Куваев Р.О.

Кашин С.В.

Капранов В.А.

ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"

Эдельсбруннер Х.

ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"; Институт науки и техники Австрии

Мячин М.Л.

ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"

Дунаева О.А.

ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"

Русаков А.И.

ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"

Новые компьютерные технологии эндоскопической диагностики в гастроэнтерологии и онкологии

Журнал: Доказательная гастроэнтерология. 2013;(1): 3-12

Просмотров : 37

Загрузок : 1

Как цитировать

Куваев Р. О., Кашин С. В., Капранов В. А., Эдельсбруннер Х., Мячин М. Л., Дунаева О. А., Русаков А. И. Новые компьютерные технологии эндоскопической диагностики в гастроэнтерологии и онкологии. Доказательная гастроэнтерология. 2013;(1):3-12.

Авторы:

Куваев Р.О.

Все авторы (7)

Одной из важных задач современной гастроэнтерологии является профилактика рака желудка (РЖ). В большинстве случаев развитие этой злокачественной опухоли рассматривается как многоступенчатый процесс, включающий в себя последовательность изменений слизистой оболочки от хронического воспаления, атрофии и кишечной метаплазии до развития дисплазии и аденокарциномы [1]. На всех этапах развития предопухолевой патологии диагностика, лечение и наблюдение за пациентами в соответствии с современными стандартами проводят врачи-гастроэнтерологи и эндоскописты. Высококвалифицированное эндоскопическое исследование с обязательным выполнением биопсии является ключевым элементом индивидуальной оценки риска развития РЖ и определения дальнейшей тактики ведения пациента.

Новые эндоскопические оптические технологии, такие как увеличительная и узкоспектральная эндоскопия, позволяют повысить качество эндоскопической диагностики очаговых структурных изменений слизистой оболочки у больных хроническим гастритом, провести дифференциальную диагностику этих изменений, определить зоны для выполнения обязательной прицельной биопсии.

Увеличительная эндоскопия проводится с помощью специальных эндоскопов, имеющих на дистальном конце оптическую линзу и позволяющих детально изучить патологический участок с оптическим увеличением более чем в 100 раз и оценить его структуру (рис. 1, а, б).

Рисунок 1. а - схема дистальной части эндоскопа с функцией оптического увеличения получаемого изображения. Стрелки - система оптических линз и ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью)
Рисунок 1. б - дистальная часть эндоскопа с оптическим увеличением изображения Олимпас Q160Z, дистальный пластиковый прозрачный колпачок устанавливается на эндоскоп для создания фокусного расстояния 3 мм до поверхности слизистой оболочки
В сочетании с узкоспектральной эндоскопией, методикой, основанной на использовании специальных оптических фильтров, суживающих спектр световой волны и повышающих контрастность сосудистого рисунка, увеличительная эндоскопия позволяет более детально оценить ямочный и сосудистый рисунок слизистой оболочки желудка. Комбинация этих новых оптических технологий помогает врачу при решении трудных вопросов объективной и дифференциальной диагностики очаговых структурных изменений на фоне хронического гастрита, имеющих вид множественных плоскоприподнятых и плоскоуглубленных участков, которые могут соответствовать как гиперплазии, атрофии, кишечной метаплазии, так и очагам дисплазии, и даже раннему РЖ.
Рисунок 1. в - эндоскопическая картина раннего РЖ
Рисунок 1. г - зона раннего РЖ при осмотре с оптическим 100-кратным увеличением изображения. Оптические технологии позволяют получить детальное изображение микроструктуры опухоли и окружающей слизистой оболочки желудка.

Несмотря на результаты многочисленных исследований, посвященных возможностям увеличительной эндоскопии в выявлении патологии желудка, диагностика с использованием этого метода трудна и неоднозначна вследствие сложности структуры слизистой оболочки желудка и ее изменений. Во-первых, слизистая оболочка желудка имеет три разных типа желез (кардиальный, фундальный и пилорический) с разным строением. Во-вторых, большой спектр морфологических изменений слизистой оболочки желудка (хроническое воспаление, атрофия, кишечная метаплазия) определяет разнообразные изменения в их структуре. В-третьих, разные гистопатологические типы РЖ (кишечный, диффузный) имеют индивидуальные морфологические особенности. В-четвертых, в большинстве случаев изменения микроструктуры патологического очага неоднородны и включают в себя разные типы рисунка поверхности эпителия и микрососудов [2].

