Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

Институт__ИРЭ_______________Кафедра __Основ радиотехники____

ЗАДАНИЕ

Н А В Ы П У С К Н У Ю Р А Б О Т У

бакалавра __техники и технологии______________________________

(квалификация, присваиваемая по завершении образования)

по направлению__210300 Радиотехника__________________________

Тема:” Алгоритмы диагностики заболевания раком молочной железы “

Студент_____Залевская Е.А. Эр-16-08_______________________

Научный руководитель________________________________________



СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ЗАДАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Познакомиться с вопросами:

- анатомии, физиологии и классификации заболеваний молочной железы (МЖ),

- современных методов диагностики и лечения заболеваний раком молочной железы (РМЖ). Областями использования в маммологии рентгеновской и ультразвуковой диагностики;

- параметров современных ультразвуковых медицинских диагностических устройств (УЗМДУ), используемых в маммологии;

- вейвлет - анализа;

- работы в системе MATLAB;

- современной элементной базы для построения аппаратных средств приёмо-передающего модуля (ППМ) современного акустического компьютерного маммоскопа (АКМ);

- работы с Патентным Фондом США.

Изучить:

- язык VHDL программирования ПЛИС;

- метод акустической резонансной визуализации (АРВ), предназначенный для ранней (доклинической) диагностики РМЖ [3];

- функциональные схемы микросхем фирм Analog Device и National Semiconductor для построения современных УЗМДУ.

Разработать:

1. Общую структурную, функциональные и принципиальные схемы субблоков устройства АРВ.

2. Математическую модель метода АРВ.

3. Алгоритм диагностики РМЖ посредством вейвлет - анализа.

4. VHDL-программу генератора “качающейся” частоты

Исходные данные:

1. Считать микрокальцинаты предвестниками РМЖ.

2. Размеры микрокальцинатов - 50 - 100 мкм.

3. Масса микрокальцината- 0,1 мкг.

4. Диапазон частот резонансных колебаний микрокальцинатов - 20Гц - 20 кГц.



ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

1. Анатомия молочной железы.

2. Классификация заболеваний молочной железы.

3. Параметры современных УЗМДУ, используемых в маммологии.

4. Принцип метода АРВ.

5. Структурная схема устройства АРВ.

6. Функциональные схемы субблоков приёмо-передающего модуля устройства АРВ.

7. Математическая модель метода АРВ.

8. Результаты моделирования.

9.Алгоритм диагностики РМЖ посредством вейвлет - анализа.

10. Листинг VHDL- программы генератора “качающейся” частоты.



РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Высшая школа, 2003.

2. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы. М., Видар, 1999.

3. Sehgal. Apparatus for imaging an element within a tissue and method therefor. Устройство и метод для визуализации элемента внутри ткани. United States Patent № 5,997,477. 1999.

4. Бабак В.П., Корченко А.Г., Тимощенко Н.П.,Филоненко С.Ф. VHDL. Справочное пособие по основам языка. Додэка. 2008.

5. Поликар Р. Введение в вейвлет-пребразование. Пер. Грибунина В.Г. СПб. АВТЭКС, 2001.

6. Заболевания молочной железы. П.И.Зима, Ю.Ф. Пауткин / Учебн. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 1996.

7. Патология молочной железы. Э.Л. Нейштадт, О.Л. Воробьева - Санкт-Петербург: ООО «Издательство Фолиант», 2003.

8. Фирма NS. Фирменные описания микросхем для построения УЗМДУ.

9. Половко А.М., Бутусов П.Н. MATLAB для студента. СПб, БХВ-Петербург, 2005.

10. Алексеев Е.В., Чеснокова О.В. Самоучитель MATLAB 7.0. М., NT-Press. 2006. Новиков Л.В. Основы вейвлет-анализа сигналов. Учебное пособие. СПБ. 1999



Аннотация

Дипломный проект посвящён вопросам ранней диагностики рака молочной железы.

Рассматриваются основы анатомии молочной железы и патология, приводиться классификация заболевания и основные методы диагностики РМЖ применяющиеся на сегодняшний день.

Приведены основы УЗМДУ, показаны основные требования и параметры.

Приведено описание метода акустической резонансной визуализации, основывающееся на выявлении в молочной железе микрокальцинатов, которые являются ранними предвестниками РМЖ.

Приведено подробное описание метода непрерывного вейвлет-анализа при диагностике молочной железы.

Пояснительная записка к дипломному проекту состоит из четырех глав основного текста, списка литературы и двух Приложений.



ВВЕДЕНИЕ

Постановка задачи

Медико-социальная постановка задачи

Неуклонное увеличение заболеваемости раком молочной железы (РМЖ) в нашей стране и за рубежом ставит раннюю диагностику и лечение этого очень грозного заболевания в ряд наиболее актуальных, важных и значительных мировых медицинских проблем. Анализ заболеваемости показывает, что в некоторых в странах мира женщины болеют РМЖ в несколько раз чаще, чем в других. Самыми «привлекательными» для РМЖ являются жительницы США. Уровень заболеваемости РМЖ в некоторых штатах США превышает 130 на 100 тыс. женщин. Для сравнения, средний уровень заболеваемости в России составляет 38-39 на 100 тыс. В Москве этот показатель несколько выше и достигает почти 50 на 100 тыс. женщин. Есть страны с уровнем заболеваемости менее 20 заболевших на 100 тыс. женщин. Ежегодно диагностируется около 25000 новых случаев этого заболевания, и каждый год от него умирают приблизительно 15000 женщин - больше, чем от любого другого вида рака. Это самая распространенная причина смерти среди всех женщин в возрасте от 35 до 54 лет. По оценкам медиков, вероятность заболеть РМЖ равна 1:12, а в некоторых группах женщин, как показано ниже, она сщественно возрастает [12].

Но современная медицина совершенствуется и развивается. Усовершенствованные хирургические методы, применение радиотерапии, медикаментозное лечение и гормональная терапия, применяемые по отдельности или в сочетании, уменьшают возможность рецидива. Усовершенствованные методы ранней диагностики и реализация национальных программ скрининга позволяют обнаруживать РМЖ на ранней стадии, когда более высока вероятность излечения.

