Analiza termospektralna

Prof. G.Heim  Heidelberg

Do roku 1978 istniał cały szereg badań nad promieniowaniem termicznym człowieka. Badania te odwoływały się przede wszystkim do zintegrowanych pomiarów  przy zastosowaniu czujników mierniczych SCHRAMMa i REEDa. Po roku 1956 wprowadzono projekt, który bazował na poglądowej metodzie CZERNEGO we Frankfurcie i LAWSONa(1956)w Kanadzie. W wielu klinikach próbowano stosować kamery, wykorzystujące promieniowanie podczerwone do diagnostyki nowotworów- jednakże prawie wyłącznie w odniesieniu do raka piersi. Interpretacja otrzymywanych zdjęć termograficznych okazała się jednak trudna i mało obiektywna. Z jednej strony informowano o dużych osiągnięciach poszczególnych szkół (na przykład w Strassburgu), z drugiej metoda termowizyjna  była krytykowana i poddawana w wątpliwość. Prawdziwa diagnostyka termoregulacyjna z zastosowaniem  metody obrazowej była znacznie utrudniona za względu na - w ówczesnych czasach ograniczone możliwości zweryfikowania obrazów komputerowo„on line” .

W tym okresie wychodzono z założenia, że skóra wypromieniowuje energię w zakresie podczerwieni i że to promieniowanie jest w zasadzie zgodne z zasadą promieniowania Plancka- a więc promieniowanie cieplne tworzy ze współczynnikiem emisji wartość bliską 1. Wartość maksimum spektralnego podziału znajduje się- pod względem rachunkowym- blisko 9,6 mikrometra. Większość sensorów podczerwieni- czy to w czujnikach pomiarowych, czy też w kamerze- było nastawiane na ten zakres spektralny- najczęściej w przedziale od 8 do12 mikrometrów.

Tematowi badań nad patologicznie uwarunkowanymi zmianami poświęcona jest praca PATILa i WILLIAMa( Non-Ionizing Radiation, 1969). Opisuje się w niej zmiany w spektrum emisyjnym bezpośrednio nad nowotworem piersi, w zaawansowanym promieniowaniu (zakres 4- 18 mikrometrów). Idea wykorzystania analizy spektralnej  w celach diagnostycznych została jednak- o ile nam wiadomo- wdrożona jedynie w Instytucie Medycyny Społecznej i Medycyny Pracy w Heidelbergu.

Szczególnie w długofalowym spektrum (pow.20 mikrometrów) cieplnego promieniowania człowieka  intensywność zmniejsza się tak silnie, że badanie spektrometryczne jest wyjątkowo trudne. Oczekiwane są sygnały pomiarowe w zakresie mikro Watt, które muszą powodować większą dokładność. Najbardziej odpowiednią do tego metodą wydaje się spektroskopia Fouriera.

Latem 1980 roku rozpoczęliśmy budowę aparatury pomiarowej, która składała się ze zmodyfikowanego  spektrometru emisyjnego GRUBBa PARSONSa. Ten interferometr MICHELSONa jest napędzany światłem zmiennym i rejestruje  odbieraną intensywność promieniowania przy pomocy detektora GOLAYa oraz wzmacniacza Lock-In w sposób ciągły, w zależności od położenia poziomu. Zarejestrowany w ten sposób interferogram jest przekształcany za pośrednictwem analizy FOURIERra w spektrogram- to jest moc promieniowania przypadająca na interwał częstotliwości. Przy pomocy tego urządzenia pomiarowego udało się zarejestrować zakres długości fali od 23,3 do 66,7 mikrometra.

Ze względu na  sposób budowy spektrometru nie był możliwy pomiar dowolnego miejsca na ciele. Wlot wejściowy do pomiaru promieniowania znajdował się na górze urządzenia ,zatem  nad otwór  można było naprowadzić tylko rękę. Aż do przebudowy aparatu w 1985 roku wszystkie badania przeprowadzane były wyłącznie na kłębie prawej dłoni. Od początku wychodzimy z założenia, że rozpoznawane mogą być tylko systemowe zmiany całego organizmu ze zmianami chorobowymi- gdzie  są one  także zawsze  zlokalizowane. Rezultaty potwierdzają to założenie w całej rozciągłości.

