CC BY
2The scientific heritage No 12 (12),2017 Список лггератури
1. Безруков В.М., Руководство по хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии./ Робустова Т.Г.- Медицина., 2000. - С 487.
2. Бернадский М., Основы челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. - 2003 -С 416.
3. Слободской А.Б., Оптимизация чрескост-ного остеосинтеза при переломах костей конечностей с помощью современных компьютерных технологий / Островский Н.В. - Хирургия., 2008. - № 4. - С. 53-57.
4. Reilly D. T., The elastic and ultimate properties of compact bone tissue / Burstein A. H. - Biomechanics. 2015. - Vol. 8. - P. 393-405.
5. Khoury F., Bone Augmentation in Oral Implan-tology/ Antoun H., Missika P. - Quintessence publ., 2007 - P. 241-259.
6. VRML Models from The Titanium Bone Project [Электронный ресурс]/ Texas: University of Texas at Austin, - 2014. - Режим доступа: https://web-space.utexas.edu/reyesr/titanium/3D models.html.
Зубчук В.И.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», к.т.н, доцент кафедры биомедицинской инженерии
Кондрацкий Ю.Н.
Национальный институт рака, к.м.н, заведующий отделением опухолей пищевода,
желудка и реконструктивной хирургии
Орел В.Э.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», д.б.н, профессор кафедры биомедицинской инженерии Национальный институт рака, заведующий научно-исследовательской лаборатории медицинской
физики и биоинженерии Шатохина К.С.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени
Игоря Сикорского», студентка Якимчук В. С.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», к.т.н, старший преподаватель кафедры биомедицинской кибернетики
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПИРАТОРНОГО ВОЗДУХА БОЛЬНЫХ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
РАКА ЛЕГКИХ
RESEARCH OF EXPIRATORY AIR OF PATIENTS FOR DIAGNOSTICS OF LUNG CANCER
ZubchukV.I.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Candidate of Engineering Sciences, associate Professor of FBMI.
Kondratskyy Y.N.
National Cancer Institute Ukraine, Candidate of Medical Sciences, Head of the Division of tumors of stomach, esophagus and reconstructive surgery.
Orel V.E.
National Cancer Institute Ukraine, Doctor of Biological Sciences, Professor at the Department of Biomedical Engineering, Head of the laboratory of medical physics and bioengineering.
Shatokhina K.S.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», student.
Yakymchuk V.S.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»,
Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer.
АННОТАЦИЯ
Летучие и нелетучие соединения, содержащиеся в экспираторном воздухе, могут стать естественными экспресс-биомаркерами большинства ряда болезней, включая и легочную онкологию. Поэтому принципиально важно создать экспресс-диагностику болезней посредством использования дыхательной системы человека. Одной из таких систем является устройство типа «Электронный нос», разработанное в КПИ имени Игоря Сикорского, которое содержит набор электрохимических чувствительных сенсоров для газов O2, NH3, CO2, NO, NO2, H2S, HF. Технология апробирована на 2 группах: группе больных раком легких (пациентов Национального института рака) и контрольной группе практически здоровых людей из КПИ имени Игоря Сикорского. Общая выборка пациентов составила 31 испытуемых, среди которых 17 мужчин и 14 женщин в возрастном диапазоне 53-60 лет. В исследуемых группах выявлена статистически значимая разница по трем показателям: HF, CO2 и NO. В результате корреляционного анализа определена умеренная положительная связь высокой степени значимости между уровнем NH3 и NO2, а также NH3 и H2S.
