Quantitative Visualisierung und Erkennung von Hautkrebs mit Dynamic Thermal Imaging

Dieses Verfahren zielt darauf ab, Melanome oder andere Arten von Hautkrebs nichtinvasiv mithilfe der dynamischen Infrarot-Bildgebung zu diagnostizieren. Beginnen Sie damit, ein Foto der Läsion und des umgebenden gesunden Gewebes im Weißlicht zu machen, gefolgt von einem Referenz-Infrarotbild derselben Hautregion. Kühlen Sie anschließend die Läsion und die umgebende Haut.

Entfernen Sie dann die Kühleinwirkung und nehmen Sie einen Infrarotfilm des erneuten Aufheizvorgangs auf, der als thermische Erholung bezeichnet wird. Führen Sie abschließend die Datenanalyse und Bildverarbeitung der aufgezeichneten Bilder im weißen Licht und der Infrarotbilder durch, um die Hauttemperatur als Funktion der Zeit während des Prozesses der thermischen Erholung zu bestimmen. Vergleichen Sie die Hauttemperatur an der Läsionsstelle mit derjenigen an einer von der Läsion entfernten Stelle, um Unterschiede in der thermischen Reaktion zu bewerten, die als Hinweis auf eine erhöhte metabolische Aktivität dienen können, die möglicherweise mit Hautkrebs in Zusammenhang steht. Letztendlich können Ergebnisse erzielt werden, die Wärmeproduktion mittels dynamischer Thermografie zeigen.

Dynamische Infrarot-Bildgebung ist eine nichtinvasive, objektive und quantitative Methode, die eine frühzeitige Erkennung von Melanomen ermöglicht. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in diesem Forschungsbereich zu beantworten, beispielsweise, ob ein verdächtiger Hautbefund metabolisch aktiv ist, und ermöglicht die Bestimmung des Stoffwechselaktivitätsgrads in Kombination mit einer erhöhten Durchblutung. Dies kann mit der Krebsstadieneinteilung verknüpft werden.

Diese Methode beinhaltet eine gewisse Komplexität bei der Erfassung genauer Oberflächentemperaturdaten mithilfe von Infrarot-Bildgebungsverfahren und der Kompensation unwillkürlicher Bewegungen des Probanden während des Bildgebungsprozesses. Daher werden nun Dr. McG Miguel Perini, ein Postdoktorand aus meinem Labor, und ich das Verfahren demonstrieren: Richten Sie einen temperaturgeregelten Untersuchungsraum ein, der mit einer Infrarotkamera und einem PC zur Erfassung und Speicherung von Infrarotbildern sowie einer Datenakquisitionskarte, die mit einem Computer verbunden ist, ausgestattet ist. Um die Raum- und Hautoberflächentemperaturen zu überwachen, befestigen Sie Thermoelemente an einer Datenakquisitionskarte während der Patientenuntersuchung und speichern Sie die Messdaten auf einem Computer.

Da die Läsionserkennung im Thermogramm einen Kühlungseffekt erfordert, verwenden Sie einen quadratischen, klebenden Marker, um die pigmentierte Läsion von Interesse und ihre Umgebung mit der Digitalkamera zu lokalisieren. Erstellen Sie ein Helligkeitsbild der pigmentierten Läsion und des klebenden Fensters. Schließen Sie dann ein Dermatoskop an eine Digitalkamera an und nehmen Sie Dermatoskopiebilder auf.

Die Lab-View-Software erfasst und speichert alle Infrarotbilder mithilfe der Lab-View-Software. Erfassen Sie ein stationäres Infrarotbild mit einer Merlin-Midway-Infrarotkamera. Anschließend leiten Sie einen Luftstrom kalter Luft auf den Bereich der Haut des Patienten, der die Läsion enthält, sowie auf einen umgebenden Bereich mit einem Durchmesser von 50 Millimetern.

Nach einer Minute wird der Kühleffekt entfernt, um der Haut zu ermöglichen, sich bei Raumtemperatur innerhalb von drei bis vier Minuten wieder aufzuwärmen. Erfassen Sie während dieser thermischen Erholungsphase alle zwei Sekunden Infrarotbilder der pigmentierten Läsion, um genaue transiente Temperaturverteilungen an der Hautoberfläche zu erhalten. Analysieren Sie die IR-Bilder mithilfe eines speziell für diesen Zweck angepassten MATLAB-Programms, das mehrere Kalibrierungsschritte und ein multimodales Bildanalysesystem umfasst.

Beginnen Sie damit, einen Landmarken-Erkennungsalgorithmus auf das helle Lichtbild anzuwenden, um die Ecken des adhäsiven Markers zu lokalisieren. Identifizieren Sie anschließend die entsprechenden Punkte im Referenz-IR-Bild und kompensieren Sie unwillkürliche Bewegungen des Körpers oder der Gliedmaßen des Patienten, indem Sie diese Punkte als Landmarken in einem quadratischen Bewegungsmodell verwenden, um die IR-Bildsequenz während der Erholungsphase auszurichten. Verwenden Sie danach den Random-Walker-Algorithmus, um die Segmentierung räumlich zu steuern, indem Sie Startpunkte setzen, um ein Maskenbild zu erstellen, das die Läsion abgrenzt.

Nachdem die Form der Läsion bestimmt wurde, identifizieren Sie den entsprechenden Bereich in jedem der registrierten IR-Bilder. Wählen Sie zufällige Punkte innerhalb der Läsion sowie Punkte außerhalb der Läsion, die jeweils die Läsion und das gesunde Gewebe repräsentieren. Anschließend vergleichen Sie die transienten thermischen Reaktionen beider Stellen.

Bereiten Sie abschließend eine Tabelle vor, die alle digitalen, farbkodierten IR-Bilder der Läsion und des umgebenden Bereichs unter Umgebungsbedingungen sowie zwei Sekunden nach der Abkühlungsanregung enthält, sowie die transienten thermischen Reaktionen der Läsion und des entsprechenden gesunden Gewebes. In einer Patientenstudie, bei der Patienten mit einer pigmentierten Läsion, die klinisch eine Biopsie erfordert, zur Bildgebung ausgewählt werden, kann die erhöhte metabolische Aktivität der Melanomläsion mittels dynamischer Infrarotbildgebung nachgewiesen werden. Sobald die Daten aus der Patientenstudie gesammelt wurden, erhält man eine präzise thermische Reaktionskurve mit Bewegungskorrektur.

Es besteht kein Unterschied in der Temperatur zwischen der gutartigen pigmentierten Läsion und dem gesunden Hautgewebe im Infrarotbild oder während der thermischen Rückkehr. Die Thermografie zeigt einen besonderen Vorteil bei malignen Hautläsionen anhand der Infrarotbilder. Ein signifikanter Unterschied in Temperatur und Farbe ist während der thermischen Rückkehr nur an der Stelle der Melanomläsion im Infrarotbild zu beobachten.

Wenn die Technik vollständig optimiert und automatisiert ist, kann sie bei korrekter Durchführung in zwei bis drei Minuten durchgeführt werden. Dieses bildgebende Verfahren ist harmlos. Es bestehen keine Gefahren, was für die klinische Diagnostik von entscheidender Bedeutung ist.

Während dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass der Proband nach dem Eingriff so bewegungslos wie möglich bleiben muss. Andere Methoden wie eine Biopsie können durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen hinsichtlich des Stadiums und des Penetrationsgrads des Krebses sowie einer zweiten Läsion zu beantworten.