Научно-техническая постановка задачи

Целью настоящей бакалаврской работы было изучение современных тенденций в области УЗ исследований МЖ для создания современного УЗ аппарата, оснащенного аппаратными и программными средствами, обеспечивающими раннее выявления РМЖ.

Данная проблема является очень сложной научно-технической и инженерной задачей. Здесь необходимо обнаружить с малой долей ошибок типа "ложной тревоги" или "пропуска цели" (как принято говорить в радиолокации), ложно положительных или ложно отрицательных ошибок (как принято говорить в медицине) аномалию размером порядка 1 мм в диаметре (объёмом порядка 1 мм³) в объёме ткани МЖ порядка 10⁵ мм³. Причём данная аномалия относительно редко встречается в обследуемой группе пациентов. Поэтому эта задача требует высочайшего пространственного разрешения УЗ диагностического устройства, высокого качества изображения по контрасту, а также возможности автоматически обрабатывать и умения правильно интерпретировать информацию во время обследования.

Как показал анализ, устройство, обладающее необходимыми качествами, может быть создано на основе разработанного в НИИТП базового медицинского УЗ локатора с синтезированием апертуры (МУЛСА) путем его дооснащения дополнительными аппаратными и программными средствами.

Коммерческая постановка задачи

Стоимость АКМ, дооснащённого дополнительными средствами повышения эффективности ранней диагностики РМЖ, должна быть как минимум в два - три раза ниже цены аналогичных по параметрам зарубежных аппаратов. Однако, в любом случае не должна превышать 25 тыс. долл., чтобы быть доступной большинству отечественных медицинских учреждений.

АКМ должен быть импортозамещающим, экспортопригодным прибором.

Проведение массовых профилактических обследований населения на предмет выявления опухолей МЖ требует огромных расходов. АКМ должен быть диагностически эффективным прибором, позволяющим оперативно проводить диагностику. На Западе стоимость пункционной биопсии составляет 750-1000 долл. Единственный способ повышения эффективности и экономичности скрининга заболеваний МЖ связан со снижением до минимума числа проводимых биопсий за счёт более чёткой дифференциации опухолей на этапе, предшествующем биопсии. С этой же целью прибор должен быть, в частности, дооснащён средствами повышения производительности труда врача, освобождающими его от рутинной работы по оформлению заключений УЗ-обследований.

Результаты информационного и патентного поиска

Во всём мире ведутся интенсивные исследования по ранней диагностике заболеваний МЖ. Чтобы разработать конкурентоспособное изделие необходимо ознакомиться с мировым опытом.

В процессе работ по разработке АКМ и, в частности, выполнения настоящего дипломного проекта, было проведено знакомство с большим количеством литературы по данной тематике.

Патентный поиск проводился по патентному фонду США по ключевым словам (ultrasound AND "breast tissue" AND mammography) за 1999 - 2005 гг. Было выявлено 220 патентов. Несмотря на то, что в качестве ключевого слова (признака) использовалось слово ultrasound, автоматический патентный поиск дал большое количество патентов по не УЗ методам диагностики (рентгеновскому, фотоакустическому, инфракрасному и пр.), тесно связанным с УЗ.

Из общего перечня патентов для данной работы наибольший интерес представляли группы патентов, касающиеся:

- ранней диагностики РМЖ,

- использования 3D-визуализации в маммологии,

- использования вейвлет-преобразования при характеризации ткани МЖ.

Последняя группа патентов выделена из общего перечня и оформлена в виде отдельного списка в приложении 1.



ГЛАВА 1. МЕДИЦИНСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Анатомия молочных желез

Молочная железа расположена на передней поверхности грудной клетки от 3 до 7 ребра. Это сложная трубчато-альвеолярная железа (производное от эпидермиса, ее относят к железам кожи). Паренхима железы состоит из 15 - 20 долек железистой ткани (доли или сегменты), окруженных жировой клетчаткой и заключенных в капсулу из поверхностной грудной фасции. От капсулы вглубь идут междольковые пучки соединительнотканных волокон, поддерживающие молочную железу. Жировая клетчатка окружает железу снаружи и проникает вглубь между дольками железы. Каждая долька представляет собой трубчато-альвеолярную желёзку, состоящую из густой сети млечных протоков, с многочисленными боковыми выпячиваниями - альвеолами. Выводные протоки долек расположены в радиальном направлении, открывающиеся выводным протоком на вершине соска. Доли (сегменты) представлены 20 - 40 дольками, состоящими из 10 - 100 альвеол каждая. [6]

Рис 1.1. Анатомическое строение молочной железы



1.1.1 Кровоснабжение МЖ и отток лимфы

Молочная железа снабжается кровью ветвями наружной грудной (30%), внутренней грудной (60%) и межреберных артерий (10%). Венозный отток осуществляется через межреберные и внутренние грудные вены.

Отток лимфы осуществляется через поверхностную и глубокую лимфатические сети, которые сливаются с кожной лимфатической сетью, идут к ареоле и образуют подареолярное лимфатическое сплетение. Лимфа из молочной железы оттекает в регионарные лимфатические узлы. Регионарными являются подмышечные и парастернальные лимфатические узлы. Основным направлением оттока лимфы из молочной железы является путь к подмышечным лимфоузлам, но из медиальных и центральных квадрантов железы лимфа, минуя подмышечный путь, может оттекать в парастернальные лимфатические узлы. Отток лимфы происходит и в других направлениях. Из них особенно важен путь к молочной железе, подмышечным и парастернальным лимфатическим узлам противоположной стороны.

1.1.2 Патологоанатомическая характеристика

Локализация. Молочную железу условно делят на четыре квадранта двумя перпендикулярными линиями, проводимыми в вертикальном и горизонтальном направлении через сосок. По расположению квадранты называют верхневнутренним, верхненаружным, нижневнутренним и нижненаружным. Кроме этого, выделяют центральный квадрант, расположенный в окружности соска, и аксиллярныйотросток. Рак может возникать в любом отделе молочной железы, но чаще опухоль располагается в верхненаружном квадранте или на границе верхних квадрантов.

