CC BY
82
ДИАГНОСТИКА РАКА МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОМПЛЕКСА ОПТИЧЕСКОЙ БИОПСИИ
С.А.Бельков1, Г.Г.Кочемасов1, С.М.Куликов1, Н.В.Маслов1, С.В.Бондаренко1, Н.М.Шахова2,
И.Ю.Павлычева3, L.B. Da Silva4 1 Российский ядерный центр - ВНИИЭФ, г. Саров, Нижегородская обл. Россия,
belkov@otd13.vniier.ru.
2 ИПФ РАН, г. Нижний Новгород, Россия 3 Областной Онкологический центр, г. Нижний Новгород, Россия.
4 BioTelligent Inc., Livermore, CA, USA
Представлен диагностический комплекс оптической биопсии для ранней диагностики рака молочной железы. Описываются его особенности, методика первичной обработки данных, а также результаты клинических испытаний в Областном Онкологическом центре г.Нижний Новгород. С его помощью обследовано более 160 пациентов. Анализ спектров рассеяния, полученных в ходе клинических испытаний комплекса, позволил выявить их характерные особенности, позволяющие отличить ткани злокачественных опухолей от нормальных тканей и доброкачественных новообразований. Разработаны алгоритмы обработки оптических данных, которые дают значения чувствительности и специфичности метода 88% и 91% соответственно.
Введение
Рак молочной железы - наиболее распространенная форма рака у женщин. Более 200 000 женщин диагностируются ежегодно в США. При ранней диагностике рак молочной железы обычно может быть излечен комбинацией хирургии, химио и радиотерапии. Сегодня рентгеновская маммография остается номером один среди диагностических средств и примерно 48 миллионов маммограмм выполняется ежегодно. К сожалению, высокая чувствительность маммографии приводит к большому числу ложных прочтений, требующих проведения последующей инвазивной диагностической процедуры для взятия образца ткани. Наиболее часто применяется глубинная биопсия, при которой большая игла вводится в молочную железу (МЖ) и ею берется образец ткани. Затем патолог анализирует удаленную ткань и ставит диагноз. Только в США ежегодно выполняется более 1.5 миллионов глубинных биопсий МЖ, при этом в более чем 80 % случаев новообразование оказывается доброкачественным. Это означает, что более 1.2 миллионов пациенток подвергаются ненужной хирургической процедуре и волнениям. Хотя в настоящее время применяются альтернативные, менее травмирующие процедуры, такие как отсасывание тонкой иглой, высокий уровень ложно отрицательных диагнозов существенно ограничивает их приемлемость.
В клинических испытаниях было показано [1], что характеристики оптического рассеяния и поглощения чувствительны к типу ткани и ее состоянию. В [2] были продемонстрированы возможности использования контактного зонда в диагностике раковых тканей. В настоящем докладе описывается усовершенствованный комплекс для проведения оптической биопсии, клинические испытания которого проводились в Областном Онкологическом Центре г. Нижний Новгород.
Оптический зонд и диагностический комплекс
Инвазивный зонд, разработанный компанией BioTelligent Inc, представляет собой миниатюрную иглу, в которой размещены семь оптических световодов. По одному из них подается широкополосное оптическое излучение от источника излучения, в качестве которого используется ксеноновая лампа. Зонд вводится в молочную железу и подводится к подозрительному участку. Оптическое излучение рассеивается и поглощается в тканях, через которые проходит игла в процессе проведения диагностики, и собирается тремя световодами, отстоящими на различных расстояниях от источника (несколько сотен микрометров). Излучение
источника и рассеянное излучение подается по световодам в измерительную систему, представляющую собой блок из четырех спектрометров. Измерение спектра проводится с частотой 100-120 Гц, что обеспечивает сбор информации каждые 100 мкм при скорости введения иглы 1 см/с.
Такая конфигурация зонда и диагностической системы позволяет получить количественные характеристики оптического рассеяния и поглощения в различных тканях молочной железы. Общий вид диагностического комплекса и оптического зонда показан на рисунке 1 [3].
Рис. 1 Общий вид диагностического комплекса (слева) и оптического зонда (ручка с датчиком
давления и одноразовой иглой)
Клинические испытания и обработка данных
Клинические испытания комплекса проводились в Областном Онкологическом Центре г. Нижний Новгород. Согласно разработанному протоколу испытаний ход процедуры комментировался хирургом, проводившим диагностику, а сама процедура фиксировалась с помощью видеокамеры. Большое значение для последующего анализа данных, полученных в процессе диагностики, имеют моменты прохождения иглы через опухоль, которые определялись в ходе расшифровки видеозаписи по комментариям хирурга. После проведения процедуры проводилась постпроцессорная обработка данных с целью получения спектральных характеристик рассеяния и поглощения тканей молочной железы в каждом из трех каналов регистрации.
По окончанию оптической биопсии, проводилась стандартная биопсия с последующим цитологическим анализом образцов клеток опухоли. Если затем проводилась операция по удалению опухоли, то ткани опухоли подвергались также и гистологическому исследованию. На основании последних исследований ставился окончательный диагноз о типе опухоли.
Таким образом, на первом этапе анализа стояла цель определения основных оптических характеристик рассеяния излучения в различных тканях, выявление главных отличий спектров рассеяния в тканях злокачественных опухолей от нормальных тканей и доброкачественных опухолей. На данном этапе использовалась выборка данных по относительно небольшому числу пациентов. Примерно 10 пациентов с диагнозом рак и 10 пациентов с диагнозом доброкачественная опухоль.
