RU2276965C2 - Способ ранней диагностики опухолевых заболеваний молочной железы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицины, а именно онкологии, и может быть использовано для улучшения процедуры автоматизированного скрининга - массового профилактического обследования женского населения на наличие признаков опухолевых заболеваний молочной железы. Измеряют температуру поверхности молочных желез женщины при ее горизонтальном положении контактным методом во многих точках с помощью датчиков. Датчики размещают на общем матричном сенсоре и подключают к компьютеру для получения карты распределения температуры по поверхности молочных желез. Конструируют изображение карты на экране монитора с помощью компьютерной программы регистрации температурных показаний датчиков. Рассчитывают и оценивают диагностические параметры, по которым судят о наличии отклонения от нормы. Датчики матричного сенсора приводят одновременно с равным усилием в контакт со всей поверхностью обеих молочных желез. С помощью компьютерной программы регистрации температурных показаний датчиков с периодом в 1 секунду фиксируют кадры распределения температуры до достижения теплового равновесия в месте контакта. В качестве датчиков матричного сенсора используют телеметрические микропроцессорные интеллектуальные датчики. Датчики подключают к компьютеру через общую трехпроводную шину и размещают на матричном сенсоре с возможностью независимого осевого перемещения. Изобретение позволяет повысить точность восстановления температурных карт молочных желез, скорость формирования карт и, следовательно, достоверность скрининга с одновременным обеспечением полной безопасности обследования, компактности и мобильности аппаратуры. 4 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области медицины, а именно к онкологии, и может быть использовано для улучшения процедуры автоматизированного скрининга - массового профилактического обследования женского населения на наличие признаков опухолевых заболеваний молочной железы.

Уровень техники

Известно, что рак молочной железы (РМЖ) - ведущая причина женской смертности (И.Н.Дыкан. Передовые технологии диагностики рака молочной железы. - Здоровье женщины, 2003, 2(14), с.131-132 [1]). Ежегодно в мире регистрируется более полумиллиона новых случаев РМЖ. В частности, в Украине - более 14 тысяч. Каждый час в Украине по этой причине умирает одна женщина. В 2000 году заболеваемость в Украине составила 58.2 случая на 100 тысяч женского населения (мировой стандарт - 37.3), Смертность на 100 тысяч женщин у нас в 1.5-2 раза выше, чем в развитых странах, и не имеет тенденции к снижению. Напротив, за последние 10 лет она выросла вдвое. При этом в Украине до сих пор нет программы массового маммографического скрининга и диагностики.

Единственным надежным способом борьбы с этим злом является раннее выявление заболевания в его доклинической фазе, когда размеры новообразования не превышают 0.5-1 см (М.М.Власова. Обоснование и принципы маммографического скрининга рака молочной железы. - Terra Medica, 2002, 2, с.20-21 [2]). В этом случае в результате своевременно проведенного лечения 95% больных выздоравливают. С целью раннего выявления РМЖ в развитых странах мира проводится широкомасштабный скрининг женщин. Основным инструментом такого скрининга является рентгеновская маммография. [1]. Она зарекомендовала себя как надежный и чувствительный способ для обнаружения опухолевых заболеваний молочной железы. Часто используются также приборы бесконтактной термометрии - инфракрасные тепловизоры (Основы клинической дистанционной термодиагностики. - "Здоровья", Киев, 1988 [3]). При комплексном использовании совместно с ультразвуковыми и гистологическими исследованиями они позволяют довольно надежно диагностировать рак молочной железы и другие опухолевые и предопухолевые заболевания.

Способы диагностики, которые следует применять для широкомасштабного скрининга, должны быть абсолютно безвредными для здоровья человека. С этой точки зрения рентгеномаммография не может использоваться очень часто, потому что при передозировке рентгеновского облучения возникает угроза появления индуцированного излучением рака молочной железы.

