Лазеры и нейросети предскажут тяжесть протекания акне и других заболеваний

Ученые Самарского национального исследовательского университета им. С. П. Королёва в течение года разработают технологию неинвазивного автоматического анализа состояния кожи и спроектируют портативную установку, с помощью которой можно будет быстро и безболезненно выявлять как серьезные патологии, например, новообразования, так и диагностировать и анализировать проблемы, обычно считающиеся косметическими - акне (угревая сыпь), постакне, купероз, обезвоженность кожи и другие.

Данный проект победил во Всероссийском конкурсе "УМНИК-Фотоника" и получил финансовую поддержку Фонда содействия инновациям. В разработке участвуют сотрудники кафедры лазерных и биотехнических систем в составе научной группы под руководством доктора физико-математических наук, профессора Валерия Захарова. Консультативную поддержку оказывают специалисты клиник Самарского государственного медуниверситета и Самарского онкоцентра.

 - Такая система позволит в будущем проводить биохимический анализ кожи пациента, подобно тому, как сейчас в медицинских лабораториях делают биохимический анализ крови. Если сейчас для анализа кожи нужно брать образец, соскоб или делать биопсию, то тут все будет без нарушения покрова кожи, неинвазивно. Пришел пациент, врач измерил спектр определенного участка кожи, программа все проанализировала и выдала распечатку с указанием концентраций компонентов кожи и предварительным диагнозом. Это можно использовать как для диагностики новообразований, так и в косметологии, можно определять общие характеристики состояния кожи - тип кожи, влагонасыщенность - и диагностировать на предмет различных патологических состояний - акне, постакне, купероз, гиперпигментация, обезвоженность и так далее. Точность анализа составит от 75 до 99 процентов, - рассказала автор проекта Ирина Матвеева, аспирантка Института информатики и кибернетики Самарского университета им. Королёва.

В основе технологии будет задействован метод рамановской спектроскопии, демонстрирующий высокую точность при исследованиях эпидермиса и верхних слоев дермы. Луч лазера направляют на кожу пациента и по изменениям в спектре рассеянного излучения фиксируют наличие в коже определенных веществ.

Ранее данный метод использовался учеными для диагностики новообразований кожи и заболеваний почек. Самарские ученые хотят расширить поле применения рамановской спектроскопии и ввести этот метод в терапевтическую практику врачей. Обрабатывать результаты спектроскопии и ставить диагноз помогут свёрточные нейронные сети и соответствующее программное обеспечение.

 - Каждый пик в рамановском спектре соответствует определенным химическим соединениям. Таким образом, изучая регистрируемый спектр, можно достаточно полно оценить биохимический состав верхнего слоя кожи толщиной в несколько миллиметров - именно на такую глубину в кожу проникает оптическое излучение с длиной волны 785 нм. Имея информацию о биохимическом составе эпидермиса и верхних слоев дермы, можно делать выводы о наличии патологий, как врач делает выводы о заболеваниях по анализу крови. Можно даже предсказать, спрогнозировать степень тяжести протекания заболевания по концентрации в коже определенных веществ, - подчеркнула Ирина Матвеева.

Как отметила автор проекта, кожа является самым большим по площади органом человека и подвержена огромному количеству различных заболеваний и патологий. По данным Всемирной организации здравоохранения, жители развитых стран обращаются сейчас к дерматологам на 40 % чаще, чем десять лет назад. Однако несмотря на увеличившийся спрос, существующие в дерматологии и косметологии методы до сих пор не позволяют проводить быструю и качественную диагностику.

Чаще всего диагностика состояния кожи производится путем визуального осмотра
врачом-дерматологом. Точность такого способа невысока - всего от 60 до 75 % в зависимости от квалификации и опыта врача. Кроме того, визуальный осмотр не позволяет оценить биохимию кожи. При использовании дерматоскопа можно более тщательно изучить структуру кожи, почти как под микроскопом, но, к сожалению, изучить только снаружи, а не внутри. К тому же многие патологические состояния вызывают визуально очень похожую клиническую картину, либо вообще протекают незаметно.

Золотым стандартом диагностики является гистопатологическое исследование. Однако за высокую точность приходится дорого платить: цена полного набора гистологического оборудования начинается от нескольких миллионов рублей, высока и стоимость анализа, так как необходимы расходные материалы. По времени гистологическое исследование занимает несколько часов или даже дней. Другой важный для пациента момент процедуры - ее инвазивность, то есть проводится иссечение и забор кусочка ткани. Поэтому остается актуальной разработка новой технологии, которая позволит проводить анализ биохимического состава кожи пациента быстро, точно, безболезненно и недорого.

 - Наша технология выдаст результат более оперативно - обследование займет менее 10 минут, то есть диагностику можно провести сразу, всего за один прием у врача. При этом никак не нарушается целостность кожного покрова, кроме того, анализ не требует применения каких-нибудь химических реагентов и поэтому имеет низкую себестоимость. В рамках проекта мы планируем разработать программное обеспечение для анализа рамановских спектров, изготовить опытный образец портативной спектроскопической установки и провести тестирование, - сообщила Ирина Матвеева.

Размеры установки позволят легко разместить ее на столе в кабинете врача-дерматолога. Для проведения биохимического анализа кожи ее нужно будет подключить к компьютеру или ноутбуку с соответствующим программным обеспечением, разрабатываемым участниками проекта. В перспективе данную технологию биохимического анализа состава кожи планируется запатентовать.

Справочно

* Ирина Матвеева является автором и соавтором более 20 публикаций в ведущих российских и международных журналах. В 2020 году она стала финалистом VII сезона международного конкурса инновационных проектов INRADEL в рамках форума "Микроэлектроника", а также заняла 3 место в III китайско-российском конкурсе индустриальных инноваций. Весной 2022 года одержала победу в конкурсе на назначение денежных выплат молодым ученым и конструкторам, работающим в Самарской области. Осенью 2022 года победила в грантовом конкурсе Самарского университета на развитие стартап-проектов и областном конкурсе "Молодой ученый".

** Всероссийский конкурс "УМНИК-Фотоника" организован в целях поддержки проектов молодых ученых в области фотоники, радиофотоники, оптоэлектроники и смежных областей в интересах организаций консорциума Центра компетенций Национальной технологической инициативы "Фотоника", а также для стимулирования молодых ученых и специалистов к созданию малых инновационных предприятий, необходимых для коммерциализации результатов научных разработок.

*** Рамановская спектроскопия - вид спектроскопии, использующий способность исследуемых молекул к неупругому рассеянию монохроматического света (лазерного излучения). В спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий спектра определяется молекулярным строением исследуемого вещества, что позволяет зафиксировать наличие определенных изменений в биотканях.