Візуалізація та морфометрія змін біотканин шийки матки на основі нормалізованих спектральних індексів
Анотація
Актуальність. Сучасна візуальна діагностика передракових та злоякісних уражень шийки матки потребує підвищення об’єктивності та точності шляхом використання фізично обґрунтованих оптико-спектральних методів. Формування кількісної спектральної характеристики структурних змін у біотканині відкриває нові можливості для диференційної оцінки стадії патології та побудови шкал морфо-спектрального скринінгу.
Мета роботи — розробити метод спектральної візуалізації та аналізу морфо-оптичних змін біотканини шийки матки на основі нормалізованих спектральних індексів (NSI) з використанням компактного оптичного модуля та визначити ключові кількісні показники, чутливі до стадій онкопроцесу.
Матеріали та методи. Для реєстрації спектрального відбивання використано діагностичний модуль із монохромною CMOS-камерою та кільцевою LED-системою освітлення (450, 550, 630, 820 нм), доповненою поляризаційними фільтрами. Обробка NSI-мап проводилась шляхом розрахунків NSI-індексів та їх статистичних параметрів для 62 зображень шийки матки пацієнток основних груп патологій з наступною морфологічною верифікацією.
Результати. Індекс NSI_630/820 виявився найбільш чутливим до змін тканинної щільності та васкуляризації, — його середнє значення зростало від 1,303 при запаленні до 1,528 у випадку аденокарциноми. Підвищення асиметрії та ексцесу у профілях NSI_530/820 у разі переходу від CIN до карциноми вказує на ймовірне утворення ділянок з підвищеною оптичною неоднорідністю. Зниження ентропії для аденокарциноми узгоджується зі зменшенням текстурної складності тканини при малігнізації. Сформовано структуровану класифікацію інтервалів значень основних морфо-оптичних характеристик, що відображає їх зміни у межах патологічного процесу.
Висновки. Методика спектрально-нормалізованої візуалізації на основі індексів NSI дозволила кількісно відобразити морфологічні зміни біотканини шийки матки. Встановлено індикатори змін у спектральній структурі відбитого оптичного сигналу, що корелюють із типом патології, і доведено ефективність запропонованого підходу для оптико-фізичної диференціації стадій малігнізації.
Завантаження
Посилання
Massad LS, Einstein MH, Huh WK, Katki HA, Kinney WK, Schiffman M, et al. 2012 Updated Consensus Guidelines for the Management of Abnormal Cervical Cancer Screening Tests. J Low Genit Tract Dis. 2013;17(5 Suppl 1):S1–S27. https://doi.org/10.1097/LGT.0b013e318287d329
Gage JC, Hanson VW, Abbey K, Dippery S, Gardner S, Kubota J, et al. Number of cervical biopsies and sensitivity of colposcopy. Obstet Gynecol. 2006;108(2):264–72. https://doi.org/10.1097/01.AOG.0000220505.18525.85
Rahaman A, Anantharaju A, Jeyachandran K, Manideep R, Pal UM. Optical imaging for early detection of cervical cancer: state of the art and perspectives. J Biomed Opt. 2023;28(8):080902. https://doi.org/10.1117/1.JBO.28.8.080902
Origoni M, Cantatore F, Sopracordevole F, Clemente N, Spinillo A, Gardella B, De Vincenzo R, et al. Colposcopy accuracy and diagnostic performance: A quality control and cuality assurance survey in italian tertiary-level teaching and academic institutions — The Italian Society of Colposcopy and Cervico-Vaginal Pathology (SICPCV). Diagnostics (Basel). 2023;13(11):1906. https://doi.org/10.3390/diagnostics13111906
Brown BH, Tidy JA. The diagnostic accuracy of colposcopy – A review of research methodology and impact on the outcomes of quality assurance. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 2019;240:182–6. https://doi.org/10.1016/j.ejogrb.2019.07.003
Ramanujam N, Mitchell MF, Mahadevan A, Warren S, Thomsen S, Silva E, Richards-Kortum R. In vivo diagnosis of cervical intraepithelial neoplasia using 337-nm-excited laser-induced fluorescence. Proc Natl Acad Sci USA. 1994;91(21):10193-7. https://doi.org/10.1073/pnas.91.21.10193
Benavides JM, Chang S, Park SY, Richards-Kortum R, Mackinnon N, MacAulay C, et al. Multispectral digital colposcopy for in vivo detection of cervical cancer. Opt Express. 2003;11(10):1223–36. https://doi.org/10.1364/OE.11.001223
Georgakoudi I, Sheets EE, Müller MG, Backman V, Crum CP, Badizadegan K, et al. Trimodal spectroscopy for the detection and characterization of cervical precancers in vivo. Am J Obstet Gynecol. 2002;186(3):374–82. https://doi.org/10.1067/mob.2002.121075
Park SY, Follen M, Milbourne A, Rhodes H, Malpica A, MacKinnon N, et al. Automated image analysis of digital colposcopy for the detection of cervical neoplasia. J Biomed Opt. 2008;13(1):014029. https://doi.org/10.1117/1.2830654
Wentzensen N, Walker JL, Gold MA, Smith KM, Zuna RE, Mathews C, et al. Multiple biopsies and detection of cervical cancer precursors at colposcopy. J Clin Oncol. 2015;33(1):83–9. https://doi.org/10.1200/JCO.2014.55.9948
