Молекулярная структурная медицинская диагностика

 

Изобретение относится к медицине, а именно к неинвазивным способам диагностики. Объект исследуют проникающим излучением и определяют структурные функции исследуемой ткани, отражающие перераспределение проникающего излучения в пространстве и изменение спектрального состава излучения. Определяют один или нескольких искомых параметров: объемное содержание каждого типа ткани, наличие и вид патологического процесса. Сравнивают с соответствующей структурной функцией известных образцов биологических тканей на участке структурной функции, чувствительном к изменению искомого параметра. В качестве структурной функции может быть выбрана диаграмма рентгеновского когерентного рассеяния, и/или функция распределения парных расстояний, или диаграмма комптоновского рассеяния, или спектр люминесценции. Способ обладает высокой чувствительностью. 5 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к неразрушающим способам исследования веществ, материалов, биологических тканей и т.д., в частности к способам диагностики - контроля изменения структуры биологических тканей организма, которое может быть связано с неоплазией или иммунологическим ответом организма на болезни, лекарственные препараты, воздействие внешней среды и т.д. Исследование объекта при этом осуществляется с использованием проникающего излучения: рентгеновского, нейтронного, гамма-излучения и т.д. Когда речь идет об исследовании тканей живого организма, используют инвазивные и неинвазивные методы исследования. Первый предполагает забор образца ткани, например, с помощью биопсии, и разрушение образца в процессе исследования, второй метод не требует забора образца, т.е. является нетравматическим, и предполагает исследование ткани внутри самого организма. Предлагаемый способ относится к неинвазивным методам диагностики.

Методы диагностики с использованием рентгеновского просвечивания давно и хорошо известны. К ним относятся методы, основанные на различии поглощения рентгеновских лучей разными биологическими тканями. Ограничение возможностей этого метода связано со слабым различием коэффициентов поглощения излучения в мягких тканях и экранированием изображения внутренних органов при просвечивании. Для контрастного изображения мягких тканей используют другие принципы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Так, в частности, известны устройства для визуализации внутренней структуры объекта, в которых используется эффект преломления рентгеновских лучей на границах областей с различной электронной плотностью (заявка WO 95/05725, G 01 N 23/04). Общим недостатком этого метода является искажение регистрируемой информации при наличии нескольких границ областей с различной электронной плотностью на пути проникающего излучения, а также трудности, возникающие при идентификации различных веществ, составляющих исследуемый объект.

Более перспективными показали себя методы рентгенодиагностики, основанные на регистрации малоуглового когерентного рассеяния рентгеновских лучей, достоинство которых, в частности, состоит в том, что они дают информацию непосредственно о молекулярной структуре биологической ткани. Структура биологической ткани является ключевым моментом правильной диагностики патологического состояния органа или всего организма в целом.

Среди известных способов рентгеновского исследования, основанных на просвечивании исследуемого объекта пучком рентгеновского излучения и измерении прошедшего через него излучения и излучения, рассеянного объектом на малые углы, назовем, например, способы, описанные в патентах US 4751772, G 01 N 23/201, 1988; US 4754469, G 01 N 23/201, 1988. В указанных способах для просвечивания предлагается использовать узко коллимированный пучок монохроматического или полихроматического излучения. Рассеянное излучение имеет характерную угловую зависимость с ярко выраженными максимумами, положение которых определяется как самим облучаемым веществом, так и энергией падающего излучения.

К недостаткам этого способа относятся трудности в интерпретации полученных результатов, поскольку биологическая ткань представляет собой сложный объект и наличие различных тканей на пути рентгеновского излучения приводит к сглаживанию пиков.

К настоящему времени разработана теория рассеяния рентгеновских лучей на неоднородностях электронной плотности в веществе для кристаллов, моно- и полидисперсных рыхлоупакованных систем. Наиболее сложный случай теории - рассеяние плотноупакованными системами, т.к. по мере уплотнения системы наблюдается взаимодействие между соседними частицами, что усложняет зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния. Информация о рассеянии рентгеновских лучей не позволяет однозначно определять молекулярную структуру вещества в общем случае, но она может служить в качестве решающего теста при выборе той или иной модели структуры.

