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O 03. marta ugarte

  1. 1. Desarrollo de sistemas activos con bandas espectrales específicas para detección precoz del cáncer de piel Chávarri del Hoyo Leticia1, Ugarte Suárez Marta F.1, Briz Pacheco Susana2, García López Enrique1 y Villaverde Valmaseda Ana Laura1. 1 Departamento de Electromecánica y Materiales. Universidad Europea de Madrid. marta.ugarte@uem.es 2 Departamento de Física. Universidad Carlos III de Madrid. sbriz@fis.uc3m.es Resumen 2. ObjetivosEn este trabajo se presenta el diseño de un sistema de Este trabajo tiene como objetivo presentar unbajo coste que permite realizar el diagnóstico de algunas sistema multiespectral específico para la detecciónenfermedades dermatológicas en tiempo real. El sistema precoz de enfermedades dermatológicas. El equipoestá basado en la selección de bandas espectrales donde permite obtener información espectral en tiempola enfermedad presenta algún rasgo distintivo. real a bajo coste, es de fácil manejo y de reducidasPara ello se ha partido del estudio hiperespectral de dimensiones, y facilita la detección y seguimiento dediversos tipos de pieles, sanas y enfermas. Atendiendo a enfermedades dermatológicas y de algunos tipos dela respuesta espectral de la patología a detectar se ha cáncer de piel como el melanoma.desarrollado un sistema de fuentes que proporcionan lasbandas de interés, para la aplicación seleccionada. Estesistema además, está provisto de un sensor de imagen 3. Metodologíaque capta la respuesta del paciente. La aplicacióninformática diseñada para la adquisición y procesado de Para realizar el sistema propuesto se siguió elimagen ha sido desarrollada en un entono LabVIEW. procedimiento siguiente: 1. Definición de las bandas de interés de la1. Introducción enfermedad a diagnosticar. 2. Desarrollo de la tecnología necesaria paraEn la actualidad existen diferentes sistemas ópticos obtener las bandas espectrales activas dey optoacústicos que facilitan el diagnóstico de interés. Sistema Espectral con Bandas Activasenfermedades dermatológicas y de algunos tipos de (ABSS, Active Band Spectral System).cáncer de piel como es el melanoma maligno. 3. Software de adquisición y procesado de la imagen adquirida por el sensor de imagen.Entre estas herramientas se encuentran: laDermatoscopía (Microscopía de Epiluminiscencia)que permite estudiar in vivo las estructuras 4. Resultadosanatómicas y los patrones de pigmentación de lapiel mediante la utilización de una lente de aumento 4.1 Definición de las bandas de interés, de la[1]; la Espectroscopia de Reflectancia Difusa (DRS, enfermedad a diagnosticar.Diffuse Reflectance Spectroscopy) que proporcionael espectro de reflexión y con ello información sobre La absorción y dispersión de la radiación en loslos cromóforos de los tejidos así como de su tejidos cutáneos depende de la composiciónmorfología [2,3]; la Fotoacústica, que combina la bioquímica y estructura celular de los mismos,sensibilidad de las imágenes ópticas con resolución fundamentalmente de la presencia dede ultrasonido llegando a detectar estructuras Oxihemoglobina, Deoxihemoglobina y Melaninatumorales profundas [4]; y los estudios realizados entre otros.con Cámaras Hiperspectrales, técnica utilizada en Se ha demostrado que las propiedades ópticas [5]este trabajo como base para realizar la de los tejidos malignos difieren de las de los tejidoscaracterización espectral de enfermedades sanos, lo que significa que algunas longitudes dedermatológicas. onda específicas son absorbidas o reflejadas conSin embargo estos sistemas, en algunos casos, son más intensidad dependiendo de cada patología.extremadamente caros, poco portables, requieren Este comportamiento selectivo permite realizarde personal cualificado para su manejo y no diagnósticos fiables estudiando el comportamientoproporcionan los resultados en tiempo real. Por este de la piel en las longitudes de onda específicas demotivo, son de gran interés los dispositivos de la enfermedad. Los parámetros que determinandiagnóstico en tiempo real que superan las dicho comportamiento diferencial tienen una basedesventajas citadas. microscópica (estructura secundaria de las
