1. Desarrollo de sistemas activos con bandas espectrales
específicas para detección precoz del cáncer de piel
Chávarri del Hoyo Leticia1, Ugarte Suárez Marta F.1, Briz Pacheco Susana2,
García López Enrique1 y Villaverde Valmaseda Ana Laura1.
1
Departamento de Electromecánica y Materiales. Universidad Europea de Madrid. marta.ugarte@uem.es
2
Departamento de Física. Universidad Carlos III de Madrid. sbriz@fis.uc3m.es
Resumen 2. Objetivos
En este trabajo se presenta el diseño de un sistema de Este trabajo tiene como objetivo presentar un
bajo coste que permite realizar el diagnóstico de algunas
sistema multiespectral específico para la detección
enfermedades dermatológicas en tiempo real. El sistema
precoz de enfermedades dermatológicas. El equipo
está basado en la selección de bandas espectrales donde
permite obtener información espectral en tiempo
la enfermedad presenta algún rasgo distintivo.
real a bajo coste, es de fácil manejo y de reducidas
Para ello se ha partido del estudio hiperespectral de dimensiones, y facilita la detección y seguimiento de
diversos tipos de pieles, sanas y enfermas. Atendiendo a enfermedades dermatológicas y de algunos tipos de
la respuesta espectral de la patología a detectar se ha cáncer de piel como el melanoma.
desarrollado un sistema de fuentes que proporcionan las
bandas de interés, para la aplicación seleccionada. Este
sistema además, está provisto de un sensor de imagen 3. Metodología
que capta la respuesta del paciente. La aplicación
informática diseñada para la adquisición y procesado de Para realizar el sistema propuesto se siguió el
imagen ha sido desarrollada en un entono LabVIEW. procedimiento siguiente:
1. Definición de las bandas de interés de la
1. Introducción enfermedad a diagnosticar.
2. Desarrollo de la tecnología necesaria para
En la actualidad existen diferentes sistemas ópticos obtener las bandas espectrales activas de
y optoacústicos que facilitan el diagnóstico de interés. Sistema Espectral con Bandas Activas
enfermedades dermatológicas y de algunos tipos de (ABSS, Active Band Spectral System).
cáncer de piel como es el melanoma maligno. 3. Software de adquisición y procesado de la
imagen adquirida por el sensor de imagen.
Entre estas herramientas se encuentran: la
Dermatoscopía (Microscopía de Epiluminiscencia)
que permite estudiar in vivo las estructuras 4. Resultados
anatómicas y los patrones de pigmentación de la
piel mediante la utilización de una lente de aumento 4.1 Definición de las bandas de interés, de la
[1]; la Espectroscopia de Reflectancia Difusa (DRS, enfermedad a diagnosticar.
Diffuse Reflectance Spectroscopy) que proporciona
el espectro de reflexión y con ello información sobre La absorción y dispersión de la radiación en los
los cromóforos de los tejidos así como de su tejidos cutáneos depende de la composición
morfología [2,3]; la Fotoacústica, que combina la bioquímica y estructura celular de los mismos,
sensibilidad de las imágenes ópticas con resolución fundamentalmente de la presencia de
de ultrasonido llegando a detectar estructuras Oxihemoglobina, Deoxihemoglobina y Melanina
tumorales profundas [4]; y los estudios realizados entre otros.
con Cámaras Hiperspectrales, técnica utilizada en Se ha demostrado que las propiedades ópticas [5]
este trabajo como base para realizar la de los tejidos malignos difieren de las de los tejidos
caracterización espectral de enfermedades sanos, lo que significa que algunas longitudes de
dermatológicas. onda específicas son absorbidas o reflejadas con
Sin embargo estos sistemas, en algunos casos, son más intensidad dependiendo de cada patología.
extremadamente caros, poco portables, requieren Este comportamiento selectivo permite realizar
de personal cualificado para su manejo y no diagnósticos fiables estudiando el comportamiento
proporcionan los resultados en tiempo real. Por este de la piel en las longitudes de onda específicas de
motivo, son de gran interés los dispositivos de la enfermedad. Los parámetros que determinan
diagnóstico en tiempo real que superan las dicho comportamiento diferencial tienen una base
desventajas citadas. microscópica (estructura secundaria de las

2. proteínas, conformación de los ácidos nucleicos,
etc.) y macroscópica (pigmentación, perfusión
tisular, etc.) [6,7,8].
