Новые компьютерные технологии эндоскопической диагностики в гастроэнтерологии и онкологии

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).

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).

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).

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):

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).

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

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.

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.

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].

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.