Моніторинг теплового поля за низькотемпературного впливу на мʼякі тканини: можливості та обмеження термографії
DOI:
https://doi.org/10.15407/cryo34.01.003Ключові слова:
низькотемпературний вплив, кріохірургія, мʼякі тканини, інтраопераційний контроль температури, термографіяАнотація
В огляді проведено аналіз методів моніторингу динаміки теплових полів за низькотемпературного впливу на мʼякі тканини. Розглянуто особливості та можливості контактних і безконтактних методів вимірювання температури, відзначено їх обмеження. Обґрунтовано необхідність розробки методів інтраопераційного контролю температури. Особлива увага приділена аналізу безконтактного неінвазивного методу інфрачервоної термографії. Показано, що цей метод можна використовувати для інтраопераційного моніторингу руху кромки льоду на поверхні тканин, виявлення порушення теплової симетрії крижаної плями, динаміки теплового поля на поверхні тканин всередині та поза зоною операційного поля. Доведено, що тепловізійний контроль динаміки зони первинного некрозу та кромки крижаної зони в обʼємі тканин можливий лише за певних параметрів кріовпливу, наприклад, при короткочасному охолодженні тканин квазіточковим азотним кріоаплікатором. Розглянуто можливість застосування тепловізійного контролю на інших етапах кріохірургії як додаткового методу діагностики на етапі планування операції та у післяопераційному періоді для контролю процесу загоєння, рубцювання ран.
Probl Cryobiol Cryomed 2024; 34(1):003–018
Посилання
Abramovits W. Tissue temperature monitors. In: Abramovits W, Graham G, Har-Shai Y, Strumia R, editors. Dermatological Cryosurgery and Cryotherapy. London: Springer; 2016; p. 135-6. CrossRef
Ammer K. Influence of imaging and object conditions on temperature readings from medical infrared images. Polish J Environ Stud. 2006; 15(4A): 117-9.
Ammer K. The Glamorgan Protocol for recording and evaluation of thermal images of the human body. Review Thermol Int. 2008; 18(4): 125-9.
Ammer K, Ring E. Standard procedures for infrared imaging in medicine. In: Diakides M, Bronzino JD, Peterson DR, editors. Chapter 22, Medical Infrared Imaging. Principles and Practice. New York: CRC Press; 2017; p. 32.1-32.14. CrossRef
Aquilanti V, Coutinho ND, Carvalho-Silva VH. Kinetics of low-temperature transitions and a reaction rate theory from non-equilibrium distributions. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. [Internet]. 2017 March 20 [Cited 2023 Nov 13] 375(2092): 20160201. Available from: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2016.0201 CrossRef
Bischof JC, Mahr B, Choi JH, et al. Use of X-ray tomography to map crystalline and amorphous phases in frozen biomaterials. Ann Biomed En. 2007; 35(2): 292-304. CrossRef
Brymill Cryogenics Systems. Cry-Ac Tracker Cam. Instruction for use. [Internet]. [cited 2023 Nov 13]. Available from: https://www.princetoncryo.com/media/Manuals/Cry-Ac-Tracker-Instructions-For-Use-English-1-25-10-Rev-2.pdf
Cetingül MP, Herman C. A heat transfer model of skin tissue for the detection of lesions: sensitivity analysis. Phys Med Biol. 2010; 55(19): 5933-51. CrossRef
Choi B, Milner TE, Kim J, et al. Use of optical coherence tomography to monitor biological tissue freezing during cryosurgery. J Biomed Opt. 2004; 9(2): 282-6. CrossRef
Cohen EEW, Ahmed O, Kocherginsky M, et al. Study of functional infrared imaging for early detection of mucositis in locally advanced head and neck cancer treated with chemoradiotherapy. Oral Oncol. 2013; 49 (10): 1025-31. CrossRef
Cooper SM, Dawber RPR. The history of cryosurgery. J R Soc Med. 2001; 94(4): 196-201. CrossRef
Costello JT, McInerney CD, Bleakley CM, et al. The use of thermal imaging in assessing skin temperature following cryotherapy: a review. J Therm Biol. 2012; 37(2): 103-110. CrossRef
Deng Z-S, Liu J, Wang H-W. Disclosure of the significant thermal effects of large blood vessels during cryosurgery through infrared temperature mapping. Int J Therm Sci. 2008; 47: 530-45. CrossRef