Наиболее безопасными для здоровья являются термометрические методы - дистанционные и контактные. Известно, что обмен веществ в опухоли значительно более интенсивный, чем в других клетках. На биохимическом уровне в опухолевой клетке накапливаются углеводы ("ловушка для глюкозы"). Эти процессы сопровождаются значительным выделением энергии, что вызывает повышение температуры в месте расположения опухоли, причем температурная аномалия наиболее выражена в случае быстрорастущих опухолей. Известно также, что такая температурная аномалия проецируется на поверхность кожи, причем размер поверхностного пятна с повышенной температурой в несколько раз превышает размер самого источника и зависит от глубины залегания опухоли и ее размера. Таким образом, по распределению температуры на поверхности кожи можно судить о наличии или отсутствии воспаления, опухоли, ее размере и локализации. На этом основаны термометрические методы диагностики. В статье А.А.Вишневского (мл), Э.Б.Розенфельда и др. "Диагностика рака молочной железы с использованием фиксированных параметров термограмм". - Хирургия, №5, 1976, с.46-48 [4] была показана перспективность использования качественно-количественных методов оценки термограмм, полученных с помощью тепловизора, приведена оценка таких диагностических параметров, как разница температур между пространственно симметричными точками термограммы, площадь термополос заданной температуры, средневзвешенных температур и др.

Для повышения точности диагноза проводились многочисленные исследования по поиску методов автоматической обработки термограмм (Ю.Г.Стерлин. Цифровые методы обработки термограмм и перспективы их дальнейшего развития, с.169-174; Р.Я.Вепхвадзе и др. Машинная термодиагностика опухолевых процессов молочных желез, с.174-178; в кн. Тепловидение в медицине, ч.2, Ленинград, 1990, Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова [5]).

Однако все это не позволяло поднять уровень диагностической достоверности на основе использования только термографического метода выше 73-75%. Поиск путей дальнейшего усовершенствования термометрических методов осуществлялся в направлении активного воздействия на тепловые процессы в организме. В частности, по патенту Российской Федерации №2043074, А 61 В 6/00, 10/00, 1992 известен способ ранней диагностики опухолевых заболеваний молочной железы, основанный на многократном дистанционном термографировании с глюкозной нагрузкой, по данным которого строят зоны информативности, совпадающие с природными границами молочных желез, определяют степень асимметрии и относительного усиления сосудистого изображения, дополнительные диагностические параметры и характер изменения вероятностного интегрального критерия диагностической значимости с последующим отнесением к одному из диагностических классов: норма, мастопатия, подозрение на рак. Этот способ позволяет повысить точность ранней диагностики нормы на 10%, мастопатии на 6%, рака на 13%.

Известен также способ мгновенной регистрации распределения теплового излучения биообъекта по пространственным координатам вокруг него, суть которого заключается в регистрации температурного распределения, преобразовании его в телевизионное изображение с последующим его анализом (а.с. СССР №1804781, А 61 В 5/00, 1990).

По патенту Российской Федерации №2012216, А 61 В 5/00, 1989 известно устройство для оценки физиологического состояния молочных желез, основанный на измерении тургора тканей молочных желез, являющегося отображением суммарного влияния на них всех маммотропных гормонов и благодаря этому характеризующий большую или меньшую вероятность развития в них пролиферативных процессов.

Поскольку при проведении скрининга нужно обследовать большое число людей, процедура обследования не должна занимать много времени. Кроме того, способ должен быть недорогим, простым в эксплуатации и безопасным. Наконец, аппаратура должна быть компактной, чтобы давать возможность работать в режиме передвижных обследовательных пунктов или лабораторий. Между тем, тепловизоры требуют достаточно больших оборудованных кондиционерами помещений, применения криогенных жидкостей (азота), достаточно сложной процедуры калибровки аппаратуры и т.д. [5]. Это делает очень сомнительной перспективу их использования для маммологического скрининга.

