Sensor médico de ondas milimétricas para el diagnóstico del cáncer de piel

Un sensor médico de ondas milimétricas micromecanizado para el diagnóstico del cáncer de piel

Fritzi Töpfer1, Sergey Dudorov1, Dragos Dancila2, Robin Augustine2, Xin Hu2, Lennart Emtestam3, Kari Gustafsson4, Lars Tenerz5, Anders Rydberg2 y Joachim Oberhammer1 1 KTH Royal Institute of Technology, 2 Uppsala University, 3 Karolinska Institutet, 4 ADAKT AB, 5 OPTIGA AB

1. Motivación médica

El cáncer de piel es el cáncer más común en el grupo de edad de 15 a 45 años. Los casos aumentan en un promedio del 3-6% anual desde la década de 1960, y el melanoma está entre los tipos de cáncer más mortales con una mortalidad del 15-20%. En Suecia, se diagnostican alrededor de 2500 melanomas y 1200 precursores por año, resultando en casi 500 muertes en 2011. Se requiere un gran esfuerzo de detección para encontrar cáncer de piel: se deben realizar entre 50 y 250 exámenes para encontrar un solo melanoma. No existe una tecnología de sensor establecida disponible; hasta ahora, el diagnóstico se ha realizado por dermatólogos altamente capacitados usando dermatoscopios y, tras la extracción, se verifica mediante análisis histológico. Solo en Suecia, se realizan alrededor de 100 000 cirugías preventivas de piel cada año, la mayoría innecesarias y que podrían evitarse si se dispusiera de una herramienta de diagnóstico con alta sensibilidad/especificidad. Los departamentos especializados en dermatología se están convirtiendo cada vez más en un cuello de botella.

2. Método: un sensor de ondas milimétricas de 100 GHz drásticamente miniaturizado para el diagnóstico del cáncer de piel

Se sabe que las ondas electromagnéticas en frecuencias de microondas pueden distinguir células sanas de tumorales, ya que la absorción de energía por encima de 1 GHz es significativamente mayor debido al aumento del contenido de agua libre y ligada en tejidos de crecimiento rápido y descontrolado [1]. La discriminación entre tejido sano y canceroso mediante microondas también se ha demostrado para tumores de piel, incluyendo BCC [2] y melanoma [3]. Los sensores macroscópicos de microondas, disponibles hasta 40 GHz, tienen un volumen de interacción demasiado grande y por lo tanto no son adecuados para analizar tejido canceroso superficial e inhomogéneo en etapas tempranas. Este artículo presenta los resultados de una sonda de ondas milimétricas micromecanizada que opera a 100 GHz, con una punta de sonda que tiene solo el 0,9% del área de contacto de una sonda convencional de microondas y con una profundidad de penetración adaptada a las capas superficiales del cáncer de piel, combinando de manera única alta sensibilidad y alta resolución. Se han implementado y caracterizado dos diseños diferentes de sonda: un diseño de banda ancha por KTH y un concepto resonante por UU mediante micromecanizado.

3. Resultados: verificación técnica, primeras mediciones en piel

El prototipo de sonda 1 (diseño KTH) ha sido verificado técnicamente con éxito, resultando en una responsividad de S11/εr=0.47dB en el rango de permitividad de tejido canceroso/sano a 100 GHz, una reproducibilidad mejor que 1.4% (1σ), una estabilidad a largo plazo mejor que 0.6% (1σ) durante 8 horas, y una resolución de escaneo lateral de aproximadamente 100 μm para una punta de sonda de 600x300 μm2. Las primeras pruebas en piel humana revelaron que la sonda puede distinguir claramente el tejido cutáneo en diferentes posiciones del cuerpo (dorso de la mano, palma, brazo), puede detectar quemaduras en la piel y monitorear el proceso de curación de quemaduras (discriminación entre piel quemada, piel recién formada y piel normal), y puede distinguir neoplasmas cutáneos benignos de piel normal y nevos subdérmicos (de unión). El prototipo de sonda 2 (diseño UU) es un diseño resonante que ha sido probado en materiales fantasma compuestos de agar, polvo de polietileno y TX-15. La sonda puede distinguir con éxito materiales fantasma al 50%, 75% y 100%.

4. Conclusiones, perspectivas, agradecimientos

Presentamos un nuevo tipo de sensor médico de microondas, habilitado por micromecanizado. Las sondas fueron optimizadas para el cáncer de piel y ofrecen un rendimiento único en responsividad y resolución en comparación con sondas convencionales de microondas. Los prototipos del sensor han sido caracterizados técnicamente con éxito y las mediciones en diferentes tipos de piel y anomalías cutáneas han verificado claramente la función del sensor. Actualmente, se está presentando una solicitud para la aprobación ética para continuar el trabajo hacia la evaluación del tejido canceroso. Se agradece el financiamiento del programa VINNOVA Framtidens Hälsa.

Referencias

[1] Mariya Lazebnik et al., Phys. Med. Biol. 52 (2007) 6093–6115.

[2] R. M. Woodward et al., J. Invest. Dermatol., vol. 120, pp. 72-78, 2003.

[3] A. Ito et al., Cancer Sci., vol 94, no. 3, pp. 308-313, Mar. 2003.

 

Figura 1: Prototipos de sensores micromecanizados de microondas para cáncer de piel: (a) sensor de banda ancha, (b) sensor tipo resonante; (c) análisis de responsividad; (d) mediciones en piel, discriminación de piel quemada/recién formada/normal; (e) mediciones en piel, neoplasma cutáneo benigno/lunar subdérmico/piel normal.

La literatura clínica se refiere a "Un sensor médico de ondas milimétricas micromecanizado para el diagnóstico del cáncer de piel" por KTH Royal Institute of Technology, 2 Uppsala University, 3 Karolinska Institutet, 4 ADAKT AB, 5 OPTIGA AB