ABSTRACT
Volatile and non-volatile compounds contained in expiratory air can become natural express biomarkers of most diseases, including pulmonary oncology. Therefore, it is of fundamental importance to create express diagnostics of diseases through the use of the human respiratory system. One of such systems is the «Electronic nose» type device developed in National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», which consists of a set of electrochemical gas sensors: O2, NH3, CO2, NO, NO2, H2S, HF. The technology was tested in 2 groups: a group of patients with lung cancer patients of the National Cancer Institute and a control group of practically healthy people from the Igor Sikorsky Kyiv polytechnic institute. The total sample consisted of 31 subjects, including 17 men and 14 women in the age range of 53-60 years. In the study groups, a statistically significant difference was found in three indices: HF (p = 0.000), CO2 (p = 0.002), and NO (p = 0.002). As a result of the correlation analysis, a moderate positive relationship of a high degree of significance was determined between the level of NH3 and NO2, as well as NH3 and H2S.
Ключевые слова: электрохимические сенсоры, «электронный нос», патология легких, экспресс-диагностика.
Keywords: electrochemical sensors, the «electronic nose», pulmonary disease, rapid diagnosis.
Легочные заболевания, в частности, легочная онкология, является одной из актуальных проблем современности. Рак легких занимает первое место среди всех злокачественных опухолей. По информации Национального реестра рака, в Украине по состоянию на 2015 г. общее количество случаев заболевания составило 12982 мужчин и женщин. После установления диагноза примерно 15% лиц с раком легких имеют 5-летнюю выживаемость. Общее количество умерших в Украине в 2015 г. больных с раком трахеи, бронхов и легкого составила 10 235 [4] мужчин и женщин. На момент диагностирования, болезнь очень часто имеет позднюю стадию. Это объясняется отсутствием или неполной реализацией скрининговых программ, поздней диагностикой и ограниченным доступом к стандартам лечения. Одна из главных проблем — позднее обнаружение патологии. В Украине приблизительно половина пациентов обращается на поздних стадиях, половина — на более ранних. При ранних обращениях выживаемость очень высокая. Чем позже пациент обращается, тем меньше у него шансов на полное излечение и тем больше составляют затраты на его лечение. Ведь терапия рака на поздних стадиях (третьей или четвертой) очень дорогостоящая. Поэтому весьма актуальным является необходимость создания метода экспресс-диагностики состояния человека, который позволит выявить наличие патологий на ранней стадии болезни.
Большинство методов диагностики онкологии являются инвазивными, что накладывает на пациентов дополнительные факторы опасности, такие как инфицирование, неспособность выявить патологию на ранних стадиях и большая стоимость обследования. Решением может стать неинвазивная технология обследования на основе, например, анализа выдыхаемого (экспираторного) воздуха. Наибольшая диагностическая значимость анализа экспираторного воздуха отмечена при заболеваниях органов дыхания. С физической точки зрения экспираторный воздух представляет собой аэрозоль со взвешенными жидкими частицами, который переносит растворенные в нем летучие и нелетучие соединения. Изучение химического состава экспираторного воздуха информативно, так как в нем содержится более 600 летучих и нелетучих органических соединений, около 20-ти из которых наиболее
чувствительны к изменению состояния организма. Таким образом, анализ химического состава выдоха базируется на гипотезе, что изменения концентрации химических веществ в экспираторном воздухе, сыворотке крови, легочной ткани и брон-хоальвеолярной жидкости однонаправленные [2].
Используемые в настоящее время методы исследований химического состава выдоха должны обладать рядом характеристик, таких как концентрационная чувствительность, точность и скорость анализа. Существенным является объем газовой пробы, селективность анализа, необходимость предварительного обогащения и разделения, специфика отбора пробы, необходимость неразрушения объекта в процессе анализа.
В связи с этим, только некоторые физико-химические методы определения концентрации газообразных веществ нашли применение в этой области исследований. Среди них газовая хроматография, масс-спектрометрия, совмещенная с газохроматографическим распределением, УФ-хемилюминесценция и ИК-спектроскопия, электрохимические сенсоры. Последние применяются для регистрации неорганических газообразных соединений типа O2, CO, CO2, NO, NO2, H2S, SO2, HCN, HCl, Cl2 и используются для исследований, требующих компактности и автономного питания.