Рак молочной железы - эпителиальная опухоль, исходящая из протоков или долек железы. Различается по виду ткани, в которой развивается опухолевый процесс, и степени распространения. Раковые клетки могут образовываться в железистой ткани, в молочных протоках, жировой и соединительной ткани. Раковый процесс в разных тканях молочной железы прогрессирует по-разному. Некоторые опухоли разрастаются медленно и распространяются по организму (метастазируют), только после того, как станут большого размера. Другие опухоли более агрессивны, растут и метастазируют за короткий срок. При выявлении групп повышенного риска по раку молочной железы учитываются эндогенные и экзогенные факторы.

Рис 1.2. Рак молочной железы

Гистологическое строение. РМЖ обычно развивается из эпителия протоков, преимущественно мелких. В дольках он возникает примерно у 10% больных. Дольковый рак нередко бывает мультифокальным и иногда поражает обе молочные железы. Гистологическая картина многообразна. Типичной является аденокарцинома. Различают инфильтрирующие аденокарциномы, а также особые гистологические формы рака (медуллярный, папиллярный, слизистый, скиррозный, плоскоклеточный и др.). Опухоли одинакового гистологического строения различаются по степени дифференцировки клеток. Выделяют три гистологические градации:

· G1 - высокая степень дифференцировки;

· G2 - средняя степень дифференцировки;

· G3 - низкая степень дифференцировки.

Степень дифференцировки является важным прогностическим фактором: чем ниже степень дифференцировки, тем хуже прогноз.

Симптоматика. Вся симптоматология РМЖ может быть разделена на три основные группы:

1. Первичные прямые признаки, являющиеся теневым отображением самого опухолевого узла.

2. Вторичные признаки, отражающие развитие «парапроцесса» вокруг опухолевого узла.

3. Косвенные признаки («признаки запущенности процесса»), свидетельствующие, о распространении процесса на значительную часть молочной железы.

Первичные и вторичные признаки отражаются в виде локальной «патологической перестройки» структуры молочной железы, как в области опухолевого узла, а также вокруг него. Причинами данного скиалогического синдрома являются: «сам опухолевый узел», реактивное воспаление, раковый лимфангит, стромогенный и реактивный склероз, дистрофический процесс (атрофия и дистрофия железистой ткани), в окружающей узел ткани, как следствие компрессии её растущим узлом. [6]

В отечественной и зарубежной литературе к первичным (основным) признаками рака молочной железы относят:

- непосредственное отображение опухолевого узла;

- наличие микрокальцинатов.

Необходимо отметить, что в настоящее время нет единодушного мнения, по поводу так называемых «микрокальцинатов». Л.Д. Линденбратен указывает, что данным термином обозначаются кальцинаты менее 1 мм. А.Г. Илькевич считает, что микрокальцинатом должен называться кальцинат размерами менее 0,5 мм. [9] Другие авторы, также не единодушны в характеристике микрокальцинатов по величине. Некоторые авторы пользуются классификацией микрокальцинатов по M. Le Gal, которая предусматривает деление микрокальцинатов на пять типов:

Тип1. Круглые и дуговидные кальцинаты, иногда горизонтальные или полулунные, соответствуют маленьким микрокистозным эктазиям.

Тип 2. Круглые, правильной формы.

Тип 3. Пылевидные, очень нежные.

Тип 4. Точечные, неправильной формы.

Тип 5. Червеобразные, древовидные. Отражают внутрипротоковый некроз.

Необходимо констатировать, что отнесение микрокальцинатов к первичным (основным) признакам рака молочной железы, может быть неверно по следующим соображениям:

- «скопления микрокальцинатов», «группы микрокальцинатов» регистрируются на снимках при рутинной «мастопатической трансформации», фиброаденомах, посттравматических и поствоспалительных участках склероза ткани молочной железы и др.;

- наличие кальцинатов может свидетельствует о нарушении «обменных процессов» в определенном участке молочной железы, с последующим дистрофическим процессом и метаплазией.

Однако, в данной работе мы будем считать микрокальцинаты размером 50-100 мкм признаками рака молочной железы.

Развитие опухоли. Темп роста новообразований молочной железы колеблется в широких пределах. В среднем от появления опухоли микроскопических размеров до достижения 1 см в диаметре проходит 8 - 9 лет. Дальнейший рост происходит более быстрыми темпами. Темп роста зависит от многих факторов. Имеет значение форма опухоли: инфильтративные формы характеризуются быстрым ростом, рак Педжета - медленным. У молодых женщин новообразование растет быстрее, чем у женщин в менопаузе. Ускоренными темпами рак развивается во время беременности и при грудном вскармливании.

1.1.3 Стадии РМЖ

Раковые заболевания классифицируются по стадиям. Определение стадии рака - это процесс установления количества раковых образований в организме и места их расположения. Врачи определяют стадию рака, собирая информацию из результатов обследований и анализов опухоли, лимфатических узлов и отдаленных органов.

* Клиническая стадия определяется по информации, полученной в результате проведенного врачом обследования, а также в результате визуализации (рентгенограммы, маммограммы и т.д.)

* Патологическая стадия включает в себя информацию, полученную при хирургическом удалении раковой опухоли и лимфатических узлов.

Наиболее часто применяемая для описания развития и распространения рака молочной железы схема - это система определения стадии TNM, также известная как система Американского совместного комитета по онкологии (American Joint Committee on Cancer, AJCC). В системе определения стадии TNM информация об опухоли, близлежащих лимфатических узлах, метастазах в отдаленные органы объединяется, и стадии присваиваются определенные TNM- группы. Стадии, которым присвоены группы, описываются с использованием цифры 0 и римских цифр от I до IV. [6]

T обозначает размер раковой опухоли (измеряемым в сантиметрах). N обозначает распространение в лимфатические узлы, распложенные в области молочной железы, и M обозначает метастаз (распространение в отдаленные органы тела).

Категории T: Категории T определяются на основе размера раковой опухоли молочной железы, ее месторасположения в груди и распространения на соседнюю ткань.

* T0: Признаки первоначальной опухоли отсутствуют.

* Tis: Карцинома in situ или неинвазивный рак молочной железы.

Протоковая карцинома in situ (DCIS): Раковые клетки расположены в протоках молочной железы и не поражают стенки протоков и окружающие ткани.

Дольковая карцинома in situ (LCIS): Также называемая дольковой неоплазией.

