Не ошибиться с диагнозом поможет радиотермометрия
Александр ЛОСЕВ,
директор Института математики и информационных технологий Волгоградского государственного университета
Чуть нам нездоровится, мы обычно хватаемся за градусник. Если термометр показывает 36,6, то облегченно вздыхаем — мы здоровы. Но все, оказывается, не так просто. Температурный диапазон человеческого организма не ограничивается 36,6. В разных частях тела показатели могут отличаться на несколько градусов, особенно при серьезных проблемах со здоровьем. Как извлечь из температурной картины тела полезную для доктора и его пациента информацию? Над этой проблемой работает команда лаборатории экспертных систем и интеллектуального анализа данных под руководством Александра ЛОСЕВА, доктора физико-математических наук, директора Института математики и информационных технологий Волгоградского государственного университета. Цель проекта, поддержанного грантом РФФИ, — управление качеством классификации в диагностике рака молочной железы по многомерным данным микроволновой радиотермометрии. «Поиск» узнал, как ученые превращают многочисленные цифры, характеризующие состояние человеческого организма, в правильный диагноз.
— Наши исследования, — поясняет Александр Георгиевич, — нацелены на разработку принципиально новых образцов аппаратуры, а также технологий медицинской диагностики, основанных на измерении, визуализации и анализе физических, химических и иных объективных показателей деятельности организма человека. Одновременно мы предлагаем новые подходы к ранней диагностике онкологических заболеваний, в частности, рака молочных желез. Одним из наиболее перспективных методов мы считаем микроволновую радиотермометрию.
— В чем ее суть?
— Она основана на измерении электромагнитного излучения органических тканей в микроволновом и инфракрасном диапазонах, что позволяет определять температуры на глубине нескольких сантиметров внутри тела человека. Количественная термометрия получила распространение после изобретения спиртового и ртутного термометров. Можно сказать, это первый метод количественной оценки одного из параметров жизнедеятельности организма с помощью специального инструмента.
Пример температурного поля молочных желез
Выяснилось, что совокупность значений температуры во всех точках тела человека (температурное поле) отличается достаточно большой изменчивостью. В печени это около 38 градусов, подмышкой — 36-37, на коже — 34, на кистях рук и коже стоп — 25-30, а на коже пальцев ног — 24 градуса. То есть температура в каждой отдельной точке в любой момент времени имеет свое характерное значение, и ее колебания — существенные. А теперь зададим себе вопрос: сможет ли кто-то, зная только температуру человека подмышкой, поставить ему диагноз? Конечно, нет. Но понять, что в организме что-то не так, вполне возможно, например, когда температура в этом месте больше 37 градусов.
Следующий важнейший этап метода связан с появлением инфракрасной термометрии. Он основан на измерении инфракрасного излучения тела человека. Также достаточно активно применяется, но обладает одним серьезным недостатком, а именно: инфракрасная термометрия измеряет только температуру кожи. Поэтому на основании ее данных крайне сложно построить адекватное пространственное термометрическое описание организма человека и, соответственно, обнаружить следы паталогических процессов.
Ситуация серьезно поменялась после появления микроволновой радиотермометрии, которая позволяет измерять температуру и на коже, и внутри тела. Реальное ее применение в медицинской практике стало возможным после разработки российскими исследователями ООО «Фирма РЭС» (Москва) в 1997 году микроволнового радиотермометра РТМ-01-РЭС, который позволяет проводить измерения кожной и внутренней температуры тела. К слову, по сей день этот комплекс не имеет серийно выпускаемых зарубежных аналогов. Создатели прибора смогли разработать датчик микроволнового излучения и антенну, которая способна работать без экранирования помещения, — это технически крайне сложная задача. Данные, полученные с помощью радиотермометра РТМ-01-РЭС, любезно предоставленные нам рядом российских онкологических центров, а также полученные в рамках выполнения проекта, являются в какой-то мере базой наших исследований.
— Как микроволновая термометрия может использоваться в диагностике, в чем ее достоинства и сложности применения?
— Наибольший интерес микроволновая радиотермометрия представляет для ранней диагностики. Известно, что уже на этапе, предшествующем злокачественному росту, происходит локальное повышение внутренней температуры (от 1 градуса и выше) тканей, а степень выраженности температурных изменений определяется в первую очередь степенью злокачественности опухоли. Таким образом, данный метод практически незаменим именно для раннего выявления злокачественных новообразований. Кроме того, он наиболее эффективен при обнаружении быстрорастущих, а, стало быть, наиболее опасных раков.
Наиболее трудной проблемой, препятствующей широкому распространению этого способа диагностики, является сложность анализа получаемой информации. Именно на разработку методов качественного и количественного анализов термометрических данных и направлены исследования нашего проекта.
Необходимо установить термометрические признаки, дать качественное и количественное описания их совокупностям. Это помогает поставить правильный диагноз и обосновать его. Ведь конечная цель наших исследований — создание компьютерного комплекса, способного с помощью методов искусственного интеллекта поставить правильный диагноз и объяснить его врачу.
