В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете разрабатывают новые технологии для ранней диагностики рака молочной железы неинвазивными методами СВЧ-томографии и биоимпедансной спектроскопии. Ученым удалось создать прототип измерительной установки и провести эксперимент. Работа проводится по госзаданию Министерства науки и высшего образования России. Об этом написало интернет-издание «Газета.ru».

Во всем мире наблюдается рост онкологических заболеваний. Ежегодно почти у 10 миллионов пациентов обнаруживают злокачественное новообразование. В России в структуре смертности рак занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний. Рост заболеваемости раком обусловлен различными факторами: образ жизни, факторы питания, старение населения. Кроме того, за последние годы недуг значительно «помолодел».

Рак молочной железы — самый распространенный вид рака у женщин. Как и другие онкологические заболевания, этот вид развивается в результате бесконтрольного деления и роста злокачественных клеток. Рак груди не только разрушает ткани, пораженные опухолью, но и наносит сокрушительный удар всему организму, как и любой другой вид рака.

В начале заболевания опухоль может «молчать» — протекать бессимптомно. Большую ценность в диагностике новообразований молочной железы имеют инструментальные обследования: маммография, УЗИ молочных желез или МРТ, КТ.

Женщинам средних лет следует обследоваться регулярно.

Отметим, если злокачественное новообразование обнаружить на ранней стадии, есть реальный шанс победить его.

Научный коллектив ПГУ — д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Математика и суперкомпьютерное моделирование» ПГУ Юрий Смирнов, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Информационно-вычислительные системы» Андрей Кузьмин, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Михаил Медведик, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Алексей Цупак, канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» Виктор Баранов, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Валерия Мартынова, аспирант Андрей Лапич — работает в этом направлении, разрабатывая безопасные неинвазивные методы обследования пациентов — метод микроволновой томографии (СВЧ-томографии) и биоимпедансной спектроскопии. Исследование рассчитано на три года по госзаданию Министерства науки и высшего образования России. За 1-й год им удалось разработать математическую модель и численный метод решения задачи, создать прототип измерительной установки для СВЧ-томографии, протестировать разработанные вычислительные алгоритмы и выполнить эксперименты. В этом году (2-й год работы) прошла первая апробация методики на фантомных объектах.

Большой недостаток существующих методов таких, как маммография, — лучевая нагрузка на организм. Многократные обследования пациента нежелательны. А наблюдать за ходом лечения нужно на постоянной основе.

Методы СВЧ-томографии и биоимпедансной спектроскопии не используют ионизирующего излучения. Под его действием повреждаются клеточные структуры, здоровые клетки могут переродиться в раковые. Доза ионизирующего излучения в год не должна превышать определенного порога.

Поясним. СВЧ-томография — это высококонтрастная реконструкция опухолей и обнаружение опухолей небольших размеров (менее 1 см). В мировой практике ученые давно работают в этом направлении. Однако достичь достаточной точности в диагностике, локализации и характере опухоли пока не удалось. Промышленного образца СВЧ-томографа в мире до сих пор не существует.

Чувствительность биоимпедансной спектроскопии основана на существенных различиях биоимпедансов (сопротивлений биологических тканей тела при прохождении электрического тока через них) нормальной ткани и опухоли.

В ПГУ удалось продвинуться в этом направлении. На базе вуза создали прототип измерительной установки для СВЧ-томографии. Кроме того, пензенским исследователям удалось совместить два многообещающих метода диагностики рака груди (СВЧ-томография и биоимпедансная спектроскопия). Они предполагают, что так обследования станут результативнее и информативнее.

Прототип измерительной установки для СВЧ-томографии состоит из специального прибора — векторного анализатора цепей, компьютера, принимающей и излучающей антенны, направленных друг на друга.

На штатив между двумя антеннами помещается исследуемый объект с неоднородностью. Векторный анализатор генерирует сигнал на одну антенну и принимает его на другой. Электромагнитное поле проходит через образец.

Первая задача ученых — измерять входной и выходной сигналы.

За время исследования объекта антенны вращаются, поднимаются и опускаются. Так, он «просвечивается» со всех сторон. Для восстановления неоднородности необходимо большое количество измерений. Вся полученная информация передается по кабелям на компьютер в цифровом виде. Далее за работу «принимается» математика. С помощью предложенных авторами проекта математических методов решается вспомогательная задача: отсеиваются шумы и всевозможные артефакты.

Научный коллектив для диагностики разработал двухшаговый метод решения обратной задачи, сделал выбор расчетных сеток в области неоднородности и выбрал базисные функции в проекционном методе. А также создал и протестировал программу для решения задачи двухшаговым методом, применив нейросетевую фильтрацию данных для устранения шумов.

Биоимпедансная спектроскопия, по словам ученых, также найдет применение в диагностике этой патологии. На базе вуза они создали измерительный комплекс, состоящий из емкостного датчика (стеклянная чаша), по кабелям он подключен к измерителю RLC. На компьютер будут поступать данные анализа объекта. Их проанализирует программное обеспечение. Как и в СВЧ-томографии, расчет произведут математические методы — ноу-хау пензенских ученых.

Он добавил, разработанные новые математические методы и пакеты прикладных программ помогут использовать СВЧ-томографию и биоимпедансную спектроскопию для диагностики рака молочной железы.

В ПГУ также провели два эксперимента. Фантомы на основе водно-солевого раствора и агара-агара с неоднородностью и без нее обследовали с помощью двух установок. Отметим, фантомы изготавливались приближенными к размеру молочной железы. Удалось обнаружить сравнительно небольшие по размеру неоднородности. По словам Юрия Смирнова, разработанные алгоритмические и программные средства сравнимы с зарубежными аналогами:

Так, без дополнительной лучевой нагрузки на организм в ближайшем будущем станет возможно выявлять на ранних стадиях рак молочной железы.

На разработки получено три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Ученые продолжают исследование. В планах — создать установку, которая объединит в себе два метода. По подсчетам исследователей, она будет недорогой, по сравнению с применяемым медицинским оборудованием. Следующий этап работы — проведение клинических исследований и производство промышленного образца.