Τρισδιάστατη απεικόνιση μελαγχρωματικών βλαβών της επιφάνειας του δέρματος με τη χρήση laser και ψηφιακής στερεοσκοπικής φωτογράφησης

Abstract

Το μελάνωμα του δέρματος αποτελεί το πιο θανατηφόρο κακόηθες δερματολογικό νόσημα. Αποτελεί κακοήθη όγκο, προερχόμενο από τα μελανινοκύτταρα, που περιέχουν τη χρωστική μελανίνη, στην οποία οφείλεται το σκούρο χρώμα του δέρματος. Η επίπτωση του μελανώματος του δέρματος έχει αυξηθεί σημαντικά σε όλους τους Καυκάσιους πληθυσμούς, τα τελευταία 50-60 έτη, γεγονός που αποδίδεται, κυρίως, στην αύξηση της έκθεσης του πληθυσμού στην υπεριώδη ακτινοβολία. Η πρόγνωση των ασθενών με μελάνωμα του δέρματος εξαρτάται άμεσα από την πρώιμη διάγνωση του. Έτσι, ενώ τα πρώιμα μελανώματα μικρού πάχους θεωρούνται ιάσιμα, με επαρκή χειρουργική αφαίρεση, το προχωρημένο μελάνωμα του δέρματος είναι ανίατη νόσος, με υψηλή θνητότητα. Οι μελανινοκυτταρικοί σπίλοι αποτελούν πρόδρομες δερματικές βλάβες και παράγοντες κινδύνου για την εμφάνιση του μελανώματος, σχεδόν σε όλες τις επιδημιολογικές μελέτες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία.Δεδομένης της σημασίας της πρώιμης διάγνωσης του μελανώματος, η διάκριση μεταξύ καλοήθων σπίλων και μελανώματος είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα της κλινικής δερματολογίας. Αναφέρεται ότι η ευαισθησία της κλινικής διάγνωσης με «γυμνό μάτι» κυμαίνεται από 65% έως 80%, αναλόγως με την εμπειρία και του εξεταστή, ενώ η προσθήκη της δερματοσκόπησης φαίνεται ότι αυξάνει τη διαγνωστική ευαισθησία από 10% έως 27%, σε σύγκριση με την απλή κλινική εξέταση. Όμως και η δερματοσκόπηση εξαρτάται, σε σημαντικό βαθμό, από την εμπειρία και τις ικανότητες του εξεταστή. Με σκοπό τη βελτίωση της διαγνωστικής ακρίβειας, κυρίως από μη ειδικούς, έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία αρκετές μελέτες προσπάθειας κατηγοριοποίησης των μελανινοκυτταρικών βλαβών, χρησιμοποιώντας ανάλυση ψηφιακών φωτογραφιών επιφάνειας, αλλά και φωτογραφιών από δερματοσκόπηση ή από χρήση άλλων πρωτότυπων μεθόδων. Η ευαισθησία και ειδικότητα αυτών των μεθόδων κυμαίνεται από 60,9% έως 99,2% και 78% έως 95,4%, αντιστοίχως.Κοινός παρανομαστής των παραπάνω μεθόδων, που στηρίζονται στη συμβατική ψηφιακή φωτογραφία, είναι ότι δε λαμβάνουν υπόψη, οπότε και δεν μπορούν να συμβάλλουν στην ακριβή εκτίμηση του θηλωματώδους στοιχείου, δηλαδή, του ακριβούς «ανάγλυφου» που δημιουργεί η δερματική βλάβη στην επιφάνεια του δέρματος, αλλά ούτε και του βάθους της εκάστοτε βλάβης. Παράλληλα, διάφορες μελέτες παρουσιάζουν και αναλύουν μεθόδους για τη διάκριση των μελαγχρωματικών βλαβών, χωρίς ωστόσο, κάποια από αυτές να έχει γίνει, ευρέως, αποδεκτή στην καθημερινή κλινική εξέταση τους ασθενούς.Μέχρι σήμερα, δεν έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία, αξιολόγηση κάποιας μεθόδου τρισδιάστατης απεικόνισης επιφανειακών βλαβών του δέρματος με τη χρήση ψηφιακής στερεοσκοπικής φωτογραφίας ή οπτικής τομογραφίας με laser. Εντούτοις, έχει καταστεί εμφανής, η ανάγκη λεπτομερέστερης απεικόνισης των μελανινοκυτταρικών βλαβών του δέρματος, για λόγους διάγνωσης, παρακολούθησης και τεκμηρίωσης και έχουν αναφερθεί αποτελέσματα διαφόρων τεχνικών, που περιλαμβάνουν την υπερηχοτομογραφία υψηλής ευκρίνειας, τη φασματοσκοπική ενδοδερμική ανάλυση, τη συνεστιακή μικροσκοπία με laser (confocal laser microscopy), την οπτική τομογραφία συνάφειας (optical coherence tomography), το MelaFind, το SolarScan και το MEDPHOS.