Wczesne wykrywanie raka skóry za pomocą termografii
Dokładne wykrywanie raka skóry we wczesnym stadium jest trudne ze względu na subtelne różnice wizualne i termiczne między tkanką zdrową a nowotworową, co wymaga nieinwazyjnej metody, która może wiarygodnie identyfikować niewielkie wahania temperatury spowodowane zwiększoną aktywnością metaboliczną i angiogenezą w komórkach nowotworowych.
Termografia w podczerwieni zapewnia nieinwazyjny sposób wizualizacji nieprawidłowych wzorców temperatury skóry związanych z tkanką nowotworową. Analizując nagrzewanie się zmian skórnych po wzbudzeniu termicznym, naukowcy mogą odróżnić obszary złośliwe od łagodnych za pomocą sygnatur termicznych do wczesnego wykrywania i charakteryzowania zmian.
Uzyskiwane korzyści
- Wczesne wykrywanie poprzez ujawnienie wzorców ciepła nowotworowego przed pojawieniem się widocznych objawów.
- Eliminacja potrzeby inwazyjnych biopsji we wstępnych badaniach przesiewowych i monitorowaniu.
- Standaryzowana i powtarzalna diagnostyka dzięki spójnym protokołom pomiarowym.
- Poprawa dokładności diagnostycznej w połączeniu z tradycyjnymi metodami badań.
- Szybkie i bezkontaktowe obrazowanie termiczne w warunkach klinicznych w ciągu kilku minut.
Sygnatura termiczna raka skóry: Badanie zmian temperatury w tkankach nowotworowych
Niniejszy artykuł powstał w oparciu o prace grupy badawczej InViLab z Uniwersytetu w Antwerpii oraz organizacji finansujących: Research Foundation Flanders (FWO) i Stand up to Cancer (Kom op tegen Kanker) z Belgii.
Rak skóry to rodzaj nowotworu, który rozwija się w komórkach skóry, często w wyniku długotrwałej ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe (UV) pochodzące ze słońca lub sztucznych źródeł, takich jak solaria. Choroba rozwija się, gdy DNA w komórkach skóry ulega uszkodzeniu, co prowadzi do nieprawidłowego wzrostu komórek. Rak skóry dzieli się zasadniczo na trzy typy: rak podstawnokomórkowy (BCC), rak płaskonabłonkowy (SCC) i czerniak. BCC i SCC są częstsze i zazwyczaj mniej agresywne, natomiast czerniak jest rzadszy, ale znacznie bardziej niebezpieczny ze względu na wysoki potencjał rozprzestrzeniania się na inne części ciała. Rak skóry zazwyczaj objawia się zmianami na skórze, takimi jak nowe narośla, niegojące się rany lub zmiany w istniejących znamionach. Wczesne wykrycie i leczenie są kluczowe, ponieważ wiele nowotworów skóry można skutecznie leczyć, jeśli zostaną wcześnie wykryte, zwłaszcza te mniej agresywne.
Skóra nowotworowa generuje więcej ciepła z powodu kilku zmian fizjologicznych związanych z rozwojem guza. Jedną z głównych przyczyn jest zwiększona aktywność metaboliczna komórek nowotworowych. Komórki te mają szybsze tempo metabolizmu niż komórki zdrowe, ponieważ dzielą się szybko i wymagają więcej energii, wytwarzając więcej ciepła jako produkt uboczny.
Innym czynnikiem jest angiogeneza, czyli tworzenie nowych naczyń krwionośnych, które guzy indukują, aby dostarczać szybko rosnącym komórkom nowotworowym niezbędny tlen i składniki odżywcze. Ten zwiększony przepływ krwi do obszaru guza często powoduje wzrost temperatury w otaczających tkankach. Dodatkowo, wokół tkanek nowotworowych często występuje stan zapalny, przyczyniając się do podwyższenia temperatury miejscowej. Odpowiedź immunologiczna na nieprawidłowe komórki nowotworowe wywołuje stan zapalny, co prowadzi do dalszej produkcji ciepła w dotkniętym obszarze.
Różnica temperatur między skórą nowotworową a zdrową może się różnić, ale zazwyczaj jest o około 1 do 3°C wyższa w obszarach dotkniętych rakiem.
Termografia w badaniach nad rakiem skóry: Wykrywanie sygnatur cieplnych w celu wczesnej diagnozy
Termografia w podczerwieni to nieinwazyjna technika obrazowania stosowana w badaniach nad rakiem skóry do wykrywania nieprawidłowych wahań temperatury na powierzchni skóry, które mogą wskazywać na obecność zmian nowotworowych. Metoda ta opiera się na zasadzie, że wszystkie obiekty emitują promieniowanie podczerwone w zależności od swojej temperatury. W ludzkim ciele skóra emituje promieniowanie podczerwone, które mogą być rejestrowane i mierzone przez kamery termograficzne. Kamery te przetwarzają promieniowanie podczerwone na obraz termiczny, na którym zmiany temperatury są widoczne jako różne kolory lub odcienie szarości.
