Ученые придумали метод выявления рака с помощью СВЧ

Ученые радиофизического факультета Томского государственного университета создали метод выявления рака груди с помощью радиоволн СВЧ-диапазона. Он позволяет всего за 30 секунд обнаружить опухоль размером от 2 до 5 мм. В отличие от ионизирующего рентгеновского излучения метод абсолютно безвреден для человека. Наработки вуза в области радиоволновой томографии можно использовать и в других областях, в том числе в атомной промышленности.

Работа над проектом на кафедре радиофизики ТГУ идет уже три года. За основу ученые взяли исследования вуза в области радиоволновой томографии. Еще в начале 2000-х годов профессор Владимир Якубов сформулировал принципы фокусировки радиоволн для поиска скрытых объектов.

«По сути, Владимир Якубов предложил универсальную технологию, которая может пригодиться в любой области, начиная от медицины и заканчивая атомной промышленностью, — ​поясняет руководитель проекта, исполняющий обязанности заведующего кафедрой радиофизики ТГУ Сергей Шипилов. — ​­Наработки можно использовать для удаленных бесконтактных дефектоскопических исследований диэлектрических материалов, таких как бетон, пластик, дерево. Например, у вас есть купол из бетона, закрывающий какой-то атомный объект, и вам надо проверить целостность конструкции, выяснить, есть ли там пустоты. С помощью радиоволн СВЧ-диапазона вы можете построить трехмерную неоднородность структур внутри этого купола. Профессор нашел способ увидеть то, что скрыто за оптически непрозрачными преградами. А мы сегодня пытаемся эту методику растиражировать максимально широко. Его наработки мы взяли за основу при поиске опухолей в биологических тканях».

Диагностика без риска для здоровья

«Когда я объясняю людям, далеким от науки, что такое радиоволны СВЧ-диапазона, я всегда привожу в пример сотовые телефоны. Когда вы говорите по мобильнику на ходу, то свободно можете перемещаться из комнаты в комнату, зная, что сигнал не прервется, несмотря на преграды в виде стен, пола и потолка, — ​продолжает Сергей Шипилов. — ​Радиоволны проходят сквозь препятствия. Это свойство мы и использовали для исследований. Наши радиоволны проникают внутрь биологических сред, находят там неоднородности, отражаются от них, мы регистрируем эти отраженные сигналы и устанавливаем место положения неоднородности. Наша цель — ​выявлять образования размером от 2 до 5 мм. Опухоли такой величины характерны для первой стадии рака и поддаются лечению лучше всего. Обнаружить их иными способами очень сложно из-за маленького размера».

Разработка томских ученых пригодится в первую очередь для проведения диспансеризации. Это надежный метод первичной диагностики. Характер опухоли с его помощью определить нельзя, а вот факт ее наличия и место расположения можно узнать наверняка.

«Радиоволновой скрининг — ​это элемент ранней диагностики, который должен применяться в комплексе с другими методами, — ​рассказывает Сергей Шипилов. — ​К примеру, вы можете сделать рентген без риска для здоровья всего один-два раза в год, а наш СВЧ-метод можно использовать хоть каждый день. Противопоказаний нет. Как только станет ясно, что в груди есть какое-то новообразование, врач даст направление на другие исследования, которые позволят выяснить дополнительную информацию об опухоли».

Эксперименты на сале

Над проектом работает большая команда — ​доктора, кандидаты наук, аспиранты и магистранты кафедры радиофизики ТГУ и Института сильноточной электроники СО РАН. Подспорьем для сибирских ученых стал опыт зарубежных коллег. Исследования по радиоволновой маммографии ведутся во многих странах, дальше всех продвинулись ученые из Великобритании. Томичи тщательно изучили все научные публикации на эту тему.

«В мире есть целый пласт исследований в микроволновой маммографии, а в России мы таких групп не нашли. Решили, что мы и станем этим заниматься, — ​поясняет ­Сергей Шипилов. — ​Рак груди занимает второе место по всем онкологическим заболеваниям. Если выявить его на первой-второй стадии, вероятность полного выздоровления достигает 93 %. Быстрая диагностика — ​давний запрос медицины. У опухолей на ранней стадии практически не меняется плотность вещества, поэтому на рентгене и УЗИ их могут и не заметить. А за счет разрастания кровеносных капилляров, обеспечивающих приток крови к новым клеткам опухоли, меняется диэлектрическая проницаемость в месте формирования опухоли. Такое изменение электрофизических характеристик прекрасно видно при радиоволновом зондировании. Диэлектрические свойства здоровой ткани и злокачественной различаются».

На первом этапе ученые занимались компьютерным моделированием процессов распространения радиоволн в сильно поглощающих средах. Потом учились искать злокачественные образования уже в биологическом материале. «Эту часть эксперимента мы начали на продуктовом рынке: покупали свиное сало на шкурке и ставили опыты на нем, — ​вспоминает Сергей Шипилов. — ​Изрядно повозились. Проблема еще была в том, что сало быстро портилось, нам даже пришлось холодильник в лабораторию купить. Потом решили перейти на топленый жир, он более плотный. Но его почему-то продавали только оптом, по три ведра, а нам надо было всего литр. Излишки выбрасывали.