Równolegle do badania spektralnego na skórze ludzkiej, ustalano temperaturę promieniowania przy pomocy czujnika  podczerwieni oraz w celu kontroli rejestrowano spektrum „czarnego emitera” przy tej temperaturze ( z reguły o 33 st. Celsiusa).

Ręka badanego pacjenta leżała od strony kłębu kciuka nad wlotem spektrometru. Żeby nie doszło do zastojów ciepła oraz ,co się z tym wiąże, do odchyleń temperatury, zainstalowano specjalną dystansową obręcz nad wlotem wejściowym spektrometru. Poza tym badana była( przy użyciu czujnika pomiarowego) temperatura przy kłębie kciuka- każdorazowo, przed i po  badaniu spektralnym. Zaobserwowane różnice temperatury wynoszą mniej niż 1 st. C.

Pomiar trwał przeciętnie 15 minut ( metoda Slow Scan).

Probanci z nadmierną potliwością dłoni lub z większymi odchyłami temperatury podczas pomiaru, nie podlegali ocenie statystycznej.

ANALIZA TERMOSPEKTRALNA U OSÓB ZDROWYCH ORAZ PRZEWLEKLE CHORYCH

W badaniu pilotażowym zbadano trzy grupy osób.

1. 30 osób (z tego 27 kobiet, 3 mężczyzn) bez orzeczeń klinicznych, w przeciętnym wieku 26 lat +/- 7,8 lat.
2. 30 osób z chronicznymi dolegliwościami ( z tego 28 kobiet, 2 mężczyzn). Najczęstszym rozpoznaniem (N= 13) były niezłośliwe schorzenia piersi, a następnie pacjenci z dolegliwościami reumatycznymi (N=4). Średni wiek wynosił 44 lata +/- 11 lat.
3. 30 osób z klinicznie potwierdzonym nowotworem ( z tego 26 kobiet, 4 mężczyzn), przede wszystkim był to nowotwór piersi (N=23). Ci pacjenci byli w  wieku  około 48 lat ,+/- 12 lat.

Zapisane krzywe pomiarów były przetwarzane komputerowo „on line”. Najpierw okazało się, że nie można jednoznacznie przypisać danemu stadium choroby, danego spektrum. Indywidualne różnice pomiędzy probantami są tak duże, że jedynie analiza statystyczna  mogłaby dać pogląd na temat istnienia istotnych różnic pomiędzy spektrami pacjentów zdrowych i chorych na raka.

Obliczone krzywe spektralne pokazują- jak bywa to zwykle w badaniach naukowych- zdolność emisyjną jako funkcję E(k) emitowanej mocy w zależności od liczby fal (pomiar frekwencyjno -analogowy). Krzywe te zostały najpierw rozłożone na cztery zakresy spektralne:

• zakres E1: 150- 250 cm ^-1: =   66,67 – 40 mikrometrów
• zakres E2:  250-330cm ^–1   =    40- 30,3 mikrometra
• zakres E3:   330-430 cm ^–1  =  30,3- 23, 26 mikrometra
• zakres E4: = E2 + E3 : 250 – 430 cm^-1 : 40 – 23,26 mikrometra

W tych zakresach spektralnych powstają zwykłe miary statystyczne:

• średnia wartość krzywej MV
• odchylenie standardowe STD
• zmienna VAR

Najpierw ustalono dokładność pomiaru i powtarzalność pomiarów na bazie „ czarnego emitera”. Dalsze badania probantów  pokazały, że w ramach ustalonej w ten sposób dokładności pomiaru nie można było stwierdzić istotnych pod względem statystycznym odchyleń spektralnej krzywej emisyjnej „czarnego emitera”. Dzięki temu wynikowi potwierdziły się, podawane w literaturze i dalszym ciągu akceptowane założenia, że skóra człowieka w obszarze podczerwieni emituje tak, jak „czarny emiter”.

