Введение к работе
Актуальность проблемы. Число лиц, контактирующих с аллергенами на рабочих местах, значительно и не имеет тенденции к уменьшению. Часто профессиональный контакт работающих с аллергенами происходит через кожные покровы, что может вызывать профессиональные заболевания кожи аллергического характера, составляющие в индустриально развитых странах более 30% от общего числа профессиональных заболеваний (Halkier-Sorensen L, 1996; Diepgen Th.I., Coenraads P.J, 1999; Horwitz P.B., 2006).
В Российской Федерации в 1980-е годы профессиональные дерматозы составляли более 20% в общей структуре профессиональных заболеваний (Багнова М. Д., 1984). Однако в дальнейшем доля зарегистрированных случаев профессиональных дерматозов резко снизилась и в последние годы не превышает 2% (Информационный сборник «О состоянии профессиональной заболеваемости в Российской Федерации», ФЦГСЭН РФ, 2001). Такое снижение может объясняться малым числом специалистов, осуществляющих диагностику и лечение профессиональных заболеваний кожи, которые сконцентрированы преимущественно в немногочисленных НИИ гигиены труда (медицины труда), расположенных в крупных промышленных центрах (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, и др.). Консультации у таких специалистов для больных из отдаленных регионов Российской Федерации крайне затруднительны. В связи с этим проблема доступности высококвалифицированной специализированной помощи становится для ряда регионов все более острой.
В России около 90%> от общего числа регистрируемых профессиональных дерматозов составляют профессиональные аллергодерматозы (Измерова Н. И. и соавт., 1996). В связи с этим на первый план выходит задача своевременного выявления у работающих именно этой патологии.
Одним из перспективных способов повышения выявляемое профессиональных дерматозов, и, в частности, аллергодерматозов, а также групп лиц с высоким риском их возникновения, является использование современных информационных и телемедицинских технологий.
В настоящее время телемедицина во всем мире широко используется для повышения доступности квалифицированной медицинской помощи жителям отдаленных территорий (Григорьев А. И. и соавт., 2001, Кобринский Б.А., 2002, Coiera Е., 1997). При этом врач общей практики,' работающий в таком регионе, использует компьютер, оборудованный средствами ввода медицинской информации и подключенный к телекоммуникационным сетям. Как правило, точность диагностики заболеваний кожи, выявляемых с помощью телемедицинских консультаций, составляет от 75%> до 90% (Whited J.D., 2006), при этом была выявлена ее зависимость от модели камеры, регистрирующей изображения (Loane М. et al., 1998).
С целью диагностики и лечения профессиональных заболеваний кожи, в том числе аллергодерматозов, телемедицинские технологии до сих пор в
мире не использовались, так как это требует решения целого ряда научных и организационных вопросов. В частности, одним из наиболее важных вопросов, требующих решения для телемедицинской диагностики не только профессиональной, но и общей патологии кожи, является сравнение различных методов компьютерной обработки цифровых изображений кожи в клиническом контексте (Diepgen Th. L., Eysenach С, 1998). Кроме того, до настоящего времени не было опубликовано данных о влиянии характеристик цветопередачи цифровых фотокамер на диагностическую эффективность телемедицинских систем, несмотря на априорное предположение о том, что лучшие показатели их цветопередачи способны обеспечить более высокую достоверность телемедицинской диагностики.
В связи с этим актуальным является научное обоснование общих принципов телемедицинской диагностики профессиональных заболеваний кожи, включая разработку способов компьютерного анализа и обработки изображений кожи, а также оценки цветопередачи камер, используемых в телемедицине.
С учетом того факта, что диагностика профессиональных аллергодер-матозов базируется в основном на оценке результатов кожных аплергологи-ческих тестов с предполагаемыми промышленными аллергенами, необходимым условием телемедицинской диагностики профессиональных аллерго-дерматозов была разработка метода объективной дистанционной телемедицинской оценки результатов таких тестов.
