Разработка передового оборудования для ранней диагностики рака молочной железы — вклад ученых ПГУ в борьбу с одним из самых тяжелых заболеваний XXI века.

Онкологическое заболевание молочной железы — этот пугающий диагноз перестанет быть приговором для тысяч женщин, если болезнь будет выявлена на ранней, подлежащей лечению стадии. Пока же картина далека от радужной: рак молочной железы сегодня остается одним из наиболее распространенных онкологических заболеваний. По официальной статистике, 18% всех россиянок, которым поставлен диагноз «онкология», страдают именно раком молочной железы. Несмотря на успехи мировой медицины, это, безусловно, трагедия для тысяч семей, поскольку смертность при данном заболевании по-прежнему остается высокой.

Существует распространенное и во многом справедливое мнение о том, что лучшим средством при лечении рака является его ранняя диагностика. Однако в отношении заболеваний молочной железы своевременная постановка диагноза остается проблемой — в первую очередь из-за отсутствия современных и эффективных методов диагностики. В настоящее время в мире в подавляющем большинстве случаев для диагностики рака молочной железы применяется рентгеновская проекционная маммография — дорогой и не совсем безопасный способ исследования женского организма.

В связи с этим в мире активно разрабатываются методы микроволновой томографии, или СВЧ-томографии. Именно эти методы являются сегодня оптимальными для ранней и эффективной диагностики рака молочной железы, поскольку позволяют обнаружить в тканях новообразования совсем небольших размеров — до 5 мм. То есть установить диагноз на ранней стадии, что в перспективе может дать более оптимистичные прогнозы при лечении болезни. Метод СВЧ-томографии безопасен, его можно производить многократно, не причиняя вреда здоровью пациентки. Это, безусловно, неоценимо для наблюдения за состоянием женщины в динамике процесса лечения.

Соответствующее оборудование, измерительная аппаратура (Network Analyzers) и экспериментальная установка, работающая в различных диапазонах частот, существуют и успешно применяются уже сегодня. Однако развитие самих технологий сдерживается отсутствием высокоточных математических численных методов, вычислительных алгоритмов и комплексов программ для решения вышеописанных задач. Создание подобных алгоритмов является одной из основных задач проекта «Разработка методов СВЧ-томографии для ранней диагностики рака молочной железы», который осуществляется на кафедре «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Пензенского государственного университета.

Коллектив ученых под руководством заведующего кафедрой, доктора физико-математических наук, профессора Юрия Геннадьевича Смирнова работает над созданием экспериментальной установки, которая функционирует на частотах от 1 до 5 ГГц. Устройство имеет антенну и приемник, который вращается относительно объекта. Значения параметров диэлектрической проницаемости и значения проводимости здоровых и больных тканей на этих частотах отличаются в несколько раз. Данная установка позволяет определять неоднородности размером менее 1 см. Измерения проводятся около 2 минут. Относительная погрешность измерений амплитуды поля составляет около 0.0001, а фазы — около 0.01. Расчеты по полученным данным проводятся менее 20 минут на обычном компьютере.

«Основной задачей математического моделированиия является обнаружение неоднородностей в ткани малых размеров (порядка 5 мм), используя результаты измерений дифрагированного поля приемником, расположенным вблизи объекта. Для подобного рода задач разработан и обоснован численный алгоритм с использованием метода объемных сингулярных интегральных уравнений, который является высокоточным методом для такого класса задач», — комментируют авторы проекта.

Предлагаемый метод уже прошел тестирование на различных частотах. Расчет на сетках больших размеров производится менее чем за 10 минут. Для восстановления неоднородностей (их формы и структуры) используются результаты решения соответствующей обратной задачи электродинамики. Разработан алгоритм, не требующий задания начальных приближений. При решении задач с помощью данного алгоритма восстанавливаются расположение и параметры неоднородностей размером от 0.5 до 1 см.

В задачу коллектива исполнителей проекта входили такие этапы, как разработка метода математического моделирования, позволяющего определять неоднородности небольших размеров с помощью измерений дифрагированного электромагнитного поля вблизи поверхности объекта; создание комплекса программ для расчета размеров и структуры неоднородностей с целью применения в СВЧ-томографии совместно с экспериментальной установкой для ранней диагностики рака молочной железы. Эти задачи разработчиками проекта выполнены. Кроме того, ими уже проведены эксперименты, показывающие возможность определения неоднородностей предложенным методом. Следующим этапом работ по проекту станет создание измерительной системы Mamacell system, позволяющей определять неоднородности в тканях с высокой точностью.

Таким образом, внедрение оборудования, в основу которого будет положена разработка пензенских ученых, в повседневную практику медицинских учреждений может дать надежду на успешное лечение и даже выздоровление многим российским женщинам, стремящимся победить страшный недуг.

Юлия Герасимова, Александр Михайлов

«Университетская газета», № 5 (1751) от 20 июня 2019 г.