Initial development of a Raman Spectrometer for melanoma diagnosis applications

Abstract

O melanoma é o cancro da pele mais agressivo e letal. Em 2020, o número estimado de novos casos foi de 324 635 e 57 043 pessoas de ambos os sexos e todas as idades morreram em todo o mundo da doença. A elevada letalidade deve se (i) ao facto de o melanoma ser de difícil distinção em relação a outras lesões melanocíticas benignas, (ii) ao seu diagnóstico ser apenas baseado em aspetos morfológicos, e (iii) à sua alta probabilidade de metastização. Consequentemente, o processo de diagnóstico de melanoma leva a: excisões desnecessárias de lesões benignas e, mais grave, à não identificação de lesões em estado inicial, ou seja, melanomas in situ (MIS). O diagnóstico de MIS é de extrema importância uma vez que ainda são lesões não invasivas que podem ser tratadas através de uma excisão completa da lesão, com uma taxa de sucesso de cura de 97% a 5 anos. A espetroscopia Raman é uma técnica ótica de espetroscopia vibracional objetiva, não-invasiva e não-destrutiva que fornece informação da composição bioquímica de uma amostra. Como consequência do seu grande potencial, tem sido cada vez mais usada em aplicações biomédicas para complementar o diagnóstico clínico de doenças em fase inicial ou para assistir na orientação da cirurgia oncológica.O objetivo principal apresentado nesta dissertação é desenvolver um espetrómetro Raman inicial, simples, com aquisições rápidas, independente do operador e que permita detetar lesões MIS, assistindo clínicos no diagnóstico em ambiente de consulta. O espetrómetro irá incluir um laser na zona do infravermelho próximo e analisar a região espetral de elevados números de onda, de forma a evitar a influência da autofluorescência dos tecidos pigmentados no sinal adquirido. Esta região espetral já provou ser suficiente para distinguir lesões MIS e lesões melanocíticas benignas. Nesta Dissertação,todos os componentes necessários foram selecionados e, em seguida, a montagem do espetrómetro Raman foi simulada no software 3DOptix. Considerando o conhecimento adquirido durante a simulação, o protótipo foi implementado na mesa ótica. Em seguida, foram realizados procedimentos de alinhamento e calibração, usando lâmpadas de elementos químicos (halogéneo, neon e mercúrio (Hg)). Finalmente, o espetrómetro Raman desenvolvido foi testado com uma amostra de ciclohexano.A calibração do espetrómetro foi realizada com sucesso, tendo sido obtida uma região de deteção entre os 487 e 1110 nm e uma resolução experimental de menos de 3 nm com a lâmpada de Hg. Embora o espetrómetro desenvolvido tenha detetado com sucesso o espetro da lâmpada de Hg, o mesmo não foi possível com o sinal Raman de uma amostra de ciclohexano. Assim, concluiu-se que o sistema de deteção utilizado (sensor CMOS) terá de ser substituído por um detetor mais sensível, como um detetor de InGaAs, que adquire sinais com comprimentos de onda acima de 1100nm, a fim de detetar sinais fracos como o sinal Raman.

Melanoma is the most aggressive and lethal form of skin cancer. In 2020, there were 324 635 estimated new cases of the disease and 57 043 deaths worldwide for both sexes and all ages. The high mortality rate associated with melanoma is due to (i) its difficult distinction between benign melanocytic lesions (BML), (ii) the currently standard diagnosis for the disease being solely morphology-based, and (iii) its high metastatic propensity. Consequently, clinical diagnosis of melanoma often leads to unnecessary resections of benign lesions and worse, missing early stage lesions, melanoma in situ (MIS). Diagnosis of MIS lesions is extremely important since they are non-invasive melanomas that can be treated by a complete resection of the lesion, with a success rate of 97% 5-years. Raman Spectroscopy (RS) is an objective, non-invasive and non-destructive optical vibrational spectroscopic technique that gives insight into the biochemical composition of the sample. As a consequence of its great potential, it has been increasingly employed in biomedical applications to complement the clinical diagnosis of early stage diseases or to assist oncological surgery guidance. The main objective of the presented dissertation is the initial development of a Raman Spectrometer that can detect early stage melanomas, providing a simple, fast and operator-independent diagnosis to assist clinicians in the clinical setting. This spectrometer will use a near-infrared (NIR) laser and operate in the high-wavenumber (HWVN) region of the spectrum to avoid tissue autofluorescence. This region has effectively proved to distinguish MIS from BML in the past. In this work, all the components needed were selected, and then the Raman Spectrometer was simulated using the 3DOptix software. Considering the knowledge acquired during the simulation, the prototype was assembled in the optical table. Then, alignment and calibration procedures were carried out using several element lamps (halogen, neon and mercury (Hg)). Finally, the built-in Raman spectrometer was tested with a cyclohexane sample. The calibration was fully accomplished with a detection range from 487 to 1100 nm and an experimental resolution of less than 3 nm with the Hg lamp. However, although the built-in spectrometer has successfully detected the Hg lamp’s spectrum, it was not sensitive to the Raman signal of a sample of Cyclohexane. Hence, it was concluded that the detection system (CMOS sensor) used needs to be replaced by a more sensitive detector, such as InGaAs array detector, which acquires signals with longer wavelengths (above 1100nm), in order to detect weak signals such as Raman signals.