Основной проблемой, возникающей при интерпретации рассеянного оптического сигнала, является высокий уровень шума. Существует несколько причин
возникновения шума. В первую очередь это изменения свойств оптического контакта между иглой и ручкой под действием случайных напряжений при движении иглы через ткани молочной железы. Кроме того, неизбежная неравномерность движения иглы может приводить к случайным вариациям оптических свойств среды в окрестности приемных световодов. Все это приводит к тому, что абсолютные значения интенсивности рассеянного излучения, собираемого приемным каналом, испытывает хаотические изменения во время движения иглы, что существенно затрудняет их дешифровку и интерпретацию.
Одним из приемов снижения влияния шумовой составляющей заключается в применении различных процедур усреднения первичных данных. Таким способом действительно удается значительно снизить долю шумовой компоненты. Полученные после обработки спектры уже позволяют различить ткани различной структуры и выявить основные отличия спектров рассеяния в злокачественных и доброкачественных опухолях. На рис. 2 приведены примеры спектров рассеяния, усредненные по времени нахождения зонда в опухоли. На основании данной процедуры была проведена классификация спектров. Были построены шаблоны спектров рассеяния в злокачественных и доброкачественных тканях, которые затем использовались в алгоритмах автоматического детектирования.
wave length (rim)
Рис. 2 Примеры спектров рассеяния, усредненные по времени нахождения зонда в злокачественных
(mal.) и доброкачественной (ben.) опухолях.
Автоматическая процедура анализа данных оптической биопсии В связи с тем, что в ходе проведения диагностики объем данных для одного пациента составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч записей спектров рассеяния, то для построения эффективных алгоритмов автоматического детектирования важным вопросом является вопрос о предварительной фильтрации данных в потоке информации записанного на жесткий диск.
Для первичной фильтрации нами использовались данные датчика положения. Анализ показал, что гарантированно полезную информацию несут только записи, относящиеся поступательному движению иглы вперед в исследуемых тканях. Поэтому записи соответствующие обратному ходу зонда из анализа исключались. Данная процедура позволяет сократить объем данных почти в три раза.
В процессе дальнейшей обработки экспериментальных сигналов, как сказано выше, уровень шума снижался за счет усреднения спектров рассеяния по однородным участкам тканей. В настоящее время в нашем распоряжении имеется первичная классификация спектров злокачественных опухолей и спектров здоровых тканей и доброкачественных опухолей [4]. Последующий анализ выявил определенные недостатки, присущие такому методу подавления шумовой составляющей. Основная трудность связана с тем фактом, что участки ткани, по которым происходит усреднение, могут оказаться не вполне однородными. Особенно это справедливо для случая злокачественных опухолей, которые могут представлять собой образования сложной формы с включениями здоровой ткани. В этом случая характерные спектральные особенности раковых областей могут маскироваться здоровыми участками. По этой причине был разработаны новые алгоритмы идентификации спектров рассеянного излучения, основанные на использовании вейвлет анализа. Применение этих алгоритмов в анализе данных, полученных в ходе клинических испытаний, позволили получить значения чувствительности и специфичности методики 88% и 91% соответственно.
Данная работа была проведена при частичной финансовой поддержке Международного Научно-Технического Центра в рамках проекта МНТЦ №3075p.
1. J.R.Mourant, J.Boyer, A.Hielscher, and I.J.Bigio. (1996) Influence of the scattering phase function on light transport measurements in turbid media performed with small source-detector separations. Opt. Lett. 21, 546
2. I.J.Bigio, S.G.Bown, G.Briggs and et al. (2000) Diagnosis of breast cancer using elastic-scattering spectroscopy: preliminary clinical trials. J. of Biomedical Optics 5, 221
3. G.G.Kochemasov, S.M.Kulikov, V.N.Novikov, U.Kasthuri, L.B.Da Silva. (2007) Optical biopsy system for breast cancer diagnostics. 11th Mediterranean Conference on Medical and Biological Engineering and Computing. IFMBE Proceedings, Editors: Jarm-Kramar-Zupanic, Vol. 16, Ljubljana, Springer, 2007, p. 907.
4 N.Shakhova, I.Turchin, V.Kamensky, E.Sergeeva, G.Golubyatnikov, L.DaSilva, U.Kasthuri, I.Pavlycheva, S.Smetanina, A.Artifeksova, S.Belkov, G.Kochemasov. Novel optical spectroscopy system for breast cancer diagnostics. Report on BIOS 2007.
DIAGNOSTIC OF BREAST CANCER USING OPTICAL BIOPSY METHOD
S.A.Belkov1, G.G.Kochemasov1, S.M.Kulikov1, N.V.Maslov1, S.V.Bondarenko1, N.M.Shakhova2, I.Yu.Pvlycheva3, L.B. Da Silva4 1 RFNC-VNIIEF, BIOFIL Ltd, Sarov, Nizhny Novgorod reg., Russia 2 IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia 3 Regional Oncological Center, Nizhny Novgorod, Russia 4 BioTelligent Inc., Livermore, CA, USA
Optical biopsy diagnostic system for yearly investigation of breast cancer is presented. Its main characteristics and features are described and results of clinical trials in Regional Oncological Center of, Nizhny Novgorod are discussed. More then 160 patients were examined using this system. The optical scattering and absorption spectra (OSAS) data obtained during clinical trials were analyzed and main spectral features that poses us to distinguish cancer tissue from normal and benign one were found.
Automatic algorithms of treatment of OSAS data were developed and it was shown that sensitivity and specificity of the method can be achieved the value of 88 and 91 percents accordingly.
