Спектроскопия обратного рассеяния для оценки новообразований кожи

Высокие показатели смертности в развитых странах от онкологических заболеваний на протяжении последних лет вынуждают медиков и учёных находить всё новые методы диагностики и лечения. Зачастую диагноз “рак” звучит для пациента как приговор, но вовремя на ранних стадиях возникновения новообразования поставленный диагноз и правильно подобранный вариант лечения имеют решающее значение в борьбе с этим опасным заболеванием [1].

В настоящее время биопсийный анализ является основным методом для получения точной диагностики кожных образований. Однако, гистологический анализ образца является дорогим и трудоёмким, а также приводит к ненужным удалениям доброкачественных поражений [2].

В связи с этим, остается актуальным вопрос о проведении дополнительного обследования пациентов с новообразованиями на дооперационном этапе с целью определения истинных границ новообразований до их удаления, что может значительно снизить количество рецидивов опухолевого роста.

Среди одних из развивающихся и перспективных направлений неинвазивной диагностики опухолевых тканей являются оптические методы. К таким методам относятся методы дифференциального обратного рассеяния (ДР) [3] и комбинационного рассеяния (КР) [4], компьютерная томография [5], методы флуоресцентного анализа [6] и конфокальной микроскопии [7]. Компьютерная томография и магнитно — резонансная томография, а также флуоресцентные методы являются трудоёмкими и дорогостоящими методами диагностики, не позволяют точно определить истинные границы опухоли во время операции и оценить состояние перифокальных зон вокруг опухоли.

В связи с этим, целью работы являлось развитие метода обратного рассеяния для дифференциации новообразований с учетом индивидуальных особенностей кожи человека.

• 2.    МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В качестве объектов исследований были использованы 34 образца новообразований кожи: 12 меланом, 5 плоскоклеточного рака, 10 базальноклеточного рака (базалиома) – злокачественные образования кожи; 7 пигментных невусов – доброкачественные образования; 34 образца здоровой кожи. После хирургического удаления новообразований производилась вырезка материала для проведения планового гистологического исследования, оставшаяся часть препарата использовалась в эксперименте. После получения планового, окончательного гистологического диагноза данные сопоставлялись с результатами экспериментального исследования.

Оптические свойства злокачественного новообразования существенно отличаются от доброкачественной природы новообразования [8], что приводит к изменению интенсивности обратно рассеянного сигнала. Поэтому для контроля изменения оптических свойств новообразований кожи был использован метод дифференциального обратного рассеяния, реализуемый с помощью экспериментального стенда, подробно описанного в работах [3, 9].

Эксперименты проводились в одинаковых температурных условиях, освещенности помещения и при определенной геометрии установки.

Как было показано авторами работы [10] для меланомы характерным является расширение капиллярной сетки. Это объясняется тем, что в процессе становления и роста опухоли в ткани “запускается” естественный процесс формирования новых сосудов. Клетки стенок сосудов начинают интенсивно размножаться, и образовавшиеся новые мелкие капилляры буквально прорастают в новообразования.

Помимо кровеносной системы, важную роль в поглощении кожей излучения играет меланин. Известно также, что злокачественные новообразования кожи, такие как меланома, характеризуются повышенным содержанием меланина, которое наблюдается и в пигментном невусе кожи - доброкачественном образовании. Поэтому, зачастую возникает сложность в быстрой идентификации данных типов патологий. В связи с этим были выбраны следующие спектральные области исследований:

- 760 нм и 560 нм - области минимума и максимума поглощения гемоглобина соответственно, что связано с увеличение кровеносной сетки сосудов характерных для злокачественной природы образований.

- 650 нм и 700 нм – области длин волн с минимальным влиянием гемоглобина в ближней инфракрасной области спектра, т.к. в спектральном диапазоне 620-700 нм изменения оптических характеристик кожи пропорциональны содержанию меланина в эпидермисе кожи.

• 3.    СПЕКТРАЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ НОВООБРАЗОВАНИЙ

Представлены результаты анализа спектров обратного рассеяния различных типов новообразований кожи.

Известно, что степень меланизации кожи у различных людей индивидуальна, что непосредственно отражается на изменении оптических характеристик кожи. Поэтому с целью учета индивидуальных особенностей кожи человека был использован следующий коэффициент:

R  ^X( i )

^{, 1}0 X ( i )

где I ^ i — интенсивность обратного рассеяния от объекта на определенной длине волны X i.

I₀ x i — интенсивность обратного рассеяния от молочной пластины МС-20 (ГСО 189-84) на длине волны X i.

Как было сказано ранее, представленные в статьях [10-13] коэффициенты основываются только на одном из критериев диагностики новообразований и не учитывают индивидуальные особенности кожи человека. Так при диагностики доброкачественных новообразований изменение собой несёт один из критериев, в то время как при злокачественных новообразований, таких как меланома, происходят изменения разной структурной природы.

Например, коэффициент, используемый в работе авторов [10], пропорционален кровена-полненности сосудов при опухолевых процессах и позволяет успешно идентифицировать только меланому кожи, а коэффициенты меланина авторов работ [12,13], связанные со степенью ме-ланизации опухоли, - невус.