Другой важной проблемой является оценка индивидуальной предрасположенности у лиц, работающих в контакте с аллергенами, к развитию ал-лергодерматозов. Одним из методов такой оценки служит анализ дерматог-лифических данных - изучение рисунка папиллярных линий на коже ладоней. Этот метод считается одним из наиболее доступных и информативных для определения наследственной предрасположенности к возникновению патологии кожи (Гарина Т.А. и соавт., 1978; Von Wittwer В. et al., 1970; Gruseck E. et al., 1992; Pour-Jafari H. et al., 2003). При этом наряду с традиционным методом анализа дерматоглифических данных с получением отпечатков ладоней на бумаге при помощи краски (Гладкова Т.Л., 1966), возможен и дистанционный вариант, когда цифровые изображения папиллярных линий ладони по телекоммуникационным сетям передаются для анализа специалисту. В связи с трудоемкостью ручного проведения дерматоглифического анализа, целесообразной является разработка программного обеспечения для его автоматизации. Несмотря на то, что автоматизированный анализ отпечатков пальцев с целью идентификации личности (например, в криминалистике, для ограничения доступа к компьютерным данным, и т.п.) применяется все более широко (Maltoni D. et al., 2003), компьютерные алгоритмы для оценки риска заболеваний кожи на основе анализа дерматоглифических признаков в литературе до настоящего времени не были описаны.
НИР выполнялась в рамках договора Нижегородского НИИ гигиены и профессиональной патологии с Минздравом России №740/098/008 «Научное обоснование критериев оценки риска, прогнозирования и принципов профи-
лактики развития неблагоприятных последствий в условиях воздействия на различные группы населения химического фактора производственной и окружающей среды», выполнявшегося в соответствии с заданиями отраслевой научно-технической программы на 1997-2000 гг. "Эколого-гигиенические проблемы безопасности России и пути их решения", а впоследствии в рамках договора с Минздравом России №006/098/001 «Мониторинг состояния здоровья различных групп населения с применением современных информационных технологий и научное обоснование мер профилактики заболеваний, вызываемых воздействием на человека факторов среды обитания и неблагоприятными производственными факторами», выполняемого в рамках отраслевой программы на 2001-2005 гг. «Системная разработка мероприятий по гигиенической безопасности России».
Цель научного исследования: Теоретическое обоснование и разработка методологии телемедицинской диагностики профессиональных аллергодерматозов на основе компьютерного анализа цифровых изображений кожи.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
Разработка алгоритма проведения телемедицинских консультаций для диагностики профессиональных аллергодерматозов.
Оценка диагностических возможностей телемедицинских консультаций в выявлении профессиональных аллергодерматозов.
Определение факторов, влияющих на точность телемедицинской диагностики.
Разработка метода оценки цветопередачи цифровых фото- и видеокамер и критериев выбора камер для применения в телемедицине.
Создание метода автоматической цветокоррекции изображений кожи.
Разработка метода дистанционной оценки результатов кожных ал-лергологических тестов и метода прогнозирования риска аллергодерматозов у работающих в контакте с аллергенами на основе компьютерного анализа дерматоглифических данных.
Научная новизна исследования. Впервые обоснованы научные принципы оценки цветопередачи цифровых фото(видео)камер для телемедицинских консультаций, учитывающие особенности восприятия изображений кожи экспертами-дерматологами и, в частности, преимущественную значимость для теледерматологии цветоискажений в красной и зеленой частях спектра. На этой основе создан метод объективной оценки пригодности камер для телемедицинской диагностики патологии кожи и разработан количественный критерий выбора камер для оптимизации качества изображений.
Впервые на основе научно обоснованных принципов оценки цветовоспроизведения разработан проблемно-ориентированный алгоритм цветокоррекции цифровых изображений кожи в целях повышения диагностической ценности изображений при дистанционном консультировании. Для реализа-
ции логико-вычислительных процедур анализа изображения и нормализации цветопередачи разработана компьютерная программа.
Впервые разработан комплекс методов для системы дистанционной диагностики профессиональных аллергодерматозов средствами телемедицины, включающий:
метод цветокоррекции цифровых изображений, оптимизирующий оценку врачами-консультантами поражений кожи, что ведет к повышению точности диагностики;
метод компьютерного анализа цифровых изображений кожных аллер-гологических тестов, позволяющий осуществлять дистанционную оценку результатов проведенных тестов и основанную на этом диагностику аллергопа-тологии, в том числе профессиональных аллергодерматозов;
метод оценки риска возникновения аллергодерматозов у работающих в контакте с химическими веществами с помощью компьютерного анализа дерматоглифических данных, позволяющий оценить индивидуальную предрасположенность работников к возникновению данной патологии.
Научно-практическая значимость. Разработанная система дистанционной оценки результатов кожного аллергологического тестирования и прогнозирования риска возникновения аллергодерматозов у работающих в контакте с химическими аллергенами на основе анализа дерматоглифических показателей применима в условиях практического здравоохранения.
Разработанные рекомендации по организации телемедицинских консультаций при профессиональных дерматозах могут быть использованы также и для дистанционной диагностики непрофессиональной патологии кожи.
Предложенные критерии выбора цифровых фото(видео)камер для проведения телеконсультаций значимы для организации системы телемедицинского консультирования.
Практическое применение разработанных рекомендаций позволит повысить доступность квалифицированной и специализированной помощи работникам промышленных предприятий отдаленных регионов страны при незначительных затратах.
Внедрение результатов исследования в практику. Результаты исследований используются в работе Нижегородского НИИ гигиены и профессиональной патологии Роспотребнадзора, Нижегородского регионального телемедицинского центра на базе Нижегородской областной клинической больницы им. Н. А. Семашко, НОУДПО «Институт информационных технологий «АйТи» (г. Москва), Московского НИИ педиатрии и детской хирургии Росздрава.
Апробация работы. Результаты научных исследований, положенные в основу диссертационной работы, были обсуждены на 14 научных конференциях и симпозиумах (в том числе 11 международных): на международном симпозиуме «Новое в патогенезе и лечении хронических заболеваний кожи и слизистых оболочек» (Москва, 21-23 апреля 1998 г.), двух международных конференциях «Телемедицина - международное сотрудничество в области здравоохранения» (Висбю, Швеция, 26-28 июля 1998 г. и 28-29 сентября 1999
г.), конференции «Кограф-98» (Нижний Новгород, 21 октября 1998 г.), международном симпозиуме «Лазеры в медицине '99» (Санкт-Петербург, 20-22 мая 1999 г.), международно]"! конференции «Современные аспекты телемедицины» (Москва, 18-19 мая 2000 г.), 12 ежегодной конференции Американского общества контактного дерматита (Вашингтон, США, 1 марта 2001 г.), 13 ежегодной конференции Американского общества контактного дерматита (Новый Орлеан, США, 21 февраля 2002 г.), Европейской конференции по медицинской и биологической инженерии (Вена, Австрия, 4-8 декабря 2002т.), VIII Международной конференции по медицинским аспектам телемедицины (Тромсё, Норвегия, 15-17 сентября 2003 г.), Первой научно-практической конференции Приволжского федерального округа «Телемедицина и современные медицинские технологии» (Нижний Новгород, 20-23 апреля 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в системе модернизации здравоохранения-2005» (Москва, 15-18 марта 2005 г.), Международной телемедицинской конференции «Med-e-Tel» (Люксембург, 06-08 апреля 2005 г.), VI международной конференции «Успехи и неудачи в телемедицине» (Брисбен, Австралия, 24-25 августа 2006 г.)
Апробация диссертации состоялась на заседании Ученого совета Нижегородского НИИ гигиены и профессиональной патологии (2004 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы, в том числе 1 монография, I пособие для врачей, 16 статей (в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 за рубежом) и 14 тезисов (в том числе 5 за рубежом).
Объем п структура работы. Диссертация изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 36 рисунков и 34 таблицы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы, описывающей объект и методы исследований, 6 глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы, включающего 173 источников (из них 61 отечественных и 112 иностранных).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Научно обосновано управление медицинской помощью на этапах диагностики профессиональных аплергодерматозов и выявление лиц с высоким риском развития этой патологии с помощью информационных и телемедицинских технологий.