Для скрининга необходимо иметь возможность за кратчайшее время и с наибольшей достоверностью получать температурную карту нужного участка тела. Для этого больше всего подходят именно контактные методы при условии наличия большого числа термодатчиков, находящихся в контакте с телом. Попытки получения температурной карты тела человека с помощью контактных методов делались неоднократно (Л.П.Булат, Д.Д.Гуцал, А.П.Мягкета, М.Е.Чайнюк. Полупроводниковые термоэлектрические тепломеры для медико-биологических исследований. // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции «Тепловизионная медицинская аппаратура и практика ее применения». - Ленинград, октябрь 1988. - П224 [6]. Ю.Н.Глухов, В.Н.Кошелев, О.Л.Перцов. Сравнительные измерения температуры кожи неконтактными и контактными методами. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Тепловизионная медицинская аппаратура и практика ее применения». - Фрунзе, апрель 1985. - 20Б. [7]). Однако все они из-за необходимости использования многопроводных линий, проблем коммутации и калибровки ограничивались лишь несколькими точками наблюдения и не могли быть пригодными для вышеназванных целей.

В качестве аналога принят способ для маммографирования, основанный на измерении температуры поверхности кожи пациента путем последовательного позиционирования единичного датчика на ряде фиксированных точек, регистрации и обработке на компьютере полученных данных с последующим формированием температурной карты объекта на экране монитора (патент Российской Федерации №2210303, А 61 В 5/01, 7.06.2000, Бюл. №23, 20.08.2003) [8].

К недостаткам этого метода можно отнести довольно кропотливую и длительную процедуру получения температурной карты последовательным перемещением единичного датчика по фиксированным точкам. Для ускорения процедуры получения первичных данных авторы предлагают в каждой точке регистрировать функцию зависимости температуры от времени на крутом ее участке, не дожидаясь установления температурного равновесия между датчиком и объектом. Реальная температура определяется затем асимптотично на основе предварительно установленной аналитической формы кривой изменения показаний температурного датчика от времени при его нагреве от кожи пациента. Такой подход не является прямым измерением и может приводить к непредсказуемым и неопределимым ошибкам. Кроме того, методика, основанная на большом числе передвижений датчика по поверхности железы, не содействует ее использованию для маммографического скрининга ввиду малой производительности.

В качестве ближайшего аналога-прототипа, совпадающего с заявленным изобретением по назначению и ряду признаков, принят патент DE 10017900 А1, G 01 N 25/18, 11.01.2001 [9].

Этот патент в части метода диагностики РМЖ предполагает размещение на молочной железе с помощью позиционирующего устройства сенсора, состоящего из массива индивидуальных датчиков температуры и множества электрических соединений датчиков со сканером, сканирование сигналов индивидуальных датчиков и компьютерную обработку выходных сигналов сканера для получения пространственной тепловой карты молочной железы, позволяющей обнаружить злокачественную опухоль. При этом индивидуальные температурные датчики и многочисленные электрические цепи расположены на тонкой гибкой диэлектрической плате, имеющей форму, совместимую с исследуемой поверхностью молочной железы, и отделенную от жесткого основания сенсора мягкой теплоизолирующей прослойкой.

Предложенный метод диагностики является большим шагом вперед по сравнению с рассмотренным аналогом [8] ввиду использования вместо единичного датчика решетки индивидуальных датчиков, что улучшает пространственное разрешение и увеличивает производительность при скрининге.

Однако ему также присущ ряд существенных недостатков.

Авторы [9] предлагают в качестве индивидуальных датчиков температуры использовать в сенсоре датчики с аналоговым выходом: термопары, металлические термометры сопротивления и полупроводниковые термисторы. Это в свою очередь заставляет их применять для коммутации датчиков мультиплексор, сканер, аналого-цифровой преобразователь и множество соединительных цепей между этими устройствами, также интегрированных в гибкую диэлектрическую плату. Поскольку эта гибкая плата испытывает постоянные деформации при механическом контакте с исследуемой поверхностью тела в процессе диагностики, велика вероятность нарушения электрических контактов со временем, т.е. снижение надежности устройства.

Кроме того, термопары и термометры сопротивления характеризуются малыми изменениями выходных сигналов, порядка единиц микровольт при желательном температурном разрешении 0.1°С, ввиду чего коммутационные помехи, присущие мультиплексору, не позволят реализовать высокую точность измерения температуры, необходимую для надежной диагностики опухолевых заболеваний молочной железы. Термисторы характеризуются большей крутизной передаточной характеристики, но им присущ значительный разброс параметров и эффект старения.

