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. Исследования показали, что по тому, как отдельные клетки укладываются в мозаику, 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.

Рисунок 1. Анализ микрофотографии эпителиальной ткани с помощью компьютерного зрения. Источник: Daria Roshal et al. / Journal of Physics: Condensed Matter, 2024.

Авторы применили предложенный метод для анализа микрофотографий эпителия шейки матки. 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.

«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 руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Рошаль, кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ.

Релиз подготовлен совместно с Пресс-службой Российского научного фонда (РНФ).