Оптическая неинвазивная диагностика новообразований кожи с использованием рамановской спектроскопии

ВВЕДЕНИЕ

Заболеваемость и смертность от злокачественных новообразований (ЗНО) стремительно увеличивается во всем мире, что является результатом роста численности и старения населения, также имеет значение увеличение факторов риска и социально-экономическое развитие.

По данным GLOBOCAN, за 2020 год было зарегистрировано более 19 миллионов новых случаев и около 10 миллионов смертельных случаев от злокачественных новообразований [1]. Рак является одной из главных причин заболеваемости и смертности в каждом регионе мира независимо от уровня развития. Таким образом, усиление профилактических мер, повышение уровня диагностики и лечения различных новообразований имеют решающее значение для глобальной борьбы со смертностью вне зависимости от экономического развития региона. По данным А. Д. Каприна, В. В. Старинского, А. О. Шахзадовой (2022), в России в 2021 году впервые было зарегистрировано 580 415 случаев заболеваемости ЗНО, что на 4,4 % больше, чем в 2020 году.

Рост заболеваемости и смертности от ЗНО отчасти связан с усовершенствованием диагностики и развитием специальной техники. В Российской Федерации злокачественные новообразования кожи по частоте встречаемости занимают у женщин второе место — 13,4 % (с меланомой — 15,6 %) после рака молочной железы (22,1 %), у мужчин — третье место — 9,8 % (с меланомой — 11,5 %) после опухолей легких (16,4 %) и предстательной железы (15,1 %).

По данным А. Д. Каприна, В. В. Старинского, А. О. Шахзадовой (2022), заболеваемость злокачественными новообразованиями кожи в период с 2011 по 2021 год увеличилась с 52,01 до 54,75 случая на 100 тыс. населения. Среднегодовой темп прироста составил более 2 %. Меланома является опаснейшим заболеванием данной группы. Несмотря на то что в структуре новообразований кожи ее доля составляет всего 17,6 %, темп прироста заболеваемости составляет 2,69 % и считается одним из наиболее высоких среди всех ЗНО, к тому же она служит причиной 70 % смертности у больных злокачественными новообразованиями кожи [2][3].

Доля больных меланомой, состоявших на учете в онкологических учреждениях России 5 лет и более с момента становления диагноза злокачественного новообразования, от числа состоявших на учете на конец отчетного года 5 лет назад в 2011–2021 гг., выросла с 68,8 до 72,6 %. При этом выявляемость на 1–2 стадиях выросла на 8,2 % за последние 10 лет [4].

ВВ Самарской области заболеваемость ЗНО за 2021 год составляет 14 486 (абсолютное число); «грубый» показатель заболеваемости на 100 тыс. населения составил 460,9 случая: мужского населения 465,5; женского населения 457,03 на 100 тыс. населения соответственно. На 1-м месте в структуре заболеваемости находятся новообразования кожи (13,5 %), включая меланому кожи, с показателем заболеваемости 8,97, что составляет 1,64 % всей выявляемой онкопатологии. При этом смертность составила 95,21 на 100 тыс. населения, из них от меланомы 1,53 на 100 тыс. [2].

На диаграммах (рис. 1) представлены заболеваемость и смертность от злокачественных новообразований кожи в Самарской области в период с 2011 по 2021 г. Можно заметить разницу в соотношении смертности и заболеваемости раком кожи, где наблюдается большой разрыв, и меланомой, где разрыв не так велик. Основной возраст данных пациентов был старше 50 лет. Доля выявляемости меланомы на 1–2-й стадиях выросла с 67,8 до 86,1 %. Удельный вес запущенных случаев (3–4 ст.) уменьшился с 31,2 % в 2011 году до 13,2 % в 2021 году. 1-годичная летальность за эти 10 лет снизилась 13,2 до 8,4 %.