  2. 2. proteínas, conformación de los ácidos nucleicos,etc.) y macroscópica (pigmentación, perfusióntisular, etc.) [6,7,8].Para poder identificar la longitud de onda en la queuna patología presenta un comportamientodiferencial hay que hacer un estudio en todo elrango de longitudes de onda (espectro), lo que enespectrometría se denomina determinar la firmaespectral. Cuando este estudio espectral se realizasobre un área o plano se denomina espectrometríade imagen. La tecnología que hace posible laespectrometría de imagen son las cámarashiperespectrales, que proporcionan un espectro encada píxel de la imagen, o lo que es equivalente,una imagen para cada longitud de onda (Figura 1).La gran ventaja de esta tecnología es que añaderesolución espectral a la resolución espacialhabitual. A las imágenes resultantes se lasdenomina Datacubos (Figura 1a), se trata de unapila de imágenes que forma un volumen 3D en elque hay dos dimensiones espaciales (ancho y alto)y una dimensión espectral (fondo).En el presente trabajo se utilizó la cámarahiperespectral, “SpectraCube (Applied SpectralImaging)” como paso preliminar para el diseño delsistema propuesto [9,10,11]. Figura 2. (a) Imagen espacial de la piel de un paciente Figura 1. (a) Datacubo y (b) Firma espectral. sano; (b) Imagen espacial de la piel de un pacienteLa Figura 2 muestra un ejemplo de dos imágenes afectado de Psoriasis y (c) Firmas espectrales deobtenidas con la cámara hiperespectral y ambos pacientes.postprocesadas con el software ENVI (Environment La Figura 3 está compuesta de varias imágenesfor Visualizing Images), herramienta muy utilizada espectrales de una lesión de Psoriasis, que han sidoen teledetección que permite la interpretación de obtenidas con la cámara barriendo en un rango dedatos espectrales [10]. La Figura 2a, enmarcada en longitudes de onda entre 400 y 1100 nm. En 696 nmcolor verde, es la imagen de la piel de un paciente (Figura 3b), se aprecian las lesiones escamosassano. La Figura 2b, enmarcada en color rojo, características de esta enfermedad. Otro rasgomuestra la piel de una mujer afectada por Psoriasis. importante aparece en 555 nm (Figura 3c), dondeJunto a ambas figuras aparece su detalle ampliado se distingue perfectamente las fronteras de unadonde se observan los píxeles individuales. Una vez placa color rojo oscuro. Sin embargo, en muchasseleccionados los píxeles de mayor interés se otras longitudes de onda, la lesión no es perceptible.obtiene su firma espectral. La Figura 2c representalas firmas espectrales de un pixel procedente de la De la misma forma, se puede aplicar la cámarapiel del paciente sano y de otro píxel perteneciente hiperespectral para identificar las longitudes dea la lesión del paciente enfermo. Como se puede onda características de cualquier otra enfermedadobservar, existe una diferencia considerable entre dermatológica. El melanoma maligno es laambas. proliferación neoplástica maligna originada en los