Termografia w podczerwieni wykorzystuje fakt, że tkanki nowotworowe często wykazują wyższą aktywność metaboliczną niż tkanki prawidłowe. Podczas zabiegu kamera termowizyjna obrazuje skórę pacjenta, a uzyskane obrazy termiczne są analizowane w celu identyfikacji obszarów o nieprawidłowych wzorcach cieplnych, które mogą sugerować obecność raka skóry. Technika ta pozwala wykryć wczesne stadia raka skóry, które mogą być jeszcze niewidoczne gołym okiem, co czyni termografię w podczerwieni cennym narzędziem we wczesnej diagnostyce.
W ramach inicjatywy badawczej opracowano narzędzie sterowane termografią do diagnozowania i charakteryzowania zmian nowotworowych skóry, mające na celu zapewnienie standaryzowanych, powtarzalnych wyników w warunkach klinicznych, a tym samym zwiększenie efektywności diagnostyki raka skóry. Urządzenie wykorzystuje aktywną termografię w podczerwieni w połączeniu ze wzbudzeniem termicznym, a w szczególności chłodzeniem, do analizy wzorców nagrzewania zmian skórnych. Metoda ta wykorzystuje zwiększoną aktywność metaboliczną i angiogenezę w komórkach nowotworowych, które wytwarzają charakterystyczne sygnatury termiczne, które można rejestrować i analizować za pomocą obrazowania w podczerwieni.
Urządzenie zawiera kamerę termowizyjną Optris Xi 400, która odgrywa kluczową rolę w rejestrowaniu obrazów termicznych skóry o wysokiej rozdzielczości. Xi 400 jest wyposażony w optykę mikroskopową, umożliwiającą obrazowanie z bliska w celu wykrycia najdrobniejszych szczegółów zmian skórnych. Wyposażone jest w niechłodzony detektor mikrobolometryczny o czułości termicznej poniżej 80 mK, co zapewnia wysoką czułość na niewielkie zmiany temperatury. Kamera rejestruje 16-bitowe obrazy termiczne w formacie RAW o rozdzielczości 382×288 pikseli i częstotliwości odświeżania 27 Hz, co zapewnia szczegółowe dane termowizyjne w czasie rzeczywistym.
Zdalna, ręczna regulacji ostrości w Xi 400 oraz możliwość ustawiania ostrości w odległości 90…110 mm umożliwiają precyzyjne obrazowanie, co jest kluczowe dla dokładnej oceny granic i głębokości zmian skórnych. Konstrukcja urządzenia obejmuje uchwyt dystansowy, który utrzymuje stałą odległość 100 mm od skóry, zapewniając spójność pomiarów. Ta precyzyjna funkcja obrazowania w połączeniu z systemem chłodzenia urządzenia pozwala HypIRskin skutecznie wykrywać i odróżniać złośliwe i łagodne zmiany skórne.
Termografia w podczerwieni w identyfikacji czerniaka i raka za pomocą mikroskopu Optris Xi 400
Termografia w podczerwieni jest szczególnie skuteczna w identyfikacji czerniaka złośliwego, raka podstawnokomórkowego i raka płaskonabłonkowego – najczęstszych typów raka skóry. Stosowana w połączeniu z innymi metodami diagnostycznymi, takimi jak dermatoskopia i biopsja, zwiększa dokładność wykrywania i monitorowania raka skóry, co prowadzi do poprawy wyników leczenia.
Pomyślne zastosowanie tego urządzenia przesiewowego w badaniach klinicznych podkreśla jego potencjał jako potężnego narzędzia do charakteryzacji raka skóry. Urządzenie oferuje szybkie pomiary, trwające łącznie około trzech minut, co czyni je niezwykle praktycznym w praktyce klinicznej. Regulowane obciążenie i czas chłodzenia umożliwiają elastyczne pomiary dostosowane do konkretnego przypadku. Jednak utrzymanie jednorodnego obciążenia chłodzenia jest niezbędne dla zapewnienia jednorodnych i powtarzalnych wyników.
Naukowcy współpracują z firmą Optris, wykorzystując kamerę termowizyjną Optris Xi 400, ponieważ zapewnia ona precyzję i czułość niezbędne do dokładnego wykrywania i charakteryzowania zmian nowotworowych skóry za pomocą termografii w podczerwieni. Optris Xi 400 jest wyposażony w funkcje obrazowania termicznego o wysokiej rozdzielczości, które są kluczowe dla uchwycenia subtelnych różnic temperatur między tkankami zdrowymi a nowotworowymi.
Niechłodzony detektor mikrobolometryczny tej kamery oferuje czułość termiczną (NETD) poniżej 80 mK, co pozwala na wykrywanie bardzo niewielkich zmian temperatury, co jest kluczowym wymogiem do identyfikacji sygnatur termicznych raka skóry. Dodatkowo, kamera Xi 400 posiada optykę mikroskopową i manualny silnik regulacji ostrości, co umożliwia szczegółowe obrazowanie zmian skórnych z bliska.
Źródło: J. Verstockt et al., “HypIRskin: Thermography-Guided Device for Diagnosis and Characterization of Skin Cancer Lesions,” 2024 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA), Eindhoven, Netherlands, 2024, pp. 1–6, doi: 10.1109/MeMeA60663.2024.10596792.