Гиперспектральная визуализация в медицине: анализ лица и ладони человека

Гиперспектральная визуализация (ГСВ) - передовая технология получения изображений, разработанная в последние десятилетия. Изначально ГСВ применялась преимущественно в военной сфере и дистанционном зондировании, однако, в настоящее время область её применения значительно расширилась и охватывает такие дисциплины, как материаловедение, геофизика, экологический мониторинг, изучение растительности, сельское хозяйство, пищевая промышленность и биомедицина.

В медицине ГСВ используется для диагностики заболеваний, проведения биомедицинских и фундаментальных исследований. Также, предпринимаются первые шаги по применению ГСВ в традиционной китайской медицине, в частности, для дифференциации синдромов и диагностики по состоянию языка. Несмотря на перспективность, применение ГСВ в медицинской практике находится на начальном этапе, и в настоящее время отсутствуют данные о нормальных спектральных характеристиках тканей человеческого тела.

Целью данной работы является применение ГСВ для получения изображений и проведения анализа важных частей человеческого тела (лица и ладони). Результаты исследования могут послужить основой для создания базы данных нормальных физиологических параметров, необходимых для проведения дальнейших исследований в области гиперспектральной визуализации, диагностики заболеваний и применения методов традиционной китайской медицины (диагностика по лицу и руке). В статье представлены результаты гиперспектральной визуализации и спектрального анализа лица и ладоней человека.

Материалы и методы

Субъекты и экспериментальные группы: В исследовании приняли участие десять добровольцев: пять женщин и пять мужчин в возрасте от 25 до 55 лет (средний возраст 33,1 года). Для каждого участника были получены гиперспектральные изображения лица и ладони.

Использовалась гиперспектральная камера FS13 (Hangzhou Caipu Technology Co., Ltd.) с диапазоном регистрируемых длин волн от 400 до 1000 нм и спектральным разрешением не хуже 2,5 нм. Камера обеспечивает получение до 1200 спектральных каналов и скорость съемки до 128 кадров в секунду в полном спектральном диапазоне, а при выборочной регистрации отдельных спектральных полос – до 3300 Гц (поддерживается многозональная регистрация).

Спектральный анализ

Визуальная оценка гиперспектральных изображений

Лицо:

• Общие характеристики: Гиперспектральные изображения позволяют четко выделить контуры лица и основные анатомические структуры, такие как рот, нос, глаза и брови. Визуализация ушей и волос затруднена. Лицо демонстрирует общую симметрию, с сопоставимыми размерами и формами парных органов. Области максимальной отражательной способности наблюдаются в области скул, щек, лба и переносицы, а минимальной – в области глаз, бровей и губ. Важно отметить, что гиперспектральные изображения не несут информации о внешности человека, визуализируемой в видимом диапазоне спектра.
• Зависимость визуализации от спектрального диапазона: Наилучшая визуализация контуров лица достигается в диапазоне длин волн от 450 до 900 нм, особенно четкое изображение наблюдается в диапазоне 580-830 нм. При уменьшении длины волны (менее 530 нм) интенсивность отражения снижается, изображение становится более однородным, размытым, и возрастает уровень шума. При длинах волн менее 500 нм отмечается значительное увеличение фонового шума. Увеличение длины волны (более 830 нм) приводит к снижению отражательной способности в областях, где ранее наблюдался максимум, и к выравниванию интенсивности отражения по всей поверхности лица. При этом, в отличие от коротковолнового диапазона, увеличения уровня шума не происходит.

Ладонь:

• Общее распределение интенсивности отражения: Гиперспектральные изображения охватывают всю поверхность ладони и позволяют визуализировать основные анатомические структуры, включая пальцы, гипотенар и кожные узоры. Отмечается общая симметрия ладони, однако наблюдаются индивидуальные различия между участниками исследования. Наибольшая отражательная способность характерна для бугорков пальцев и гипотенара, а наименьшая – для дистальных фаланг (кончиков) пальцев. Гиперспектральные изображения позволяют оценить форму ладони.

• Зависимость визуализации от спектрального диапазона: Наблюдается схожая с лицом зависимость качества изображения от спектрального диапазона. Наилучшая визуализация контуров ладони достигается в диапазоне 450-900 нм, при этом диапазон 580-830 нм обеспечивает наибольшую четкость. Снижение длины волны (менее 530 нм) приводит к уменьшению интенсивности отражения, выравниванию изображения, увеличению размытости и уровня шума, а также к росту фонового шума при длинах волн менее 500 нм. Увеличение длины волны (более 830 нм) также приводит к снижению отражательной способности и выравниванию изображения, однако без значительного увеличения уровня шума.

Спектральные характеристики лица и ладони: Анализ интенсивности отражения

Лицо: Анализ данных показал, что независимо от конкретной области лица, пики отражения наблюдаются в диапазонах длин волн 450 нм и 730-880 нм, а минимумы - в диапазонах 530 нм и 580 нм. Интенсивность отражения незначительно выше в нижней части лба, в то время как для остальных областей значения близки. Подтверждена общая билатеральная симметрия лица: различия в интенсивности отражения между симметричными участками минимальны, за исключением небольших расхождений между левой и правой скулами (450-630 нм) и уголками рта (450 нм).

Ладонь: Результаты анализа спектральных характеристик ладони аналогичны данным, полученным для лица: пики отражения соответствуют диапазонам 450 нм и 730-880 нм, а минимумы - 530 нм и 580 нм. Сравнение интенсивности отражения левой и правой ладоней выявило их близость, с незначительными различиями в области основания пальцев.

Спектральные характеристики лица и ладони: Анализ распределения интенсивности

Лицо: Анализ с использованием программного обеспечения PhySpec1.9.2 показал, что спектральные кривые различных участков лица имеют схожую форму, с низким уровнем отражения в диапазоне 500-580 нм. При этом, абсолютная интенсивность отражения варьируется в зависимости от участка лица. Детальный анализ спектральных кривых позволяет выявить резкие изменения интенсивности отражения на определенных длинах волн. Средняя спектральная кривая, полученная для всей выборки, отражает общие закономерности, однако индивидуальные спектральные кривые существенно отличаются от средней и типичных индивидуальных кривых в отдельных участках спектра.

Ладонь: Аналогично лицу, анализ спектральных кривых ладони с использованием PhySpec1.9.2 выявил схожесть спектральных кривых для левой и правой ладоней, с низким уровнем отражения в диапазоне 500-580 нм. Как и для лица, абсолютная интенсивность отражения зависит от участка ладони. Детальный анализ спектральных кривых позволяет выявить резкие изменения интенсивности отражения на определенных длинах волн. Индивидуальные спектральные кривые существенно отличаются от средней и типичных индивидуальных кривых в отдельных участках спектра.

Заключение

Гиперспектральная визуализация позволяет детально визуализировать структуру и особенности поверхности лица и ладони, при этом оптимальным диапазоном для получения наиболее четких изображений является диапазон 580-830 нм. Показано, что интенсивность отражения различных участков лица и ладони значительно варьируется, при этом спектральные характеристики в целом симметричны для левой и правой сторон.

Технология гиперспектральной визуализации позволяет получить детальные данные о спектральных характеристиках поверхности тела человека. Выявленные закономерности спектрального распределения для здоровых людей могут служить основой для разработки методов диагностики заболеваний и применения в традиционной китайской медицине (например, для дифференциации синдромов).