Para poder identificar la longitud de onda en la que
una patología presenta un comportamiento
diferencial hay que hacer un estudio en todo el
rango de longitudes de onda (espectro), lo que en
espectrometría se denomina determinar la firma
espectral. Cuando este estudio espectral se realiza
sobre un área o plano se denomina espectrometría
de imagen. La tecnología que hace posible la
espectrometría de imagen son las cámaras
hiperespectrales, que proporcionan un espectro en
cada píxel de la imagen, o lo que es equivalente,
una imagen para cada longitud de onda (Figura 1).
La gran ventaja de esta tecnología es que añade
resolución espectral a la resolución espacial
habitual. A las imágenes resultantes se las
denomina Datacubos (Figura 1a), se trata de una
pila de imágenes que forma un volumen 3D en el
que hay dos dimensiones espaciales (ancho y alto)
y una dimensión espectral (fondo).
En el presente trabajo se utilizó la cámara
hiperespectral, “SpectraCube (Applied Spectral
Imaging)” como paso preliminar para el diseño del
sistema propuesto [9,10,11].
Figura 2. (a) Imagen espacial de la piel de un paciente
Figura 1. (a) Datacubo y (b) Firma espectral.
sano; (b) Imagen espacial de la piel de un paciente
La Figura 2 muestra un ejemplo de dos imágenes afectado de Psoriasis y (c) Firmas espectrales de
obtenidas con la cámara hiperespectral y ambos pacientes.
postprocesadas con el software ENVI (Environment La Figura 3 está compuesta de varias imágenes
for Visualizing Images), herramienta muy utilizada espectrales de una lesión de Psoriasis, que han sido
en teledetección que permite la interpretación de obtenidas con la cámara barriendo en un rango de
datos espectrales [10]. La Figura 2a, enmarcada en longitudes de onda entre 400 y 1100 nm. En 696 nm
color verde, es la imagen de la piel de un paciente (Figura 3b), se aprecian las lesiones escamosas
sano. La Figura 2b, enmarcada en color rojo, características de esta enfermedad. Otro rasgo
muestra la piel de una mujer afectada por Psoriasis. importante aparece en 555 nm (Figura 3c), donde
Junto a ambas figuras aparece su detalle ampliado se distingue perfectamente las fronteras de una
donde se observan los píxeles individuales. Una vez placa color rojo oscuro. Sin embargo, en muchas
seleccionados los píxeles de mayor interés se otras longitudes de onda, la lesión no es perceptible.
obtiene su firma espectral. La Figura 2c representa
las firmas espectrales de un pixel procedente de la De la misma forma, se puede aplicar la cámara
piel del paciente sano y de otro píxel perteneciente hiperespectral para identificar las longitudes de
a la lesión del paciente enfermo. Como se puede onda características de cualquier otra enfermedad
observar, existe una diferencia considerable entre dermatológica. El melanoma maligno es la
ambas. proliferación neoplástica maligna originada en los

3. melanocitos de la epidermis. Es por ello que los controlados tanto su banda espectral como su
estudios hiperespectrales para identificar las intensidad.
longitudes de onda específicas de esta enfermedad,
Es imprescindible lograr una iluminación uniforme y
están orientados a la banda espectral donde se
difusa en un amplio campo de visión, para lo cual
manifiesta la absorción de la melanina. Esta región
fue necesario manipular la superficie de emisores
está comprendida entre los 300 y 450 nm y
comerciales y emplear dispositivos de amplio ángulo
pertenece al Ultravioleta A [12,13].
de iluminación (120º). Lo que constituye un requisito
fundamental para poder hacer un estudio sobre un
escenario homogéneo [14].
Respecto a la banda espectral, no siempre se
encuentra en el mercado el emisor que coincida
exactamente con la banda espectral en que se
manifiesta la enfermedad. Para ello se desarrolló un
sistema de control de banda mediante dispositivos
Peltier que permite hacer pequeños barridos en
determinados rangos del espectro [15].