В последние годы новые компьютерные технологии активно внедряются в разные отрасли медицины с целью улучшения качества диагностики, сокращения времени и расходов на исследования, а также для обучения молодых специалистов и совершенствования навыков экспертов. Компьютерные системы, позволяющие прогнозировать патологические состояния и за счет этого повышать точность диагностики, получили название автоматизированных систем поддержки принятия решений (computer-aided decision support systems - CADSSs) [3].

В современной эндоскопии также широко используют разные методы обработки и анализа эндоскопических изображений с помощью ЭВМ. Методика эндоскопической диагностики, использующая подобные компьютерные системы, получила название автоматизированной эндоскопии (computer-aided endoscopy). Увеличительная и узкоспектральная эндоскопия, позволяющая детально характеризовать образования и прогнозировать их гистологическое строение, представляет большой интерес для автоматизированного анализа с помощью ЭВМ. Однако не существует компьютерных систем, независимо оценивающих рисунок микроструктуры поверхности и микрососудистый рисунок образований желудка, что является основным принципом дифференциальной диагностики при использовании увеличительной эндоскопии в желудке.

В Ярославской клинической онкологической больнице и Ярославском государственном университете группой авторов начата разработка компьютерного программного обеспечения, позволяющего на основе анализа эндоскопического изображения более чем со 100-кратным оптическим увеличением проводить оценку микроструктуры поверхности и микрососудистого рисунка патологических участков слизистой оболочки желудка у больных хроническим гастритом. Эта аналитическая система позволит выявлять области, подозрительные на неоплазию, и рекомендовать точки прицельной биопсии непосредственно во время исследования. Кроме того, ее можно применять для обучения молодых специалистов и совершенствования практических навыков опытных врачей. Первым этапом в создании такой программы стала разработка удобной и эффективной классификационной системы типов рисунка микроструктуры эпителия, которая в дальнейшем сможет служить алгоритмом для прогнозирования гистологического строения и стать основой для «оптической биопсии». Известны многие классификационные системы, подробно описывающие изменения микроструктуры поверхности и микрососудистого рисунка при РЖ. Однако большинство из них редко используется в клинической практике ввиду сложности применения. Кроме того, не существует единой общепризнанной и рекомендуемой к применению классификации, а для врача-эндоскописта правильный выбор наиболее удобной и эффективной системы оценки крайне важен для организации работы. Также основой для автоматизированных алгоритмов обработки эндоскопических изображений может служить только простая и эффективная классификационная система. Нами проведена оценка наиболее эффективных классификационных систем разных типов и сочетаний рисунков поверхности эпителия слизистой оболочки желудка, а также микрососудистого рисунка, полученных с помощью оптических технологий увеличительной эндоскопии [4], адаптированы и объединены разные классификационные системы с целью быстрого и качественного применения наиболее оптимальной версии в ежедневной клинической практике российских лечебных учреждений, создания алгоритма компьютерного анализа эндоскопических изображений.

Для дифференциальной диагностики злокачественных и доброкачественных образований с помощью увеличительной эндоскопии широко применяется VS-классификация, предложенная японским экспертом K. Yao и соавт., которая основана на изменениях сосудистой архитектоники (V - vascular) и структуры поверхности эпителия (S - surface) [5]. При осмотре слизистой оболочки желудка с увеличением необходимо оценить две основные характеристики [6] - микрососудистую архитектонику (microvascular - MV - architecture) и структуру поверхности слизистой оболочки (microsurface - MS - structure). В микрососудистой структуре поверхностных слоев слизистой оболочки желудка различают две главные составляющие - субэпителиальную капиллярную сеть (subepithelial capillary network - SECN) и собирательные венулы (collecting venules - CV). Микроструктура поверхности слизистой оболочки желудка представлена желудочными ямками и бороздами разной формы и имеет неодинаковое строение в разных отделах желудка [7]. Вне зависимости от отдела желудка, в микроанатомии поверхности эпителия выделяют несколько основных компонентов - устье железы, краевой ямочный эпителий, внутривенозную часть (рис. 2 и 3).

Рисунок 2. а - строение нормальной слизистой оболочки тела желудка (схема)
Рисунок 2. б - увеличительная и узкоспектральная эндоскопия (эндоскопическая система Olympus Exera, гастроскоп GIF 160Z; оптическое увеличение 115): нормальная слизистая оболочка антрального отдела желудка, правильный рисунок поверхности эпителия в виде овальных структур с устьями желез, субэпителиальная капиллярная сеть в виде «пчелиных сот», визуализируются коллекторные венулы.
Рисунок 3. а - строение нормальной слизистой оболочки антрального отдела желудка (схема)
Рисунок 3. б - увеличительная и узкоспектральная эндоскопия (эндоскопическая система Olympus Exera II, гастроскоп GIF 160Z; оптическое увеличение 115): нормальная слизистая оболочка антрального отдела желудка, правильный рисунок поверхности эпителия в виде линейных и сетчатых структур, субэпителиальная капиллярная сеть в виде кольцевидных микрососудов.нулы.