Существенным недостатком метода и устройства [9] является также то, что ввиду разнообразия формы и размера молочных желез пациенток усилия соприкосновения индивидуальных датчиков с кожей в пределах большой матрицы будут существенно разными. Это различие усилий соприкосновения лишь частично устраняется приданием «поверхностно-совместимой формы» (терминология авторов патента [9]) диэлектрической плате сенсора и наличием мягкой прокладки между платой и жестким основанием сенсора. Различие усилий соприкосновения индивидуальных датчиков с молочной железой приводит к неопределенностям величины теплового сопротивления в месте контакта датчик-кожа, т.е. к трудноучитываемым крупномасштабным погрешностям в температурных картах, которые могут приводить к ложноположительным или ложноотрицательным результатам при диагностировании.

Еще один важный и неподдающийся учету источник погрешностей при регистрации распределения температуры в методе [9] происходит от того, что сенсор имеет глухую закрытую конструкцию. Участок поверхности молочной железы под сенсором термически изолирован мягкой теплоизолирующей прокладкой, а также затруднено испарение влаги, выделяемой кожей под сенсором. В результате при наложении сенсора будут резко изменяться условия теплоохлаждения исследуемого участка тела, определяемые эффектами конвекции, теплоизлучения и испарения, что приведет к медленному росту температуры кожи под сенсором (своеобразный парниковый эффект) и потребуется большое время для достижения теплового равновесия даже при малой тепловой инерционности индивидуальных датчиков температуры. Однако наиболее неприятное последствие термоизоляции заключается не столько в уменьшении производительности в такой ситуации, сколько в эффекте уменьшения тепловых контрастов, являющихся маркерами повышенных ангиогенезиса и метаболизма в районе локализации опухоли. Об эффекте сглаживания термических аномалий в результате «тепловой диффузии» упоминают сами авторы [9]. В технике ИК тепловизионной диагностики опухолей, например, для подчеркивания искомых тепловых контрастов производят даже принудительное охлаждение исследуемой поверхности тела равномерным потоком воздуха либо распылением водно-спиртовых смесей (например, [3], с.132).

Общими признаками прототипа и заявляемого изобретения применительно к задаче получения температурной карты являются

- измерение температуры контактным способом;

- измерение температуры большого числа точек поверхности кожи с целью получения карты распределения температуры по поверхности желез;

- конструирование изображения температурной карты на экране монитора и оценка диагностических параметров.

Суть изобретения

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа маммографирования, основанного на измерении температуры поверхности кожи молочной железы, в котором за счет особенностей проведения операций контактных измерений температур с помощью интеллектуальных датчиков одновременно во многих точках и компьютерной обработки результатов измерений в реальном времени обеспечивается повышение точности и скорости формирования температурных карт поверхности кожи и расчета диагностических параметров на их основе. За счет этого в применяемом аппаратурном оформлении достигается удобство, мобильность, оперативность диагностирования и повышение достоверности применительно к условиям массового профилактического обследования.

Поставленная задача решается благодаря использованию современной системы контактной термометрии больших площадей поверхности тела путем применения термосенсоров на базе интеллектуальных микропроцессорных датчиков температуры, визуализации изображения температурных карт и математической обработке первичных термограмм. Эта система дает возможность приблизиться к идеальной ситуации, когда большое число датчиков плотно покрывает поверхность обеих желез и все датчики одномоментно передают информацию о температуре в компьютер. Существенным отличием является то, что в матрице используются миниатюрные полупроводниковые температурные датчики, представляющие собой специализированные микропроцессоры, способные измерять температуру поверхности кожи обследуемой, преобразовывать ее в цифровой код и пересылать этот код в компьютер (А.С.Карначев, В.А.Белошенко, В.И.Титиевский. Микролокальные сети. // Донецк. - Норд Компьютер. - 2000. - 199 с.[10]). Все эти операции выполняются датчиками по командам компьютера. Датчики имеют рабочий диапазон от -55°С до +125°С, разрешающую способность 0.06°С и не требуют калибровки, так как уже имеют «зашитые» в своей памяти необходимые поправки. Размер одного датчика 3×3×1 мм. Все датчики, сколько бы их ни было на матрице, подключены к единой трехпроводной шине, связывающей их с компьютером. Тепловая инерционность такого датчика не более 10-15 секунд. Самая большая матрица, покрывающая сразу обе молочные железы, насчитывает несколько сотен датчиков, размещенных на подвижных стержнях, способных, для лучшего прилегания к коже, передвигаться вдоль своей продольной оси.