К основным ограничениям в клиническом использовании известных методов анализа дыхания можно отнести отсутствие рекомендованных принципов в отборе выдыхаемого воздуха и много вариаций методов статистического анализа полученных результатов измерений [1].
Таким образом, система анализа экспираторного воздуха должна соответствовать набору определенных требований, таких как: быстродействие, объективность, оперативность, дешевизна, высокая чувствительность и отсутствие влияния на обследуемого. Именно такой набор характеристик присущ устройствам типа «Электронный нос».
Селективный газоанализатор типа «Электронный нос» (ЭН) - это мультисенсорная система распознавания компонентов смесей, которые находятся в выдыхаемом человеком воздухе. Он регистрирует концентрации газовых компонентов в пробе, отражает динамику изменений сигналов в
режиме реального времени и сохраняет всю информацию в базе данных [7]. В общем виде селективный газоанализатор (рис.1) является программно-аппаратным комплексом [5].
Рис. 1. Общий вид селективного газоанализатора: 1. Контейнер с пробой;2. Влагопоглотитель, разработанный специально для этого набора датчиков; 3. Набор селективных сенсоров; 4. Пробоотборник; 5. Блок измерительных усилителей сигналов от сенсоров; 6. Аналого-цифровой преобразователь; 7. Компьютер с системой управления, визуализацией сигналов датчиков и базой данных.
Комплекс (рис.2) состоит из набора селективных сенсоров (С1 ... Сп), которые через усилители (У1 ... Уп), управляемый аналоговый мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
подключаются к компьютеру для регистрации и отображения результатов измерения, формирования базы данных по результатам измерений и сопроводительной информации.
Рис. 2. Функциональная схема комплекса
В программно-аппаратном комплексе используются сенсоры анализа О2, ЫНз, СО2, N0, N02, ОТ (рис. 3), разработанные на кафедре технологии электрохимических производств химико-
технологического факультета КПИ им. Игоря Сикорского. В их основе лежит электрохимическая система с твердым протонпроводным и матричным электролитом.
Рис. 3,a. Конструкция двухэлектродного сенсора
Рис. 3, б. Конструкция трехэлектродного сенсора
Твердотельные электрохимические ячейки сенсоров включают рабочие 7 и вспомогательные 12 электроды, а в случае трехэлектродного сенсора - и электрод сравнения 18, разделенных сепараторами 6. Ячейки фиксируют в обоймах диэлектрика 5 с токоотводами из титана 1, 14, 19 и монтируют в корпусах 11. В диффузных окнах 9 установлены защитные металлические сетки 8 и диафрагмы из пористого фторопласта 10, выполняющие функции калиброванного диффузионного сопротивления и защищают ячейку от пыли и аэрозолей. Крепления ячеек в корпусе осуществляется с помощью диска из диэлектрика 4, герметизирующей прокладки 3, контактной площадки 13 и стопорного кольца 2. Токоподводы соединены с внешними штекерами 15, 21, к которым подключают измерительные устройства. Измеренное милливольтметром 17 падение напряжения на резисторе 16 является мерой силы тока, протекающего между электродами двух-электродного сенсора. В трехлэлектродном сенсоре потенциостатическое устройство поддерживает заданный потенциал рабочего электрода сравнения и
измеряет силу тока между рабочим и вспомогательными электродами [6].
Сенсоры характеризуются малым временем отклика (от 10 до 40 секунд) и высоким разрешением. Чувствительность таких сенсоров существенно отличается для различных типов газов и имеет порядок К = (0.001 ... 1) мкА/ppm.
Описанная методика апробирована на 2 группах испытуемых: группа пациентов Национального института рака с диагнозом - рака легкого, и контрольной группы практически здоровых людей - из КПИ им. Игоря Сикорского.
Полученные экспериментальные данные обработаны в пакете IBM SPSS Statistics 22.0.