На основе выбранных спектральных областей, были введены коэффициенты обратного рассеяния, учитывающие степень меланизации (М) и кровенаполненности сосудов (К), а также учитывающие индивидуальные оптические особенности кожи:

K _ R 6

^R 560

L _ Lg ( R 650 - R 700 ) , (3)

Далее был проведен дискриминантный анализ с использованием коэффициентов К и М для различных типов новообразований кожи в программной среде MathLab, результаты которого представлены на рис. 1.

Такого типа гистограмма позволяет в двумерной системе координат наглядно представить сектора, соответствующие типу кожных патологий.

Каждый сектор выделенной области патологии был математически вычислен с помощью дис- криминантного анализа.

Критерии выделения данных секторов сведены в табл. 1. На основе проведенных исследований были определены чувствительность и спе-

М, отн. ед

Рис. 1. Двумерная гистограмма коэффициентов К и М для различных типов новообразований кожи

Таблица 1. Чувствительность и специфичность метода

Этап Образцы Гистология Критерий Метод ДОР Чувствительность, % Специфичность, % область A область В 1. выделение невуса A. Невус 7 K-0,044M< 0,973 6 1 86 % 96 % B. Другие новообразования 27 K-0,044M> 0,973 1 26 2. выделение базалиомы A. Базалиома 10 K+0,885M< 3,049 9 1 90 % 94 % B. Другие (меланома и лоскоклеточный рак) 17 K+0,885M> 3,049 1 16 3. разделение меланомы и лоскоклеточ ного рака A. Меланома 12 K-0,151M< 0,793 10 2 83 % 80 % B. Плоскоклеточный рак 5 K-0,151M> 0,793 1 4 цифичность метода обратного рассеяния, результаты которых отражены в табл. 1.

Анализ рис. 1 показал, что оптический коэффициент меланина М для невуса имеет высокие значения на уровне меланомы кожи, поэтому двухмерное представление коэффициентов кро-венаполненности и степени меланизации позволяет идентифицировать данные два типа новообразований кожи.

В свою очередь из полученных дискриминантных функций (рис. 1), описывающих принадлежность исследованного образца к тому или иному классу патологий, можно получить общую классифицирующую функцию – универсальный оптический коэффициент S.

5 = 8 х (K -1) + (M -1). (4)

Введённая функция позволяет учитывать изменения коэффициентов К и М относительно друг друга, а на основании ограничивающих классы патологий значений дискриминантных функций и их весовых коэффициентов определять типы и границы новообразований кожи. Таким образом, сконструированный универсальный оптический коэффициент S одновременно учитывает степень меланизации, кровенаполненность, а также индивидуальные особенности кожи.

• 4.    ИДЕНТИФИКАЦИЯ ГРАНИЦЫ НОВООБРАЗОВАНИЙ

Несомненно, важным является определение границы новообразований кожи до их удаления,

а) Невус

б) Базальноклеточный рак

в) Плоскоклеточный рак

г) Меланома

Рис. 2. Зависимость введенного коэффициента S от координаты x сканирования образца для различных новообразований кожи:

1 – доброкачественная область или здоровый участок кожи, 2 – область злокачественного образования, Р – коэффициент других авторов [10]

что может значительно снизить количество рецидивов опухолевого роста.

Далее на рис. 3 приведены значения введенного оптического коэффициента S и сравнение его с коэффициентом других авторов Р [10] для определения границы патологий.

Анализ рис. 2 позволяет утверждать, что чувствительность метода обратного рассеяния к различным участкам опухоли и здоровой кожи определяется диаметром диагностируемой области. Видно, что введенный коэффициент S усредняет оптические коэффициенты К и М. Данная особенность позволяет судить о наличии достаточно малой диагностируемой области, однако требуется сравнение значений интенсивности обратного рассеяния области новообразования со здоровым участком кожи.

Как видно из рис. 2(в,г) сравнение коэффициента S с коэффициентом других авторов Р показывает, что коэффициент Р не позволяет определить границу злокачественных новообразований кожи. Так, значения экстремума коэффициента Р совпадают с капилярной сеткой сосудов. В то время как согласно результатам гистологического анализа меланомы кожи область опухоли располагалась в областях сканирования 10,3-19мм.

Из рис. 2(а) видно, что наблюдается рост коэффициента S по мере приближения сканирующего зонда от области с менее выраженной пигментацией невуса к области с более выраженной пигментацией. Данный рост коэффициента объясняется тем, что невусные клетки сосредоточены в комковатых “гнёздных” скоплениях различного размера и конфигурации в дерме, и, как следствие, содержание меланина в скоплении с плотным расположением клеток будет на порядок выше.

Экспериментально получено, что оптический коэффициент S позволяет определять границы и локализацию новообразований кожи с погрешностью не более 1мм.

• 5.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Проведенный дискриминантный анализ позволил определить типы новообразований кожи. Для злокачественных новообразований кожи значения оптических коэффициентов составляют K-0,151M<0,793;

• 2.    Чувствительность и специфичность метода составляют 86% и 90% для этапа выделения невуса, выделения базалиомы 90% и 94%, разделение меланомы и плоскоклеточного рака 83% и 80% соответственно;

• 3.    Введены критерии определения границ и типа новообразований кожи, что позволит на до-операционном периоде определять зону иссечения опухоли с целью уменьшения ее рецидива;

• 4.    Показано, что с помощью метода дифференциального обратного рассеяния можно определять границы новообразования кожи с погрешностью 1 мм;

• 5.    В результате исследований можно создать прибор для экспресс неинвазивной диагностики локализации новообразований кожи.

Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009 – 2013 годы.