Аномальные клетки растут в дольках молочной железы (производящих молоко железах), но не проникают через стенки долек и не вызывают поражения.

Карцинома LCIS не является в действительности раком, но женщины, страдающие карциномой LCIS, подвержены большему риску развития инвазивного рака молочной железы на более поздней стадии жизни.

* T1: раковая опухоль размером 2 см в диаметре (около 3/4 дюйма) или меньше.

* T2: раковая опухоль размером более 2 см, но не больше 5 см в диаметре.

* T3: раковая опухоль размером более 5 см в диаметре.

* T4: раковая опухоль любого размера и распространившаяся на грудную стенку или кожу.



Категории N: Категории N определяются на основе того, какие из лимфатических узлов, расположенных около молочной железы, поражены раком (при наличии таковых).

* N0: Рак не распространился в лимфатические узлы.

* N1: Рак распространился в лимфатические узлы, расположенные в области подмышки с той же стороны, что и раковая опухоль молочной железы. Лимфатические узлы еще не соединились друг с другом или с окружающей их тканью.

* N2: Рак распространился в лимфатические узлы, расположенные в области подмышки с той же стороны, что и раковая опухоль молочной железы. Лимфатические узлы соединились друг с другом или с окружающей их тканью.

* N3: Рак распространился на внутренние грудные лимфатические узлы (расположенные ниже молочной железы или внутри грудной клетки).

Категории M: Категория M зависит от того, распространился ли рак на любые отдаленные ткани или органы.

* M0: Распространение рака на отдаленные органы отсутствует.

* M1: Возможно, рак распространился на отдаленные органы или на надключичные (расположенные выше ключицы) лимфатические узлы.

Классификация рака молочной железы: Когда категории T, N, и M присвоены, данная информация объединяется для назначения общей стадии 0, I, II, III или IV.

1.2 Устройства и методы диагностики рака молочной железы

Задача методов визуализации при обследовании больной со злокачественной опухолью состоит не только в выявлении и характеристике патологии, но и определении стадии процесса и установлении или исключении отдаленных метастазов. Мы рассмотрим методы визуализации молочной железы, широко используемые наряду с УЗ-диагностикой. Далее будут кратко изложены физические принципы и отражена клиническая ценность каждого метода, приведен краткий обзор новых методов визуализации, находящихся в стадии испытаний.

1.2.1 Физикальное обследование

Метод состоит в осмотре и пальпации молочных желез, а также подмышечных и надключичных лимфатических узлов. Проводят осмотр в вертикальном положении (сначала с опущенными руками, а затем с поднятыми руками). Оценивают контуры, величину, симметричность, состояние кожных покровов. Выявляют смещение, асимметрию, деформацию, изменение уровня расположения соска, сморщивания кожи, отечность или гиперемию, выделения из соска. Пальпируют подмышечные, надключичные и подключичные лимфатические узлы. Пальпаторно определяют консистенцию железы, однородность ее структуры.

1.2.2 Ультразвуковое исследование молочной железы

Метод позволяет исследовать структуру молочных желез, обнаружить диффузные и очаговые поражения, дифференцировать полостные но плотные по консистенции образования. В сочетании с пальпацией и маммографией повышает точность диагностики рака до 80 - 90%. [8]

Ультразвуковое исследование является одним из наиболее информативных методов диагностики в медицине. Во время УЗИ специальное устройство посылает ультразвуковые волны внутрь организма, которые отражаются от тканей, имеющих разную плотность, и этот отраженный сигнал фиксируется датчиком. В зависимости от плотности или других характеристик тканей принимаемый сигнал меняется. Затем он преобразуется в цифровой сигнал, который врач может увидеть на экране монитора в виде достаточно четкого изображения анатомических структур.

Ультразвуковые сканнеры помогают идентифицировать и правильно оценить состояние тканей молочной железы по их плотности и содержанию. Это безвредный, безболезненный и доступный метод исследования, не требующий специальной подготовки со стороны пациента. Ультразвуковое исследование является как самостоятельным методом выявления доброкачест-венных и злокачественных образований в молочной железе, так и дополнительным, применяе-мым в совокупности с маммографией. В ряде случаев ультразвук по своей результативности превосходит маммографию: при исследовании плотных молочных желез у молодых женщин; у женщин, имеющих фиброзно-кистозную мастопатию; в выявлении кист.

1.2.3 Маммография

Маммография применяется при: очаговых и диффузных уплотнениях в железе, при наличии метастазов в подмышечных лимфоузлах из не выявленного первичного очага, при контрольных обследованиях больных, перенесших в прошлом радикальную мастэктомию, для скрининга на рак молочной железы. Снимки делают в прямой и боковой проекциях. Для сравнения производят маммограммы здоровой железы. Оптимальным временем для проведения маммографии являются 8 - 10 день после окончания менструации. Анализируя снимки, обращают внимание на структуру молочных желез, состояние кожи и соска, наличие затемнений, соответствующих пальпируемому уплотнению. Оценивают форму, локализацию, контуры и величину затемнения. [8]

Маммография -- широко распространенный и в настоящее время основной метод диагностики РМЖ. Маммография составляет основу визуализации молочной железы в рамках скрининга, диспансерного наблюдения и обследования больных с клинической симптоматикой.

Маммограмма представляет собой полутоновое (негативное) фотоизображение, отражающее различную степень ослабления электромагнитного (рентгеновского) излучения, проходящего сквозь различные ткани молочной железы. Степень затухания излучения зависит от атомного числа ткани. Для получения маммограммы молочную железу располагают между источником рентгеновского излучения и воспринимающим элементом. Для этого используют специальное оборудование (рис. 1.3). Ткани с относительно высоким атомным числом в большей степени ослабляют излучение, что на изображении проявляется в виде различной степени затенения. На обычных пленочных рентгенограммах самые темные участки соответствуют тканям с относительно низкой степенью ослабления излучения -- подкожной и ретромаммарной жировой клетчатке. Эти ткани называют рентгенопрозрачными. И наоборот, ткани, сильно ослабляющие рентгеновское излучение, например плотная железистая ткань и кальцинаты, дают более светлое (белое) изображение -- их называют рентгеноконтрастными (рис. 1.4.). В современном цифровом оборудовании обычная серая шкала инвертирована, следовательно, мелкие кальцинаты имеют вид черных точек на светлом фоне.