W związku z tym nasze zainteresowanie skoncentrowało się na jakości promieniowania pacjentów z chorobami chronicznymi, a szczególnie pacjentami chorymi na  nowotwór. W ten sposób znajdują potwierdzenie obserwacje SCHWAMMa i REEHa z początków prac nad diagnostyka termoregulacyjną.

Wyniki badań pilotażowych przedstawia poniższa tabela (dysertacja W. Folbertha- 1984).

Parametr	Grupa kontrolna N=30		Niezłośliwe nowotwory N=30		Rak złosliwy N=30
	MW	SD	MW	SD	MW	SD
MV1 SD1	0,999 0,0699	0,042 0,042	0,996 0,0722	0,077 0,041	0,988 0,0849	0,124 0,035
MV2 SD3	0,985 0,0353	0,039 0,014	1,003 0,0482	0,074 0,015	1,001 0,058	0,122 0,025
MV3 SD3	0,991 0,058	0,041 0,023	0,994 0,0641	0,067 0,022	0,988 0,081	0,138 0,0036
MV4 SD4	0,989 0,0526	0,037 0,017	0,998 0,064	0,065 0,018	0,994 0,078	0,127 0,031

Rezultaty powyższe można zinterpretować w następujący sposób:

• Współczynniki emisyjne E(k) przedstawiają wzrastające struktury, jeżeli przechodzimy od grupy kontrolnej do grupy pacjentów z nowotworem.

Rysunek 2: średnie współczynniki w trzech różnych zakresach spektralnych dla zdrowej grupy kontrolnej (N=30) i dla grupy chorych na raka (N=30):

A.wykres : zakres spektralny od 30 do 40 mikrometrów.

B.wykres   zakres spektralny od 23do 30 mikrometrów

C.wykres  zakres spektralny od 23 do 40 mikrometrów.

Środkowe wskaźniki emisyjne dla grupy chorych na nowotwór są rozproszone bardziej od tych dla grupy kontrolnej.

• Środkowe współczynniki emisyjne MV1, MV2, MV3 i MV4 osiągają wartości bliskie 1,0 niewielkie odchylenia można zaobserwować szczególnie
• w zakresie spektralnym 2 (30- 40 mikrometra) w grupie kontrolnej
• w zakresie spektralnym 1 i 3 w grupie chorych na nowotwór
• Ze względu na  małą liczbę przypadków można ostrożnie wnioskować, że  środkowy wskaźnik emisyjny jest różny dla poszczególnych grup (nie udowodniono statystycznie ).

Najistotniejsze zmiany w charakterystyce wypromieniowania  dają się zauważyć w przebiegu krzywych, przy czym istnieją silne różnice indywidualne. W związku  z tym współczynnik emisyjny dla poszczególnych pacjentów chorych na nowotwór może być zaniżony lub także podwyższony uprawnionych zależności nie daje się jak dotychczas rozpoznać.

Z wykresu 1 można raz jeszcze wywnioskować, że w grupie chorych na nowotwór rozproszenie środkowych współczynników emisyjnych jest w istocie podwyższone, natomiast wartości środkowe oscylują w pobliżu 1,0. Oznacza to także, że nie da się stwierdzić różnicy pomiędzy osobami zdrowymi i chorymi na podstawie pomiaru temperatury lub integralnym pomiarem promieniowania nad dalekim zakresem spektralnym.

 W czynniku emisyjnym istnieją zatem struktury, jak prawidłowo przewidzieli  to SCHRAMM i REEH. Przejawiają się one obniżeniem współczynnika emisyjnego długofalowo w przedziale ok. 30- 40 mikrometrów. Poszczególni pacjenci tworzą jednak zróżnicowane wzory promieniowania. W ten sposób współczynnik emisyjny może zostać podwyższony nawet ponad 1,0. Charakterystycznym i dającym się potwierdzić statystycznie jest każdorazowo szersze pasmo rozproszenia krzywych emisyjnych w grupie pacjentów z nowotworem. Do stwierdzenia różnicy grup nadaje się tylko zmienna SD2, a więc standardowe odchylenie w zakresie spektralnym 2 ( 30- 40 mikrometrów). Poziom trafności dochodzi w ten sposób do 68,3%.

Lepszy rozdział grup osiąga się stosując analizę dyskryminacyjną z kompleksowymi zmiennymi. Oznacza to, że z parametrów (MV, SD, VAR) krzywej utworzone zostaną nowe zmienne.  Dr Folberth osiągnął najlepszy wynik ze zmiennymi:

TSAVARI = MV2 +/ 1. MV4/ + SD2 + SD4

TSAVAR2= (MV)2+ (MV3)2 + SD3

Przy zastosowaniu tych zmiennych analiza dyskryminacyjna osiągnęła poziom trafności

88,3 % dla grupy kontrolnej,  względnie grupy z nowotworem.

Należy więc oczywiście uchwycić zależność wewnętrzną w krzywej emisyjnej, aby umożliwić rozróżnienie chorego od porównywalnej grupy osób zdrowych.

Uzyskane wyniki zachęciły nas do dalszych badań.

Badania analizy termospektralnej( TSA) w Klinice Chorób Płuc w Loewenstein. ( krajowego związku opieki społecznej- Wuertenberg- Hohenzollern, przy udziale prof. dra F. Krause)

Od 1981 roku w Klinice Chorób Płuc w Loewenstein zostały przeprowadzone badania z zakresu diagnostyki termoregulacyjnej. Dodatkowo , w 1983 roku zainstalowano w Klinice spektrometr na podczerwień i przeprowadzono badania TSA. Spośród przebadanych probantów, stwierdzono na podstawie diagnostyki klinicznej u  N= 20 (17 kobiet, 3 mężczyzn) pacjentów histologicznie potwierdzony nowotwór płuc. Średni wiek pacjentów wyniósł 64, 5 +/- 10,6 lat.

Badania TSA w Państwowej Klinice Chorób Reumatycznych w Baden- Baden.

(na pacjentach cierpiących na artretyzm reumatoidalny: z udziałem dra med. Engelsa)

Aby otrzymać dalsze informacje na temat charakterystyki promieniowania osób przewlekle chorych, zostały przeprowadzone badania TSA na 26 pacjentach Kliniki Chorób Reumatycznych. Osoby te miały od ponad dwóch lat serologicznie potwierdzony artretyzm reumatoidalny. Pośród pacjentów było 19 kobiet i 7 mężczyzn, ich przeciętny wiek wyniósł 54,8 +/- 11,1 lat.

Badania TSA w Centrum Rehabilitacyjnym Wiblingen

(na pacjentach z niewydolnością nerek: z udziałem prof. dra W Hubera)

Bezpośrednio po zakończeniu badań w Baden- Baden spektrometr na podczerwień został przeniesiony do Kliniki Rehabilitacyjnej w Wiblingen . Przeprowadzono tu pomiary TSA na pacjentach z chroniczną niewydolnością nerek (N= 26). Wśród probantów było 17 mężczyzn i 9 kobiet, średnio wiek wyniósł 43,2 +/- 15,2 lat.

Rezultaty- w porównaniu z grupą kontrolną osób zdrowych (N=26).

Badania wykonane zostały według zgodnie ze standaryzowaną metodą pomiaru, którą obecnie nazywa się TSA (analiza termospektralna).Pomiar dokonywany był na kłębie kciuka prawej dłoni. W tym miejscu także określono, przy pomocy czujnika promieniowania, temperaturę skóry. „Czarny emiter” został nastawiony na tę temperaturę, a następnie przeprowadzono na grupie probantów pomiar kontrolny przy pomocy „czarnego emitera” .