Задача решается следующим изобретением.

Обследуемая женщина размещается горизонтально. На область молочных желез сверху опускается передвижная рамка с матрицей подвижных стержней с размещенными на их концах датчиками, которые входят в контакт с поверхностью кожи. Расположение датчиков на концах стержней, способных независимо передвигаться вдоль своей продольной оси, позволяет устранить два существенных недостатка, присущих прототипу.

Во-первых, удается выравнять усилия соприкосновения всех датчиков матрицы с кожей независимо от формы и размеров молочных желез. Благодаря этому устраняется разброс переходных тепловых сопротивлений в месте контакта датчик-кожа, т.е. устраняются погрешности измерения поверхностной температуры, обусловленные этим разбросом. Можно указать два возможных способа реализации постоянства усилия соприкосновения. При вертикальном расположении стержней одинаковой массы m и малом трении стержней в их направляющих усилия соприкосновения F=mg (g - ускорение земного притяжения) благодаря гравитации будут одинаковыми независимо от положения стержней. Реализация необходимого усилия в этом случае осуществляется одинаковой пригрузкой стержней, поскольку для сведения к минимуму теплопередачи вдоль стержня они выполняются из тонкостенных пластмассовых трубок, т.е. имеют малую собственную массу. При произвольной ориентации осей стержней относительно вертикали постоянство усилий соприкосновения может быть достигнуто путем использования набора мягких пластмассовых сильфонов эффективного сечения S_эфф, механически связанных со вторым свободным концом каждого стержня. Эти сильфоны подключены к общей пневматической системе, давление воздуха Р в которой будет обеспечивать одинаковое усилие соприкосновения F=PS_эфф независимо от ориентации оси стержня.

Во-вторых, расположение индивидуальных датчиков температуры на концах стержней позволяет минимально нарушить условия естественного теплообмена поверхности желез с окружающей средой, поскольку остается свободная поверхность желез между индивидуальными датчиками температуры. Например, при простой квадратной сетке расположения датчиков с шагом 10 мм и диаметре трубчатых стержней 4.5 мм остается свободной 85% поверхности, покрываемой матрицей. Ввиду существенного уменьшения «парникового эффекта» сокращается время достижения теплового равновесия после наложения матрицы и, кроме того, уменьшается влияние прибора на естественные тепловые контрасты в районе локализации опухолей. Эти факторы приводят к увеличению производительности при скрининге и к повышению достоверности результатов диагностики.

Затем включается компьютерная программа регистрации показаний температурных датчиков, которая с заданным периодом (например, в одну секунду) фиксирует кадры распределения температуры по поверхности желез - температурные карты. Эта процедура продолжается до достижения температурного равновесия между поверхностью кожи и датчиками матрицы (10-15 секунд). Полученная таким образом картина динамики распределения температуры запоминается компьютером в виде набора цветных или черно-белых изображений температурных карт, а также числовых диагностических параметров.

Перечисленные признаки составляют суть изобретения, так как являются необходимыми для реализации изобретения и достаточными для решения поставленной задачи.

Причинно-следственная связь существенных отличий изобретения в достижении технического результата состоит в следующем:

- высокой точности интеллектуальных датчиков, идентичности их свойств;

- исключении каких-либо калибровок датчиков, возможности использования большого их количества без индивидуальных калибровок и снижения точности;

- малой инерционности датчика, что позволяет достаточно быстро достигать температурного равновесия с объектом;

- непосредственной связи с компьютером на уровне двоичных кодов, что ускоряет оперативную цифровую обработку изображения;

- использовании всего трех проводов для связи любого количества датчиков с компьютером, что обеспечивает удобство и компактность метода;

- обработке изображений в режиме реального времени, что обеспечивает возможность формализации диагностических параметров и автоматизации первичной диагностики;

- выравнивании усилий соприкосновения индивидуальных температурных датчиков матрицы с поверхностью молочной железы;

- малых нарушениях естественного теплового обмена между поверхностью молочной железы и окружающей средой.

Предложенный способ позволяет повысить достоверность диагностики до 85%, что подтверждено в процессе проводимых обследований другими независимыми методами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Апробация способа проводилась в городской больнице №2 г.Донецка «Энергетик» и Донецком областном противоопухолевом центре. Было обследовано более 600 больных. Выявленные с помощью данного способа патологии подтверждены объективным обследованием, рентгеномаммографией, сонографией и гистологией. По результатам этих исследований чувствительность метода составила 91%, специфичность - 87.5%, точность - 90.5%.

На фиг.1-4 приведены примеры термограмм. В каждом рисунке слева - термограмма, нормированная на максимальную наблюденную в ней температуру, справа - зонная термограмма, показывающая области определенного превышения над средней температурой. Белая вертикальная линия в центре термограмм - это ось симметрии (грудинная область). Кружочки в центрах термограмм указывают положение сосков, проходящие через эти кружочки темные линии - границы квадрантов. Круглые и квадратные метки на нормированных термограммах указывают соответственно области максимальной локальной и дифференциальной гипертермии. Ячейки масштабной сетки имеют размер 1×1 см и соответствуют одному датчику температуры. Изображение правой железы на термограммах слева, а левой - справа.

На фиг.1 показана термограмма здоровой женщины. Она демонстрирует температурную симметрию. В этом случае асимметрия, т.е. максимальная разница между температурами пространственно симметричных точек правой и левой желез, не превышает 1°С.

На фиг.2 приведена термограмма молочных желез, на которой выявлена фиброзно-кистозная мастопатия левой молочной железы. Видно, что в левой МЖ есть области гипертермии, в которых температура превышает среднюю более чем на 2°С.

Фиг.3 демонстрирует пример очаговой формы термограммы рака правой молочной железы. Температурная асимметрия тут превышает 3°С.

На фиг.4 зафиксирован случай диффузной формы термограммы РМЖ. Здесь поражена почти вся левая железа.

Таким образом, приведенные примеры наглядно демонстрируют, что предложенный нами метод способен выявлять все температурные аномалии, какие в современной медицине используются для диагностики опухолевых заболеваний молочных желез. При этом он имеет такие преимущества, как безопасность для здоровья, простота обращения, удобство, мобильность, компактность. Кроме того, он значительно дешевле других методов. Все эти свойства могут сделать этот метод ценным для решения задачи маммологического скрининга.

Claims (1)

1. Способ ранней диагностики заболеваний молочной железы, включающий измерение температуры поверхности молочных желез женщины при ее горизонтальном положении контактным методом во многих точках с помощью датчиков, размещенных на общем матричном сенсоре и подключенных к компьютеру для получения карты распределения температуры по поверхности молочных желез, конструирование изображения карты на экране монитора с помощью компьютерной программы регистрации температурных показаний датчиков, расчет и оценку диагностических параметров, по которым судят о наличии отклонения от нормы, отличающийся тем, что датчики матричного сенсора приводят одновременно с равным усилием в контакт со всей поверхностью обеих молочных желез и включают компьютерную программу регистрации температурных показаний датчиков, которая с периодом в 1 секунду фиксирует кадры распределения температуры до достижения теплового равновесия в месте контакта, при этом в качестве датчиков матричного сенсора используют телеметрические микропроцессорные интеллектуальные датчики, подключенные к компьютеру через общую трехпроводную шину и размещенные на матричном сенсоре с возможностью независимого осевого перемещения.

Images