Στόχος της παρούσας μελέτης ήταν, σε πρώτο στάδιο, η ανάπτυξη συστημάτων τρισδιάστατης απεικόνισης των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος, με τη χρήση της Οπτικής Υπολογιστικής Τομογραφίας και της ψηφιακής στερεοσκοπικής φωτογράφησης. Σε δεύτερο στάδιο, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των παραπάνω απεικονιστικών μεθόδων, σε ό,τι αφορά στη συμβολή τους στη διάγνωση του μελανώματος.Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ι.Τ.Ε. (Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας) Ηρακλείου Κρήτης, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα, μη επεμβατική μέθοδος οπτικής υπολογιστικής τομογραφίας (Optical Computed Tomography), με τη χρήση LED φωτισμού, για τη τρισδιάστατη απεικόνιση των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος. Η διάταξη, η οποία κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις αυτών των μελανινοκυτταρικών βλαβών, περιλαμβάνει μία πηγή φωτός, αποτελούμενη από 80 LEDs, ένα διαχύτη, έναν καθρέπτη, δύο πολωτές κάθετους μεταξύ τους, μια βάση περιστροφής, ένα μαύρο σωλήνα και τέλος, μια υψηλής ευαισθησίας CCD κάμερα (Charge Coupled Device Camera), για την καταγραφή των σημάτων του φωτός. Η όλη πειραματική διαδικασία συμπληρώθηκε και ολοκληρώθηκε από κατάλληλα ανεπτυγμένο λογισμικό, το οποίο δημιουργήθηκε από τους συνεργάτες μας, στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ι.Τ.Ε. Ηρακλείου Κρήτης.Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ιστοτεμάχια βιοψίας μελανινοκυτταρικών βλαβών του δέρματος, πάχους από 0,6 έως 1,5 cm (μετρημένα με κανόνα), μετά από ενήμερη συγκατάθεση των ασθενών, στο Ιατρείο Σπίλων και Μελανωμάτων της Δερματολογικής Κλινικής του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Ηρακλείου, Κρήτης. Συνολικά, με την οπτική υπολογιστική τομογραφία μετρήσαμε 16 μελαγχρωματικές βλάβες δέρματος, 6 δερματικά μελανώματα, 4 δυσπλαστικούς σπίλους, 6 ιστολογικά μη δυσπλαστικούς σπίλους (ωστόσο άτυπους, όπως προέκυψαν μετά από κλινική και δερματοσκοπική εξέταση), στις οποίες ακολούθησε αμέσως, η καθιερωμένη ιστολογική εξέταση. Επίσης, μετρήσαμε και συλλέξαμε δεδομένα από έναν κοινό σπίλο, ένα αιμαγγείωμα, καθώς επίσης και φυσιολογικό δέρμα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως μάρτυρες. Σημαντικό στοιχείο της μελέτης μας, το οποίο διαφέρει και από τις μέχρι τώρα σχετικές έρευνες, είναι το γεγονός ότι τα δείγματα μας μετρήθηκαν, χωρίς να υποστούν την παραμικρή χημική ή άλλου είδους τροποποίηση. Η μέθοδος μας βασίζεται σε μη επεμβατικές μετρήσεις των δειγμάτων, χρησιμοποιώντας διάχυτο φως, σε ανίχνευση του διερχόμενου φωτός από πολλαπλές γωνίες, καθώς επίσης και σε έναν αλγόριθμο οπισθοπροβολής (Radon Transform), ο οποίος κατασκευάζει τρισδιάστατους χάρτες των οπτικών ιδιοτήτων των δειγμάτων, που στην ουσία σημαίνει, 3D χάρτες του συνολικού συντελεστή εξασθένησης (Attenuation Coefficient – AC = Absorption + Scattering Coefficient). Επιπρόσθετος σημαντικός παράγοντας της μελέτης μας, αποτέλεσε η συνδυασμένη χρήση των δύο πολωτών που προαναφέρθηκαν στη διάταξη μας, η οποία οδήγησε σε αύξηση της ευαισθησίας και του δυναμικού εύρους ανίχνευσης του σκεδαζόμενου φωτός και σε δυνατότητα