Рис.1.3.Маммограф Рис. 1.4. Маммограмма

Нормальные и патологически измененные ткани характеризуются различной способностью ослаблять рентгеновское излучение. На этом и основан этот метод диагностики, хотя на общую информативность маммограммы влияют многие факторы. Главное преимущество маммографии -- хорошая способность выявлять солидные рентгеноконтрастные опухоли на фоне рентгенопрозрачной ткани молочной железы, находящейся в состоянии инволюции у женщин преклонного возраста, а также высокорентгеноконтрастные микрокальцинаты, которые служат признаком преинвазивного опухолевого роста.

Маммография основана на воздействии ионизирующей радиации, что неизбежно обусловливает дозозависимый биологический риск стимуляции злокачественного перерождения. Перед выполнением процедуры необходимо убедиться, что маммография оправдана с точки зрения радиационной безопасности.

1.2.4 Магнитно резонансная томография (МРТ)

МРТ получила широкое распространение для принятия решений в сложных случаях диагностики заболеваний молочной железы. Также расширяется применение этого метода для скрининга женщин с высоким риском. МРТ уже давно считается наиболее чувствительным методом визуализации при обследовании женщин с осложнениями после установки имплантов.

Хотя МРТ характеризуется высокой чувствительностью и отсутствием облучения, все же это относительно дорогой метод исследования, к тому же имеющий недостаточно высокую специфичность. За исключением исследования женщин с установленными силиконовыми имплантами, МРТ не подходит в качестве единственного метода диагностики, либо - средства исследования первой линии. Она показана только в определенных случаях. Данные МРТ всегда следует интерпретировать вместе с картиной стандартной маммографии или УЗИ и с учетом результатов клинического исследования.

В настоящее время выпускают различное МРТ- совместимое оборудование и расходные материалы для выполнения вмешательств. Однако следует отметить, что в большинстве случаев патологические изменения, выявленные на МРТ, особенно злокачественные опухоли, также обнаруживают и при маммографии или УЗИ, хотя признаков злокачественного роста нет. В связи с этим необходимости в биопсии под МРТ-наведением, как правило, не возникает.

Формирование MP-изображения основано на анализе информации о поведении протонов в атомах тканей организма, в частности в атомах водорода. Сами по себе протоны несут положительный заряд и находятся в постоянном движении. Их электрический заряд создает определенное магнитное поле. В MP-сканере находится сверхпроводящий электромагнит, который создает высокоиндуктивное гомогенное магнитное поле (0,5--1,5 тесла). Нелишне отметить, что если у пациентки имеются какие-либо металлические «инородные тела», даже такие медицинские устройства, как водитель ритма или скобы, МРТ абсолютно противопоказана.

1.2.5 Радионуклидная диагностика

Это чувствительный, преимущественно функциональный метод визуализации, дающий биохимические характеристики тканей и позволяющий получить сведения о функциональных изменениях, связанных с патологическим процессом. Принцип метода состоит в следующем. Внутривенно вводят фармацевтический препарат, который избирательно накапливается в тканях, подлежащих исследованию. Этот препарат метят радионуклидной меткой. Клинически значимая информация получается за счет дифференциального распределения этого радиофармпрепарата в организме. Радиоактивность выявляют неинвазивным методом с помощью гамма-камеры, что позволяет получить графическое изображение и выполнить количественный анализ. [8]

Гамма-камера содержит кристаллический сцинтиллятор, который улавливает излучение, испускаемое тканями, поскольку радионуклидный метчик, распадаясь, излучает фотоны света. Затем фотоэлектронный множитель превращает световую энергию в электрические сигналы, по которым можно судить о пространственном распределении и интенсивности радиоактивности.

Следует отметить, что этот метод визуализации основан на радиоактивном излучении, поэтому перед исследованием необходимо основательно взвесить все «за» и «против», особенно это касается беременных или кормящих грудью женщин.

1.2.6 Сцинтимаммография

Сцинтиграфия играет ту же роль, что и МРТ, в плане определения мультицентрического или синхронного характера роста опухоли, а также в оценке эффективности. Сцинтиграфия считается более чувствительным методом выявления рецидива опухоли по сравнению с маммографией и УЗИ. [8]

Сущность сцинтимаммографии заключается в следующем. В периферическую вену вводят радиофармпрепарат. После этого пациентку располагают в непосредственной близости от гамма-камеры. Затем женщину последовательно поворачивают, чтобы получить изображения молочных желез и аксиллярных областей в правой и левой боковых проекциях в положении лицом вниз и в передней проекции в положении лицом вверх.

Так же как и при МРТ, данные сцинтимаммографии можно отображать либо в виде анатомического полутонового изображения, либо в виде кривой зависимости интенсивности излучения от времени (в сцинтимаммографии эти кривые называют кривыми «время-активность»). На полутоновом изображении степень затенения прямо пропорциональна интенсивности излучаемой радиации в определенной точке. Участки повышенной активности («горячие очаги») могут отображаться в виде либо темных зон на нормальном светлом фоне, либо светлых зон на нормальном темном фоне.

Рис 1.5. Кривая «время-активность» показывает изменение радиоактивности в определенной (выбранной оператором) анатомической зоне, представляющей интерес, в зависимости от времени.

1.2.7 Гамма-томография

Традиционная радионуклидная визуализация представляет собой плоскостное двухмерное изображение трехмерного распределения радиоактивности. Поэтому неизбежно наложение друг на друга сигналов от образований, расположенных на различной глубине. Принцип гамма-томографии состоит в сборе данных об активности радиоизотопа из нескольких плоскостей вокруг пациентки и математической реконструкции данной информации, что позволяет получать изображения отдельных поперечных срезов тела.

Гамма-томография дает лучшее контрастное разрешение и разделяет накладывающиеся друг на друга образования, в связи с чем это более чувствительный метод исследования, чем плоскостная визуализация.

1.2.8 Пункционная биопсия

Производится с целью получения материала для цитологического исследования. Ее выполняют обычной иглой, получая в пунктате разрозненные клетки, или специальными иглами, позволяющими иссечь небольшой столбик и выполнить гистологическое исследование.