Статистический анализ проводился на выборке из 2 групп: 20 пациентов Национального института рака (4 пациента - с подтвержденным диагнозом «рак легких», 16 пациентов - с предварительным диагнозом «рак легких») и контрольной группы из 11 практически здоровых людей. Общая выборка составила 31 испытуемых, среди которых 17 мужчин и 14 женщин. Все данные измерений
разделены на две поло-однородные возрастные группы: группа лиц с раком легких составляет 20 человек (64,5%) из них 10 мужчин (50,0%) и 10 женщин (50,0%), контрольная группа составляет 11
Определен средний возраст в двух группах (табл.
Доверительный интервал принят на уровне 95%, при р <0,05 значения показателей принято считать статистически значимыми. В результате проведенного теста Колмогорова-Смирнова обнаружено, что нормальному распределению соответствует все показатели, кроме показателя кислорода (02).
В дальнейшем в статистическом анализе для 02 используются непараметрические тесты, для всех остальных параметрические.
С помощью статистического анализа можно проверить существование различий между показателями химических сенсоров для двух групп. Для
Анализ различий значений показателей выдоха (табл.3) обнаружил статистически значимую разницу по трем показателям: для ОТ (р = 0,000), СО2 (р = 0,002) и N0 (р = 0,002) среднее значение между больными и практически здоровыми значительно отличается. Возможным фактором влияния на зарегистрированные изменения - уменьшение
человек (35,5%) из них 7 мужчин (63,6%) и 4 женщины (36,4%). Проанализировано отобранное количество лиц и процентное соотношение по каждой исследуемой группе (табл. 1).
Таблица 2.
этого рассчитываем описательную статистику и применяем критерии для расчета значимости р, используя тесты ^критерий равенства средних Стью-дента.
Внутри исследуемых групп (20 человек с раком легких и 11 практически здоровых человек) (табл. 3) сравнивались различия между полученными показателями электрохимических сенсоров обследуемых с раком легких и показателями практически здоровых испытуемых.
Таблица 3.
уровней С02 и N0 в экспираторном воздухе больных раком легкого относительно практически здоровых людей, могут быть нарушения в оксидном обмене организма больных раком легкого [3]. Касательно изменений ОТ - для интерпретации полученных результатов планируется провести дополнительные исследования.
Таблица 1.
Частотные характеристики обследуемых_
Диагноз Мужчины Женщины Всего
n % n % n %
Пациенты с раком легких 10 50 10 50 20 64,5
Здоровые 7 63,6 4 36.4 11 35.5
Всего 17 54,83 14 45.17 31 100
Средний возраст обследуемых
Диагноз n Средний возраст Min Max
Рак легких 20 53,58 33 68
Здоровые 11 60,64 51 76
Всего 31 57,11 42 72
Анализ различий значений показателей выдоха
Показатель Рак легких Здоровые р
O2, мкА** 0,05 ± 1,07 (-1,90598; 1,24711) -0,09 ± 0,9 (-1,90598; 0,43519) 0,722
NO2, мкА -0,09 ± 0,77 (-1,51877; 1,25073) 0,15 ± 1.34 (-1,42940; 2,41187) 0,53
NH3, мкА -0,2 ± 1,02 (-2,63586; 1,19657) 0,35 ± 0,9 (-0,71963; 2,30984) 0,145
NO, мкА -0,4 ± 0,75 (-1,57929; 0,70728) 0,7 ± 1.02 (-0,43625; 2,48555) 0,002*
HF, мкА -0,49 ± 0,76 (--1,39819; 1,19844) 0,84 ± 0,79 (-0,13318; 2,39689) 0,000*
H2S, мкА -0,04 ± 0,94 (-1,34682; 2,25562) 0,07 ± 1.14 (-1,06032; 2,501251) 0,796
CO2, мкА -0,4 ± 0,71 (-1,62986; 0,77647) 0,69 ± 1.08 (-1,09867; 3,10611) 0,002*
* Разница статистически значима на уровне р <0,05;
** среднее значение ± стандартное отклонение (минимум; максимум).
Таблица 4.
