ויזואליזציה כמותי וזיהוי של סרטן העור באמצעות הדמיה תרמית Dynamic
5 במאי 2011
אנחנו הראו כי נגעים פיגמנט ממאיר עם פעילות מטבולית מוגברת לייצר כמויות מדידים של חום מדידת תגובת תרמית חולף של העור כדי עירור קירור מאפשר זיהוי כמותי של מלנומה סרטן העור השני (לעומת הלא שגשוג nevi) בשעה מוקדמת שלב של המחלה.
נוהל זה נועד לאבחן מלנומה או סוגים אחרים של סרטן העור באופן לא פולשני באמצעות דימות אינפרא-אדום דינמי. התחל בצילום של הנגע והרקמה הבריאה שסביבו באור לבן, ולאחר מכן בצע צילום אינפרא-אדום למטרת ייחוס של אותו אזור בעור. לאחר מכן, קורר את הנגע ואת העור שסביבו.
לאחר מכן, הסר את עקה הקירור והקלט סרט באינפרא-אדום של תהליך החימום מחדש, המכונה התאוששות תרמית. לבסוף, בצע את ניתוח הנתונים ועיבוד התמונות של תמונות האור הלבן והאינפרא-אדום שנתפסו כדי למדוד את טמפרטורת העור כפונקציה של הזמן במהלך תהליך ההתאוששות התרמית; השווה את טמפרטורת העור במיקום הנגע לעומת אזור רחוק מהנגע כדי להעריך הבדלים בתגובה התרמית כאינדיקציה לפעילות מטבולית מוגברת שעשויה להיות קשורה לסרטן העור. בסופו של דבר, ניתן להפיק תוצאות המראות ייצור חום באמצעות דימות תרמי דינמי.
דימות באינפרא-אדום דינמי הוא שיטה אובייקטיבית וכמותית לא פולשנית המאפשרת גילוי של מלנומה בשלב מוקדם של המחלה. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום, כגון האם נגעים עם אות חזק הם פעילים מטבולית, ולמדוד את רמת הפעילות המטבולית בשילוב עם אספקת דם מוגברת. נתונים אלו עשויים להיות קשורים לשלב הסרטן.
שיטה זו כרוכה במורכבות מסוימת בהשגת נתוני טמפרטורת פני שטח מדויקים באמצעות טכניקות של דימות באינפרא-אדום, ובפיצוי על תנועות לא רצוניות של הנבדק במהלך תהליך הדימות. לכן, ד"ר Miguel Perini, פוסט-דוקטורנט מהמעבדה שלי, ואני נדגים כעת את הפרוצדורה: ארגנו חדר בדיקה בטמפרטורה מבוקרת המצויד במצלמת אינפרא-אדום ובמחשב לרכישת תמונות אינפרא-אדום ואחסונן, וכן בכרטיס רכישת נתונים המחובר למחשב. על מנת לנטר את טמפרטורת החדר וטמפרטורת פני העור, חברו תרמו-זוגות (thermocouples) לכרטיס רכישת הנתונים במהלך הבדיקה במטופל, ואחסנו את נתוני המדידה במחשב.
מכיוון שזיהוי נגעים בתמונה התרמית דורש אפקט קירור, השתמשו במדבקה ריבועית כדי למקם את הנגע הפיגמנטרי הנבדק ואת סביבתו באמצעות המצלמה הדיגיטלית. צלמו תמונה של הנגע הפיגמנטרי והחלון הדביק בתאורה חזקה. לאחר מכן, חברו דרמטוסקופ למצלמה דיגיטלית וצלמו תמונות דרמוסקופיות.
תוכנת ה-LabVIEW לוכדת ושומרת את כל תמונות האינפרא-אדום באמצעות תוכנת ה-LabVIEW. צלם תמונת אינפרא-אדום במצב יציב (steady state) באמצעות מצלמת אינפרא-אדום בתחום הבינוני מדגם Merlin. לאחר מכן, יישם זרימת אוויר קר על אזור עור המטופל שבו נמצא הנגע, וכן על אזור היקפי בקוטר של 50 millimeter.
לאחר דקה אחת, הפסיקו את עקה הקירור כדי לאפשר לעור להתחמם מחדש בטמפרטורת החדר במשך שלוש עד ארבע דקות. במהלך שלב התאוששות תרמית זה, צלמו תמונות באינפרא-אדום של הנגע הפיגמנטרי מדי שתי שניות, וזאת כדי לקבל התפלגויות טמפרטורה חולפות ומדויקות על פני שטח העור. נתחו את תמונות ה-IR באמצעות קוד MATLAB המותאם למטרה זו, הכולל מספר שלבי כיול ומערכת ניתוח תמונות רב-מודאלית.