Lu G, Fei B. Medical hyperspectral imaging: a review. J Biomed Opt. 2014;19(1):010901. https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.010901
Arifler D, MacAulay CE, Follen M, Richards-Kortum RR. Spatially resolved reflectance spectroscopy for diagnosis of cervical precancer: Monte Carlo modeling and comparison to clinical measurements. J Biomed Opt. 2006;11(6):064027. https://doi.org/10.1117/1.2398932
Tuchin VV. Tissue optics: Light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 2nd ed. Bellingham (WA): SPIE Press; 2007. 882 p. https://doi.org/10.1117/3.684093
Jacques SL. Optical properties of biological tissues: a review. Phys Med Biol. 2013;58(11):R37–R61. https://doi.org/10.1088/0031-9155/58/11/R37
Georgakoudi I, Quinn KP. Optical imaging using endogenous contrast to assess metabolic state. Annu Rev Biomed Eng. 2012;14:351–67. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-071811-150108
Weingandt H, Stepp H, Baumgartner R, Diebold J, Xiang W, Hillemanns P. Autofluorescence spectroscopy for the diagnosis of cervical intraepithelial neoplasia. BJOG: Int J Obstet Gynaecol. 2002;109(8):947–51. https://doi.org/10.1111/j.1471-0528.2002.01311.x
Ramanujam N. Fluorescence spectroscopy of neoplastic and non-neoplastic tissues. Neoplasia. 2000;2(1–2):89-117. https://doi.org/10.1038/sj.neo.7900077
Yamal JM, Zewdie GA, Cox DD, Atkinson EN, Cantor SB, MacAulay CE, et al. Accuracy of optical spectroscopy for the detection of cervical intraepithelial neoplasia without colposcopic tissue information; a step toward automation for low resource settings. J Biomed Opt. 2012;17(4):047002. https://doi.org/10.1117/1.JBO.17.4.047002
Fujii T, Nakamura M, Kameyama K, Saito M, Nishio H, Ohno A, et al. Digital colposcopy for the diagnosis of cervical adenocarcinoma using a narrow band imaging system. Int J Gynecol Cancer. 2010;20(4):605–10. https://doi.org/10.1111/IGC.0b013e3181d98da9
Stolik S, Delgado JA, Pérez A, Anasagasti L. Measurement of the penetration depths of red and near infrared light in human “ex vivo” tissues. J Photochem Photobiol B, Biol. 2000;57(2-3):90–3. https://doi.org/10.1016/S1011-1344(00)00082-8
Shahzad A, Köhler G, Knapp M, Gaubitzer E, Puchinger M, Edetsberger M. Emerging applications of fluorescence spectroscopy in medical microbiology field. J Transl Med. 2009;7:99. https://doi.org/10.1186/1479-5876-7-99
Robinson D, Hoong K, Kleijn WB, Doronin A, Rehbinder J, Vizet J, et al. Polarimetric imaging for cervical pre-cancer screening aided by machine learning: ex vivo studies. J Biomed Opt. 2023;28(10):102904. https://doi.org/10.1117/1.JBO.28.10.102904
Nath A, Rivoire K, Chang SK, Cox DD, Atkinson EN, Follen M, et al. Effect of probe pressure on cervical fluorescence spectroscopy measurements. J Biomed Opt. 2004;9(3):523–33. https://doi.org/10.1117/1.1695562
Prabitha VG, Suchetha S, Jayanthi JL, Baiju KV, Rema P, Anuraj K, et al. Detection of cervical lesions by multivariate analysis of diffuse reflectance spectra: a clinical study. Lasers Med Sci. 2016;31(1):67–75. https://doi.org/10.1007/s10103-015-1829-z
Tucker CJ. Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation. Remote Sens Environ. 1979;8(2):127–50. https://doi.org/10.1016/0034-4257(79)90013-0
Mourant JR, Fuselier T, Boyer J, Johnson TM, Bigio IJ. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 1997;36(4):949–57. https://doi.org/10.1364/AO.36.000949
Pierangelo A, Manhas S, Benali A, Fallet C, Totobenazara JL, Antonelli MR, et al. Multispectral Mueller polarimetric imaging detecting residual cancer and cancer regression after neoadjuvant treatment for colorectal carcinomas. J Biomed Opt. 2013;18(4):046014. https://doi.org/10.1117/1.JBO.18.4.046014
Drezek R, Guillaud M, Collier TG, Boiko I, Malpica A, MacAulay C, et al. Light scattering from cervical cells throughout neoplastic progression: influence of nuclear morphology, DNA content, and chromatin texture. J Biomed Opt. 2003;8(1):7–16. https://doi.org/10.1117/1.1528950
Perelman LT. Optical diagnostic technology based on light scattering spectroscopy for early cancer detection. Expert Rev Med Devices. 2006;3(6):787-803. https://doi.org/10.1586/17434440.3.6.787
Yaroslavsky AN, Schulze PC, Yaroslavsky IV, Schober R, Ulrich F, Schwarzmaier HJ. Optical properties of selected native and coagulated human brain tissues in vitro in the visible and near infrared spectral range. Phys Med Biol. 2002;47(12):2059–73. https://doi.org/10.1088/0031-9155/47/12/305
Bashkatov AN, Genina EA, Kochubey VI, Tuchin VV. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm. J Phys D: Appl Phys. 2005;38(15):2543–55. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/004
Авторське право (c) 2026 Олександр Росляков, Сергій Єрмоленко, Олександр Пересунько
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
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).