Tanto los emisores, el sensor de imagen, como la
electrónica de control se encuentran dentro una
carcasa protectora cuyas dimensiones son
150x80x45 mm, y peso 175 gramos (Figura 4). Para
Figura 3. (a) Imagen de una lesión de Psoriasis en banda garantizar una distancia fija a la piel y una
ancha visible, escala de grises; (b) Imagen de la misma intensidad lumínica constante, en la que la luz
lesión centrada en la longitud de onda de 696 nm. Se ambiental no interfiriera con el diagnóstico, el bloque
detectan las escamas blancas; (c) Lesión vista en la emisor-receptor se situó en un plano interior a una
longitud de onda de 555 nm donde se manifiesta la distancia de 2,7 cm respecto a los bordes de la
mancha color rojo oscuro y (d) Imagen en la longitud de carcasa.
onda de 429 nm en la que la enfermedad es
imperceptible.
4.2 Desarrollo la tecnología necesaria para
obtener las bandas activas de interés.
Sistema Espectral con Bandas Activas
(ABSS, Active Band Spectral System).
Aunque las cámaras hiperespectrales permiten
analizar el comportamiento en todo el rango
espectral, presentan varias desventajas: su alto Figura 4. (a) Esquema del Sistema Biespectral para
coste, su complejidad técnica y la necesidad de Diagnóstico de Enfermedades Cutáneas; (b)
utilizar una fuente de radiación externa. Por otro Fotografía del equipo completo.
lado, como se ha visto en el apartado anterior, no es
necesario un análisis en todas las longitudes de 4.3. Software de adquisición y procesado de la
onda, sino sólo se necesita observar las longitudes imagen adquirida por el sensor de imagen.
de onda características de la patología. Un sistema
diseñado ‘ad hoc’ para la patología concreta, podría El software ha sido diseñado específicamente para
ser un dispositivo de menor coste y menor el ABSS. Una de sus principales ventajas es que
complejidad técnica que permita el diagnóstico en puede ser manejado por cualquier persona sin
tiempo real. necesidad de ser especialista en tratamiento de
imagen. Se desarrolló en un entorno LabVIEW, el
El sistema biespectral de imagen con bandas cual ofrece una gran capacidad para el análisis y
activas (ABSS) desarrollado está formado por procesado de imágenes. De especial interés han
emisores que emiten radiación en las bandas sido los módulos NI-IMAQ (Vision and Motion) y en
espectrales de interés para la patología que se concreto el paquete Vision Assistant [14].
quiere estudiar y un sensor de imagen. Para el caso
del estudio del melanoma se utilizarían dos fuentes La captura de imágenes es el primer paso que
emisoras centradas en 337 y 445 nm [12, 13]. introduce la interfaz de usuario. Las imágenes
quedarán registradas en una carpeta destinada al
Los emisores son los encargados de radiar la piel fotodiagnóstico. En tiempo real se puede
en las mismas longitudes de onda definidas seleccionar el área de interés dentro de la imagen.
previamente con la cámara hiperpesctral (detección El software puede representar los datos de
activa). Estos emisores pueden ser configurados y diferentes formas, esto permite una mejor

4. interpretación de los mismos. A continuación (Figura Colon Polyps in Vivo”, Appl. Opt. 38, 6628-6637
5) se muestra un ejemplo de los análisis que (1999).
pueden realizarse con esta aplicación. [3] M. Cordo, J. R. Sendra, A. Viera, A. Santana Y S. M.
López Silva. “Diferenciación de Piel Sana y Lesiones
 Análisis espectral en niveles de RGB (Figura 5a) Cutáneas Pigmentadas Mediante Espectroscopía de
 Estudio de contornos en 2D y 3D (Figura 5b); Reflectancia Óptica Difusa”. 39 (4) 341-354 (2006).
 Estudios de la correlación, entre una zona [4] Skininspection. http://www.skinspection-
enferma y el resto de la imagen. (Figura 5c); fp7.eu/index.php?id=332
 Análisis de texturas (Figura 5d); [5] Georgios N. Stamatas1, Barbara Z. Zmudzka2,
 Estudio estadístico ofreciendo datos de Nikiforos Kollias1 and Janusz Z. Beer. “Non-Invasive
uniformidad en base a la desviación estándar y Measurements of Skin Pigmentation in Situ”. Pigment
datos de intensidad en relación al valor medio Cell Res 17: 618–626. 2004.
de unidades RGB (Figura 5e).