Частично обойти эти трудности удается при использовании стандартного образца - эталона. Угловое распределение абсолютной интенсивности рассеяния исследуемого объекта сравнивается с аналогичной величиной для эталона, точно определенной, и на основании этого делают заключение о структуре образца.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является способ малоугловой интроскопии, предназначенный для определения состава и структуры неоднородного объекта (патент RU 2137114, G 01 N 23/201, 1997). Указанный способ включает облучение объекта узким слаборасходящимся пучком рентгеновского излучения и регистрацию распределения интенсивности излучения по сечению пучка при отсутствии исследуемого объекта и при его наличии. Полученные распределения интенсивностей падающего и прошедшего излучений нормируют на общую интенсивность падающего и прошедшего излучений соответственно. Рассеяние излучения в объекте приводит к перераспределению интенсивности излучения по сечению первичного пучка. По изменению нормированного пространственного распределения интенсивностей, обусловленному рассеянием излучения на малые углы входящими в объект веществами и сравнению его с предварительно полученными при тех же условиях эталонными значениями идентифицируют входящие в объект вещества.

К недостаткам указанного способа относятся трудности, связанные с обнаружением малых изменений сигналов большой величены. Например, для соединительной ткани интенсивность излучения рассеянного в угол 0,06^o составляет 10^-3-10^-5 от интенсивности первичного пучка. Следует также отметить, что сложность и неоднородность структуры биологической ткани и трудности в интерпретации результатов, полученных методом МУР, затрудняют применение этого метода при медицинских исследованиях, например при идентификации опухолей и опухолеподобных образований.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение качественных и количественных характеристик структуры исследуемого объекта и определение структуры отдельных веществ, материалов, биологических тканей и т. д. в сложном объекте, при его неразрушающем исследовании.

Технический результат достигается способом, который включает: определение структурной(-ых) функции(-ий) исследуемого объекта и определение для него искомого(-ых) параметра(-ов) путем сравнения с соответствующей(-ими) структурной(-ых) функции(-ий) известных образцов, для которых определен(-ы) искомый(-е) параметр(-ы), сравнение производят на участке(-ах) структурной(-ых) функции(-ий), чувствительном(-ых) к изменению искомого(-ых) параметра (-ов), этот (эти) участок(-ки) определяют для известных образцов.

Воздействия внешней среды, патологические процессы, происходящие в самом организме, приводят к изменению структуры биологических тканей. Определение структуры биологических тканей, а точнее изменений, происходящих в структуре, позволяет диагностировать наличие патологических изменений на ранних стадиях болезни и выбрать правильный курс лечения. Структура биологической ткани описывается с помощью структурных функций, отражающих перераспределение проникающего излучения в пространстве и изменение спектрального состава излучения, как результат взаимодействия проникающего излучения с веществом. К структурным функциям относятся: диаграмма когерентного рассеяния, диаграмма комптоновского рассеяния, функция распределения парных расстояний, спектр люминесценции исследуемого образца и др.

Биологический объект при исследовании описывается набором параметров, отражающих его состав и молекулярную структуру, это могут быть: тип биологической ткани, ее процентное содержание, наличие и вид патологических изменений (например, по Международной классификации заболеваний), молекулярный состав ткани и т.д.

Исследование биологического объекта осуществляют в два этапа: первый, предварительный, включает в себя создание банка данных для каждого типа используемого излучения, вида структурной функции и одного или нескольких определяемых параметров биологической ткани; второй - включает просвечивание исследуемого объекта выбранным проникающим излучением, определение структурной функции (или нескольких структурных функций) и определение параметров биологической ткани в исследуемом объекте с использованием соответствующего банка данных. Если используют уже готовый банк данных, то при исследовании объекта сразу переходят ко второму этапу.

На этапе создания банка данных отбирают образцы биологической ткани, имеющие различную величину определяемых параметров. Точное количественное значение параметра для образца определяют с привлечением различных методов гистологии и гистохимии. Количество исследуемых образцов в выборке должно быть статистически достоверным.

Каждый образец биологической ткани просвечивают выбранным излучением и определяют соответствующую структурную функцию. На основе одной выборки биологических образцов может быть создано несколько банков данных при использовании различных типов проникающего излучения и определении разных структурных функций. Каждая структурная функция нормируется, для уменьшения влияния колебаний в работе аппаратуры, сопоставимости результатов, полученных на разном оборудовании, и учета влияния размеров и формы исследуемого образца. Здесь могут использовать как внутреннюю нормировку, например для функции распределения парных расстояний для всех биологических образцов на одном и том же расстоянии имеется пик, на величину которого и нормируют все значения функции; так и использовать стандартный калибровочный образец и нормировать значения структурной функции для биологического образца на соответствующие значения структурной функции калибровочного образца. Также могут быть использованы другие методы нормировки. (При использовании стандартного оборудования со стабильными параметрами и стандартизации исследуемого материала можно отказаться от нормировки структурных функций).