απεικόνισης δειγμάτων με μεγάλο πάχος. Μετά από επεξεργασία και ανάλυση των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε, κατά την πειραματική διαδικασία, παρατηρήθηκε, στατιστικά σημαντική, διαφορά μεταξύ των μέγιστων τιμών του συντελεστή εξασθένησης στα μελανώματα, τους δυσπλαστικούς σπίλους και τους μη δυσπλαστικούς σπίλους (Kruskal-Wallis test). Ο μέσος όρος των μέγιστων τιμών του συντελεστή εξασθένησης, βρέθηκε υψηλότερος στα μελανώματα, συγκριτικά με τους δυσπλαστικούς και τους μη δυσπλαστικούς σπίλους. Καταλήξαμε, λοιπόν, στο συμπέρασμα ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής εξασθένησης (Attenuation Coefficient – AC), τόσο μεγαλύτερη είναι η μορφολογική ατυπία των κυττάρων και η αρχιτεκτονική διαταραχή των ιστών, άρα πιο «κακοήθης», εν τέλει, είναι μία μελαγχρωματική βλάβη του δέρματος. Στηριζόμενοι στο ότι ο συντελεστής εξασθένησης, στον οποίο βασίστηκαν τα συμπεράσματα της μελέτης μας, αποτελεί το άθροισμα των συντελεστών απορρόφησης και σκέδασης (Attenuation Coefficient = Absorption + Scattering Coefficient) και με το σκεπτικό ότι ο συντελεστής απορρόφησης, ο οποίος, ουσιαστικά, βασίζεται στις διαφορές στην κατανομή και την ποσότητα μελανίνης, σε διαφορετικές περιοχές του ιστού, δεν αρκεί για τη διάκριση των καλοήθων από τις κακοήθεις μελανινοκυτταρικές βλάβες, οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα, ότι ο παράγοντας, ο οποίος επηρεάζεται από την κυτταρική ατυπία και την αρχιτεκτονική διαταραχή των ιστών, είναι ο συντελεστής σκέδασης. Όσο, λοιπόν, πιο άτυπη είναι μία μελαγχρωματική βλάβη, τόσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής σκέδασης, κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερος είναι και ο συντελεστής εξασθένησης, τον οποίο και καταγράφουμε. Με αυτό τον τρόπο έχουμε τη δυνατότητα αξιολόγησης των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος. Παράλληλα, στατιστικά μη σημαντική διαφορά παρατηρήθηκε όταν πραγματοποιήθηκε σύγκριση των τιμών του πάχους των μελαγχρωματικών βλαβών, που προέκυψαν από τις μετρήσεις με τη χρήση της οπτικής υπολογιστικής τομογραφίας, με αυτές της ιστολογικής εξέτασης (Wilcoxon sighed rank test), γεγονός που μπορεί να αποδειχθεί ζωτικής σημασίας, για την πορεία ενός δερματικού μελανώματος, γνωρίζοντας ότι η εκτίμηση του πάχους διήθησης του κατά Breslow καθορίζει την πρόγνωση και την επιλογή της καταλληλότερης θεραπείας, κάτι το οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί σε πολύ μικρότερο χρόνο, με τη χρήση της οπτικής υπολογιστικής τομογραφίας, απ’ ότι με τη συμβατική ιστολογική εξέταση. Τα αποτελέσματα της μελέτης μας προτείνουν ότι η Οπτική Υπολογιστική Τομογραφία μπορεί να αποδειχθεί πολύ σημαντική, για την άμεση αξιολόγηση των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος, πριν την καθιερωμένη ιστολογική εξέταση, βοηθώντας τον ιατρό να οδηγηθεί σε μια ταχεία εκτίμηση της «κακοήθειας» και του πάχους μίας μελαγχρωματικής βλάβης του δέρματος, άρα και στην επιλογή της καταλληλότερης θεραπείας του εκάστοτε μελανώματος. Παράλληλα, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Πληροφορικής του Ι.Τ.