Согласно этой классификации, японские авторы выделяют несколько типов микрососудистого рисунка:

1) правильный (regular) - определяются правильные по геометрической форме и взаиморасположению микрососуды;

2) неправильный (irregular) - определяются неправильные по геометрической форме и взаиморасположению микрососуды;

3) рисунок отсутствует - субэпителиальный микрососудистый рисунок определить невозможно вследствие его отсутствия или значительного разрушения.

Современная характеристика микроструктуры поверхности эпителия осуществляется, главным образом, при оценке железистого эпителия. Выделяют следующие типы рисунка эпителия:

1) правильный (regular) - краевой железистый эпителий имеет одинаковую геометрическую форму и размер;

2) неправильный (irregular)- краевой железистый эпителий имеет неодинаковую геометрическую форму и размер;

3) отсутствие поверхностного рисунка - плоский или бесструктурный тип без поверхностного рисунка;

4) наличие/отсутствие демаркационной линии.

Подобная классификация позволяет проводить дифференциальную диагностику доброкачественных и злокачественных образований в желудке (табл. 1).

По результатам проведенного исследования группа японских специалистов под руководством профессора К. Yao определила, что диагностическими критериями РЖ могут быть неправильный (нерегулярный) рисунок поверхности с демаркационной линией или неправильный (нерегулярный) микрососудистый рисунок также с демаркационной линией (см. табл. 1). Указанные признаки, определяемые с помощью увеличительной и узкоспектральной эндоскопии, имеют высокую специфичность для неоплазии и могут быть применимы в разных клинических ситуациях, прежде всего при дифференциальной диагностике очагового гастрита и небольшого участка плоского рака (рис. 4 и 5).

Рисунок 4. Ранний рак тела желудка. а - стандартный осмотр в белом световом режиме: патологический участок в теле желудка, незначительно выступающий в просвет желудка по сравнению с окружающей слизистой оболочкой (отмечено стрелками)
Рисунок 4. Ранний рак тела желудка. а - стандартный осмотр в белом световом режиме: патологический участок в теле желудка, незначительно выступающий в просвет желудка по сравнению с окружающей слизистой оболочкой (отмечено стрелками)
Рисунок 4. Ранний рак тела желудка. б - комбинированное исследование (оптическое 115-кратное увеличение изображения и контрастный узкоспектральный режим осмотра): полное разрушение микроструктуры поверхности эпителия с формированием сети неправильных (нерегулярных) патологических микрососудов
Рисунок 4. Ранний рак тела желудка. в - гистологический препарат (окрашивание гематоксилином и эозином): высокодифференцированная аденокарцинома, расположенная в пределах слизистой оболочки желудка.
Рисунок 5. Хронический атрофический гастрит. а - эндоскопический осмотр в стандартном белом световом режиме: в теле желудка обнаружен аналогичный плоскоприподнятый эпителий (отмечено стрелками)
Рисунок 5. Хронический атрофический гастрит. б - исследование с помощью увеличительной эндоскопии в комбинации с узкоспектральным режимом: регулярный тубулярный рисунок микроструктуры поверхности эпителия с регулярными микрососудами (с открытыми сосудистыми петлями)
Рисунок 5. Хронический атрофический гастрит. в - гистологический препарат (окрашивание гематоксилином и эозином): хронический гастрит с фовеолярной гиперплазией в зоне патологического участка.

Изменения микрососудов и поверхности эпителия при неоплазии

В опухоли желудка отмечается существенная перестройка микрососудистого русла [8]. По данным M. Kaise и соавт. [9], в соответствии с анализом 100 эндоскопических изображений доброкачественных и злокачественных плоскоуглубленных образований желудка определяются четыре основных типа изменений микрососудов, характерных для РЖ (рис. 6):

Рисунок 6. Основные типы изменений микрососудов (капилляров), характерных для РЖ. а - нормальная форма сосуда
Рисунок 6. Основные типы изменений микрососудов (капилляров), характерных для РЖ. б - дилатация сосуда
Рисунок 6. Основные типы изменений микрососудов (капилляров), характерных для РЖ. в - изменения калибра сосуда с дилатацией
Рисунок 6. Основные типы изменений микрососудов (капилляров), характерных для РЖ. г - изменение формы сосуда, появление извилистости
Рисунок 6. Основные типы изменений микрососудов (капилляров), характерных для РЖ. д - значительная деформация формы сосуда, появление отдельных, разных по форме структур.