התחל בהחלת אלגוריתם לזיהוי נקודות ציון (landmark detection) על תמונת האור הבהיר לצורך איתור פינותיו של הסמן הדביק. לאחר מכן, זהה את הנקודות המקבילות בתמונת ה-IR הייחוס, ופצה על תנועות לא רצוניות של גוף המטופל או גפיו על ידי שימוש בנקודות אלו כנקודות ציון במודל תנועה ריבועי ליישור רצף תמונות ה-IR במהלך שלב ההתאוששות. לאחר מכן, השתמש ב-random walker כדי להוביל מרחבית את הסגמנטציה על ידי הצבת נקודות זריעה (seed points) ליצירת תמונת מסכה המגדירה את גבולות הנגע.
לאחר קביעת צורת הנגע, זהו את האזור התואם בכל אחת מתמונות ה-IR הרשומות. בחרו נקודות אקראיות בתוך הנגע ומחוץ לו, המייצגות את הנגע ואת הרקמה הבריאה בהתאמה. לאחר מכן, השוו את התגובות התרמיות העוברות של שני האתרים.
לבסוף, הכינו טבלה הכוללת את כל תמונות ה-IR המקודדות בצבעים של ה-digital oscopy של הנגע והאזור שסביבו, שהוקלטו בתנאי סביבה ושנייה אחת לאחר עירור הקירור, וכן את התגובות התרמיות החולפות של הנגע והרקמה הבריאה המקבילה. במחקר בבני אדם שבו נבחרים להדמיה מטופלים בעלי נגע פיגמנטרי עם אינדיקציה קלינית לביופסיה, ניתן לזהות את הפעילות המטבולית המוגברת של נגע המלנומה באמצעות הדמיה אינפרא-אדומה דינמית. לאחר איסוף הנתונים ממחקר המטופלים, מתקבלת עקומת תגובה תרמית מדויקת הכוללת תיקון תנועה.
אין הבדל בטמפרטורה בין הנגע הפיגמנטרי השפיר לבין רקמת העור הבריאה בתמונת האינפרא-אדום או במהלך ההתאוששות התרמית. הדמיה תרמית מוכיחה יתרון מיוחד בנגעי עור ממאירים על בסיס תמונות אינפרא-אדום. הבדל משמעותי בטמפרטורה ובצבע נצפה במהלך ההתאוששות התרמית, אך ורק במיקום של נגע המלנומה בתמונת האינפרא-אדום.
לאחר אופטימיזציה מלאה ואוטומציה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שתי עד שלוש דקות אם היא מבוצעת כראוי. הליך דימות זה אינו מזיק. אין בו סיכונים, דבר זה חיוני באבחון קליני.
במהלך ביצוע הליך זה, חשוב לזכור כי על הנבדק להישאר ללא תנועה ככל האפשר לאחר סיום הפעולה. ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון ביופסיה, כדי להשיב על שאלות נוספות, כגון שלב המחלה ורמת החדירה של הסרטן ושל נגע שני.
סקירה כללית
מאמר זה מדגים הליך אבחנתי לא פולשני למלנומה ולסרטני עור אחרים באמצעות דימות אינפרא-אדום (IR) דינמי. השיטה מנצלת הבדלים בהתאוששות התרמית בין רקמת עור ממאירה לרקמת עור בריאה כדי לזהות פעילות מטבולית מוגברת הקשורה למלנומה, ובכך מציעה גישה כמותית ואובייקטיבית לגילוי מוקדם.
מרכיבים מרכזיים של המחקר
תחום מדעי
- דרמטולוגיה
- דימות רפואי
- אבחון סרטן
רקע
- שכיחות המלנומה גבוהה, וגילוי מוקדם הוא קריטי להישרדות.
- שיטות אבחון נוכחיות כוללות כריתה כירורגית, צילום דיגיטלי, דרמוסקופיה ושיטות דימות שונות.
- דימות באינפרא-אדום מודד את טמפרטורת העור, שיכולה לשקף פעילות מטבולית ומצבי מחלה בבסיס העור.
- התקדמות בטכנולוגיית IR ובעיבוד תמונה שיפרו את הדיוק ואת התועלת של הדימות התרמי ברפואה.
מטרת המחקר
- להערכת ההיתכנות של דימות IR דינמי ככלי יעיל כלכלית ולא פולשני לגילוי מלאנומה.
- להשוואת התגובות התרמיות של רקמת עור ממאירה ובריאה בחולים עם נגעים פיגמנטיים.
- להצלבת ממצאי דימות ה-IR עם תוצאות הביופסיה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- נרכשות תמונות באור לבן וב-IR של היישומ והעור שסביבו.
- אזור היישום מקורר, ולאחר מכן מורשה להתחמם מחדש תוך כדי הקלטת תמונות IR בכל שתי שניות במהלך ההתאוששות התרמית.
- ניתוח התמונות כולל תיקון תנועה, זיהוי נקודות סימון (landmarks) וסגמנטציה להגדרת גבולות היישום.