Ε., Ηρακλείου Κρήτης, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια προσαρμογής υπάρχουσας μεθόδου τρισδιάστατης ανακατασκευής ψηφιακών φωτογραφιών, στις ανάγκες της ψηφιακής απεικόνισης του δέρματος. Η κατασκευή του συστήματος απεικόνισης περιλαμβάνει 3 ψηφιακές κάμερες υψηλής ανάλυσης, οι οποίες φωτογραφίζουν, ταυτόχρονα, την επιφάνεια του δέρματος in vivo, καθώς επίσης και ένα λευκό LED φωτισμό, που φωτίζει την επιφάνεια του δέρματος και αναδεικνύει τις λεπτομέρειες της υφή του, βελτιώνοντας, τελικά, την ακρίβεια της τρισδιάστατης ανασύστασης των φωτογραφιών. Επιπλέον, η διάταξη περιλαμβάνει ένα διαχύτη, ο οποίος συντελεί στη μείωση πιθανών αντανακλάσεων, στην επιφάνεια του δέρματος, που μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα στη δημιουργία των τρισδιάστατων ανακατασκευών των μελαγχρωματικών βλαβών. Παράλληλα, αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό, το οποίο κατέστησε δυνατή την οπτικοποίηση και την επισκόπηση της φωτορεαλιστικής 3-D ανακατασκευής, καθώς επίσης και την εκτέλεση μετρήσεων στην επιφάνεια και στον όγκο της εκάστοτε μελαγχρωματικής βλάβης του δέρματος. Αφού πρώτα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η ακρίβεια και η εγκυρότητα της μεθόδου, καθώς επίσης και η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων και η αναπαραγωγικότητα του συστήματος, ακολούθησαν μετρήσεις σε 30 βλάβες δέρματος, οι οποίες φωτογραφήθηκαν από ασθενείς του Ιατρείου Σπίλων και Μελανωμάτων, της Δερματολογικής Κλινικής, του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Ηρακλείου Κρήτης, μετά από ενήμερη συγκατάθεση. Έξι μελανώματα, 10 δυσπλαστικοί σπίλοι και 14 μη δυσπλαστικοί σπίλοι (ωστόσο χαρακτηριζόμενοι ως άτυποι, κατά την κλινική και δερματοσκοπική τους εξέταση) μελετήθηκαν, όπως επίσης και φυσιολογικό δέρμα, το οποίο φωτογραφήθηκε και χρησιμοποιήθηκε ως μάρτυρας. Πραγματοποιήθηκαν αρκετές μετρήσεις και μελέτη διαφόρων παραμέτρων για κάθε βλάβη. Τρεις βασικές παράμετροι οδήγησαν σε σημαντικά συμπεράσματα, ως προς την ταξινόμηση και κατηγοριοποίηση των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος (variance of height, variance of pigment density, boundary’s asymmetry). Μετά από επεξεργασία και ανάλυση των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε κατά την πειραματική διαδικασία, παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά, μεταξύ των σπίλων και των μελανωμάτων, ως προς τη μεταβλητότητα του ύψους (variance of height) και την ασυμμετρία της περιφέρειας της βλάβης (boundary’s asymmetry). Με την παράμετρο της μεταβλητότητας του ύψους, ουσιαστικά, καταγράφουμε την «ανωμαλία» της μεταβολής του ύψους, στην επιφάνεια μιας βλάβης. Με την παράμετρο της ασυμμετρίας της περιφέρειας της βλάβης, καταγράφουμε την «ανωμαλία» της περιφέρειας ή των ορίων μιας βλάβης. Ουσιαστικά, συγκρίνουμε κάθε βλάβη με έναν τέλειο κύκλο και καταγράφουμε τη διαφορά τους. Οπότε, τα αποτελέσματα της μελέτης μας πρότειναν ότι υψηλότερες τιμές μεταβλητότητας του ύψους (variance of height), εξαιτίας μεγαλύτερης υψομετρικής «ανωμαλίας» στην επιφάνεια της βλάβης, παρατηρούνται στις κακοήθεις δερματικές βλάβες, παρά στους μελαγχρωματικούς σπίλους. Παράλληλα, οι κακοήθεις δερματικές βλάβες, συγκρινόμενες με τους κοινούς σπίλους, παρουσιάζουν μεγαλύτερη ασυμμετρία στην περιφέρεια τους, άρα μεγαλύτερες τιμές της παραμέτρου της ασυμμετρίας της περιφέρειας της βλάβης (boundary’s asymmetry). Συμπεραίνουμε, λοιπόν, από τα παραπάνω αποτελέσματα της μελέτης μας, ότι η αξιολόγηση του VHm (variance of height) και της παραμέτρου της ασυμμετρίας της περιφέρειας της βλάβης (boundary’s asymmetry) μπορεί να μας οδηγήσει στη διάκριση των κακοήθων από τις καλοήθεις μελανινοκυτταρικές βλάβες του δέρματος. Σε συνδυασμό με τα παραπάνω, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την παράμετρο VPdm (variance of pigment density), η οποία καταγράφει την «ανωμαλία» στην κατανομή του χρώματος και τις αλλαγές του στην επιφάνεια μιας μελαγχρωματικής βλάβης του δέρματος. Παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά, μεταξύ των δυσπλαστικών σπίλων και των μελανωμάτων από τους κοινούς (μη δυσπλαστικούς σπίλους), ως προς τη μεταβλητότητα της «χρωστικής πυκνότητας» (variance of pigment density), γεγονός που σημαίνει μεγαλύτερη «χρωματική ανωμαλία», άρα και υψηλότερες τιμές VPdm παρατηρούνται στις πιο «άτυπες» βλάβες. Κατά συνέπεια, οι κοινοί σπίλοι μπορούν να διακριθούν από τους δυσπλαστικούς σπίλους και τα μελανώματα. Συμπερασματικά, η μελέτη μας έδειξε ότι η μεταβλητότητα της «χρωστικής πυκνότητας» (variance of pigment density) σε συνδυασμό με τη μεταβλητότητα του ύψους (variance of height) και την ασυμμετρία της περιφέρειας της βλάβης (boundary’s asymmetry) αποτελούν τις πιο σημαντικές παραμέτρους και μπορούν να συμβάλλουν στην ταξινόμηση των κοινών σπίλων, των δυσπλαστικών σπίλων και των μελανωμάτων. Τα αποτελέσματα της μελέτης μας προτείνουν ότι αυτό το νέο και εργονομικό σύστημα ψηφιακής στερεοσκοπικής φωτογράφησης μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο, στα χέρια του κλινικού ιατρού, για την άμεση περιγραφή και αξιολόγηση των μελαγχρωματικών βλαβών του δέρματος, με την εφαρμογή και χρήση δισδιάστατων και τρισδιάστατων μετρήσεων στην επιφάνεια αυτών.Η παραπάνω in vivo μέθοδος της ψηφιακής στερεοσκοπικής φωτογράφησης ήρθε να συμπληρώσει την ex vivo Οπτική Υπολογιστική Τομογραφία και μαζί να συμβάλλουν στην έγκαιρη, ταχεία και ακριβή αξιολόγηση και διάκριση των κοινών σπίλων, των δυσπλαστικών σπίλων και των μελανωμάτων.Η διατριβή αναπτύσσεται σε 2 μέρη. Το Γενικό Μέρος το οποίο περιλαμβάνει 5 κεφάλαια και το Ειδικό Μέρος, που αποτελείται από 2 κεφάλαια.Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στο μελάνωμα του δέρματος, στην παθογένεια του, στους τύπους και τις μορφές του, στη σταδιοποίηση και σε διάφορους προγνωστικούς παράγοντες, ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά σε επιδημιολογικά στοιχεία για το μελάνωμα, καθώς επίσης και στη θεραπεία του. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στους μελαγχρωματικούς σπίλους και, ιδιαίτερα, στους δυσπλαστικούς σπίλους. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται και αναλύονται οι παράγοντες κινδύνου για το μελάνωμα του δέρματος, ενώ στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στα συστήματα απεικόνισης μελαγχρωματικών βλαβών που έχουν αναπτυχθεί και στη χρήση τους. Στο κεφάλαιο 5 αναπτύσσονται οι βασικές αρχές οπτικής, στις οποίες βασίστηκε η παρούσα διατριβή και τα χαρακτηριστικά της Οπτικής Υπολογιστικής Τομογραφίας.Στα κεφάλαια 6 και 7 παρουσιάζονται λεπτομερώς τα υλικά της έρευνας και οι μέθοδοι, οι πειραματικές διαδικασίες, τα δείγματα και η ανάλυση των δεδομένων, τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας διατριβής και γίνονται προτάσεις για τη συνέχιση της έρευνας, στο σχετικό πεδίο.