An approach to melanoma classification exploiting polarization information

Abstract

Malignant melanoma is the deadliest of skin cancers and causes the majority of deaths in comparison to other skin-related malignancies. Yet it is the most treatable type of cancer, thanks to its early diagnosis. Subsequently, early diagnosis is crucial for patient survival rate and numerous Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems have been proposed by the research community to assist dermatologists in early diagnosis. These systems are based on the most common skin imaging modality, cross-polarized dermoscopy. Cross-polarized dermoscopes (PD) allow for the visualization of the subsurface anatomic structure of the epidermis and papillary dermis and eliminate the specular reflection of the surface. Although this modality has been used extensively, the full potential of polarized measurements has not been realized in the field of skin imaging. This research first extensively analyzes different aspects of the automated classification of pigmented skin lesions (PSLs) and proposes a CAD system for automatic recognition of melanoma lesions based on the PD images. The proposed CAD system is evaluated over extensive experiments on two dermoscopic datasets. Later for further investigation of polarized imaging, a novel partial Stokes polarimeter system is proposed. This system is able to acquire polarized images of in-vivo PSLs and capture the epidermis and superficial dermal layers, where skin lesions are often originated. The polarized and dermoscopy properties of the acquired images are then analyzed to propose a new CAD system based on image polarimetry. The initial tests with the first prototype of Stokes polarimeter revealed the potential and benefits of such systems for providing additional information beyond RGB images acquired with PD devices. In order to acquire a wider clinical dataset and identify the drawbacks of the first prototype, this device is currently being used in the Melanoma Unit at the Clinic Hospital of Barcelona.

El melanoma maligne és el més mortal dels càncers de pell i provoca la majoria de les morts en comparació amb altres tumors malignes relacionats amb la pell. No obstant això, és el tipus més tractable de càncer, gràcies al seu diagnòstic precoç. Per tant, el diagnòstic precoç és crucial per a la supervivència dels pacients. Nombrosos sistemes de diagnòstic assistit per ordinador (CAD, de l’anglés Computer Aided Diagnosis) han estat proposats per la comunitat investigadora per ajudar als dermatòlegs en el diagnósstic precoç. Aquests sistemes es basen en la modalitat més emprada d’adquisició d’imatges de pell, la dermatoscòpia de polarització creuada (PD, de l’angl`es Polarized Dermatoscopy). La dermatoscòpia de polarització creuada permet la visualització de l’estructura anatòmica del subsòl de l’epidermis i la dermis papil·lar, eliminant les reflexions especulars de la superfíıcie. Tot i que aquesta modalitat ha estat utilitzada àmpliament, no tot el potencial de les mesures polaritzades ha estat aprofitat en el camp de la imatge de pell. Aquest treball de recerca analitza, en primer lloc, diversos aspectes de la classificació automatitzada de les lesions cutànies pigmentades (PSLs, de l’anglès Pigmented Skin Lesions) i proposa un sistema CAD per al reconeixement automàtic de lesions de melanoma en base a les imatges de PD. El sistema CAD proposat es va avaluar en el transcurs d’extensos experiments en dos conjunts de dades dermatoscòpiques. Posteriorment, en una investigació més extensa pel que fa a la formació d’imatges polaritzades, es proposa un nou sistema de partial Stokes polarimeter. Aquest sistema és capaç d’adquirir imatges polaritzades dels PSLs en viu, capturant l’epidermis i les capes d´ermiques superficials, on sovint s’originen les lesions de la pell. Les propietats de polarització i dermoscopia de la imatge són analitzades a continuació, proposant un nou sistema CAD basat en la imatge de polarimetria. Les proves inicials, amb el primer prototip d’Stokes polarimeter, han revelat el potencial i els beneficis de tals sistemes per proporcionar informació addicional més enllà de les imatges RGB adquirides amb dispositius PD. Per tal d’adquirir un conjunt de dades clíniques més ampli i identificar els inconvenients del primer prototip, aquest dispositiu s’està utilitzant actualment a la Unitat de Melanoma de l’Hospital Clínic de Barcelona.