Наше исследование мотивировано дальнейшим ростом заболеваемости новообразованиями кожи, особенно меланомой, и направлено на совершенствование ранней неинвазивной диагностики с применением оптических методов анализа биологической ткани.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Меланома кожи — особенная опухоль, важнейшим условием ее успешного лечения является своевременная, ранняя диагностика, которая существенно осложняется отсутствием патогномоничных признаков заболевания на начальных этапах развития. Классические клинические признаки злокачественных меланом достаточно хорошо описаны в литературе и знакомы всем врачам. Однако все эти признаки довольно субъективны, и очень часто злокачественные новообразования могут маскироваться под доброкачественные заболевания кожи. В настоящее время самым популярным способом визуальной дифференциальной клинической диагностики является правило ABСDЕ [5]. Однако использование правила AВСDE связано с субъективным анализом визуальных признаков врачом-диагностом и не имеет достаточной специфичности. Эффективность визуальной диагностики, в том числе с использованием правила АBCDЕ, напрямую зависит от опыта врачей и достаточной практики таких наблюдений.

Существуют методы уточняющей диагностики для преодоления упомянутых недостатков, что подразумевает использование специальных приборов и инструментов для обследования. Наиболее распространенным является метод дерматоскопии, который позволяет достигнуть диагностической точности 92,2 %, чувствительности — 97,9 % и специфичности — 90,3 % [6]. Опытные специалисты, работающие в специализированном медицинском отделении, рутинно применяющие методику дерматоскопии, способны диагностировать злокачественные новообразования кожи с большей спе­цифичностью и чувствительностью, нежели опираясь на данные клинической картины [3].

Также существуют другие методы, которые изучались нами раннее, в том числе и на базе СОКОД. Это флуоресцентная диагностика, когда были получены высокие показатели чувствительности и специфичности [6], ультразвуковое исследование, радиофосфорная индикация опухоли, радиотермометрия и другие. Основным же методом постановки диагноза злокачественного новообразования кожи является морфологический. Однако данные методы являются технически сложными, требующими множества дорогостоящих расходных материалов.

Актуальным остается создание новых методов и подходов в визуальной диагностике новообразований с применением стандартизованных методов оценки, основанных на объективных критериях, с привлечением технологий автоматического, машинного анализа для минимализации участия врачебного персонала и ускорения обследования пациента.

За основу разработки нового диагностического подхода и метода диагностики взяты оптические способы анализа. В последние годы много внимания уделяют спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия), которая обладает высокими разрешающими способностями анализа в биологических исследованиях. В процессе разработки метода была показана возможность ее использования как in vivo, так и in vitro [7] с воспроизводимыми результатами. Спектроскопия КР способна провести детальное исследование химических и структурных особенностей биологического объекта, такого как любая поверхностная ткань, а использование в качестве источника света лазерного излучения в видимом красном диапазоне позволяет проводить исследования в том числе кожи человека. Учитывая длину волны источника света и интенсивность излучения, исследование безопасно и не сопровождается каким-либо повреждением ткани. Более того, вся эта информация может быть извлечена совершенно неинвазивным способом, поскольку спектры КР можно снимать прямо с поверхности кожи.

Предложенные методы практически реализованы на кафедре онкологии СамГМУ и клинической базе ГБУЗ СОКОД, в проведенное исследование было включено более 600 человек [8–10]. В качестве объектов исследований были использованы образцы различных новообразований кожи человека, полученные после лечения в отделениях диспансера. При проведении экспериментальных испытаний получали определенный спектр, характеризующий различные доброкачественные и злокачественные образования кожи человека, в том числе меланому.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результатом серии экспериментальных испытаний стало создание экспериментальной установки, абсолютно безопасной в применении (рис. 2). С помощью рабочей части (оптический модуль) прибора проводят исследование изучаемого участка путем сканирования его лазерным лучом, располагая оптический модуль над исследуемым участком на расстоянии 3–4 мм. Проводят серию регистраций спектров области новообразования и здоровой кожи. Далее на компьютере анализируется полученный сигнал с применением оригинального ПО, результатом является графическое изображение характерного спектра флуоресценции и заключение о природе исследуемого новообразования, которое позволяет принять правильное решение о дальнейшей диагностической и лечебной тактике.