Нормированные структурные функции биологических образцов и соответствующие им величины определяемых параметров вносят в банк данных. Нормированная структурная функция может быть представлена в виде таблицы значений или в виде аналитической функции (или ряда функций). На основании этих данных с привлечением методов математической статистики определяют чувствительные точки структурной функции, т.е. участки структурной функции, чувствительные к изменению определяемых параметров. Для каждой структурной функции существует по крайней мере один интервал, на котором значения структурной функции коррелируют с величиной соответствующего параметра образца биологической ткани.

Один из методов определения чувствительных точек заключается в определении уровня корреляции между двумя переменными, - значением интересующего нас параметра и значением нормированной структурной функции в определенной точке. Уровень корреляции устанавливается для всего интервала, где определена структурная функция. Точки, связанные с наибольшим уровнем корреляции между значением параметра и значением структурной функции, выбирают в качестве чувствительных точек для данного параметра.

Математическое выражение метода установления уровня корреляции также включают в банк данных.

Таким образом, банк данных содержит: сведения о типе используемого проникающего излучения, виде структурной функции, статистически достоверное количество образцов с различной величиной определяемого параметра во всем диапазоне значений и соответствующие им нормированные структурные функции, значения точек структурной функции, чувствительных к изменению определяемого параметра и алгоритм установления корреляции между двумя группами значений: определяемого параметра и величиной структурной функции в чувствительных точках. Банк данных может также содержать классификацию образцов по величине определяемого параметра и другие дополнительные сведения.

На втором этапе исследуемый объект просвечивают проникающим излучением и для него определяют по крайней мере одну нормированную структурную функцию. (На этом этапе описываемый способ, без ограничения общности, может быть использован для исследования, как отдельных образцов биологической ткани, так и отдельных органов и систем организма при неинвазивном обследовании.) Значения структурной функции в чувствительных точках для исследуемого образца сравнивают с соответствующими значениями, содержащимися в банке данных. Величина определяемого параметра для исследуемого объекта будет соответствовать величине параметра образца из банка данных, имеющего наименьшее отклонение значений структурной функции по всей совокупности чувствительных точек. Точность определения параметра будет соответствовать степени отклонения значений структурных функций для исследуемого объекта и соответствующего образца из банка данных по всей совокупности чувствительных точек.

Проиллюстрируем осуществление предложенного способа на примере изучения патологий молочной железы (МЖ). Просвечивание объекта осуществляли рентгеновским излучением, в качестве определяемых параметров были выбраны: процентное содержание ткани (эпителиальной, соединительной и жировой) и вид патологии (по Международной классификации заболеваний МЖ). Используемыми структурными функциями были диаграмма малоуглового рассеяния рентгеновского излучения и функция распределения парных расстояний. Такой выбор определялся, прежде всего, особенностями биологических образцов - большими периодами молекулярной структуры (от нескольких десятков до сотен нанометров).

Диаграмма малоуглового рассеяния (МУР) представляет собой зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния. Диапазон измеряемых углов простирался от нескольких угловых секунд до нескольких градусов и зависел от длины волны излучения.

Функция распределения парных расстояний (ФРПР) отражает зависимость распределения электронной плотности от размеров структурной периодичности в образце. ФРПР связана с диаграммой рассеяния излучения преобразованием Фурье.

Банк данных МЖ был сформирован на основании исследования образцов биологической ткани, полученных в ходе хирургических операций. Диаграммы МУР для образцов банка данных получали на дифрактометре АМУР-К с использованием линейного позиционно-чувствительного детектора. Источником излучения являлась рентгеновская трубка с Сu анодом (λ ==0,154 нм). Регистрация рассеянного излучения осуществлялась в интервале углов от s=0,444 нм^-1 до s=5,200 нм^-1, с шагом s=0,004 нм^-1 ((s = 2ΘsinΘ)λ, где Θ - угол рассеяния).

Образцы биологической ткани МЖ, полученные в ходе хирургических операций, без какой-либо предварительной обработки поступали на рентгеновское исследование. От каждого пациента брали два образца ткани: неизмененная ткань (нет изменений обнаруживаемых методами гистологии) и ткань из очага патологических изменений. Результатом рентгеновского исследования являлась зависимость малоуглового рассеяния излучения и значения интенсивностей излучения до и после образца. Экспериментальные данные рассеяния рентгеновского излучения исследуемым объектом (зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния) предварительно сглаживались и в них вводились соответствующие коллимационные поправки, учитывающие аппаратную функцию прибора, на котором проводились измерения, затем эти зависимости нормировались на общее время измерений и интенсивность излучения, прошедшего через исследуемый объект. (Процедура обработки данных малоуглового рассеяния описана, например, в кн. Д.И.Свергун, Л.А.Фейгин. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М.: Наука, 1986).

