научная статья по теме ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ОНКОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ: ПРОБЛЕМЫ И КЛЮЧЕВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ Метрология

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ОНКОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ: ПРОБЛЕМЫ И КЛЮЧЕВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ»

МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

004.932.2

Высокотехнологичные информационно-измерительные комплексы онкологической диагностики: проблемы и ключевые положения

методологии построения

В. Г. НИКИТАЕВ

Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт», Москва, Россия, e-mail: kaf46@mail.ru

Рассмотрены высокотехнологичные информационно-измерительные комплексы онкологической диагностики, использующие один из ее основных методов — гистологический. Исследованы главные междисциплинарные проблемы разработки систем гистологической диагностики. Обсуждены ключевые положения методологии построения таких комплексов, подтвержденные успешным опытом их разработки и внедрения в клиническую практику.

Кпючевые слова: онкологическая диагностика, информационно-измерительные комплексы, системы гистологической диагностики, междисциплинарные проблемы, экспертные системы.

High-tech information-measuring complexes of cancer diagnostics with one of the basic methods — the histological analysis application are considered. The main interdisciplinary problems of development of systems of histological diagnostics have been studied. The key points of methodology of these complexes creation are considered. These key points are proved by successful experience of development and application of these complexes in the clinical practice.

Key words: cancer diagnostics, information-measuring complexes, histological diagnostic systems, interdisciplinary problems, expert systems.

Онкологические заболевания и смертность от них неуклонно растут, занимая второе место в мире после сердечно-сосудистых заболеваний. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения число смертей от онкологии к 2030 г. может составить 11 млн [1—3]. Важнейшее значение в данной связи приобретает диагностика. Точность онкологического диагноза, лечебную тактику, успех лечения и прогноз во многом определяет гистологическая диагностика (ГД), которую проводит врач-патологоанатом (патолог). Гистология — наука о закономерностях развития, строении и функциях тканей человека и животных [2—4]. В методических рекомендациях Министерства здравоохранения и социального развития РФ по алгоритмам выявления онкологических заболеваний у населения гистологический метод исследования в большинстве случаев включен в тактику ведения пациента. При диагностике рака легкого, лидирующего среди других онкологических заболеваний в мире и России, специалисты медицинских центров всех стран подчеркивают первостепенную роль для лечебной тактики точного морфологического заключения, основанного на своевременной гистологической классификации [3].

Современная ГД базируется на анализе изображений гистологических препаратов, их морфологической количественной и качественной оценке с применением макро- и микроскопии. Среди методов микроскопии, таких как световая, атомно-силовая и другие, отметим преимущество в клинической практике первой, обусловленное многолетним опытом исследований с использованием световых микроскопов. Гистологическая диагностика может быть плановой (не требующей срочного ответа) и срочной (интраопераци-онная диагностика, экспресс-диагностика), когда оперирующий хирург ждет диагностического ответа патологоанатома во время операции для определения тактики ее проведения и объема [5, 6].

Гистологическая диагностика состоит из следующих этапов: взятие гистологического материала (выбор объекта исследования); измерительный анализ макропрепарата; приготовление и анализ микропрепарата (распознавание типа опухоли); постановка гистологического диагноза. В процессе макроанализа проводятся: вырезка информативного участка на макропрепарате, относящегося к опухоли; описание опухоли; морфологические измерения (линейные размеры, площадь, периметр и др. параметры опухоли); определение цвета (в классическом подходе — с применением цветовых шкал) [5, 6].

Цель настоящей работы — исследование междисциплинарных проблем разработки информационно-измерительных систем (ИИС) ГД онкологических заболеваний с применением световой микроскопии, и формирование на этой основе ключевых положений методологии построения высокотехнологичных информационно-измерительных комплексов (ИИК).

Объектная среда ИИС ГД представляет объекты диагностических исследований (гистологический материал) и их атрибуты (рисунок). Гистологические материалы могут быть биопсийными (прижизненными), они составляют главный объем исследований, операционными (взятыми во время хирургических операций), аутопсийными (трупными), экспериментальными (взятыми у исследуемых животных).

Основные междисциплинарные проблемы создания ИИС ГД онкологических заболеваний.

1. Слабая формализуемость объектов ГД на решающем этапе — микроанализе — объясняется сложной простран-ственно-яркостной организацией изображений гистологоги-ческих препаратов (свыше 16 млн цветовых оттенков на пиксел при типовой 24-битной кодировке цвета 3x8 RGB). Если учесть используемые в компьютерных системах ГД обычные форматы цифровых изображений (произведение числа

пикселов по горизонтали и вертикали цифрового растра), например 720x576, это даст представление о числе максимально возможных комбинаций цветовых оттенков гистологической картины и, следовательно, о масштабе отмечаемой проблемы [5—7].