Выводы

В этой главе была рассмотрена анатомия молочной железы и патологические отклонения. Рассмотрены все действующие методы диагностики . Среди огромного количества методов и устройств диагностики РМЖ основными считают маммографию. Она считается наиболее безлопастной и стандартной процедурой. Но основным вопросом диагностики РМЖ остается вопрос его ранней диагностики.



ГЛАВА 2. ПРИНЦИП РАБОТЫ СОВЕРЕМЕННЫХ УЗМДУ

Ключом к решению проблемы РМЖ считается ранняя диагностика заболеваний МЖ, проводимая, в основном, в ходе массовых профилактических обследований населения. Для этого требуется УЗДУ с очень высокой пространственной и контрастной разрешающей способностью. Шансы на излечение от РМЖ обратно пропорциональны стадии болезни, на которой началось лечение. На первой стадии излечиваются 90 - 95% и только хирургическим путём, а при третьей - только 50 % больных, хотя добавляется ещё лучевая терапия и химиотерапия. Таким образом, разработка современного УЗДУ имеет очень большое медикосоциальное значение; она актуальна, вытекает из запросов отечественного здравоохранения.

2.1 Основные требования к УЗДУ

Разрабатываемое УЗДУ четвёртого поколения должно быть экспертного класса. Под таким УЗДУ понимается УЗДУ, характеризующееся определённым набором параметров. Основные из них:

- высокое качество УЗ изображений. Пространственная разрешающая способность должна быть не хуже 1,0 мм во всей зоне обзора, что обеспечивается, в частности, многоканальной архитектурой и используемыми методами синтеза УЗ изображений. Должна быть также высокая контрастная разрешающая способность; практически должны отсутствовать артефакты и зернистость (спекл-шум) изображений и пр.;

- высокая временная разрешающая способность, т.е. частота кадров УЗ изображений должна быть не ниже 25 Гц

- широкая номенклатура используемых УЗ датчиков (линейные, конвексные, микроконвексные, ректальные, вагинальные, интраскопические, внутрисосудистые и др.);

- возможность визуализировать практически все внутренние органы, включая сердце и транскраниально структуры головного мозга;

- глубина зондирования до 240 мм;

- возможность работать в различных режимах визуализации (двумерном яркостном типа B на весь экран, два изображения B\B на экране, одномерном M для визуализации перемещающихся биологических структур, трёхмерном 3D, четырёхмерном 4D (3D в РМВ), и др.);

- возможность доплеровских измерений и различных режимов картирования скорости кровотока и скорости перемещения тканей;

- наличие системы архивирования результатов обследований;

- возможность передачи результатов обследований на расстояние по каналам связи в стандарте DICOM,

- эргономика, дизайн,

- длительный жизненный цикл, и др.

Ставится задача, чтобы по своим функциональным и диагностическим возможностям разрабатываемое УЗДУ соответствовало лучшим современным мировым образцам (например, аппаратам Voluson 730 и Voluson I фирмы General Electric (США), Nemio фирмы Toshiba (США), SSA 9900 фирмы Medison (Республика Корея) и др., а по цене было бы намного дешевле, чтобы быть доступным отечественным медицинским учреждениям.

Современные УЗДУ экспертного класса характеризуются очень большим количеством параметров (более 100). Задача разработчика УЗДУ состоит в максимизации интегрального показателя "функциональные и эксплуатационные параметры/себестоимость". Но с точки зрения упрощения продаж также важно, чтобы цена прибора не превышала цену приборов конкурентов, даже если эти приборы конкурентов будут с худшими диагностическими и функциональ-ными возможностями.

Ввиду наукоёмкости и сложности приборов и, как следствие, участия в разработке большого количества специалистов различных специализаций, очень большое значение приобретают вопросы выбора рациональной технологии разработки и строгого её соблюдения с целью уменьшения количества итераций разработки и исключения напрасных трудозатрат.

Рис. 2.1. Укрупненная структурная схема УЗ диагностического устройства нового поколения (с разбивкой на субблоки)

В состав разрабатываемого УЗДУ входят:

-набор УЗ-датчиков различных типов (универсальных и специализированных для различных областей медицины) с решётками пьезоэлементов (ПЭ),

- многоканальный ППМ,

-сверхбыстродействующая вычислительная система (СВС).

В свою очередь, в состав ППМ входят:

-многоканальные передающее и приёмное устройства ((субблоки) СБ ПРД и ПРМ)

- СБ SCAN

Электронный переключатель П1 осуществляет переключение УЗДУ из режима "Передача" в режим "Приём" и обратно. Функциональный узел МШУ входит в состав приёмного устройства, а функциональный узел коммутации каналов (ППК) является общим для приёмного и передающего устройств.

Из медицинской постановки задачи вытекают требования к аппаратным и программным средствам УЗДУ. А из требований к УЗДУ в целом вытекают требования к отдельным СБ и модулям программного обеспечения (ПО). Без знания всего УЗДУ в целом трудно представить работу и правильно разработать отдельные субблоки. Медицинские, системотехнические, алгоритмические, программотехнические, схемотехнические, конструкторско-технологические и стоимостные вопросы неразрывно связаны между собой.

Функциональный узел коммутатора приёмо-передающих каналов (ППК) присутствует во всех УЗДУ. Наличие этого функционального узла обусловлено тем, что количество пьезоэлементов (ПЭ) в решётке УЗ датчика практически всегда намного больше количества ППК в ППМ УЗДУ.

Увеличение количества ППК повышает качество УЗ изображений, так как удаётся лучше аппроксимировать требуемую форму передающей и приёмной УЗ волн и, следовательно, уменьшить уровень боковых лепестков. Одновременно можно улучшить поперечную разрешающую способность и повысить быстродействие. Однако, увеличение ППК увеличивает стоимость УЗДУ. Приходиться идти на компромисс, максимизируя отношение интегральный показатель качества/стоимость . А раз количество ПЭ намного больше количества ППК, необходимо осуществлять коммутацию (пересоединение) последних на ПЭ.