- תגובות תרמיות חולפות של היישום ושל רקמה בריאה מושווים באמצעות קוד MATLAB מותאם אישית וניתוח רב-מודאלי.
תוצאות עיקריות
- דימות IR דינמי מזהה פעילות מטבולית מוגברת בנגעי מלנומה במהלך התאוששות תרמית.
- נצפים הבדלי טמפרטורה וצבע משמעותיים בנגעים ממאירים בהשוואה לרקמה בריאה.
- לא נמצא הבדל תרמי משמעותי בין נגעים שפירים לבין עור בריא.
- השיטה בטוחה, מהירה (2–3 דקות) ומתאימה לאבחון קליני.
מסקנות
- דימיון IR דינמי הוא טכניקה מבטיחה ולא פולשנית לזיהוי מוקדם של מלנומה.
- היא מספקת נתונים אובייקטיביים וכמותיים על פעילות מטבולית בנגעי עור.
- עם אופטימיזציה נוספת, שיטה זו תוכל לשפר את הסריקה הקלינית ואת האבחנה של סרטן העור.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
דימות תרמי דינמי מאפשר זיהוי כמותי ולא פולשני של הבדלים בפעילות מטבולית בנגעי עור, ובכך תומך בזיהוי מוקדם של מלנומה. גישה זו מספקת נתונים אובייקטיביים וניתנים לשחזור, שיכולים להגביר את הביטחון החזוי בתיקוף יעדים עבור דיאגנוסטיקה אונקולוגית. שילוב של שיטות דימות אלו בזרימות עבודה של גילוי ותרגום יכול להאיץ קבלת החלטות מותאמת סיכונים ותיעדוף תיקי פיתוח במחקר ופיתוח של ביו-פרמה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה אובייקטיבית של פעילות מטבולית ברקמות הרלוונטיות למחלה.
- תומך בתיקוף תפקודי של מטרות על ידי הבחנה בין נגעים ממאירים לשפירים על בסיס תגובה תרמית.
- מספק נתונים כמותיים לביסוס הביטחון החזוי והפחתת סיכונים מכניסטיים במחקר של סממנים ביולוגיים באונקולוגיה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מקל על הכנת בדיקות דימוי מאומתות להערכת תרכובות בשלבים הבאים.
- מספק מדידות תגובה תרמית סטנדרטיות וניתנות לשחזור לצורך פיתוח בדיקות.
- מאפשר סריקה מהירה וניתנת להרחבה של פרופילים מטבוליים של נגעים במודלים פרה-קליניים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאם את תוצרי הדימות עם ביומרקרים מטבוליים הרלוונטיים למחלה לצורך רציפות תרגומית.
- תומך ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי אספקת נקודות קצה כמותיות ולא פולשניות.
- מפחית עמימות ביולוגית במחקר אונקולוגי בשלבים מוקדמים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
דימוי תרמי דינמי משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני, ומגשר בין תיקוף מטרות מוקדם להערכת ביומרקרים תרגומיים בקווי מחקר אונקולוגיים.
- ביולוגיה של גילוי: מדידה כמותית של פעילות מטבולית להבהרת מנגנוני מחלה ותיקוף מטרות.
- סריקה: אספקת תוצאות תרמיות כמותיות הניתנות לשחזור לבדיקת מוכנות האסיי (assay).
- אנליטיקה: מתאפשרת השוואה סטטיסטית בין תגובות של רקמה פגועה לרקמה בריאה לצורך פרשנות נתונים אמינה.
- מחקר תרגומי: קישור בין ביומרקרים של דימות לנקודות קצה פרה-קליניות וקליניות במחקר על מלנומה.
- שימוש חוזר ארגוני: מתן יכולת דימות לא פולשנית וניתנת לשימוש חוזר עבור תוכניות מגוונות של מחלות מטבוליות ואונקולוגיה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החוזאי ומפחית עמימות מכניסטית באפיון נגעים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של פרוטוקולי דימות לצורך הדירות ויכולת הרחבה בין מחקרים.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) ויעילות הון באמצעות אספקת נתונים אובייקטיביים מוקדמים.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תעדוף נכסי אונקולוגיה מותאם סיכון בהתבסס על ביומרקרים של דימות כמותי.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בדימיון באינפרא-אדום ובניתוח כמותי של תמונות.
- נדרשת גישה למצלמות IR מכויילות, לסביבות מבוקרות טמפרטורה ולתוכנות ניתוח.
- נדרש סטנדרזציה בין-צוותית עבור פרוטוקולי רכישת נתונים וניתוח.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה לסוגי נגעים שונים או לאתרים אנטומיים שונים.
- צמצום תנועת המטופל והבטחת מדידת טמפרטורה מדויקת הם קריטיים לאיכות הנתונים.
