Свет поможет ученым быстрее диагностировать злокачественные новообразования
13.07.2021
Пятикурсница Уфимского государственного авиационного технического университета Алина Усова совместно с медиками разрабатывает технологию быстрой диагностики новообразований с помощью света.
Речь идет о применении раман-спектроскопии в медицине. Этот вид спектроскопии относится к методам колебательной спектроскопии — когда проводят химический анализ образца. Для возбуждения молекулярного колебания применяется свет, затем взаимодействие света и вещества анализируется. Технология раман-спектроскопии широко используется для определения наличия веществ в смесях. Например, в аэропортах с применением раман-спектроскопов ищут следы наркотических или взрывчатых веществ на одежде и коже посетителей. В медицине эту технологию до сих пор не использовали из-за сложности состава биологических объектов, так как в большинстве случаев ученые не могут точно сказать, какие именно химические вещества связаны с протеканием того или иного заболевания.
Эту проблему уфимские ученые предложили обойти с помощью методов машинного обучения. Из предварительно обработанных специальными математическими алгоритмами спектров образцов здоровых и пораженных тканей разработчики сформировали обучающую выборку, которая использовалась для настройки распознающей процедуры.
«На образец ткани направляется лазер, световой поток рассеивается на образце и специальный детектор фиксирует отклонения частоты рассеянного света от частоты исходного лазера. В зависимости от химического состава образца в рассеянном свете появляются дополнительные цвета. Задача системы – выявить и запомнить комбинацию цветов, которые появляются при взаимодействии с клетками злокачественного новообразования. Таким образом, мы можем получить неинвазивную диагностическую процедуру, которая позволит не только быстро выявить наличие заболевания, но и определить границы опухоли во время операции», – отметила Алина Усова.
«Резекция злокачественных новообразований – сложная и опасная процедура, так как не всегда границы опухоли видны даже опытному глазу хирурга. Есть риск либо оставить в организме злокачественные клетки, либо вырезать часть здорового органа. Для некоторых видов онкозаболеваний иногда применяется специальное вещество, которое вводят в кровь пациенту. Оно по-разному усваивается здоровыми и злокачественными клетками, светится в ультрафиолетовом свете и позволяет во время операции увидеть границы опухоли. Однако оно не универсально и к тому же очень токсично. Методы диагностики, основанные на нашем подходе, смогут в перспективе решить эту и многие другие проблемы», – добавил научный руководитель проекта, доцент кафедры информатики УГАТУ Алексей Ковтуненко.
В разработке принимают участие не только специалисты и студенты авиационного университета, но и коллеги-медики. В частности, ректор БГМУ, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН Валентин Павлов и начальник управления информационных технологий БГМУ, кандидат медицинских наук Азат Билялов.
Работа над проектом ведется уже больше пяти лет. За это время команда ученых и студентов создала программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы машинного обучения, обработала десятки спектров образцов тканей различных органов и типов рака. Методика показала хорошую точность распознавания, и с увеличением выборки показатель улучшится.
Итогом проекта должен стать программно-аппаратный комплекс, в состав которого будут входить анонимизированная база спектров, высокопроизводительный обучающий сервер и диагностические приборы разного типа и области применения. Особую надежду ученые возлагают на реализацию своих идей совместно с лабораторией интегральной фотоники УГАТУ на основе фотонных интегральных схем, которые позволят производить обработку данных прямо внутри человеческого организма.
Речь идет о применении раман-спектроскопии в медицине. Этот вид спектроскопии относится к методам колебательной спектроскопии — когда проводят химический анализ образца. Для возбуждения молекулярного колебания применяется свет, затем взаимодействие света и вещества анализируется. Технология раман-спектроскопии широко используется для определения наличия веществ в смесях. Например, в аэропортах с применением раман-спектроскопов ищут следы наркотических или взрывчатых веществ на одежде и коже посетителей. В медицине эту технологию до сих пор не использовали из-за сложности состава биологических объектов, так как в большинстве случаев ученые не могут точно сказать, какие именно химические вещества связаны с протеканием того или иного заболевания.
Эту проблему уфимские ученые предложили обойти с помощью методов машинного обучения. Из предварительно обработанных специальными математическими алгоритмами спектров образцов здоровых и пораженных тканей разработчики сформировали обучающую выборку, которая использовалась для настройки распознающей процедуры.
«На образец ткани направляется лазер, световой поток рассеивается на образце и специальный детектор фиксирует отклонения частоты рассеянного света от частоты исходного лазера. В зависимости от химического состава образца в рассеянном свете появляются дополнительные цвета. Задача системы – выявить и запомнить комбинацию цветов, которые появляются при взаимодействии с клетками злокачественного новообразования. Таким образом, мы можем получить неинвазивную диагностическую процедуру, которая позволит не только быстро выявить наличие заболевания, но и определить границы опухоли во время операции», – отметила Алина Усова.
«Резекция злокачественных новообразований – сложная и опасная процедура, так как не всегда границы опухоли видны даже опытному глазу хирурга. Есть риск либо оставить в организме злокачественные клетки, либо вырезать часть здорового органа. Для некоторых видов онкозаболеваний иногда применяется специальное вещество, которое вводят в кровь пациенту. Оно по-разному усваивается здоровыми и злокачественными клетками, светится в ультрафиолетовом свете и позволяет во время операции увидеть границы опухоли. Однако оно не универсально и к тому же очень токсично. Методы диагностики, основанные на нашем подходе, смогут в перспективе решить эту и многие другие проблемы», – добавил научный руководитель проекта, доцент кафедры информатики УГАТУ Алексей Ковтуненко.
В разработке принимают участие не только специалисты и студенты авиационного университета, но и коллеги-медики. В частности, ректор БГМУ, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН Валентин Павлов и начальник управления информационных технологий БГМУ, кандидат медицинских наук Азат Билялов.
Работа над проектом ведется уже больше пяти лет. За это время команда ученых и студентов создала программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы машинного обучения, обработала десятки спектров образцов тканей различных органов и типов рака. Методика показала хорошую точность распознавания, и с увеличением выборки показатель улучшится.
Итогом проекта должен стать программно-аппаратный комплекс, в состав которого будут входить анонимизированная база спектров, высокопроизводительный обучающий сервер и диагностические приборы разного типа и области применения. Особую надежду ученые возлагают на реализацию своих идей совместно с лабораторией интегральной фотоники УГАТУ на основе фотонных интегральных схем, которые позволят производить обработку данных прямо внутри человеческого организма.