В сало и в жир мы сами вносили неоднородности, имитирующие опухолевые образования. Это были такие маленькие пластиковые шарики с физраствором, он по составу похож на плазму крови. Мы пытались смоделировать сгусток капиллярных сосудов, который образуется в месте будущего разрастания опухоли. Когда убедились, что радиоволны проникают в биологическую среду, а наши приемники регистрируют сигналы, отраженные от тех неоднородностей, которые мы туда поместили, поняли, что на правильном пути. И что жир надо заменять чем-то более сложным по ­составу».

Фантом не ошибается

На исследования в рамках проекта вузовский Научный фонд им. Менделеева выделил грант в размере 2 млн рублей. Ученых консультировали специалисты НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра. К работе подключились и коммерческие организации — ​«Планар» и «НПК ТАИР», которые предоставили специализированную измерительную технику для экспериментов.

На следующем этапе ученые построили лабораторную установку по автоматизированному зондированию фантомов — ​это искусственные аналоги молочной железы. Это был самый сложный этап работ. Фантом ученые ТГУ сделали по образу и подобию имитаторов, созданных исследователями в сфере радиоволновой маммографии из Великобритании.

«Фантом — ​объект, похожий на грудь по структуре, но состоящий из искусственных элементов, — ​продолжает рассказ Сергей Шипилов. — Там четыре основных слоя: кожа, жир, молочная железа и опухоль. На созданной установке мы научились сканировать фантом и находить неоднородности, имитирующие злокачественные опухоли, а также с помощью специальной обработки сигналов почти безошибочно указывать, где они находятся».

У отслеживающего и анализирующего сигнал прибора, разработанного в ТГУ, есть важное преимущество перед западными аналогами. Время исследования на зарубежном оборудовании составляет 3–4 минуты, а на российском анализ будет сделан за 20–30 секунд. Ускорить исследование удалось за счет более быстрого сбора данных. На установке, спроектированной в томском университете, несколько десятков антенн, передающих и принимающих сигнал, в то время как у иностранного оборудования их гораздо меньше.

Внешне же диагностическое оборудование будет напоминать массажный стол. Пациентка во время исследования ничего не почувствует. Ей нужно будет только лечь на живот, сделать глубокий вдох и ненадолго задержать дыхание. Данные анализа будут отображаться в виде трехмерного изображения на экране, при этом анализировать эти изображения сможет и умная программа, что сэкономит время медицинских работников.

«В Великобритании есть прототип диагностического устройства, пока что идет его апробация, но действующего образца еще нет ни у кого, — отмечает ­Сергей Шипилов. — Я думаю, что нам дешевле и проще в России было бы создать свой собственный комплекс оперативной диагностики, чем потом закупать втридорога комплекты за рубежом».

Работу сибирских ученых уже оценило мировое научное сообщество: осенью об их исследованиях вышла статья в престижном медицинском журнале Medical Physics. «Мы провели массу экспериментов, доказали, что принцип работает, — ​резюмирует Сергей Шипилов. — ​Все, что зависит от нас, мы сделали. Сегодня мы дошли до того состояния реализации проекта, когда дальнейшие действия упираются в необходимость финансирования со стороны инвесторов. Прибор нужно довести до промышленного образца и сертифицировать. Цена проекта под ключ — ​порядка 20 млн долларов. Это не так много для спасения тысяч жизней. Если будет финансирование, то за один год можно разработать промышленный образец микроволнового маммографа, далее выйти уже на этап клинических испытаний, а потом и на организацию производства аппаратов».

КСТАТИ

Коллектив кафедры радиофизики ТГУ участвует во многих научных проектах. Например, разрабатывает различные умные устройства, работающие на основе метода радиоволновой томографии. Среди них приборы с техническим зрением. Такие приборы умеют обнаруживать, отслеживать, классифицировать объекты и получать их трехмерные изображения. Радио-, ультразвуковые и магнитные томографы помогают находить силовые кабели под землей, чтобы не повредить их при раскопках и ремонте, а также контролировать теплотрассы, чтобы не происходило прорывов. Кроме того, автодорожная служба с помощью таких устройств может проверять качество дорог и отслеживать появление скрытых полостей, предотвращать обвалы дорожного полотна.

С помощью технологии технического зрения можно создавать приборы, помогающие движению транспорта в сложных погодных условиях, и алгоритмы распознавания лиц.

Разработанный радиофизиками ТГУ прибор под названием «Радиодозор» определяет местоположение и траекторию движения людей за преградами, анализируя с использованием сверхширокополосного излучения их движение и дыхание. Прибор можно применять при антитеррористических операциях и поиске людей под завалами. Устройство способно определить не только наличие человека за преградой, но и его местоположение с точностью до 10 см.