Współczynnik emisyjny określa się w zależności od długości fal z porównania pomiaru na probantach, dokonanego „czarnym emiterem”. Zakres długości fal został ograniczony, ze względu na dokładność pomiaru, do obszaru od 23,8 do 62,6 mikrometra (odpowiada to zakresowi –k od 190 do 420 cm -1). W celu oceny spektralnych funkcji emisyjnych zakres długości fali został podzielony na 4 pododcinki. Dla każdego z tych obszarów określono wartość średnią i odchylenie standardowe wartości mierzonych. Wyniki tej analizy przedstawiono w tabeli.

Parametr	Grupa Kontrolna N=26		Grupa z chroniczną niewydolnościa nerek N=26		Grupa z chorobą reumatyczną N=26		Grupa z rakiem płuc N=26
	MW	STD	MW	STD	MW	STD	MW	STD
MV1	1,040	0,077	1,060	0,091	1,044	0,91	1,176	0,186
MV2	1,037	0,052	1,057	0,073	1,062	0,086	1,201	0,109
MV3	1,010	0,048	1,049	0,067	1,050	0,082	1,147	0,086
MV4	1,027	0,042	1,052	1,057	0,057	0,078	1,174	0,087
SD1	0,0828	0,055	0,1189	0,0592	0,0806	0,0297	0,1934	0,0552
SD2	0,0629	0,017	0,0808	0,0317	0,0567	0,02944	0,1182	0,0172
SD3	0,0663	0,017	0,0864	0,0370	0,0736	0,0299	0,960	0,0173
SD4	0,0724	0,011	0,0962	0,0342	0,0724	0,0192	0,1208	0,011

W trakcie badań stwierdzono jeszcze wyraźniej różnice pomiędzy zdrowymi probantami, a osobami chorymi przewlekle. Odpowiednią tendencję przedstawia poniższy wykres, zarówno dla wartości środkowych w zakresach spektralnych, jak i dla rozproszenia krzywych E(k).

Wykres 3. Wartości średnie dla krzywych E(k) w zakresach spektralnych 1 do 4 ( patrz tekst). Rezultaty dla grupy kontrolnej (N=26), grupy pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek (N= 26), grupa pacjentów cierpiących na artretyzm reumatoidalny  (N= 26) oraz grupy pacjentów z nowotworem płuc (N=20).

Wykres 4. Standardowe odchylenie dla krzywych E(K) w zakresach spektralnych od 1 do 4 (patrz tekst). Grupy diagnostyczne są identyczne jak w wykresie 3.

Dla pacjentów chorych na nowotwór znaleziono przeciętne wartości wskaźnika emisyjnego do 1,2. Tym samym są one znacznie wyższe od wartości dla innych grup pacjentów. Czy stan choroby nowotworowej jest więc czymś szczególnym, czy też  jest ona bardziej widoczny niż inne procesy przewlekłe w charakterystyce promieniowania?

Rozproszenie współczynników w zakresach spektralnych oddają ten sam trend, co wykres 1.

Do klasyfikacji obszernych danych pacjentów można zastosować także analizę dyskryminacyjną, jako metodę wielowariantową. Ostatecznym celem będzie zebranie parametrów krzywej do „kombinowanego rozmiaru oceny”- dyskryminacyjnego score.

Rezultaty analiz dyskryminacyjnych pomiędzy każdorazowo dwoma grupami przedstawia poniższy schemat.

Wykres 5. Rezultaty analiz dyskryminacyjnych pomiędzy grupami diagnostycznymi przy zastosowaniu MV i SD w czterech zakresach spektralnych jako zmienne dyskryminujące.

Najtrudniej jest rozdzielić pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek od pacjentów z artretyzmem reumatoidalnym- analiza dyskryminacyjna wykazuje poziom 69,2 % trafności. Z kolei najlepiej można odróżnić od siebie grupę kontrolną od grupy pacjentów cierpiących na  nowotwór płuc. Pacjenci chorzy na raka odróżniają się od innych grup pacjentów z chorobami przewlekłymi w 85% lub więcej. Wynik nie jest zaskakujący, po tym jak trend ten  jednoznacznie odzwierciedlały zmienne  bazowe.