Пример двумерного
диагностического признака
— Поясните, что такое термометрические признаки?
— Уже на первом этапе применения микроволновой радиотермометрии выяснилось, что, используя только значения температур в различных точках молочной железы, определить наличие заболевания практически невозможно. Более информативным оказался анализ не значений температур, а некоторых их отношений. В частности, это показатели, характеризующие изменение температуры в некоторых основных направлениях (от поверхности молочной железы внутрь, перпендикулярно поверхности железы, особенно в районе соска, также от соска в радиальном направлении к границе молочной железы и тела). В их числе можно указать величину термоасимметрии между «зеркально» расположенными точками правой и левой молочных желез, соотношение кожной и внутренних температур («внутренний градиент»), скорость изменения внутреннего градиента в некоторых «характерных» направлениях и ряд других характеристик. Все данные эффекты мы описали с помощью математических формул. Свои результаты опубликовали в нескольких российских журналах, статьи отправили и в зарубежные издания. Также мы использовали функции, которые определенным точкам молочной железы поставляют набор чисел. Эти числа показывают, есть аномалия или нет, если есть, то где она находится. Они позволяют дать количественное описание качественным свойствам температурных полей. Значения, которые принимают эти функции, дают крайне важную информацию как при принятии диагностического решения на основе алгоритмов искусственного интеллекта, так и при его обосновании. «Обоснование» означает объяснение врачу на понятном ему языке, где находится аномалия и почему мы так считаем. Дальше он сам принимает решение и ставит свой диагноз. Доктор, в принципе, может не согласиться с решением компьютерной системы. Но ему важно понять, почему температуры ведут себя аномально.
Наибольший эффект дает применение многомерных термометрических признаков. Что это такое? Температуры внутри молочной железы пациентки обозначаются неким набором чисел, которые определяют соответствующие точки многомерного пространства. То есть возможные аномалии температурных полей удается оценивать не по отдельности, а в комплексе. Например, одна координата такого пространства может характеризовать степень симметрии температур правой и левой молочных желез, а вторая — скорость изменения температуры левой молочной железы при движении от кожи внутрь тела. Нам удалось найти области внутри этих абстрактных пространств, более характерные для одного класса пациенток, например, больных раком. Мы их так и называем — «характерные области».
— Как вы предлагаете управлять качеством классификации в ранней диагностике рака молочных желез?
— В медицинской диагностике используют два основных критерия, с помощью которых оценивается любое исследование: чувствительность и специфичность. Чувствительность — вероятность того, что заболевшая будет диагностирована именно как больная. Специфичность — соответственно — вероятность того, что здоровая женщина будет диагностирована именно как здоровая.
Конечно, в идеале нужен метод, при котором и специфичность, и чувствительность были бы равны 100%. Но такого не бывает. Повышая чувствительность, мы автоматически понижаем специфичность и наоборот. Реальная ситуация такова, что в некоторых случаях важно не пропустить больного человека, даже при условии, что для некоторого количества здоровых будет поставлен неверный диагноз. Изменяя форму и размеры «характерных областей», мы даем возможность врачам, проводящим обследование, несколько увеличить чувствительность, незначительно уменьшая специфичность или наоборот. Это поможет повысить эффективность раннего обнаружения рака молочных желез.
— Будут ли результаты вашей работы использоваться на практике?
— Без сомнения. Скорее всего, на первом этапе к ним прибегнут специалисты онкологических центров. Очень надеюсь, что в недалеком будущем наши экспертные компьютерные системы будут применяться при традиционно проводимых на всех предприятиях и учреждениях медицинских профилактических осмотрах. Именно на этом этапе можно существенно увеличить эффективность ранней диагностики рака молочных желез. Сами измерения температур после небольшого обучения сможет провести любой врач. А первичный анализ полученных данных вполне можно доверить экспертной системе. Конечно, при ее положительном ответе на возможность заболевания пациента отправят на более тщательное обследование, уже к специалистам онкологам-маммологам. Именно в этом видится правильное применение нашего диагностического метода.
— Есть ли у вас научная команда?
— Да, конечно, есть. В Волгоградском государственном университете создана научная группа, которая занимается задачами использования методов искусственного интеллекта в медицинской диагностике. В нее входят профессора, преподаватели, научные сотрудники, аспиранты и студенты сразу нескольких кафедр, а также медики. Кроме того, наша группа имеет хорошие контакты с разработчиками «Фирмы РЭС», которая не только выпускает микроволновый радиотермометр, но и занимается научными разработками в области модернизации и создания нового термометрического оборудования.
— Ваши планы на будущее?
— Учить студентов, заниматься научными исследованиями. Могу гарантировать только одно: данную тематику мы не намерены бросать, она для нас — в какой-то мере социальный проект. Я понимаю, что страна вложила немало средств в подготовку и меня лично, и моих коллег. Нам следует как-то вернуть долг своей Отчизне, и мы это стараемся сделать.
Василий ЯНЧИЛИН
Нет комментариев