna möter i det förflutna när man försöker diagnostisera melanom med IR avbildning baserad på steady state information på egen hand och tydligt visar fördelarna med dynamiska värmekameror.

Det bör noteras att den rumsliga upplösningen av IR-kamera (antalet pixlar i IR Detektormatrisen) är kritisk när kräsna små lesioner. Både den rumsliga upplösningen och temperaturen känslighet i början av värmekameror var begränsad, vilket också står för svårigheterna i att upptäcka tidigt stadium melanom i det förflutna. De viktigaste skillnaderna mellan vår syn och före termisk försök avbildning - som var måttligt framgångsrika - är sekvenser av kalibrering och bild processteg som tillåter oss att noggrant mäta temperaturskillnader i detta system vid sidan av den dynamiska imaging process som bygger på aktiv kylning.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Merlin MWIR camera	FLIR Systems Inc.
Canon PowerShot G11	Canon, inc.
DermLite Foto System	DermLite
Vortex tube	Exair
Air tanks	Airgas