Основные требования к коммутатору ППК:

- программируемость, гибкость, что позволяет осуществлять электронное управление сканированием, т.е. перемещать ось симметрии УЗ луча вдоль решёт-ки ПЭ, а также независимо изменять размер передающей и приёмной субапертур (подрешёток); управлять формой диаграммы направленности (ДН) и фокусировкой, участвовать в изменении направления УЗ луча;

- надёжная защита входных цепей приёмных каналов во время излучения зондирующих импульсов (ЗИ);

- отключение выходных цепей передающих каналов во время приёма эхосигналов;

- минимальные искажения и потери мощности зондирующих импульсов и эхосигналов в цепях коммутации;

- достаточное быстродействие, малое время коммутации;

- обеспечение модульности построения УЗДУ;

- малые габарито-массовые характеристики (ГМХ), что должно позволять размещать субблок SCAN вблизи или даже в составе (в корпусе) УЗ датчика;

- возможность использования доступной элементной базы;

- экономичность (малая мощность потребления),

- надёжность работы,

- низкая стоимость.

Известно, что приведённый ко входу приёмника уровень шума определяет чувствительность любого локатора, под которой понимается минимальная вели-чина полезного эхосигнала, который может быть выделен на фоне шумов. Входной каскад должен обладать как можно меньшим уровнем собственных шумов, так как его шумы усиливаются следующими каскадами. Теоретически можно разработать приёмник, чувствительный ко сколь угодно слабым сигналам. Для этого требуется лишь увеличить число его усилительных каскадов. Однако в реальных локационных устройствах, наряду с полезным информационным сигналом, всегда имеются шумы, образующиеся за счёт внешних помех и собственных шумов приёмника. Уровень собственных шумов в основном определяется шумами первых каскадов приёмника. Уровень полезных сигналов на выходе ПЭ УЗ датчика УЗДУ имеет уровень одного мкв при работе на максимальную глубину зондирования. Поэтому при создании высокочувствительных приёмников УЗДУ одной из важнейших задач является разработка малошумящих активных и пассивных элементов и усилительных каскадов.

Помимо чувствительности по отношению к внутренним шумам принято говорить ещё об эффективной чувствительности, под которой понимается способ-ность приёмника принимать слабые сигналы с заданным качеством (отношением сигнал/шум) в условиях воздействия всего ансамбля помех. Для работы УЗДУ в условиях реальной помеховой обстановки медицинских учреждений требуется надёжно защитить входные цепи приёмных устройств от промышленных помех, образующихся при работе мощной диагностической, терапевтической, нагревательной и прочей аппаратуры этих учреждений. Для этого необходимо рациональное конструирование, тщательная экранировка и пр.

Основные требования к малошумящим усилителям (МШУ) УЗДУ:

- малый коэффициент шума,

- большой динамический диапазон,

- достаточная ширина АЧХ,

- возможность программного управления входным импедансом МШУ для его согласования с выходным импедансом ПЭ,

- возможность управления коэффициентом усиления МШУ по цифровому и аналоговому входам,

- реализация нескольких МШУ в одном корпусе, что уменьшает ГМХ, технологический разброс параметров и стоимость;

- низкая стоимость микросхем МШУ.

2.2 Входная и выходная информация

На рис. 2.2 показана классификация входной и выходной информации УЗДУ. В УЗДУ формируются зондирующие импульсы (ЗИ), которые через УЗ датчик направляются в тело пациента. Этот же УЗ датчик используется для приема эхосигналов, отраженных от акустических неоднородностей биологических тканей.

Эхосигналы обрабатываются в УЗДУ. В результате этой обработки форми-руются УЗ изображения внутренних органов и мягких тканей с, возможно, нало-женными на них картами кровотока;

Геометрические измерения проводятся на "замороженных" изображениях; они могут включать измерение длины между определенными точками изображе-ния, площади, периметра или объема интересующей области.

Предусматривается возможность построения и выдачи гистограммы, мате-матического ожидания и дисперсии яркостей определенной области изображения.

Результаты УЗ-исследований могут выдаваться на принтер, термопечать, архивироваться (записываться в базу данных протоколов УЗ обследований на винчестере), передаваться на расстояние через сети связи.

Рис. 2.2. Классификация входной и выходной информации УЗДУ

2.3 Принципы работы

В основе функционирования УЗДУ всех поколений лежит один и тот же общий физический принцип работы: зондирование области интереса УЗ сигналами и использование для получения изображения эхосигналов, отражённых от акустических неоднородностей биологической среды. Однако, по мере прогресса в электронике и вычислительной технике, методы формирования зондирующих импульсов (ЗИ), способы сканирования зоны обзора, методы обработки эхосигналов и вторичной обработки УЗ изображений сильно изменяются (усложняются) от поколения к поколению УЗДУ.

Математические основы формирования плоского изображения g(x, y) в любой (не обязательно ультразвуковой) системе интроскопии выражаются следующим соотношением (здесь для простоты объяснений используется двумерный случай):

(1.1)

где

ѓ(б, в) - двумерная яркостная картина в плоскости объекта исследования,

h(x, y) - функция отклика точечного источника (ФОТИ).

Применительно к УЗДУ прогресс в развитии электроники, вычислительной техники и методов обработки может быть интерпретирован как улучшение ФОТИ. В предельном случае идеальной системы интроскопии точке ѓ(б, в) в области объекта соответствует точечное изображение g(x, y) в области изображения.

Формула (1.1) полезна для наглядного и сжатого описания сути и анализа работы УЗДУ и процесса формирования УЗ изображения. Однако, они мало пригодны для синтеза УЗДУ. Это обусловлено тем, что синтез УЗДУ является творческим процессом и мало поддаётся формализации, а трудоёмкость определения ФОТИ сравнима с трудоёмкостью экспериментальной проверки самого УЗДУ. На практике анализ формы ФОТИ активно используется при выборе и оптимизации формы зондирующих импульсов, способов сканирования и обработки эхосигналов, определении уровня боковых лепестков и пр. в процессе моделиро-вания алгоритма синтеза УЗ изображения.

УЗДУ первых поколений были аналоговыми. В этих УЗДУ использовались аналоговые способы формирования узких УЗ лучей на передачу и приём. Для соз-дания УЗ лучей и формирования динамической апертуры использовались линии задержки.