[6] J. J. Scarisbrick, C. D. O. Pickard, A. C. Lee, G. M.
Briggs, K. Johnson, S. G. Brown, M. Novelli, M. R. S.
Keshtgar, I. J. Bigio and R. Yu, “Elastic Scattering
Spectroscopy in the Diagnosis of Pigmented Lesions
Comparison With Clinical And Histopathological
Diagnosis”, Proc. Spie 5141, 147-156 (2003).
[7] R. Marchesini, N. Cascinelli, M. Brambilla, C.
Clemente, L. Mascheroni, E. Pignoli, A. Testori, and
D. R.Venturoli, “In Vivo Spectrophotometric
Evaluation of Neoplastic and Nonneoplastic Skin
Pigmented Lesions.Ii. Discriminant Analysis between
Nevus and Melanoma”, Photochem. Photobiol. 55,
515-522 (1992).
[8] Tosi G, Conti C, Giorgini E, Ferraris P, Garavaglia
Mg, Sabbatini S, Staibano S, Rubini C. Ftir
“Microspectroscopy of Melanocytic Skin Lesions: A
Preliminary Study”. 135(12):3213-9. 2010.
[9] http://www.specim.fi/products/spetral-imaging-
products/spectral-cameras.html
[10] http://www.exelisvis.com/ProductsServices/ENVI.aspx
[11] L. Chávarri. S.Briz y M.Ugarte. “Estudio espectral de
enfermedades dermatológicas tratamientos basados
en radiaciones en el infrarrojo cercano”. Revista:
Figura 5. (a) Histograma de la lesión en niveles de Respuestas .ISSN 1887-7268.2008.
RGB; (b) Estudio de contorno con tecnología en 2D;
(c) Estudios de correlación representado en 3D; (d) [12] Rajaram, Narasimhan; Aramil, Timothy J.; Lee, Kelvin
Estudio mediante texturas y (e) Datos estadísticos de ; Tunnell, James W.“Clinical Instrument for spectral
intensidad en el área de interés. diagnosis of cutaneous malignancy”, Advanced
Biomedical and Clinical Diagnostic Systems VI.
Edited by Vo-Dinh, Tuan; Grundfest, Warren S.;
5. Conclusiones Benaron, David A.; Cohn, Gerald E. Proceedings of
the SPIE, Volume 6848, pp. 68480R-68480R-10
En este trabajo se ha presentado la metodología de (2008).
trabajo y el desarrollo de un sistema de diagnóstico
[13] D. L. Farkas y D. Becker. “Applications of Spectral
de enfermedades dermatológicas en tiempo real. Imaging: Detection and Analysis of Human Melanoma
Este sistema espectral activo con bandas and its Precursors”. Pigment Cell Res 14: 2–8. 2001.
específicas (ABSS) es de bajo coste, fácil manejo y
permite sustituir para algunas aplicaciones los [14] E. García López. “Sistema Biespectral para
Diagnóstico de Enfermedades Cutáneas”. Proyecto
complejos y caros sistemas hiperespectrales de
Fin de Carrera. Universidad Europea de Madrid.
imagen. 2012.
[15] A. L. Villaverde Valmaseda. “Diseño del Dispositivo
Sensor para la Detección del Cáncer de Mama a
6. Referencias través de Tomografía Óptica Difusa”. Proyecto Fin de
Carrera. Universidad Europea de Madrid. 2012.
[1] M. Moncrieff, S. Cotton, E. Claridges and P. Hall,
“Spectrophotometric Intracutaneous Analysis: A New
Technique for Imaging Pigmented Skin Lesions”, Br.
J. Dermatol. 146, 448-457 (2002).
[2] G. Zonios, L. T. Perelman, V. Backman, R.
Manoharan, M. Fitzmaurice, M. S. Feld, “Diffuse
Reflectance Spectroscopy of Human Adenomatous