Medische millimetergolfsensor voor de diagnose van huidkanker

Een microbewerkte medische millimetergolfsensor voor de diagnose van huidkanker

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

1. Medische motivatie

Huidkanker is de meest voorkomende vorm van kanker in de leeftijdsgroep van 15-45 jaar. Het aantal incidenten neemt sinds de jaren zestig met gemiddeld 3 tot 6% per jaar toe, en melanomen behoren tot de dodelijkste vormen van kanker, met een sterftecijfer van 15 tot 20%. In Zweden worden jaarlijks zo'n 2500 melanomen en 1200 voorlopers gediagnosticeerd, resulterend in bijna 500 sterfgevallen in 2011. Er is een enorme screening nodig om huidkanker te vinden: er moeten ongeveer 50-250 screenings worden uitgevoerd om één enkel melanoom te vinden. Er is geen gevestigde sensortechnologie beschikbaar; de diagnose wordt tot nu toe gedaan door hoogopgeleide dermatologen met behulp van dermatoscopen, en na extractie geverifieerd door histologische analyse. Alleen al in Zweden worden jaarlijks ongeveer 100.000 preventieve huidoperaties uitgevoerd, waarvan de meeste onnodig zijn en vermeden zouden kunnen worden als er een diagnosemiddel met hoge gevoeligheid/specificiteit beschikbaar zou zijn. Gespecialiseerde afdelingen dermatologie vormen steeds meer een knelpunt.

2. Methode: een drastisch geminiaturiseerde millimetergolfsensor van 100 GHz voor de diagnose van huidkanker

Het is bekend dat elektromagnetische golven bij microgolffrequenties gezonde cellen van tumorcellen kunnen onderscheiden, omdat de energieabsorptie boven 1 GHz aanzienlijk hoger is als gevolg van het verhoogde vrije en gebonden watergehalte van snel en ongecontroleerd groeiend weefsel [1]. Het onderscheid tussen gezond/kankerweefsel door microgolven is ook aangetoond voor huidtumoren, incl. BCC [2] en melanoom [3]. Macroscopische microgolfsensoren, beschikbaar tot 40 GHz, hebben een te groot interactievolume en zijn daarom niet geschikt om ondiep en inhomogeen huidkankerweefsel in een vroeg stadium te analyseren. Dit artikel presenteert de resultaten van een micro-gefreesde millimetergolfsonde die werkt op 100 GHz, die een sondetip heeft met slechts 0,9% van het contactoppervlak van een conventionele microgolfsonde en met een penetratiediepte die is afgestemd op ondiepe huidkankerweefsellagen, en op unieke wijze combineert hoge gevoeligheid en hoge resolutie. Twee verschillende sondeontwerpen, een breedbandontwerp van KTH en een resonantieconcept van de UU, zijn geïmplementeerd door middel van microbewerking en gekarakteriseerd.

3. Resultaten: technische verificatie, eerste metingen op de huid

Probe-prototype 1 (KTH-ontwerp) is met succes technisch geverifieerd, resulterend in een responsiviteit van S11/εr=0,47 dB in het permittiviteitsbereik van kanker/gezond weefsel bij 100 GHz, een reproduceerbaarheid beter dan 1,4% (1σ), een lange termijn stabiliteit beter dan 0,6% (1σ) gedurende 8 uur, en een laterale scanresolutie van ongeveer 100 μm voor een sondepunt van 600 x 300 μm2. Uit eerste tests op de menselijke huid is gebleken dat de sonde huidweefsel op verschillende posities van het lichaam (rug van de hand, handpalm, arm) duidelijk kan onderscheiden, brandwonden kan detecteren en het genezingsproces van brandwonden kan volgen (onderscheid tussen verbrande huid, nieuw volwassen huid, normale huid) en kan goedaardige huidneoplasmata onderscheiden van normale huid en subdermale (junctionele) naevi. Sondeprototype 2 (UU-ontwerp) is een resonant sondeontwerp dat is getest op fantoommaterialen bestaande uit agar, polyethyleenpoeder en TX-15. De sonde kan met succes 50%, 75% en 100% fantoommaterialen onderscheiden.

4. Conclusies, vooruitzichten, dankbetuigingen

We presenteerden een nieuw type medische microgolfsensor, mogelijk gemaakt door microbewerking. De sondes zijn geoptimaliseerd voor huidkanker en bieden unieke responsiviteit/resolutieprestaties in vergelijking met conventionele microgolfsondes. De sensorprototypes zijn technisch met succes gekarakteriseerd en metingen op verschillende huidtypes en huidafwijkingen hebben de sensorfunctie duidelijk geverifieerd. Momenteel wordt een aanvraag voor ethische goedkeuring ingediend voor het voortzetten van de werkzaamheden in de richting van de evaluatie van kankerweefsel. Het VINNOVA Framtidens Hälsa-programma wordt erkend voor financiering.

Referenties

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

[2] RM Woodwardet al. , J. Invest. Dermatol., vol. 120, blz. 72-78, 2003.

[3] A. Ito et al., Cancer Sci., deel 94, nr. 3, blz. 308-313, maart 2003.

Figuur 1: Mmicro-gefreesde prototypes van microgolf-huidkankersensoren: (a) breedbandsensor, (b) sensor van het resonante type; (c) responsiviteitsanalyse; d) metingen op de huid, onderscheid tussen verbrande/nieuw gegroeide/normale huid; e) metingen op de huid, goedaardig huidneoplasma/subdermale moedervlek/normale huid.

In de klinische literatuur wordt verwezen naar " A micromachined millimeter-wave medical sensor for skin-cancer diagnostic" door KTH Royal Institute of Technology, 2 Uppsala University, 3 Karolinska Institutet, 4 ADAKT AB, 5 OPTIGA AB