Определяющим эффективность предложенного способа диагностики является анализ индивидуальных характеристик спектра КР, полученных при исследовании участков нормальной кожи и патологических изменений у каждого пациента, с учетом индивидуальных параметров пигментации и т. д. Таким образом, достигнуты высокие показатели точности 92 % (89 % чувствительность, 93,5 % специфичность), особенно важные для организации массового обследования образований кожи при профилактических осмотрах, учитывая практически полное отсутствие ложных отрицательных ответов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Предложенный метод оптической биопсии с оценкой спектров комбинационного рассеяния света в тканях кожи разработан для неинвазивного анализа биологических свойств опухоли и определения природы новообразования.

Предлагаемый метод демонстрирует лучшие или сопоставимые результаты по сравнению с результатами, полученными обученным медицинским персоналом. Предлагаемые системы могут использоваться в клинических условиях для оценки тканей кожи, а результаты такого анализа могут быть добавлены к оценке морфологии новообразования, выполняемой во время дерматоскопического анализа или других анализов изображений опухоли.

Предложенный CNN-анализ спектральных данных Рамановсокого рассеяния даже превосходит подходы, основанные на CNN-анализе оптических изображений опухолей кожи. Проводилось сравнение предлагаемого метода с различными отечественными и зарубежными исследованиями. В исследовании Haenssle и cоавт. [13] алгоритм CNN классифицировал 60 случаев доброкачественных новообразований по сравнению с 40 случаями злокачественных и предзлокачественных новообразований. Кроме того, исследование Haenssle и cоавт. представляет результаты классификации опухолей кожи, полученные от 96 обученных дерматологов с разным опытом (новички, опытные, эксперты). Также сравнивались сводные данные ROC-результатов диагностики 12 экспертов-дерматологов, представленные в Кокрановском обзоре [14], и диагностические показатели эффективности 21 сертифицированного дерматолога, представленные в исследовании А. Esteva и cоавт. [15].

По сравнению с традиционными, клиническими методами исследования, включая биопсию опухоли, спектроскопическая технология, основанная на исследовании химических и структурных особенностей изучаемой ткани, дает возможность значительно сократить время постановки диагноза. На данный момент, чтобы исключить возможное злокачественное новообразование исследуемой ткани, пациент должен обратиться в специализированный онкологический диспансер, если у врача общей практики есть какие-либо сомнения. Эта процедура занимает недели. Доступность портативной оптической биопсийной установки для врачей общей практики поможет немедленно определить тип ткани, и это поможет сократить клинический путь пациентов [16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодня мы наблюдаем высокий уровень заболеваемости меланомой кожи; учитывая динамику за последние десятилетия, ожидаемый показатель заболеваемости будет только увеличиваться.

Таким образом, совершенствование ранней диагностики новообразований кожи остается актуальным. Мы обладаем достаточным опытом в реализации предложенной диагностики. В результате было доказано, что возможно создание компактного мобильного устройства для проведения спектроскопии комбинационного рассеяния, с элементами нейросетевого анализа полученного сигнала. Полученные нами результаты говорят о возможности достижения высокой точности аппаратного, машинного анализа, сравнимого и даже превосходящего по точности обследование, проводимое врачом-специалистом [17]. Важной особенностью способа является безопасный и неинвазивный метод анализа, применяемый независимо от локализации и стадии заболевания. Учитывая техническую простоту реализации метода в клинических условия, высокую скорость анализа и пропускную способность, отсутствие потребности в реактивах и расходных материалах, метод может быть рекомендован в том числе для массовых исследований в ЛПУ любого профиля.