Телемедицинские консультации, являются эффективным средством диагностики данной патологии.
Одним из существенных факторов, определяющим диагностическую эффективность телеконсультаций, является уровень цветоискажения цифровых фото(видео-)камер.
Цветоискажения красной и зеленой компонент изображений кожи (в противоположность цветоискажениям синей компоненты) являются наиболее значимыми для дерматологии. Разработанный с учетом этих данных ин-
деке цветопередачи (И1Д) является объективным показателем пригодности цифровых камер для использования в теледерматологии.
Автоматическая цветокоррекция цифровых изображений кожи обеспечивает повышение диагностической эффективности теледерматологических консультаций.
Для дистанционной оценки сенсибилизации к промышленным аллергенам целесообразно использовать цифровые изображения кожных компрессных тестов, а для оценки предрасположенности к развитию профессиональных аллергодерматозов может быть использован дерматоглифический анализ цифровых изображений ладонной поверхности кистей.
Исследование цветовоспроизведения 21 камеры (16 цифровых фотокамер и 5 видеокамер) производилось с помощью стандартной цветовой шкалы GretagMacbeth ColorChecker Color Rendition Chart. Точная колориметрия 24 цветовых полей данной шкалы была произведена с помощью прибора Minolta Chromameter. Для каждой из изучаемых камер было произведено 72 измерения показателей цветовоспроизведения, в общей сложности было выполнено 1512 измерений. Исследования продемонстрировали, что одними из лучших показателей цветопередачи обладал цифровой фотоаппарат Olympus D460Z, с помощью которого получено 30 тестовых изображений кожи больных, находившихся на амбулаторном обследовании или стационарном лечении в клинике ГУ «Нижегородский НИИ гигиены и профпатологии Минздрава России» (ННИИГП) в 2001-2002 гг.
Для оценки влияния искажений цветопередачи цифровых изображений кожи на их восприятие экспертами-дерматологами применялась специально разработанная нами компьютерная программа TEST, осуществлявшая случайное (на основе датчика случайных чисел) искажение цветов тестовых изображений кожи и, при демонстрации изображений кожи, автоматическую регистрацию оценок экспертов.
В качестве экспертов выступали 8 дерматологов (3 из США и 5 из России). Эксперты визуально оценивали качество цветопередачи предъявляемых им изображений кожи по пятибалльной шкале, при этом программой TEST регистрировалась как количественная информация о реальном цветоискаже-нии каждого изображения, так и субъективная оценка этого изображения, данная экспертом. Всего для 30 тестовых цифровых изображений кожи было получено 240 оценок цветопередачи.
Для изучения эффективности теледерматологической диагностики 30 тестовых изображений кожи были переданы зав. дерматологическим отделением ФНЦГ им. Ф. Ф. Эрисмана, доктору мед. наук И. В. Яцыной).
С целью изучения влияния автоматизированной цветокоррекции с помощью разработанной нами компьютерной программы Translmage на диагностическую эффективность теледерматологии было использовано 31 тесто-
вое изображение кожи. При этом 12 изображений из 31 не подвергались цветокоррекции, а цветопередача 19 других изображений были скорректирована специально разработанной компьютерной программой Translmage. Для каждого из тестовых изображений три врача-эксперта производили оценку качества цветопередачи изображения кожи по пятибалльной шкале, кроме того, на основании этих изображений врачами выставлялся предварительный диагноз (без каких-либо дополнительных анамнестических данных). Всего, таким образом, было получено 93 экспертных оценки изображений кожи. Поставленные экспертами диагнозы сравнивались с ранее известными диагнозами.
С целью разработки метода прогнозирования развития аллергодермато-зов нами было обследовало 116 работников, контактировавших на производстве с аллергенами: эпоксидными смолами, другими поли- и олигомерами, солями хрома, никеля и других металлов, медикаментами, фотореактивами и др. Возраст обследованных находился в пределах 18-60 лет, стаж работы в контакте с шілергенами - от 1 до 28 лет.