Diakides NA, Bronzino JD. Medical infrared imaging. Boca Raton: CRC Press; 2007. 448 p. CrossRef
Edd JF, Horowitz L, Rubinsky B. Temperature dependence of tissue impedivity in electrical impedance tomography of cryosurgery. IEEE Trans Biomed Eng. 2005; 52(4): 695-701. CrossRef
Evolution Sensors and Controls LLC (USA). Thermocouple Sensors. [Internet]. [Cited 2023 Nov 13]. Available from: https://evosensors.com/collections/thermocouple-products
FLIR Product Catalog 2018. [Internet]. 2018 March 11 [cited 2023 Nov 13]. Available from: https://www.flir.kiev.ua/pdf/flirproduct-catalog.pdf
Gage AA, Augustynowicz S, Montes M, et al. Tissue impedance and temperature measurements in relation to necrosis in experimental cryosurgery. Cryobiology. 1985; 22(3):282-8. CrossRef
Gage AA, Caruana JA. Current flow in skin frozen in experimental cryosurgery. Cryobiology. 1980; 17(2): 154-60. CrossRef
Gage AA, Caruana JA, Garamy G. A comparison of instrument methods of monitoring freezing in cryosurgery. J Dermatol Surg Oncol. 1983; 9(3): 209-14. CrossRef
Gilbert J, Rubinsky B, Roos MS, et al. MRI-monitored cryosurgery in the rabbit brain. Magn Reson Imaging. 1993; 11(8): 1155-64. CrossRef
Glushchuk M, Shustakova G, Gordiyenko E, et al. Thermal imaging study of human soft tissue lesions and biological tissue exposure to low-temperature in vivo. Sci innov. [Internet]. 2022 Dec. 1 [cited 2024 Feb. 3]; 18(6): 83-96. Available from: https://scinn-eng.org.ua/ojs/index.php/ni/article/view/332 CrossRef
Gurjarpadhye AA, Parekh MB, Dubnika A, et al. Infrared imaging tools for diagnostic applications in dermatology. Review. SM J Clin Med Imaging. 2015; 1(1): 1-5. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4683617/ PubMed
Hafid M, Lacroix M. Fast inverse prediction of the freezing front in cryosurgery. Review. J Therm Biol. 2017; 69: 13-22. CrossRef
Hamblin MR, Avci P, Gupta GK. Imaging in Dermatology. Amsterdam: Elsevier Academic Press; 2016. 560 p. CrossRef
Herman C, Cetingul MP. Quantitative visualization and detection of skin cancer using dynamic thermal imaging. J Vis Exp. [Internet]. 2011 May 5 [Cited 2023 Nov13]; 51: e2679. Available from: https://www.jove.com/t/2679/quantitative-visualizationdetection-skin-cancer-using-dynamic CrossRef
Hoffmann NE, Bischof JC. Cryosurgery of normal and tumour tissue in the dorsal skin flap chamber: Part I - Thermal Response. J Biomech Eng. 2001; 123(4): 301-9. CrossRef
Hoffmann NE, Bischof JC. Cryosurgery of normal and tumour tissue in the dorsal skin flap chamber: Part II - InjuryResponse. J Biomech Eng. 2001; 123(4): 310-6. CrossRef
Jiang LJ, Ng EY, Yeo AC, et al. A perspective on medical infrared imaging. Review. J Med Eng Technol. 2005; 29(6): 257-67. CrossRef
Kiporenko PV, Gordiyenko EYu, Fomenko YuV, Shustakova GV. The procedure for measurement of the human temperature field dynamics. Ukrainian Metrological Journal. 2018; (3): 62-6. CrossRef
Korpan NN, Chefranov SG. Estimation of the stable frozen zone volume and the extent of contrast for a therapeutic substance. Wang J, editor. PLOS ONE [Internet]. 2020 Sep 17 [Cited 2023 Nov 13]; 15(9): e0238929. Available from: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0238929 CrossRef
Kovalov GO, Gordiyenko EYu, Fomenko YuV, et al. Dynamics of freezing and warming of soft tissues with short-term effect on skin with cryoapplicator. Probl Cryobiol Cryomed. 2020; 30(4):359-68. CrossRef
Kovalov GO, Shustakova GV, Gordiyenko EYu, et al. Infrared thermal imaging controls freezing and warming in skin cryoablation. Cryobiology. 2021; 103: 32-8. CrossRef
Lahiri BB, Bagavathiappan S, Jayakumar T, Philip J. Medical applications of infrared thermography. Review. Infrared Phys Technol. 2012; 55(4): 221-35. CrossRef
Laugier P, Laplace E, Lefaix J-I, Berger G. In vivo results with a new device for ultrasonic monitoring of pig skin cryosurgery: the echographic cryoprobe. J Invest Dermatol. 1998; 111: 314-9. CrossRef
Liu J, Deng Z-S. Nano-Cryosurgery: Advances and Challenges. JNN. 2009; 9(8): 4521-42. CrossRef
