Naukowcy z linii badawczej CIRI znaleźli sposób na szybsze obrazowanie tkanek biologicznych w podczerwieni. Zaproponowane przez nich rozwiązanie umożliwi szybszą diagnostykę pod kątem nowotworów dzięki odszumianiu. O opracowanej przez nich metodzie MNF2 można przeczytać na łamach periodyku "Chemometrics and Intelligent Laboratory System”. Dzięki temu odkryciu badacze znacząco zwiększyli możliwości pomiarowe z użyciem detektora matrycowego FPA dostępnego na stacji końcowej mikroskopii FT-IR na linii CIRI.

W obrazowaniu w podczerwieni (IR z ang. Infrared Imaging), kluczowym aspektem w analizie tkanek biologicznych jest czas niezbędny do wykonania pomiaru. Ma to szczególne znaczenie pod kątem diagnostyki nowotworów w tkankach przy użyciu tej techniki – gdzie może znaleźć ona zastosowanie jako alternatywa dla konwencjonalnych barwień histopatologicznych a także wsparcie dla histopatologów w rozpoznaniu choroby. Jednym z zabiegów wykonywanych w celu skrócenia czasu pomiarowego jest zmniejszenie liczby mierzonych skanów do np. 4 jak ma to w miejsce w przypadku naszych badań nad klasyfikacja tkanek, zamiast typowo używanych 128 lub 64 skanów. Wpływa to oczywiście na zwiększone „zaszumienie” sygnału. Jednakże dzięki zastosowaniu metod wstępnego przetwarzania danych, a dokładnie usuwania szumu, można uzyskać dane jakościowo porównywalne do tych mierzonych z dużą liczbą skanów. Jedną z takich metod zyskująca popularność wśród badaczy zajmujących się obrazowaniem IR jest metoda Minimum Noise Fraction (MNF).  Metoda ta oparta jest o obliczenie rozkładu wektorów i wartości własnych (ang. eigen value decompostion), co ważne w pierwszym kroku obliczana jest macierz szumu. Oszacowanie to wykonywane jest poprzez odjęcie sygnału pochodzącego z sąsiadujących pikseli zakładając że nie różnią się one pod kątem składu chemicznego – jedyną różnicę powinien stanowić szum. Jednakże jak pokazali w swojej publikacji naukowcy jest to bliskie prawdy tylko w układzie pomiarowym o maksymalnej rozdzielczości przestrzennej. W związku z tym zaproponowali rozwiązanie tego problemu (nazwane MNF2) polegające na pomiarze próbki (tkanki nowotworowej piersi) sekwencyjnie tzn. wykonywane są dwa pomiary po dwa uśrednione skany każdy. Pozwoliło  to na oszacowanie macierzy szumu poprzez odjęcie sekwencyjnych pomiarów – odejmowany jest sygnał dokładnie z tych samych pikseli i szacowanie szumu jest teraz niezależne od rozdzielczości przestrzennej Zaproponowana metoda MNF2 poprzez minimalną modyfikację kroku zbierania danych, eliminuje rozmycie sygnału podczas odszumiania, co ma wpływ na poprawę rozdzielczości przestrzennej oraz ich prawidłową interpretację. Metoda ta znacząco zwiększa możliwości pomiarowe z użyciem detektora matrycowego FPA dostępnego na stacji końcowej mikroskopii FT-IR na linii CIRI.

Rys. Po lewej stronie przedstawiono biopsję igłową piersi zobrazowaną za pomocą FT-IR, z trzema interesującymi obszarami tkanek: martwicą, krwią i włóknem. Po prawej stronie pokazane są widma FT-IR (pochodzące z pikseli oznaczonych wypełnionymi kwadratami), w celu wizualnego porównania efektywności metod odszumiania.

Autor: Danuta Liberda-Matyja

Link do publikacji: D. Liberda-Matyja, T. Wrobel, New resolution independent approach to noise estimation in Minimum Noise Fraction denoising of tissues measured with Infrared Imaging, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 244, 105042(2023) doi: 10.1016/j.chemolab.2023.105042

Badania zostały wykonane w ramach grantu NCN (2019/35/N/ST4/01809).