2. Сложность и уникальность структуры гистологических изображений обусловливают нерешенность до настоящего времени задач их количественного описания, относящихся к проблемам восприятия зрительных образов, искусственного интеллекта, метрологическим вопросам (эталонной базы, экспериментальных исследований метрологических характеристик, метрологической аттестации). Процесс ГД в большинстве случаев клинической практики строится на формировании врачами-патологоанатомами качественных характеристик исследуемых объектов, что соответствует классической схеме подготовки врачей (аналогично у человека формируется память на лица).

В настоящее время системы цифровой обработки изображений с применением световой микроскопии в большинстве своем не относятся к средствам измерений, подлежащим сертификации [7]. В то же время морфологический и цветовой анализы в системах ГД связаны с измерениями характеристик исследуемых объектов, включая процедуры распознавания опухолей на этапе микроанализа, когда оцениваются качественные значения их признаков. Такая ситуация объясняется тем, что многие из затронутых проблем, особенно в части распознавания, выходят за рамки классической метрологии. Несмотря на то, что работы по этим проблемам ведутся свыше 25 лет и имеются определенные достижения, говорить об исчерпывающих решениях преждевременно.

3. Проведение ГД в сложных случаях, особенно врачами-патологоанатомами лечебных учреждений, удаленных от медицинских центров затруднительно [4—6]. По данным [4], в более чем половина сложных случаев на периферии гистологический диагноз оказывался неверным.

4. Существует низкая информативность классических (ручных) морфологических и цветовых методов измерений на этапе гистологического макроанализа, при котором морфологические измерения сводятся к измерениям размеров опухоли с помощью линейки. Цвет опухоли определяется с применением цветовых шкал. Имеют место проблемы формализации макроописаний опухолей [5, 6].

5. Наблюдается дефицит высококвалифицированных врачей-патологоанатомов, в первую очередь, в отдаленных регионах РФ, вызванный недостатком должного опыта, трудностями доступа к знаниям, нехваткой финансирования профилированной очной подготовки врачей [4—6].

Пути решения проблем онкологической диагностики связаны с фундаментальными и прикладными исследованиями и их объединением по ряду направлений: онкология, диагностика, медицинское образование, генетика, биология, химия, физика, зрительное восприятие, измерительная техника, метрология, кибернетика, электроника, связь и др. Среди указанных областей отметим междисциплинарные направления, посвященные исследованию, разработке и применению методов гистологического анализа, молекуляр-но-генетические и иммуногистохимические методы, альтернативные и дополнительные диагностические методы — цитологические, лучевые, эндоскопические и др., используемые при постановке онкологического диагноза, в том числе в сочетании с гистологическим методом [1—3, 5—6].

Объектная среда информационно-измерительных систем гистологической диагностики

1 (

Тип гистологического материала: Биопсийный Операционный Аутопсийный Экспериментальный Тип гистологического препарата: Макропрепарат Микропрепарат Тип исследуемых изображений: Макроизображение Микроизображение Способ приготовления гистологического препарата: Плановый Срочный

Объектная среда информационно-измерительных систем гистологической диагностики

Выделим направления, отражающие методы автоматизации измерений в диагностике онкозаболеваний: диалоговое взаимодействие врача с диагностической системой; методы построения высокоинформативных интеллектуальных ИИС на основе баз знаний, экспертных систем, распознавания образов; методы компьютерного анализа изображений; количественные и качественные измерения; построение обучающих компьютерных систем; телемедицинские системы.

Результаты междисциплинарных исследований по указанным выше проблемам и путям их решения в рассматриваемой предметной области необходимо учитывать разработчикам ИИС при формировании принципиальных подходов к их построению, что подтверждено опытом разработки и внедрения высокотехнологичных систем онкологической диагностики [5—6, 8—9].

Ключевые положения методологии построения высокотехнологичных ИИК ГД. Эффективное решение перечисленных проблем на современном этапе связано с первоочередной реализацией следующих ключевых положений методологии построения ИИК ГД онкологических заболеваний:

интеграция в едином ИИК ГД на общей программно-аппаратной платформе систем клинической диагностики, научно-исследовательской, обучающей, телемедицинской, информационной [6, 8];

формирование стратегии построения систем клинической диагностики на основе методов искусственного интеллекта (экспертные си

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком