Возможности гиперспектральной визуализации для дерматологической диагностики

Исследователи Университета Гринвича показали, что гиперспектральная камера Living Optics позволяет отслеживать биологические изменения в модели, имитирующей процессы в коже человека. В качестве доступного и этичного модельного объекта использовалась банановая кожура, спектральные свойства которой меняются по мере созревания и ферментативного потемнения.

Новые подходы к дерматологической диагностике

Изменения цвета, структуры и биохимического состава кожи могут быть важными диагностическими признаками. Сегодня дерматоскопия и гистопатологические методы дают высокоинформативные результаты, однако, интерпретация часто требует квалифицированного специалиста и занимает время.

Одним из перспективных направлений является гиперспектральная визуализация (HSI). В отличие от обычной RGB-камеры, регистрирующей три широких цветовых канала, HSI измеряет отражение света во множестве узких спектральных диапазонов, включая видимую и ближнюю инфракрасную области. Благодаря этому можно получать спектральные характеристики, связанные с составом тканей, окислительными процессами и изменениями пигментации.

Такой подход особенно интересен для задач, где требуется обнаруживать малозаметные биохимические изменения до появления выраженных визуальных признаков. Потенциальные направления применения включают анализ пигментных нарушений и поддержку методов ранней диагностики кожных заболеваний.

Модель кожи на основе банановой кожуры

Для демонстрации принципа работы исследователи использовали банановую кожуру как модельный аналог кожи. Такой выбор связан, в частности, с ферментом тирозиназой: он участвует в окислительном потемнении бананов и играет важную роль в процессах образования меланина у человека.

По мере созревания банана меняются концентрация хлорофилла, окраска и состояние тканей, а затем начинается ферментативное потемнение. Эти процессы сопровождаются изменением спектрального отражения. Поэтому банановая кожура позволяет наглядно проверить, насколько чувствительно гиперспектральное изображение фиксирует биохимические изменения, связанные с пигментацией.

Как менялась пигментация в гиперспектральных данных

С помощью камеры Living Optics были получены гиперспектральные данные в течение семи дней – на 1-й, 4-й и 7-й день наблюдений. Анализ проводился по шести областям интереса на трёх бананах. Исследователи отслеживали спектральные различия, связанные с изменением пигментации и структуры кожуры.

Данные калибровались средствами Living Optics SDK с использованием белого и тёмного эталонов. Дополнительно оценивалось качество реконструированного гиперспектрального изображения – его пространственная точность и спектральная согласованность.

Спектральные кривые показывают последовательную динамику созревания. Между 1-м и 4-м днём содержание хлорофилла уменьшается, и кожура переходит от зелёного оттенка к жёлтому. К 7-му дню развивается ферментативное потемнение, которое ещё сильнее изменяет спектральные свойства поверхности.

Рисунок 1 – (a) Расположение шести выбранных областей интереса (ROI) на гиперспектральном изображении. (b) Средние спектры отражения для шести областей на 1-й, 4-й и 7-й день; сплошные линии показывают среднее значение, затенённые области – стандартное отклонение

Гиперспектральная визуализация как инструмент дерматологии: подтверждение концепции

Эксперимент с модельным объектом показывает, что гиперспектральная визуализация может быть неинвазивным способом анализа изменений пигментации. Камера Living Optics формировала гиперспектральные наборы данных в реальном времени и позволяла наблюдать, как менялся оптический и биохимический профиль кожуры на протяжении эксперимента.

Сравнение с обычным RGB-изображением подчёркивает главное преимущество HSI: два участка могут выглядеть похоже в трёх цветовых каналах, но заметно различаться по спектральной подписи. Это даёт дополнительный слой информации, который нельзя получить с помощью стандартной цветной камеры.

В рамках эксперимента спектральные данные фиксировали изменения пигментации и появление повреждений на банановой кожуре в течение семи дней. Исследователи рассматривают такой результат как подтверждение применимости подхода к задачам дерматологии, где важны изменения пигмента и состава тканей.

Рисунок 2 – Сравнение RGB- и гиперспектральной визуализации для области интереса 5 на 1-й, 4-й и 7-й день наблюдений

Потенциальные направления применения

Спектральный мониторинг пигментации может быть полезен при изучении таких состояний, как мелазма, витилиго и меланома. В перспективе регулярное отслеживание спектральных изменений способно дополнять визуальное наблюдение, помогать оценивать динамику заболевания и поддерживать персонализированный выбор терапии.

При этом представленная работа является подтверждением концепции на модельном объекте, а не клиническим диагностическим исследованием на пациентах. Для практического медицинского применения необходимы дальнейшие исследования, валидация на биологических тканях и клинические испытания.

Профессор Джанлука Тоцци из Университета Гринвича отметил, что сочетание высокой точности спектральной регистрации и гибкости системы делает камеру Living Optics удобной платформой для изучения спектральных характеристик биологических тканей и разработки инструментов анализа на основе искусственного интеллекта.

Материал подготовлен по статье Living Optics “Demonstrating the Capabilities of Hyperspectral Imaging for Dermatological Diagnostics”.

Источник изображений: Living Optics.