Корреляция значений для сенсоров O2, NO2, NH3, H2S
O2 NO2 NH3 H2S
O2 Корреляция Пирсона 1,00 0,22 -0,15 -0,11
р 0,26 0,42 0,58
NO2 Корреляция Пирсона 0,21 1,00 0,596** 0,35
р 0,25 0,00 0,06
NH3 Корреляция Пирсона -0,15 0,596** 1,00 0,506**
р 0,42 0,00 0,00
H2S Корреляция Пирсона -0,10 0,35 0,506** 1,00
р 0,58 0,06 0,00
**. Корреляция значима на уровне 0.01 (2-сторон.).
В процессе корреляционного анализа была вы- степени значимости между уровнем МЫ3 и а явлена умеренная положительная связь высокой также и Н^.
Таблица 5.
NO HF CO2
NO Коэффициент корреляции 1,00 0,23 0,01
р 0,23 0,95
HF Коэффициент корреляции 0,23 1,00 0,18
р 0,23 0,33
CO2 Коэффициент корреляции 0,01 0,18 1,00
р 0,95 0,33
Согласно расчету, корреляция между значениями отсутствует. Уравнение логистической регрессии для сенсоров принимает вид:
у(х) = гзнр * 2.376 + гзсо2 * 2.712 - 1.317 Это уравнение можно использовать для определения возможности появления рака легких.
Выводы. Анализ химического состава экспираторного воздуха может стать альтернативой большинству методов диагностики легочных онкологий, в том числе и рака легких. В связи с этим широкое распространение приобретают неинвазив-ные методы исследования на основе газочувствительных сенсоров, к которым относится программно-аппаратный комплекс типа «Электронный нос». Устройство регистрирует концентрации газовых компонентов О2, ТО2, Ш, Ш2, ОТ, отражает динамику изменений сигналов в режиме реального времени и сохраняет всю информацию в базе данных.
В результате обработки результатов измерений обнаружены статистически значимые отличия у больных и здоровых по трем показателям - для ОТ ф = 0,000), ТО2 (р = 0,002) и N0 (р = 0,002). Корреляционный анализ выявил умеренную положительную связь высокой степени значимости между уровнем ЫН и N02, а также ЫН и H2S.
Анализ летучих органических соединений в экспираторном воздухе является весьма перспек-
тивным и может быть использован для создания диагностических и скриннинговых инструментов для выявления рака легких на ранних стадиях.
Список литературы
1. A. G. Dent, T. G. Sutedja, P.V. Zimmerman Exhaled breath analysis for lung cancer. J Thorac Dis 2013; 5(S5):S540-S550. doi: 10.3978/j.issn.2072-1439.2013.08.44.
2. Dweik R. Exhaledbreathanalysis: thenewfron-tierinmedicaltesting / R. Dweik, A. Amann // J. BreathRes. — 2008. — № 2; doi: 10.1088/17527163/2/3/030301.
3. Бурлака А.П., Сдорик Е.П. Радикальни формы кислорода и азота при опухолевом процессе. Киев. Научная думка.2006. - с.227
4. Бюлетень Нацюнального канцер-реестру № 18 - "Рак в УкраЫ, 2015-2016".
5. Зубчук В.1. Програмно-апаратний комплекс експрес^агностики на засадах електрохiмiчних сенсорiв / В.1. Зубчук, А.В. Кратiк, В.С. Яшмчук // Научно-практ. журнал «Биомедицискаяинжене-рия». - 2011. - №1. - С. 44-49.
6. Чвiрук В.П. Електрохiмiчний монiторiнг тех-ногенних середовищ / В.П. Чвiрук, С.Г. Поляков, Ю.С. Герасименко. - К: Академперюдика, 2007. -С. 242-245.
7. Якимчук В.С. Диагностика состояния больных с сердечно- сосудистыми заболеваниями с помощью показателей газообмена / Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. -№1/9 (61). - С. 44-48.
