Tekoälyn ja spektrikuvantamisen yhdistelmä tunnisti tarkasti ihosyövän

Ihosyövät ovat yleisimpiä syöpiä, ja niiden määrä kasvaa Suomessa ja maailmalla jatkuvasti. Ihosyöpien tunnistamista varten on kehitetty useita kajoamattomia kuvantamismenetelmiä, mutta ne vaativat useimmiten kouluttautumista kuvien analysointiin. Lääketieteen lisensiaatti Vivian Lindholm tutki väitöskirjassaan, voiko hyperspektrikuvantamisen (HSI) ja tekoälyanalyysin avulla selvittää, mitkä ihomuutoksista on pahanlaatuisia ja mitkä hyvänlaatuisia.

Hyperspektrikuvantaminen on lupaava apuväline ihosyöpien diagnosoinnissa. Käytännössä hyperspektrikamera tallentaa tavanomaista kameraa laajemmin tietoa eri valon aallonpituuksista. Väitöstutkimuksessa kamera tarjosi jokaista ihomuutosta kohden yksilöllisen ”sormenjälkimäisen” spektritiedon. Spektritieto yhdistettiin tutkimuksessa pintarakennetta kuvaavaan 3D-malliin ihomuutoksesta. Neuroverkkoja hyödyntävä tekoälyanalyysi yhdisti tulokset ja ehdotti lopulta joka ihomuutokselle diagnoosin.

Menetelmän tarkkuutta Lindholm arvioi tapauksissa, joissa tavoitteena oli erottaa melanooma hyvänlaatuisista pigmenttiluomista, keratinosyytti-ihosyöpä hyvänlaatuisista koholuomista sekä ihosyövän esiastemuutosta, Bowenin tautia, hyvänlaatuisista rasvaluomista. Tutkimuksessa tutkittiin 172 ihomuutosta.

Tekoäly tunnisti pahanlaatuiset ihomuutokset tarkasti

Tutkimustulosten mukaan hyperspektrikuvantamisen jälkeen tehty tekoälyanalyysi erotti herkästi ja tarkasti pahanlaatuiset muutokset hyvänlaatuisista. Melanooma erottui 95 prosentin tarkkuudella ja herkkyydellä, keratinosyytti-ihosyöpä 85–100 prosentin herkkyydellä ja 92–100 prosentin tarkkuudella ja Bowenin tauti 84 prosentin herkkyydellä ja 94 prosentin tarkkuudella.

Lisäksi analyysi tarjoaa karttamaisen kuvan ihomuutoksista, jonka avulla muun muassa voidaan erottaa muutoksen reunoja tarkemmin esimerkiksi ennen leikkaushoitoa.

– Menetelmä vaikuttaa lupaavalta automaattiselta ihosyöpien tunnistamiskeinolta, joka voisi auttaa lääkäreitä tunnistamaan hoitoa vaativat ihomuutokset tarkemmin niin, että ylimääräisten koepalojen ottamisen määrä vähenee ja ihosyövät voidaan tunnistaa mahdollisimman varhaisessa vaiheessa. Tarvitaan kuitenkin vielä kaikkia ihomuutostyyppejä sisältäviä isoja tietoaineistoja menetelmän validointiin ja kehittämiseen, sanoo Helsingin yliopiston väitöskirjatutkija ja HUSin Tulehduskeskuksen erikoislääkäri Lindholm.

Tutkimus selvitti myös ihosyöpien esiastemuutosten hoitoa

Ihon okasolusyövän ennaltaehkäisy sen esiastemuutosten, niin sanottujen aktiinisten keratoosien, fotodynaamisella terapialla (PDT) eli valoaktivaatiohoidolla on tehokasta, mutta hoito aiheuttaa usein kipua. Auringonvaloa hyödyntävä päivänvalo-PDT-menetelmä on lähes kivuton, mutta sen teho ei riitä paksuihin muutoksiin. Hoitomuoto vaatii yli kymmenen asteen ulkolämpötilan, joten tilalle on hiljattain tuotu sisätiloissa toteutettu simuloitu päivänvalo-PDT-hoitomenetelmä.

Lindholm arvioi väitöstutkimuksessaan kahden uuden laservälitteisen PDT-hoidon tehokkuutta pään alueen aktiinisten keratoosien hoidossa. Tutkimukseen osallistui 115 potilasta.

Eniten hyötyä tutkimuksessa saatiin fraktioituneen laserin käytöstä ennen simuloitua tai luonnonvalossa tehtyä päivänvalo-PDT-hoitoa. Fraktioitunut laser tekee ihon pintaan pieniä reikiä, ja tutkimuksessa se tehosti merkitsevästi päivänvalo-PDT:tä: hoidossa 86 prosenttia muutoksista parani, kun pelkän päivänvalo-PDT:n käytöllä vastaava luku oli 70 prosenttia.

– Yhdistelmä toimi myös paksuihin muutoksiin erinomaisesti, se oli jopa tavanomaista PDT:tä tehokkaampi, hyvin siedetty ja se voisi jatkossa olla ensisijainen valinta potilaille, joilla on laaja-alaisia tai paksuja aktiinisia keratooseja, Lindholm sanoo.

– Jatkossa tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta, joka selvittää laserin käyttöasetuksia, jotta sekä hoidon teho että siedettävyys paranevat edelleen, hän täydentää.

Fakta: Hyperspektrikamera tallentaa laajasti tietoa ihosta

• Tavanomaisessa valokuvan pikselissä on tietoa kolmesta eri aallonpituuden intensiteetistä, kun taas hyperspektrikamera tallentaa tietoa kymmenistä eri aallonpituuksista joka pikseliä kohden.
• Tieto valon intensiteetistä eri aallonpituuksilla tarjoaa graafimuotoisen spektritiedon, joka kuvaa tarkemmin esimerkiksi ihon koostumusta kuvatussa kohdassa.
• Ihon kuvantamisessa spektri riippuu erityisesti niin sanottujen kromoforien, kuten ihon melaniinin, hemoglobiinin, bilirubiinin, veden ja rasvan määristä. Spektri on siten joka ihomuutokselle yksilöllinen.
• Kuvan suuren tietomäärän vuoksi tuoreissa tutkimuksissa hyödynnetään tekoälymenetelmiä hyperspektrikameran tulosten analysointiin.

Väitöstutkimus on osa Suomen Akatemian RADDESS-ohjelman hanketta Spectral Imaging of Complex Surface Tomographies. Väitöstutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, HYKS-instituutti sekä HUS Tulehduskeskus.

LL Vivian Lindholm väittelee 8.12.2023 kello 12 Helsingin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa aiheesta "Methods for early diagnosis and preventive treatment of skin cancers - Hyperspectral imaging and laser-mediated photodynamic therapy". Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa HUS, Iho- ja allergiasairaala, Luentosali, Meilahdentie 2, 00250 Helsinki. Vastaväittäjänä on Professori Emerita Erna Snellman, Tampereen Yliopisto, ja kustoksena on Sirkku Peltonen.

Väitöskirja julkaistaan sarjassa Dissertationes Universitatis Helsingiensis. Väitöskirja on myös elektroninen julkaisu ja luettavissa Heldassa.

Lisätietoja:
Vivian Lindholm, LL, väitöskirjatutkija, Helsingin yliopisto, ihotautien ja allergologian erikoislääkäri, HUS Tulehduskeskus
vivian.lindholm@hus.fi