В УЗДУ третьего поколения использовался метод виртуальных источников (ВИ). Существо этого метода состоит в предварительной фокусировке УЗ лучей на передачу от соседних пьезоэлементов (ПЭ) внутри области обзора на некотором расстоянии от рабочей поверхности УЗ датчика. В точках ВИ суммируется энергия нескольких соседних ПЭ. Эти точки ВИ затем можно рассматривать как самостоятельные точечные источники излучения, хотя реаль-ных источников излучения в этих точках нет (поэтому они и называются виртуальными). Согласно теории антенн способ создания ВИ не имеет значения. ВИ формируются для некоторой группы соседних ПЭ (субапертуры). Посредством соответствующей коммутации ПЭ и приёмо-передающих каналов эта субапертура может перемещаться вдоль решётки ПЭ УЗ датчика.

ВИ используются как в режиме передачи, так и в режиме приема.

Применение метода ВИ в значительной степени было обусловлено задачей улучшить энергетику в одноканальной (т.е. дешёвой) системе. Кроме того, требо-валось обойти отсутствие на тот период времени достаточно мощных выходных транзисторов для формирования ЗИ. Метод ВИ неплохо себя зарекомендовал. Существенным его достоинством является возможность уменьшить влияние ди-фракционных максимумов посредством уменьшения расстояния между соседними ВИ до значений, меньших расстояния между соседними ПЭ решётки УЗ датчика. Этот метод планируется применять и в новой разработке при необхо-димости использования недорогих УЗ датчиков с большим шагом расположения ПЭ.

Выводы

В данной главе был рассмотрены основы УЗМДУ, указаны основные параметры и требования. В медицине УЗМДУ обширно применяются на практике, ультразвкуковое исследование, как было показано в главе 1, является одним из ключевых в диагностике РМЖ.



ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ РЕЗОНАНСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ЗАБОЛЕВАНИЙ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

3.1 Описание метода

молочный железа диагностика маммография

В 1997 году «The Trustees of the University of Pennsylvania (Philadelphia, PA)» заявили патент под номером №5,997,477. (перевод патента в Приложение 3) Автор Chandra Sehgal представил метод и устройство для обнаружения микрокальцинатов в молочной железе, которые по некоторым по мнению многих исследователей являются предвестниками рака молочной железы. Описанный ниже метод позволяет в значительной степени повысить вероятность обнаружения микрокальцинатов и, соответственно, повысить вероятность ранней диагностики рака молочной железы. Метод базируется на утверждении, что микрокальцинаты, находящиеся в молочной железе, возбуждаются их резонансной частотой и это позволяет обнаружить образования, обладающие даже очень малой массой.

Микрокальцинаты появляются в МЖ в виде зерен неправильной формы. Размер микрокальцинатов может лежать в диапазоне от микроскопических до 2 мм, в основном они имеют размер порядка 100-500 микрон. Важными факторами в дифференциальной диагностике являются размер, форма, количество и пространственное распределение кальциевых частиц. Как правило, для того, чтобы с большой достоверностью предположить злокачественность, необходимо обнаружить, по крайней мере, 5-10 микрокальцинатов.

Как известно, в настоящее время наиболее распространённым и весьма надежным методом обнаружения микрокальцинатов является рентгеновская маммография. Другие методы диагностики, включая сонографию (УЗ диагностику), термографию, световое сканирование, магниторезонансную визуализацию и пр., не могут достоверно отобразить кальциевые включения. Поскольку, как упоминалось выше, наличие микрокальцинатов является важным признаком ранней стадии РМЖ, очень ценно уметь обнаруживать их при ультразвуковом обследовании. По сравнению с рентгеновской маммографией, ультразвук не имеет ионизирующего излучения и не известны связанные с ним побочные эффекты. Это делает ультразвук весьма привлекательным для проведения регулярных обследований (скрининга) женщин всех возрастов. Несмотря на то, что методы современной рентгеновской маммографии весьма чувствительны к выявлению микрокальцинатов, фактическая эффективность, как показала клиническая практика, при этом низка. Кроме того, рентгеновская маммография не дает информации о силах сцепления микрокальцинатов с окружающей тканью, что является важным дополнительным диагностическим признаком. При относительно высоком уровне положительных маммографических диагнозов уровень их подтверждения биопсией низок. При этом процедура взятия биопсии болезненна, а ее проведение и анализ - дорогие. За счет сокращения количества биопсий с отрицательным результатом можно получить значительную экономию средств. Это может быть достигнуто только при условии повышения надежности обнаружения микрокальцинатов.

Клиническая практика указывает на то, что существующие в настоящее время ультразвуковые системы и методы диагностики могут давать высокий процент как ложноположительных, так и ложноотрицательных диагнозов и, следовательно, их использование в дополнение к рентгеновской маммографии ограничено. Существующие методы получения ультразвуковых изображений используют для визуализации отражение акустических волн от неоднородностей тканей. Кальциевые включения обладают высокой отражающей способностью по сравнению с окружающими мягкими тканями и, тем не менее, надежно идентифицировать их на сонограммах (УЗ изображениях) трудно. Во многом это потому, что на УЗ изображениях присутствует сильный фоновый шум (часто это так называемый спекл-шум), вызванный когерентной интерференцией ультразвуковых волн.

Получение высокого разрешения в ультразвуковых системах, предназначенных для маммографии, требует решения целого ряда сложных технических проблем. Так, например, ткань МЖ является гетерогенной (разнородной), что приводит к быстрому уменьшению энергии УЗ пучка за счет отражения и рассеивания от многих несогласованных по импедансу поверхностей. Кроме того, за счет сильной рефракции, вызванной кривизной тканей молочной железы, УЗ луч расфокусируется. При этом включения, расположенные в поверхностных слоях МЖ, могут быть искажены или пропущены, так как они находятся в ближней зоне УЗ датчика.

При существующих методах однородная интенсивность луча в ближней зоне может вызвать такое отражение от ткани, окружающей кисту, при котором ее можно принять за твердое включение. По этой причине, исследования МЖ с помощью датчика, который врач держит в руке, требует использования либо внешней, либо встроенной в датчик жидкостной "прокладки". В будущем такие прокладки, по-видимому, будут представлять собой заполненный жидкостью пакет с откачанным воздухом, который помещается между датчиком и грудью, или специальный сосуд с жидкостью, или некоторое устройство.