Młody badacz udoskonala nowoczesną metodę diagnostyki nowotworów piersi

"Dotychczas wykonywano jedno zdjęcie, które szczegółowo analizowano. Na wynik miały wpływ warunki otoczenia. Ja wykonuję badanie dynamiczne piersi, która jest pobudzana strumieniem zimnego powietrza" - mówi naukowiec.

Tłumaczy, że podczas naturalnego ocieplania się tkanki po schłodzeniu nagrywany jest film, czyli sekwencja termogramów. Poddaje się go analizie komputerowej, a wynikiem jest seria obrazów parametrycznych - podobnie jak w badaniach rezonansu magnetycznego. Dzięki pobudzeniu tkanki można otrzymać obraz zależący od jej wewnętrznej struktury.

Badań termograficznych piersi próbowano od dawna. Jednak, jak ocenia naukowiec, w ostatnich latach zmieniło się bardzo dużo. Poszerzył się zakres wiedzy o procesach termicznych zachodzących w tkankach, w tym nowotworach (chociaż, w opinii Moderhaka, najbardziej rzetelna wiedza pochodzi z lat 80. XX wieku). Zmienia się sprzęt. Coraz szybsze komputery pozwalają na poprawę algorytmów analizy obrazów. Kamery termograficzne mają rozdzielczość rzędu kilkudziesięciu mK i coraz wyższe rozdzielczości obrazu, co otwiera nowe możliwości i eliminuje błędy pomiarowe.

Jak przypomina badacz, do tej pory w diagnostyce termicznej nowotworów piersi rejestrowano pojedynczy obraz. Na jego podstawie analizowano rozkład temperatury na powierzchni piersi i starano się postawić diagnozę. W trakcie takiego badania stosowano również pobudzenie termiczne w postaci strumienia powietrza z wentylatora lub zimnego okładu. Celem było zwiększenie kontrastu między obszarami mniej i bardziej aktywnymi termicznie. Cały czas jednak sprowadzało się to do analizy pojedynczych obrazów lub bardzo krótkich sekwencji, a ruchy pacjentki uniemożliwiały analizę komputerową.

"Podejście prezentowane w mojej rozprawie doktorskiej jest podejściem częściowo nowym. Badana pierś jest ochładzana do założonej temperatury, po czym rejestrowany jest proces naturalnego powrotu temperatury. Po stabilizacji obrazów sekwencji uruchamiana jest procedura optymalizacji dopasowująca model powrotu temperatury do otrzymanej sekwencji powrotu" - opisuje Moderhak.

Wynikiem jest zestaw parametrów dla każdego punktu obrazu termicznego. Jest to możliwe dzięki cyfrowej stabilizacji - zupełnie nowej procedurze. Parametry są zależne od właściwości termicznych tkanek znajdujących się pod skórą, w tym również naczyń krwionośnych tkanek nowotworowych.

Na obecnym etapie badań naukowcy będą weryfikować i dochodzić do tego, co widać na poszczególnych obrazach parametrycznych.

Doktorant PG zaznacza, że nie ma wykształcenia medycznego i swoją wiedzę czerpie z publikacji i książek. Z jego analiz wynika, że zależnie od typu nowotworu efekt zastosowania nowej metody może być większy lub mniejszy.

"Powstający nowotwór zapewnia sobie substancje odżywcze poprzez rozbudowę naczyń krwionośnych. Charakteryzuje się również dużo większym poziomem metabolizmu w stosunku do otaczających tkanek. W modelowaniu matematycznym przyjmuje się, że ciepło będące efektem zwiększonego metabolizmu jest kilkadziesiąt razy większe od otaczających tkanek - powoduje to wzrost temperatury na powierzchni nawet do 2 stopni Celsjusza, zależnie od budowy, głębokości i średnicy guza" - tłumaczy Moderhak.

Dodaje, że celem badania jest wykrycie zmian na powierzchni, spowodowanych tymi czynnikami. Przyznaje, że metoda staje się mniej efektywna w przypadku głęboko położonych guzów. Teoretycznie, stosując odpowiednio długi czas ochładzania, można starać się wykryć głębokie zmiany. Praktycznie jest to trudne w realizacji z kilku powodów.

"Siła pobudzenia (chłodzenia) ma tu dużo mniejsze znaczenie. Dodatkowo tkanka żywa jest obiektem nieliniowym i aktywnym termicznie w różnym stopniu, zależnie od badanej osoby, co sprawia dodatkowe problemy" - mówi naukowiec.

Jak wyjaśnia, im dłuższy czas, tym głębiej zimno dociera i pozwala wykryć coraz głębsze defekty. Aby zobrazować ten proces, podaje przykład odwrotny: potrawy smażonej na dużym ogniu, która - zanim ciepło wniknie do wewnątrz i ogrzeje mięso - przypali się. Natomiast jeśli zmniejszymy moc palnika i wydłużymy czas przygotowania, zapewnimy potrawie lepszą jakość. Prawdopodobnie obrazy parametryczne substancji po takim pobudzeniu byłyby również lepszej jakości.

Szeroka wiedza na ten temat jest zawarta w opisach Non Destructive Testing - nieniszczącego badania materiałów przemysłowych (kompozyty, laminaty, korozja, przemysł lotniczy i kosmiczny, wojsko) przy pomocy aktywnej termografii dynamicznej. Stosowane są tam różne techniki pobudzenia w zależności od materiału i szukanych defektów - od lamp halogenowych i powietrza przez ultradźwięki po prądy wirowe.

***

Mateusz Moderhak właśnie rozpoczął staż na Uniwersytecie Laval w Kanadzie. Pod kierunkiem prof. dra hab. inż. Antoniego Nowakowskiego pisze pracę pt. "Analiza algorytmów diagnostyki termicznej dla mammografii". Rozprawę chciałby obronić w ciągu dwóch lat.

Zakres jego badań to: obrazowanie 3D, modelowanie matematyczne i symulacje komputerowe, fizjologia człowieka, procesy termoregulacji, powstawanie nowotworów, akwizycja oraz przetwarzanie danych pomiarowych pod kątem analizy procesów przejściowych, aktywna termografia dynamiczna i tomografia termiczna.

Naukowca zaskoczyło duże zainteresowanie jego pracą ze strony przedsiębiorców. "Myślę, że gdy efekt końcowy będzie wiarygodny, można będzie podjąć poważne kroki w stronę współpracy z gospodarką. Badania kosmiczne, wojsko i medycyna mają największy budżet i priorytety we wszystkich cywilizowanych krajach" - stwierdza młody badacz.

Moderhak jest jednym z laureatów pierwszej edycji projektu "InnoDoktorant - stypendia dla doktorantów", w ramach którego zarząd województwa pomorskiego przyznał 50 stypendiów w wysokości 30 tys. zł ze środków Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki na lata 2007-2013.

"Stypendium pozwoliło podreperować finanse, które przy kontynuacji studiów na najwyższym stopniu nie są duże. Potrzeby z czasem rosną; trzeba się utrzymać, a jednocześnie doskonalić swoje umiejętności i poszerzać wiedzę. Cieszę się, że zostałem laureatem InnoDoktoranta. Potraktowałem to jako docenienie mojej pracy. Dało mi to dodatkową motywację do działania" - mówi stypendysta.

PAP - Nauka w Polsce