Наука ЮФУ: Новый алгоритм для выявления границ клеток улучшит диагностику рака

Фото: Анализ микрофотографии эпителиальной ткани с помощью компьютерного зрения. Пресс-служба ЮФУ

Хорошие новости из Южного федерального университета. Ученые ЮФУ предложили подход к анализу микрофотографий клеточных слоев, который позволяет в два раза уменьшить погрешность при оценке распределения клеток по числу их «соседей».

Среднее количество «соседей» важно, поскольку оно отличается у клеток в здоровых и раковых тканях. Таким образом, новый подход поможет усовершенствовать алгоритмы компьютерного зрения для поиска онкологических заболеваний.

Авторы применили предложенный метод для анализа микрофотографий эпителия шейки матки, - сообщает пресс-служба Южного федерального университета. Оказалось, что погрешность нового алгоритма вдвое ниже, чем у стандартных, и это доказывает, что такой подход позволяет уверенно различать эпителиальные монослои, образованные здоровыми и раковыми клетками.

Эпителиальные ткани покрывают наши внутренние органы, а также все тело снаружи. Они защищают организм от повреждений, обеспечивают транспорт питательных веществ и выведение вредных продуктов обмена веществ, таких как мочевина, аммиак, мочевая кислота и другие. Особенность эпителиев состоит в том, что их клетки плотно прилегают друг к другу, образуя своего рода мозаику из многоугольников.

Научный сотрудник Южного федерального университета Дарья Рошаль поясняет, что по результатам исследований можно выявлять различные нарушения в развитии ткани, например превращение здоровых клеток в раковые. В частности, раковые клетки более вытянуты, чем здоровые, и среди них на 10-15% реже, чем обычно, встречаются те, что граничат с шестью другими клетками, то есть имеют шесть «соседей». Эти признаки можно использовать для поиска онкологических заболеваний на медицинских снимках, однако существующие на сегодняшний день алгоритмы для компьютерного анализа изображений недостаточно точно (с ошибкой до 15%) определяют, сколько у клетки «соседей». Дело в том, что они в первую очередь оценивают, где находится ядро, а потом, считая его условным центром, «очерчивают» границы клетки. Ядра могут быть плохо видны или находиться не совсем в центре, и это приводит к тому, что алгоритм определяет границы клетки неверно.

Ученые из Южного федерального университета с коллегами из Университета Монпелье (Франция) разработали математический метод, который позволяет избежать самых распространенных ошибок при определении границ клеток и повышает точность алгоритмов анализа изображений. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Journal of Physics: Condensed Matter».

В рамках предложенного алгоритма исследователи рассматривали клетки в виде многоугольников, при этом их очертания определяли одновременно двумя разными способами. Первый был основан на ядрах клеток, тогда как второй опирался на нахождение точек, в которых сходятся несколько межклеточных границ. Таким образом, в первом случае изображение разбивалось на многоугольники исходя из того, где находятся их центры, а во втором вершины многоугольников определялись точками на их границах, и поэтому многоугольники имели столько же соседей, как соответствующие им клетки. Такой взгляд с разных сторон позволяет избежать ошибок и повысить точность выявления нестандартных соединений клеток, характерных для ракового эпителия.

Как поясняет руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ Дарья Рошаль, численные эксперименты подтвердили, что предложенный метод анализа границ реже пропускает клетки, у которых менее или более шести соседей, и тем самым снижает вероятность упустить из вида опухоль.

- Это достигается за счет того, что наш подход лучше чувствует неравномерности размеров и формы клеток. В дальнейшем мы планируем протестировать его на большем количестве образцов тканей, в том числе опухолевых», — рассказывает Дарья Рошаль.