  3. 3. melanocitos de la epidermis. Es por ello que los controlados tanto su banda espectral como suestudios hiperespectrales para identificar las intensidad.longitudes de onda específicas de esta enfermedad, Es imprescindible lograr una iluminación uniforme yestán orientados a la banda espectral donde se difusa en un amplio campo de visión, para lo cualmanifiesta la absorción de la melanina. Esta región fue necesario manipular la superficie de emisoresestá comprendida entre los 300 y 450 nm y comerciales y emplear dispositivos de amplio ángulopertenece al Ultravioleta A [12,13]. de iluminación (120º). Lo que constituye un requisito fundamental para poder hacer un estudio sobre un escenario homogéneo [14]. Respecto a la banda espectral, no siempre se encuentra en el mercado el emisor que coincida exactamente con la banda espectral en que se manifiesta la enfermedad. Para ello se desarrolló un sistema de control de banda mediante dispositivos Peltier que permite hacer pequeños barridos en determinados rangos del espectro [15]. Tanto los emisores, el sensor de imagen, como la electrónica de control se encuentran dentro una carcasa protectora cuyas dimensiones son 150x80x45 mm, y peso 175 gramos (Figura 4). ParaFigura 3. (a) Imagen de una lesión de Psoriasis en banda garantizar una distancia fija a la piel y unaancha visible, escala de grises; (b) Imagen de la misma intensidad lumínica constante, en la que la luzlesión centrada en la longitud de onda de 696 nm. Se ambiental no interfiriera con el diagnóstico, el bloquedetectan las escamas blancas; (c) Lesión vista en la emisor-receptor se situó en un plano interior a unalongitud de onda de 555 nm donde se manifiesta la distancia de 2,7 cm respecto a los bordes de lamancha color rojo oscuro y (d) Imagen en la longitud de carcasa.onda de 429 nm en la que la enfermedad esimperceptible.4.2 Desarrollo la tecnología necesaria para obtener las bandas activas de interés. Sistema Espectral con Bandas Activas (ABSS, Active Band Spectral System).Aunque las cámaras hiperespectrales permitenanalizar el comportamiento en todo el rangoespectral, presentan varias desventajas: su alto Figura 4. (a) Esquema del Sistema Biespectral paracoste, su complejidad técnica y la necesidad de Diagnóstico de Enfermedades Cutáneas; (b)utilizar una fuente de radiación externa. Por otro Fotografía del equipo completo.lado, como se ha visto en el apartado anterior, no esnecesario un análisis en todas las longitudes de 4.3. Software de adquisición y procesado de laonda, sino sólo se necesita observar las longitudes imagen adquirida por el sensor de imagen.de onda características de la patología. Un sistemadiseñado ‘ad hoc’ para la patología concreta, podría El software ha sido diseñado específicamente paraser un dispositivo de menor coste y menor el ABSS. Una de sus principales ventajas es quecomplejidad técnica que permita el diagnóstico en puede ser manejado por cualquier persona sintiempo real. necesidad de ser especialista en tratamiento de imagen. Se desarrolló en un entorno LabVIEW, elEl sistema biespectral de imagen con bandas cual ofrece una gran capacidad para el análisis yactivas (ABSS) desarrollado está formado por procesado de imágenes. De especial interés hanemisores que emiten radiación en las bandas sido los módulos NI-IMAQ (Vision and Motion) y enespectrales de interés para la patología que se concreto el paquete Vision Assistant [14].quiere estudiar y un sensor de imagen. Para el casodel estudio del melanoma se utilizarían dos fuentes La captura de imágenes es el primer paso queemisoras centradas en 337 y 445 nm [12, 13]. introduce la interfaz de usuario. Las imágenes quedarán registradas en una carpeta destinada alLos emisores son los encargados de radiar la piel fotodiagnóstico. En tiempo real se puedeen las mismas longitudes de onda definidas seleccionar el área de interés dentro de la imagen.previamente con la cámara hiperpesctral (detección El software puede representar los datos deactiva). Estos emisores pueden ser configurados y diferentes formas, esto permite una mejor
  4. 4. interpretación de los mismos. A continuación (Figura Colon Polyps in Vivo”, Appl. Opt. 38, 6628-66375) se muestra un ejemplo de los análisis que (1999).pueden realizarse con esta aplicación. [3] M. Cordo, J. R. Sendra, A. Viera, A. Santana Y S. M. López Silva. “Diferenciación de Piel Sana y Lesiones Análisis espectral en niveles de RGB (Figura 5a) Cutáneas Pigmentadas Mediante Espectroscopía de Estudio de contornos en 2D y 3D (Figura 5b); Reflectancia Óptica Difusa”. 39 (4) 341-354 (2006). Estudios de la correlación, entre una zona [4] Skininspection. http://www.skinspection- enferma y el resto de la imagen. (Figura 5c); fp7.eu/index.php?id=332 Análisis de texturas (Figura 5d); [5] Georgios N. Stamatas1, Barbara Z. Zmudzka2, Estudio estadístico ofreciendo datos de Nikiforos Kollias1 and Janusz Z. Beer. “Non-Invasive uniformidad en base a la desviación estándar y Measurements of Skin Pigmentation in Situ”. Pigment datos de intensidad en relación al valor medio Cell Res 17: 618–626. 2004. de unidades RGB (Figura 5e). [6] J. J. Scarisbrick, C. D. O. Pickard, A. C. Lee, G. M. Briggs, K. Johnson, S. G. Brown, M. Novelli, M. R. S. Keshtgar, I. J. Bigio and R. Yu, “Elastic Scattering Spectroscopy in the Diagnosis of Pigmented Lesions Comparison With Clinical And Histopathological Diagnosis”, Proc. Spie 5141, 147-156 (2003). [7] R. Marchesini, N. Cascinelli, M. Brambilla, C. Clemente, L. Mascheroni, E. Pignoli, A. Testori, and D. R.Venturoli, “In Vivo Spectrophotometric Evaluation of Neoplastic and Nonneoplastic Skin Pigmented Lesions.Ii. Discriminant Analysis between Nevus and Melanoma”, Photochem. Photobiol. 55, 515-522 (1992). [8] Tosi G, Conti C, Giorgini E, Ferraris P, Garavaglia Mg, Sabbatini S, Staibano S, Rubini C. Ftir “Microspectroscopy of Melanocytic Skin Lesions: A Preliminary Study”. 135(12):3213-9. 2010. [9] http://www.specim.fi/products/spetral-imaging- products/spectral-cameras.html [10] http://www.exelisvis.com/ProductsServices/ENVI.aspx [11] L. Chávarri. S.Briz y M.Ugarte. “Estudio espectral de enfermedades dermatológicas tratamientos basados en radiaciones en el infrarrojo cercano”. Revista: Figura 5. (a) Histograma de la lesión en niveles de Respuestas .ISSN 1887-7268.2008. RGB; (b) Estudio de contorno con tecnología en 2D; (c) Estudios de correlación representado en 3D; (d) [12] Rajaram, Narasimhan; Aramil, Timothy J.; Lee, Kelvin Estudio mediante texturas y (e) Datos estadísticos de ; Tunnell, James W.“Clinical Instrument for spectral intensidad en el área de interés. diagnosis of cutaneous malignancy”, Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems VI. Edited by Vo-Dinh, Tuan; Grundfest, Warren S.;5. Conclusiones Benaron, David A.; Cohn, Gerald E. Proceedings of the SPIE, Volume 6848, pp. 68480R-68480R-10En este trabajo se ha presentado la metodología de (2008).trabajo y el desarrollo de un sistema de diagnóstico [13] D. L. Farkas y D. Becker. “Applications of Spectralde enfermedades dermatológicas en tiempo real. Imaging: Detection and Analysis of Human MelanomaEste sistema espectral activo con bandas and its Precursors”. Pigment Cell Res 14: 2–8. 2001.específicas (ABSS) es de bajo coste, fácil manejo ypermite sustituir para algunas aplicaciones los [14] E. García López. “Sistema Biespectral para Diagnóstico de Enfermedades Cutáneas”. Proyectocomplejos y caros sistemas hiperespectrales de Fin de Carrera. Universidad Europea de Madrid.imagen. 2012. [15] A. L. Villaverde Valmaseda. “Diseño del Dispositivo Sensor para la Detección del Cáncer de Mama a6. Referencias través de Tomografía Óptica Difusa”. Proyecto Fin de Carrera. Universidad Europea de Madrid. 2012.[1] M. Moncrieff, S. Cotton, E. Claridges and P. Hall, “Spectrophotometric Intracutaneous Analysis: A New Technique for Imaging Pigmented Skin Lesions”, Br. J. Dermatol. 146, 448-457 (2002).[2] G. Zonios, L. T. Perelman, V. Backman, R. Manoharan, M. Fitzmaurice, M. S. Feld, “Diffuse Reflectance Spectroscopy of Human Adenomatous

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