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

In 2010 approximately 68,720 melanomas will be diagnosed in the US alone, with around 8,650 resulting in death ¹. To date, the only effective treatment for melanoma remains surgical excision, therefore, the key to extended survival is early detection ^2,3. Considering the large numbers of patients diagnosed every year and the limitations in accessing specialized care quickly, the development of objective in vivo diagnostic instruments to aid the diagnosis is essential. New techniques to detect skin cancer, especially non-invasive diagnostic tools, are being explored in numerous laboratories. Along with the surgical methods, techniques such as digital photography, dermoscopy, multispectral imaging systems (MelaFind), laser-based systems (confocal scanning laser microscopy, laser doppler perfusion imaging, optical coherence tomography), ultrasound, magnetic resonance imaging, are being tested. Each technique offers unique advantages and disadvantages, many of which pose a compromise between effectiveness and accuracy versus ease of use and cost considerations. Details about these techniques and comparisons are available in the literature ⁴.

Infrared (IR) imaging was shown to be a useful method to diagnose the signs of certain diseases by measuring the local skin temperature. There is a large body of evidence showing that disease or deviation from normal functioning are accompanied by changes of the temperature of the body, which again affect the temperature of the skin ^5,6. Accurate data about the temperature of the human body and skin can provide a wealth of information on the processes responsible for heat generation and thermoregulation, in particular the deviation from normal conditions, often caused by disease. However, IR imaging has not been widely recognized in medicine due to the premature use of the technology ^7,8 several decades ago, when temperature measurement accuracy and the spatial resolution were inadequate and sophisticated image processing tools were unavailable. This situation changed dramatically in the late 1990s-2000s. Advances in IR instrumentation, implementation of digital image processing algorithms and dynamic IR imaging, which enables scientists to analyze not only the spatial, but also the temporal thermal behavior of the skin ⁹, allowed breakthroughs in the field.

In our research, we explore the feasibility of IR imaging, combined with theoretical and experimental studies, as a cost effective, non-invasive, in vivo optical measurement technique for tumor detection, with emphasis on the screening and early detection of melanoma ^10-13. In this study, we show data obtained in a patient study in which patients that possess a pigmented lesion with a clinical indication for biopsy are selected for imaging. We compared the difference in thermal responses between healthy and malignant tissue and compared our data with biopsy results. We concluded that the increased metabolic activity of the melanoma lesion can be detected by dynamic infrared imaging.

Protocol

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.

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

Name of the equipment	Company	Catalogue number
Merlin MWIR camera	FLIR	–
Canon PowerShot G11	Canon	–
DermLite Foto System	DermLite	–
Vortex tube	Exair	–
Air tanks	Airgas	–