Improving non-invasive diagnosis of skin cancer and blood diseases using photonic techniques

Abstract

(English) This thesis makes a significant contribution to the realm of medical diagnostics through the utilization of photonic technologies and emerging imaging modalities, leading to the creation of innovative approaches for diagnosing and monitoring skin and blooddisorders. As a contribution to the improvement of skin cancer diagnosis, a multispectral imaging system in the near-infrared range was constructed and calibrated, based on an InGaAs sensor with sensitivity spanning from 995 nm to 1613 nm. This system was coupled with a multispectral imaging system in the visible and near-infrared range (414 nm - 995 nm) and a three-dimensional imaging scanner. These photonic tools enabled the acquisition of three-dimensional profiles of the cutaneous lesions in addition to their multispectral images across a wide range of wavelengths, particularly in the near-infrared, where deeper penetration into the layers of the skin is achieved. The resulting dataset comprised hundreds of images of skin lesions, encompassing melanomas, nevi, and basal cell carcinomas. New spectral and morphological parameters were derived from three-dimensional profiles and multispectral images of skin lesions. Statistical and algebraic algorithms were applied to enhance sensitivity and specificity rates in the classification of these lesions. Additionally, deep learning techniques utilizing convolutional neural networks were incorporated, significantly improving the accuracy of lesion classification. In the domain of red blood cell disease diagnosis, confocal microscopy was utilized to investigate morphological, absorption, and fluorescence differences in red blood cells in conditions such as hereditary spherocytosis and thalassemia. It was observed that affected red blood cells exhibited autofluorescence when excited at 405 nm, with emissions detected within a spectral range extending from 425 nm to 790 nm. Furthermore, new immunostaining protocols for red blood cells and software for the automated detection of spherocytes in blood samples were developed, enhancing diagnostic

(Català) Aquesta tesi fa una contribució significativa a l'àmbit del diagnòstic mèdic mitjançant la utilització de tecnologies fotòniques i modalitats d'imatge emergents, i proposa nous enfocaments per diagnosticar i monitoritzar malalties de la pell i la sang. Com a contribució a la millora del diagnòstic del càncer de pell, es va construir i calibrar un sistema d'imatges multiespectrals a l'infraroig proper basat en un sensor d'InGaAs amb sensibilitat des de 995 nm fins a 1613 nm. Aquest sistema es va combinar amb un sistema d'imatges multiespectrals en el rang visible i infraroig proper (414 nm - 995 nm) i un escàner d'imatges tridimensionals. Aquestes eines fotòniques van permetre l'adquisició de perfils tridimensionals de les lesions de la pell a més de les imatges multiespectrals en un ampli rang de longituds d'ona, particularment a l'infraroig proper, on s'aconsegueix una penetració més profunda a les capes de la pell. El conjunt de dades resultant va incloure centenars d'imatges de lesions cutànies, abastant melanomes, nevus i carcinomes basocel·lulars. Es van obtenir paràmetres espectrals i morfològics de les lesions mitjançant el processat d'imatges multiespectrals i perfils tridimensionals. Es van aplicar algorismes estadístics i algebraics per millorar la sensibilitat i especificitat en la classificació d'aquestes lesions. A més, s'hi van incorporar tècniques d'aprenentatge profund basades en l'ús de xarxes neuronals convolucionals, aconseguint millorar la precisió de la classificació de lesions de forma significativa. En l'àmbit del diagnòstic de malalties de glòbuls vermells, es va utilitzar la microscòpia confocal per investigar diferències morfològiques, d'absorció i fluorescència en glòbuls vermells en malalties com l'esferocitosi hereditària i la talassèmia. Es va observar que els glòbuls vermells afectats exhibien autofluorescència quan s'excitaven a 405 nm, amb un emissió detectat al rang espectral des de 425 nm fins a 790 nm. A més, es van desenvolupar nous protocols d'immunomarcatge a glòbuls vermells i un programari per a la detecció automatitzada d'esferòcits en mostres de sang, cosa que va millorar l'eficiència del diagnòstic.

(Español) Esta tesis hace una contribución significativa al ámbito del diagnóstico médico mediante la utilización de tecnologías fotónicas y modalidades de imagen emergentes, proponiendo nuevos enfoques para diagnosticar y monitorear enfermedades de la piel y la sangre. Como contribución a la mejora del diagnóstico del cáncer de piel, se construyó y calibró un sistema de imágenes multiespectrales en el infrarrojo cercano basado en un sensor de InGaAs con una sensibilidad que abarca desde 995 nm hasta 1613 nm. Este sistema se combinó con un sistema de imágenes multiespectrales en el rango visible e infrarrojo cercano (414 nm - 995 nm) y un escáner de imágenes tridimensionales. Estas herramientas fotónicas permitieron la adquisición de perfiles tridimensionales de las lesiones de la piel además de sus imágenes multiespectrales en un amplio rango de longitudes de onda, particularmente en infrarrojo cercano, donde se logra una penetración más profunda en las capas de la piel. El conjunto de datos resultante incluyó cientos de imágenes de lesiones cutáneas, abarcando melanomas, nevus y carcinomas basocelulares. Se obtuvieron parámetros espectrales y morfológicos de las lesiones mediante el procesado de imágenes multiespectrales y perfiles tridimenionales. Se aplicaron algoritmos estadísticos y algebraicos para mejorar la sensibilidad y especificidad en la clasificación de estas lesiones. Además, se incorporaron técnicas de aprendizaje profundo basadas en el uso de redes neuronales convolucionales, logrando mejorar la precisión de la clasificación de lesiones significativamente. En el ámbito del diagnóstico de enfermedades de glóbulos rojos, se utilizó la microscopía confocal para investigar diferencias morfológicas, de absorción y fluorescencia en glóbulos rojos en enfermedades como la esferocitosis hereditaria y la talasemia. Se observó que los glóbulos rojos afectados exhibían autofluorescencia cuando se excitaban a 405 nm, con una emisión detectada en el rango espectral desde 425 nm a 790 nm. Además, se desarrollaron nuevos protocolos de inmunomarcaje en glóbulos rojos y un software para la detección automatizada de esferocitos en muestras de sangre, lo que mejoró la eficiencia del diagnóstico.