У 38 из обследованных (33% от общего числа) были выявлены аллерго-дерматозы (экзема, аллергический дерматит, крапивница), остальные 78, несмотря на работу в контакте с вышеперечисленными аллергенами в течение как минимум 1 года, аллергодерматозами не страдали.
Для объективного выявления аллергодерматозов у обследованных проводилось дерматологическое обследование по общепринятой методике. По показаниям (при наличии жалоб на аллергопатологию кожи) проводилось аллергологическое тестирование по методике Б.А. Сомова и А.П. Долгова (1976), с помощью постановки компрессных кожных тестов.
Для изучения возможности оценки результатов кожных тестов были использованы цифровые изображения 144 кожных компрессных теста у пациентов, подвергшихся кожному аллергологическому тестированию в клинике ННИИГП в 2000-2001 г. В качестве аллергенов использовались хром, никель, кобальт, антибиотики, витамины, смазочно-охлаждающие жидкости, эпоксидные смолы и др., в зависимости от характера трудовой деятельности обследуемых больных. Оценка аллергической реакции проводилась через 48-72 часа после постановки кожных тестов, согласно рекомендациям Б. А. Сомова и А. П. Долгова (1976). Цифровые изображения тестов были получены с помощью планшетных сканеров Primax Colorado и Primax 4800 Direct. В дальнейшем оценка изменения цвета кожи (степени эритемы) на участках постановки тестов производилась с помощью определения показателя Н («оттенок») на полученных цифровых изображениях с помощью компьютерной программы Adobe PhotoShop Elements.
С целью выявления особенностей дерматоглифики, характерных для лиц, предрасположенных к развитию аллергодерматозов, у всех обследованных было проведено дерматоглифическое обследование. Оценка основных типов дерматоглифических узоров на дистальных фалангах пальцев кистей (завиток, ульнарная или радиальная петля, дуга) производилась согласно методике, описанной Т. Л. Гладковой (1966). Однако вместо получения отпе-
чатков ладоней с помощью краски на бумаге нами производилось сканирование ладоней офисными сканером с последующим сохранением изображения ладоней на жестком диске компьютера.
Случайным образом из 116 обследуемых были отобраны 19 человек (каждый шестой из алфавитного списка), которые в дальнейшем были использованы для тестирования разработанного метода диагностики. Сам метод был разработан на основе обследования оставшихся 97 работников, которые составили так называемую «обучающую выборку».
Полученные данные клинических, инструментальных и лабораторных исследований обрабатывались на персональном компьютере Pentium 111 с помощью электронной таблицы Microsoft Excel 2002 и Stata 8.0 (среднее арифметическое, , ошибка среднего, критерий Стьюдента, критерий Фишера, коэффициент корреляции Пирсона, регрессионный анализ).
Обработка дерматоглифических данных проводилась с применением методики последовательного анализа по Вальду в модификации Е. В. Гублера (1990). Применённая методика последовательного анализа включала в себя следующие этапы:
сравнение частоты встречаемости каждого из дерматоглифических показателей в группе "больных" (имеющих аллергодерматозы) с частотой встречаемости того же показателя в группе "здоровых" (не имеющих аллергической патологии);
определение наиболее информативных показателей, частота встречаемости которых у "больных" и "здоровых" достоверно различалась (Р<0,05);
определение для каждого из информативных показателей прогностических коэффициентов (ПрК) по следующей формуле (Е. В. Гублер, 1990):
ПрК=51^,
где:
Р1 - частота показателя в группе "больных";
Р2 - частота показателя в группе "здоровых";
5 - эмпирический коэффициент.
4) сведение всех полученных ПрК в единую диагностическую таблицу и
проверка диагностического алгоритма на контрольной выборке, не совпа
дающей с обучающей выборкой.
Разработанные в процессе исследований компьютерные программы были созданы с применением системы визуального программирования Borland Delphi Enterprise 6.0.