Lutz NW, Bernard V. Contactless thermometry by MRI and MRS: advanced methods for thermotherapy and biomaterials. iScience [Internet]. 2020 Oct 23 [Cited 2023 Nov 13]; 23(10): 101561. Available from: https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(20)30753-7 CrossRef
Mabuchi K, Chinzei T, Fujimasa I, et al. Evaluating asymmetrical thermal distributions through image processing. IEEE Eng Med Biol Mag. 1998; 17 (4): 47-55. CrossRef
Mala T, Edwin B, Samset E, et al. Magnetic-resonance-guided percutaneous cryoablation of hepatic tumours. Eur J Surg. 2001; 167(8): 610-7. CrossRef
Mala Т, Samset E, Aurdal L, et al. Magnetic resonance imaging estimated three-dimensional temperature distribution in liver cryolesions: a study of cryolesion characteristics assumed necessary for tumor ablation. Cryobiology 2001; 43: 268-75. CrossRef
Matos F, Neves EB, Norte M, et al. The use of thermal imaging to monitoring skin temperature during cryotherapy: a systematic review. Infrared Phys Technol. 2015; 73: 194-203. CrossRef
Onik GM, Reyes G, Cohen JK, Porterfi eld B. Ultrasound characteristics of renal cryosurgery. Urology. 1993; 42(2): 212-5. CrossRef
Overduin CG, Fütterer JJ, Scheenen TWJ. 3D MR thermometry of frozen tissue: feasibility and accuracy during cryoablation at 3T. J Magn Reson Imag. 2016; 44: 1572-9. CrossRef
Pasquali P. Cryosurgery. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 2015. 315 p.
Popken F, Seifert JK, Engelmann R, et al. Comparison of iceball diameter and temperature distribution achieved with 3-mm accuprobe cryoprobes in porcine and human liver tissue and human colorectal liver metastases in vitro. Cryobiology. 2000; 40(4): 302-10. CrossRef
Ravikumar NS, Kane R, Cady B, et al. Hepatic cryosurgery with intraoperative ultrasound monitoring for metastatic colon carcinoma. Arch Surg. 1987: 122: 403-9. CrossRef
Ring EFJ, Ammer K. The technique of infrared imaging in medicine. In: Ring F, Jung A, Żuber J, editors. Infrared Imaging. A casebook in clinical medicine. Bristol: IoP Publishing Ltd; 2015. P. 1-1-1-10. CrossRef
Samset E, Mala T, Edwin B, et al. Validation of estimated 3D temperature maps during hepatic cryosurgery. Magn Reson Imaging. 2001; 19: 715-21. CrossRef
Santa-Cruz GA, Bertotti J, Marín J, et al. Dynamic infrared imaging of cutaneous melanoma and normal skin in patients treated with BNCT. Appl Radiat Isot. 2009; 67(7-8): S54-S58. CrossRef
Song J, Li C, Wu L, et al. MRI-guided brain tumor cryoablation in a rabbit model. JMRI. 2009; 29(3): 545-51. CrossRef
Tacke J, Speetzen R, Heschel I, et al. Imaging of interstitial cryotherapy - an in vitro comparison of ultrasound, computed tomography, and magnetic resonance imaging. Cryobiology. 1999; 38(3): 250-9. CrossRef
Vellard M, Arfaoui A. Detection by infrared thermography of the effect of local cryotherapy exposure on thermal spreadin skin. J Imaging [Internet]. 2016 June 13 [cited 2023 Nov 13]; 2(2): 20. Available from: https://www.mdpi.com/2313-433X/2/2/20 CrossRef
Whittingham TA. Medical diagnostic applications and sources. Review. Prog Biophys Mol Biol. 2007; 93 (1-3): 84-110. CrossRef
Yan J-F, Wang H-W, Liu J, et al. Feasibility study on using an infrared thermometer for evaluation and administration of cryosurgery. Minim Invasive Ther Allied Technol. 2007; 16(3): 173-80. CrossRef
Zacarian SA. Cryosurgery of skin cancer - in proper perspective. J Dermatol Surg. 1975; 1(3): 33-8. CrossRef
Zacarian SA, Adham MI. Cryogenic temperature studies of human skin. Temperature recordings at two millimeter human skin depth following application with liquid nitrogen. J Invest Dermatol. 1967; 48(1): 7-10. CrossRef
Zhmakin AI. Fundamentals of cryobiology. Physical phenomena and mathematical models. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 2009. 278 p. CrossRef
Zimmerman EE, Crawford P. Cutaneous cryosurgery. Am Fam Physician. 2012; 86: 1118-24. PubMed
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