1) дилатация (dilation) - наличие микрососудов, имеющих калибр, в 2 раза больший, чем сосуды окружающей области;

2) резкие изменения калибра (abrupt caliber alteration) - наличие микрососудов, калибры которых в 2 раза меньше или в 2 раза больше сосудов окружающей зоны. Разрушение микрососудистой сети также включается в это понятие;

3) извилистость (tortuousness) - наличие микрососудов, которые вариабельно извиты или закручены;

4) различие по форме (heterogeneity in shape) - наличие микрососудов, форма которых индивидуальна и вариабельна.

На основе анализа микрососудистого рисунка с помощью увеличительной эндоскопии можно прогнозировать гистологическое строение опухоли, что необходимо для дальнейшего выбора метода лечения (эндоскопическая резекция или хирургическая операция). T. Nakayoshi и соавт. [10] первыми выделили два основных типа сосудистого рисунка при раннем РЖ:

1) сетчатый (fine network pattern) - большое количество микрососудов, соединенных между собой в виде тонкой сети (рис. 7).

Рисунок 7. Сетчатый рисунок сосудов. а - схематичное изображение типа рисунка
Рисунок 7. Сетчатый рисунок сосудов. б - эндоскопическое изображение, полученное с помощью комбинированного исследования зоны опухоли с оптическим 115-кратным увеличением и узкоспектральным контрастным исследованием сосудов.
Этот тип сосудистого рисунка определялся в 68,7% случаев дифференцированной аденокарциномы (кишечный тип);

2) штопорообразный (сorkscrew pattern) - обособленные, извитые микрососуды неправильной извитой (штопорообразной) формы (рис. 8).

Рисунок 8. Штопорообразный тип сосудистого рисунка. а - схематичное изображение типа рисунка
Рисунок 8. Штопорообразный тип сосудистого рисунка. б - эндоскопическое изображение сосудистого рисунка при раннем РЖ, полученное с помощью комбинации оптического 115-кратного увеличения изображения с узкоспектральным контрастным режимом осмотра сосудов.
Этот тип сосудистого рисунка выявлялся в 85,3% случаев при недифференцированном гистологическом типе РЖ.

При развитии РЖ также происходят и значительные изменения микроструктуры поверхности эпителия. Однако структура поверхности РЖ, как правило, очень трудно визуализируется с помощью увеличительной эндоскопии in vivo, вероятно, из-за малого размера ямок и обильной секреции слизи неопластическим эпителием [11]. По данным M. Kaise и соавт. [9], наиболее частым признаком РЖ является частичное или полное разрушение рисунка поверхности эпителия.

Другим важным этапом оценки микроструктуры поверхности является определение так называемой демаркационной линии - границы между патологическим участком и неизмененной слизистой оболочкой. С одной стороны, определение демаркационной линии при наличии других изменений, характерных для неопластического процесса, - важный признак РЖ, с другой - с помощью демаркационной линии можно точно определить границы опухоли перед эндоскопической резекцией.

Материалы, методы и результаты собственного исследования

С помощью комбинированной методики эндоскопического исследования с оптическим 115-кратным увеличением изображения и использованием узкоспектрального режима осмотра (видеоэндоскопы GIF-Q260Z, Olympus EVIS Lucera, GIF-Q260Z) исследовали 148 патологических образований желудка у 134 пациентов (средний возраст - 58,9±13,4 года). Микрососудистый рисунок и рисунок микроструктуры поверхности каждого образования оценивали независимо, в соответствии с наиболее известными классификациями. Для гистологической верификации выполняли биопсию каждого образования.

Микрососудистый рисунок подразделялся на правильный (с закрытой и открытой петлей) и неправильный (с закрытой петлей по типу тонкой сети и с закрытой петлей по типу штопорообразных микрососудов).

Рисунок микроструктуры поверхности классифицировался:

- на правильный (овальный, тубулярный, виллезный);

- неправильный;

- отсутствие рисунка.

Из 148 образований желудка в 70 случаях выявлены доброкачественные изменения (хронический гастрит, кишечная метаплазия, гиперпластические полипы), в 7 - дисплазия низкой степени, в 16 - дисплазия высокой степени, в 48 - высокодифференцированная аденокарцинома, в 7 - низкодифференцированная аденокарцинома. Определены и описаны 8 из 20 возможных комбинаций микрососудистого рисунка и рисунка микроструктуры поверхности, остальные из них в данном исследовании не выявлялись. В соответствии с результатами исследования выделены три группы риска, определяющие вероятность наличия рака в осмотренной области (табл. 2):

1) низкий риск (вероятность рака близка к нулю) - правильный микрососудистый рисунок и правильный рисунок микроструктуры поверхности эпителия;

2) умеренный риск (вероятность рака менее 50%) - правильный микрососудистый рисунок (с открытой петлей) и неправильный рисунок микроструктуры поверхности эпителия или неправильный микрососудистый рисунок и неправильный рисунок микроструктуры поверхности эпителия;

3) высокий риск (вероятность рака более 50%) - неправильный микрососудистый рисунок и разрушенный рисунок микроструктуры поверхности эпителия.

