Перспективный метод визуализации патологий кожи с использованием гиперспектральной съемки

Аннотация. В данной работе обозначена проблема диагностики злокачественных новообразований кожи в современной медицине. Рассмотрены методы визуализации и анализа патологий кожи человека, а именно рака кожи и меланомы. Предложен метод визуализации патологий кожи на основе гиперспектральной съемки, а также проанализированы перспективы его применения. Ключевые слова: гиперспектральная съемка, гиперспектральная камера, злокачественные новообразования кожи, ЗНО кожи, интрадермальный анализ, меланома

Рис. 1. Правило ABCDE

• СИАскопия (SIAscopy, Spectrophotometric intracutaneous analysis) – технология неинвазивной мультиспектральной визуализации, предназначенная для оценки пигментации новообразования кожи и выявления меланомы. На основе анализа обратного рассеяния излучения с длинами волн, соответствующим пиковым значением поглощения для гемоглобина, меланина в эпидермисе, меланина в дерме и коллагена составляется карта распространения данных веществ на исследуемом участке кожи. Далее на основе алгоритмов анализа данных происходит классификация новообразования кожи. В контролируемом рандомизированном исследовании диагностическая эффективность при использовании врачами общей практики алгоритма анализа изображений MoleMate, полученных с помощью данной методики, а также его расширенной версии, не выявлена [5].

• Автоматизированный мультиспектральный цифровой анализ (MelaFind) – метод исследования меланоцитарных новообразований воздействием на участок кожи света с 10 различными длинами волн в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного спектра и создавая 10 изображений новообразования, в дальнейшем анализируемых компьютерными алгоритмами. В результате анализа прибор генерирует вероятность классификации исследуемого новообразования как меланомы по собственной диагностической шкале. Данный метод позволяет получить дополнительные диагностические критерии, однако ряд исследований свидетельствует о низкой специфичности и высоком риске пропустить меланому при полном исключении дерматоскопии [6].

• Рамановская спектроскопия – спектрофотометрический метод детекции фотонов, подвергшимся комбинационному рассеянию. Данная методика относительно недавно стала применяться в медицинских исследованиях, в том числе и в исследованиях новообразований. В клиническом исследовании была показана способность дифференцировать новообразования кожи с высокой чувствительностью и специфичностью до 54 %, однако исследований с реальными пациентами проведено не так много [7].

• Оптическая когерентная томография (ОКТ) – безопасный метод визуализации кожных, слизистых, глазных и зубных тканей человека с использованием инфракрасного излучения ближнего диапазона. Под данным некоторых исследователей диагностика и дифференциация злокачественных новообразований с помощью ОКТ невозможна, так как для качественного построения изображения новообразования мешает изменение закономерностей рассеяния излучения, вызванного меланином. Для всех описанных выше неинвазивных методик диагностики и дифференциации рака кожи с использованием компьютерной обработки изображений характерна низкая специфичность классификации новообразований, что не позволяет активно внедрять данные методы в медицинскую практику. Для преодоления этого недостатка предлагается для визуализации новообразований использование гиперспектральной съемки.

Рис. 2. Спектр поглощения производных гемоглобина и меланина

На графике кривые 1, 2, 3 соответствуют спектру поглощения дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и оксигемоглобина, а 4 – спектру поглощения меланина. При сравнении спектров обратного рассеяния света, прошедшего через доброкачественное новообразование (невус) и злокачественное новообразование (базальноклеточная карцинома, меланома) наблюдаются значительные различия между ними, на основании которых возможна их дифференциация [8]. Так, при активном развитии злокачественного новообразования свойственно расширение капиллярных сетей, а следовательно, и количества гемоглобина, поглощающего входящее излучение. Также возможно увеличение количества меланина, также влияющего на спектр поглощения. Особенно это заметно при визуальном осмотре меланомы, в отличие от невуса она имеет более темный окрас. Главным отличием гиперспектральной визуализации от мультиспектральных методов заключается в «непрерывности» получаемых данных. Мультиспектральный анализ подразумевает измерения интенсивности обратного рассеяния света на заранее установленных длинах волн, что ухудшает качество диагностики. Гиперспектральный анализ позволяет получать данные о спектре излучения на произвольных длинах волн с высокой разрешающей способностью, что открывает возможность применения интегральных и иных параметров для дифференциации новообразований (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение мультиспектрального и гиперспектрального анализа

Рис. 4. Зависимость выделяемой длины волны от частоты акустической волны

Акустооптические фильтры уже применялись для дифференциации новообразований кожи в лабораторных условиях [8, 10], однако на текущий момент не существует готовых медицинских решений, реализующих данный метод в приборе. Разработанная нами функциональная схема такого перспективного прибора представлена на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема прибора для визуализации патологий кожи