После рентгеновских исследований образец ткани помещался в раствор формалина и поступал на гистологическое исследование, проводимое по общепринятой методике. Из каждого образца изготавливали 10 срезов, с помощью которых уточняли характер материала, наличие и вид патологического процесса. Методом стереометрии по гистологическим срезам определяли объемное содержание каждого типа ткани в образце.

Все собранные таким образом данные поступали в банк данных. Банк данных содержал достоверное количество случаев по основным видам патологий МЖ (информацию о более чем 500 пациентах).

Чувствительные точки структурной функции (ФРПР) определяли с использованием методики определения уровня корреляции между двумя переменными. В качестве одной переменной бралась концентрация соединительной ткани для каждого вида патологии (коллаген, составляющий основу соединительной ткани, имеет периодическую структуру, вносит основной вклад в рассеяние излучения, и его структура чувствительна к наличию патологических изменений в организме), другой переменной являлось значение структурной функции в определенной точке. Если {х_i} значения структурной функции для некоторой выборки из n образцов, вычисленные в некоторой фиксированной точке, a {p_i} - соответствующие концентрации соединительной ткани, то через f обозначим неубывающую кусочно-ступенчатую функцию, наименее уклоняющуюся в смысле среднего квадратичного от совокупности {(x_i,p_i)}. В качестве чувствительных точек выбирались точки структурной функции, имеющие наименьшее значение среднего отклонения от кусочно-ступенчатой функции при максимальном значении вариации: MD=(1/nΣ(p_i-f(x_i))²)^1/2; V=(f(x_n)-f(x₁))/(x_n-x₁), где MD - среднее отклонение, n представляет собой число значений параметра, р_i - значение параметра в i-й точке, х_i - значение структурной функции в определенной точки, f(x_i)) - значение параметра, определенного соотношением для кусочно-ступенчатой функции; V - вариация.

Таким образом, для каждого вида патологий в банке данных имеется набор чувствительных точек структурной функции и соотношение между значениями функции в этих точках.

Для каждого "нового" образца по значениям структурной функции в чувствительных точках и известным корреляционным соотношениям определяют группу, к которой относится образец (вид патологии).

Результаты, полученные при исследовании биопсийного материала, взятого от 252 пациентов, показали чувствительность 90% при обнаружении злокачественных и доброкачественных опухолей и опухолеподобных образований.

Аналогичная процедура установления диагноза проводится и при неинвазивном рентгеновском просвечивании участка молочной железы. При использовании в обследовании пациента рентгеновской установки, отличной от той, на которой формировалась база данных, и другого типа излучения, в рентгеновские данные необходимо вносить соответствующие коллимационные поправки и поправки на жесткость излучения.

Предлагаемый способ может быть использован в медицинской диагностике и для исследования биологических тканей, аналогичная процедура может быть применена для исследования любых веществ, материалов и т.д.

Формула изобретения

1. Способ неинвазивной диагностики структуры биологических тканей, который включает просвечивание исследуемого объекта проникающим излучением и определение по крайней мере одной структурной функции исследуемой ткани, отражающей перераспределение проникающего излучения в пространстве и изменение спектрального состава излучения, определение для исследуемого объекта по крайней мере одного искомого параметра, выбранного из ряда объемное содержание каждого типа ткани, наличие и вид патологического процесса, путем сравнения с соответствующей структурной функцией известных образцов биологических тканей, при этом сравнение проводят на по крайней мере одном чувствительном к изменению искомого параметра участке структурной функции, в качестве которого выбирают участок, содержащий точки, имеющие наименьшее значение среднего отклонения MD от кусочно-ступенчатой функции f, при максимальном значении вариации V: MD = (1/n Σ (p_i - f(x_i))²)^1/2; V = (f(x_n) - f(x₁))/(x_n - x₁), где х_i - значение структурной функции для выборки из n известных образцов; p_i - соответствующие значения концентрации одного из типов ткани;
f(x_i) - значение параметра, определенного через кусочно-ступенчатую функцию f.

2. Способ неинвазивной диагностики по п. 1, отличающийся тем, что в качестве структурной функции выбирают диаграмму рентгеновского когерентного рассеяния и/или функцию распределения парных расстояний.

3. Способ неинвазивной диагностики по п. 2, отличающийся тем, что в качестве структурной функции выбирают диаграмму малоуглового рентгеновского рассеяния.

4. Способ неинвазивной диагностики по п. 1, отличающийся тем, что в качестве структурной функции выбирают диаграмму комптоновского рассеяния или спектр люминесценции.

5. Способ неинвазивной диагностики по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что структурную функцию нормируют, используя внутреннюю нормировку.

6. Способ неинвазивной диагностики по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что известные образцы биологической ткани являются образцами, полученными в ходе хирургической операции.