Новые технологии компьютерной обработки эндоскопических изображений и их последующего математического анализа

Автоматическая обработка эндоскопических изображений связана со значительными трудностями, которые, в основном, определяются различиями в условиях освещения, высоким уровнем шума, наличием оптических артефактов и отсутствием полноценной физической модели формирования эндоскопического изображения для заданной структуры слизистой оболочки желудка. Таким образом, основной задачей является разработка методов выделения признаков, характеризующих отдельные типы тканей и классификации таких признаков.

При визуальном анализе изображения основное внимание уделяется расположению и масштабу деталей, которые фактически являются максимумами (светлые пятна) и минимумами (темные пятна) функции яркости. Степень «выраженности» такого пятна полностью определяется тем, насколько оно устойчиво по отношению к малым изменениям общей яркости изображения (т.е. насколько вероятно исчезновение пятна при небольших изменениях условий освещения, направления камеры и других незначительных деталей процедуры получения изображения). Особое внимание при анализе изображения следует уделять деталям, которые оказываются наиболее устойчивыми к малым изменениям условий и проявляются на большом диапазоне уровней яркости. Этот факт имеет топологическую природу и описан в теории персистентных гомологий (persistent homology). В рамках этой теории учет наиболее устойчивых интегральных свойств изображения реализуется путем построения так называемого гомологического бар-кода (homology barcode), который фактически представляет собой специфическую гистограмму, определяющую диапазон яркостей, на котором реализуется каждая из деталей изображения. Фактически элементы гомологического бар-кода, полученного по некоторой области изображения, используются как признаки типа структуры эпителия и микрососудистого рисунка в этой области. Применение алгоритмов автоматической классификации для признаков, образованных элементами гомологического бар-кода, позволяет получить метод автоматической классификации области эндоскопического изображения. При этом фактически проводится сравнение вычисленного бар-кода с бар-кодами, полученными для участков тканей, соответствующих заранее известным вариантам патологических изменений. До применения топологических алгоритмов и вычисления гомологического бар-кода проводят предобработку исходного изображения, направленную на выделение областей проявления оптических артефактов (прежде всего бликов), связанных с отражением, вызванным почти соосным расположением видеокамеры и осветителя (рис. 9) [12].

Рисунок 9. Пример применения нового программного обеспечения, позволяющего обрабатывать эндоскопические изображения, полученные с помощью эндоскопов с возможностью оптического увеличения изображения. На скриншоте программного продукта отчетливо видны микрососудистые структуры (выделены синим цветом), артефакты имеют пурпурный оттенок, микроструктура поверхности эпителия в этом случае не выделена.

Заключение

Активное внедрение новых эндоскопических оптических технологий диагностики минимальных изменений слизистой оболочки пищеварительного тракта требует от врача-эндоскописта не только знаний в области гастроэнтерологии, онкологии и морфологии, но и новых навыков изучения микроанатомии слизистой оболочки разных органов пищеварительной системы. Использование простой, удобной и эффективной классификационной системы позволит повысить качество диагностики минимальных патологических изменений слизистой оболочки и, прежде всего, раннего рака желудочно-кишечного тракта. В последнее время новые компьютерные технологии широко применяются в эндоскопической диагностике, создавая новую отрасль - автоматизированную эндоскопию. Однако применение разных методов обработки и анализа эндоскопических изображений с помощью ЭВМ, а также прогнозирование гистологического строения возможно при использовании четких алгоритмов, основанных на простой и надежной классификационной системе. Такие аналитические системы позволяют выявлять области, подозрительные на неоплазию, и рекомендовать точки прицельной биопсии непосредственно во время исследования, что может применяться как с целью обучения молодых специалистов, так и для совершенствования практических навыков опытных врачей. Таким образом, новая система прогнозирования гистологического строения образований желудка, создаваемая группой авторов, может служить не только эффективным диагностическим инструментом в ежедневной клинической практике, но и явиться основой для автоматизированных алгоритмов обработки эндоскопических изображений в компьютерных аналитических системах.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail