Журнал Радиология

Методы обработки маммограмм для выявления
скрытых процессов в молочных железах
А.А. Останькович, С.Д. Вайман, А.П. Тананакин, В.В. Небрат, А.И. Ходанов
Некоммерческое научноисследовательское партнерство –
Институт информационных проблем (ННИП ИИП), г. Новосибирск
Сегодня в мире разрабатываются и исполь
зуются различные системы компьютерного
анализа цифровых рентгенограмм, алгоритмы
и программы поиска и детализации различных
признаков злокачественных процессов. Сис
тема оценки маммограмм – ImageChecker
M1000 System – производит компьютерный
анализ цифровых маммограмм для выявления
микрокальцинатов и плотных масс опухоли
как градиентов интенсивности пикселов изоб
ражения с разрешающей способностью 50 ми
крон в 12битовой серой шкале. Сложные зри
тельные образы, такие как спикулы, анализи
руются нейронными сетями. При совместном
прочитывании с радиологами система улучша
ет чувствительность маммографии на 8%, так
что общая чувствительность достигает 88%.
В указанной системе используется мощная
компьютерная техника для обработки изобра
жения, при анализе одного снимка проводит
ся приблизительно до 1 млрд. операций [1].
Английские исследователи описывают спе
цифические модели “спикульных” пораже
ний, в которых анализируются патологичес
кие образцы линейных структур и централь
ных масс на маммограммах. Линейные струк
туры детектировались с использованием
факторного анализа для разделения система
тических и случайных особенностей классов
образцов. Центральные массы разделялись на
рекурсивном медианном фильтровании с ис
пользованием признаков локальной ориента
ции. Для “спикульных” поражений размерами
в 16 мм и больших образцов определена чувст
вительность 80% к 1,4% ложноположительных
данных. Определение массдетекции имеет
чувствительность 80% к 23% ложноположи
тельных данных на изображении [2].
Калифорнийские исследователи использу
ют для поиска микрокальцинатов по маммо
граммам медианную фильтрацию для автома
тического анализа морфологии серой шкалы с
20% ложноотрицательных результатов. Анали
РАДИОЛОГИЯ – ПРАКТИКА № 1
2004
зируют оцифрованные маммограммы с пиксе
лом 70 и 35 микрон и глубиной серой шкалы
4096 (12 бит). Алгоритм определяет микро
кальцинаты, которые может пропустить ра
диолог. Каждый объект классифицируется на
три категории: доброкачественные микро
кальцинаты, суспициозные и артефакты. Дан
ные представляются радиологу для последую
щего заключения [3].
В основе предлагаемой технологии лежат
собственные фундаментальные исследования
Института информационных проблем на стыке
теории информации и теории функциональных
систем (Патент № 2172519 от 18.01.2002 г., заяв
ка № 2002131141/14 (032986 от 20.11.2002 г.), ко
торые проходят стадию международного па
тентования (заявка № РСТ/RU 03/00013 от
21.01.2003 г.). Разработаны способы визуализа
ции неявных свойств различных процессов в
организме. При этом обрабатываются стан
дартные данные, получаемые с помощью
средств радиологической диагностики [4].
Проводилась обработка сравнения ампли
туды сигналов специально разработанным
оригинальным методом, позволяющим вы
явить закономерности для интенсивности те
ней нормальной и патологической ткани на
снимках (специфика массэффекта). Также
применили обработку специальными алго
ритмами распределения сигнала на площади
снимка, позволяющую выявить характерные
особенности инвазивного роста опухолей (не
равномерность краев, наличие спикул, харак
терная сетчатость и тяжистость). Использова
ли алгоритмы на пиковые перепады амплиту
ды сигнала, характерные для микрокальцина
тов. Возможность осуществления разработки
данных алгоритмов поиска особенностей зло
качественного роста на снимках была получе
на при расшифровке основных закономерно
стей распределения сигнала в информацион
ном поле [4]. Были созданы на основе удачно
подобранных алгоритмов новые инструменты
21
поиска и индикации злокачественных струк
тур в обработанных снимках молочных желез.
За счет этого удалось повысить операционные
характеристики методик обработки изобра
жения.
При цифровой обработке маммограмм с
использованием процессора 350 МГц удалось
сократить время обсчета снимков за счет оп
тимизации работы программ с 1 ч до 7 мин на
снимок для основных методик, предполагаю
щихся для использования в скрининге; при
использовании дополнительных методик вре
мя обработки увеличивается до 15 мин. Режи
мы сканирования, параметры используемых
файлов изображения и возможности передачи
информации опубликованы в предыдущей
статье [5].
Проводили три серии слепого тестирования
методик обработки изображений. В первых
двух сериях (режим сканирования 1220 dpi,
14 bit) использовали данные собственного
маммографического архива, собранного в
1999 г. в Новосибирском областном онкологи
ческом диспансере (маммограммы 941 пациен
та, из них 170 маммограмм пациентов с раком
молочной железы). Для слепого тестирования
были взяты маммограммы пациенток из той
части архива, которая не участвовала в ранее
проводимых исследованиях методик. В третьей
серии использовали данные Флоридского
маммографического архива (режим сканиро
вания 600 dpi, 16 bit). Техническим сотрудни
ком института, не участвующим в процессе об
работки изображений, было проведено коди
рование и присвоение номеров кода снимкам
пациентов с помощью генератора случайных
чисел. Снимки были представлены на обра
ботку в компьютерной версии по номерам ко
да без какихлибо сведений о пациентах. Спе
цифичность методов обработки изображения
в отношении выявления злокачественного
процесса оценивалась как процент от морфо
логически подтвержденного результата.
Первая серия исследований проводилась
вслепую, без данных о пациентах. По исходно
му снимку молочной железы оценивали рент
генологические признаки и реакции методик.
На этом основании формулировали общее за
ключение с учетом рентгенологических дан
ных и результатов методик обработки, кото
рые вносили в протокол по каждому снимку в
отдельности. Результаты по 172 снимкам от
43 пациентов (14 человек с раковыми, 14 с
нормальными и 15 с доброкачественными из
менениями молочных желез) внесены в табли
22
цы по категориям пациентов, оцененных по
слепому тестированию. Не найдено ни одного
ложноотрицательного результата, а чувстви
тельность информационных методик состави
ла 100%. Ложноположительные результаты
(области интереса) были установлены у 7 паци
ентов (6 с доброкачественными изменениями и
одна с нормальными молочными железами),
расчет специфичности методик равен 84%.
Вторая серия слепых исследований про
водилась аналогично первой. Данные по
192 снимкам от 48 пациентов (8 человек с ра
ковыми, 18 с нормальными и 22 с доброкачест
венными изменениями молочных желез) были
оценены по рентгенологическим и информа
ционным признакам и занесены в таблицы.
У 9 пациентов найдены области интереса,
т.е. области риска возможного развития злока
чественных новообразований. Был проведен
расчет эффективности работы методик: их
чувствительность составила 100%, специфич
ность – 81%.
В третьей серии слепых исследований ис
пользовались маммографические снимки
Флоридского архива, взятые из сети Интер
нет. Особенностью Флоридского архива явля
ется наличие снимков с высокой контрастно
стью и затемненных. Часть снимков по этой
причине была забракована. Режимы сканиро
вания Флоридского архива отличаются от ре
жимов нашего архива по оптическому разре
шению (600 dpi) и по глубине серой шкалы
(16 бит). Более низкий уровень, используе
мый при сканировании Флоридского архива,
отрицательно влияет на обработку снимков.
При этом становится очевидным менее ин
формативный исходный материал.
Всего было обработано 85 снимков молоч
ной железы 39 пациентов. С раком молочной
железы – 52 снимка у 29 пациентов и с добро
качественными изменениями молочных же
лез – 33 снимка у 10 пациентов. Проводилось
двойное ослепление, кодировались не боль
ные, а отдельные снимки, клинические данные
не использовались. Не было определено ни од
ного ложноотрицательного результата. У 5 па
циентов был получен ложноположительный
результат. Проведенный расчет операционных
характеристик методик показал 100%ную чув
ствительность и специфичность 87%. Такой
высокий результат мы объясняем тем, что во
Флоридском архиве были подобраны снимки
нерандомизированных больных.
Для исследования динамической глубины
диагностики использованного метода был
РАДИОЛОГИЯ – ПРАКТИКА № 1
2004
№ 1147 L&OB 1998
1999
2000
2001
Рис. 1. Ретроспективная динамика развития рака молочной железы по годам исследования. Верхний ряд – ис
ходные снимки левой молочной железы в проекции LOB. Средний ряд – обработка изображения с целью выяв
ления структурных изменений (белое пятно), связанных со злокачественным ростом. Нижний ряд – индика
ция изображения, выявляющая динамику роста злокачественной ткани (черные очажки в центре железы), ко
торая начинает четко выявляться со снимка 1999 г. Точечные белые пятна на сером фоне – выявленные мик
рокальцинаты в тканях железы.
проведен ретроспективный анализ серии
снимков пациентов по 4 исследованиям с ин
тервалом 1–2 года до рентгенологической ма
нифестации рака на последних снимках. Ис
пользовали оцифрованные данные Израиль
ского архива маммограмм – 32 случая рака
(476 снимков) молочной железы. Более чем у
половины пациентов (18 случаев) оказалось
возможным проведение динамических иссле
дований, у остальных высококонтрастные за
темненные снимки не позволили выполнить
полноценную обработку. Исследование про
водили слепым методом, без какихлибо све
дений о пациентах. У 7 пациентов оказалось
возможным заподозрить процесс за 1 год и бо
лее до постановки диагноза “рак молочной
железы”, у 6 пациентов за 2–3 года и у 5 паци
ентов за 4–7 лет до его рентгенологической
манифестации. Большое влияние на ретро
спективную диагностику оказывает качество
снимков. Выявить топографию процесса так
же возможно у большинства рассматриваемых
пациентов (26 случаев). На рис. 1 продемонст
рирована динамическая диагностика в ретро
спективных наблюдениях за пациентами.
При ретроспективном анализе обработан
ных снимков у большинства больных с раком
РАДИОЛОГИЯ – ПРАКТИКА № 1
2004
молочной железы были отмечены цикличес
кие изменения объема опухоли, т.е. периоди
ческие увеличения и уменьшения объема ати
пической ткани, определяемой методами ин
дикации (рис. 2). Определение средней про
должительности периодов цикла изменения
объемов ткани и индивидуальных особеннос
тей течения требует проведения дополнитель
ных исследований.
Обнаруженные возможности индикации
циклического эффекта злокачественного роста
привели к идее использовать методы обработ
ки изображения в качестве контроля за ходом
лечения рака молочной железы. Суть лечения
сводится к определению цикла естественного
периода уменьшения роста злокачественной
ткани и нанесению в этот период воздействия
на организм с целью усиления и ускорения
данного циклического периода. Возможно, на
значение препаратов вслепую, без учета цик
лических периодов развития опухолей, приво
дит к разнонаправленным результатам, и онко
логи не могут объяснить причины своих успе
хов и неудач в лечении пациентов.
В данный момент проводятся исследова
ния в рамках инвестиционного научноиссле
довательского проекта ЭМАТ, целью которых
23
№ 1089 R&OB 1997
2000
2001
2002
Рис. 2. Динамика ретроспективного наблюдения по данным маммографии за больной с раком правой молочной
железы. Верхний ряд – исходные снимки молочной железы в проекции ROB. Средний ряд – неравномерная ди
намика структурных изменений, связанных со злокачественным ростом (белые очаги на сером фоне железис
той ткани). Нижний ряд – индикация злокачественного роста (черные пятна в центре железы) и микрокаль
цинаты в виде точечных белых пятен. Отмечается циклическое увеличение и уменьшение объема атипичной
ткани в молочной железе с периодами изменений, равными примерно 2 годам.
28.07.2003
R&CC
12.08.2003
16.09.2003
10.10.2003
Рис. 3. Динамика лечения пациентки К., 35 лет, с раком правой молочной железы (T3N1Mx ), которая уменьше
на по сравнению с левой и при пальпации была плотной консистенции. В верхнем ряду на исходных снимках пра
вой молочной железы в проекции RCC отмечается постепенное снижение плотности широко распространен
ных структур опухоли и уменьшение числа и выраженности множественных микрокальцинатов. В среднем ря
ду на обработанных снимках отмечается изменение структуры молочной железы в процессе лечения от мел
коочаговых уплотнений (светлые пятна) к нормальному серому диффузному распределению структуры на
последних снимках. В нижнем ряду обработанных снимков показана индикация злокачественной ткани (черные
пятна в центре железы) и микрокальцинатов (точечные белые пятна), выраженность и число которых умень
шается в процессе лечения. Период убывания злокачественной ткани в молочной железе равен примерно 3 мес.
24
РАДИОЛОГИЯ – ПРАКТИКА № 1
2004
является использование метода обработки
маммограмм для визуального контроля дина
мики процесса лечения пациентов с раком
молочной железы. Лечение осуществлялось
методом рефлексотерапии по технологии
ЭМАТ с применением нового неинвазивного
подхода с нацеленным воздействием цитоста
тиков на периоды ритма деления клеток и
коррекции общего состояния пациента [6].
Теоретические основы нового подхода были
впервые доложены на X Российскояпонском
международном медицинском симпозиуме
[7]. Примеры контроля динамики процесса
лечения приведены на рис. 3.
В настоящее время продолжается набор
материала, что позволит на ранних этапах ви
зуализировать динамику процесса лечения в
сопоставлении с ритмами деления клеток по
ранее разработанной методике и получить
дополнительный объективный метод кон
троля за процессом лечения рака молочной
железы.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
U.S. Food and Drug Administration, Diagnostic Aids for
Cancer. http://www.fda.gov/oashi/cancer/cdiag.html
Zwiggelaar R., Parr T., Schumm J. et al. Modelbased
detection of spiculated lesions in mammograms // Med.
Image Anal. 1999. V. 3. № 1. P. 39–62.
Mascio L.N., Hernandez J.M., Logan C.M. Lawrence Li
vermore National Laboratory Biology and Biotechnology
Research Program. http://wwwdsed.llnl.gov/documents/
imaging/jmhspie93.html
Останькович А.А., Вайман С.Д. Патент № 2172519
(РФ). Способ определения информационного обра
за аномалий функциональной организации физиче
ских систем (варианты). Б. И. 2001. № 23.
Останькович А.А., Вайман С.Д., Тананакин А.П. и др.
Возможности обработки изображений цифровой
маммографии в диагностике рака молочной желе
зы // Радиология – Практика. 2003. № 2. С. 8–13.
Небрат В.В., Рабинович Е.В. Информационная
ЭМАТ технология традиционной восточной меди
цины для европейского врача // Тр. Международной
научнотехнической конференции ИСТ’2003 “Ин
формационные системы и технологии”. Новоси
бирск: НГТУ, 2003. Т. 3. С. 54–59.
Небрат В.В. Диссипативные структуры и состояния
человека // X Российскояпонский международный
медицинский симпозиум “Якутия2003”. С. 677–678.
Подписка
на ежеквартальный журнал
“Радиология – Практика”
на 2004 год
Подписные индексы и стоимость подписки в каталоге Роспечати
для частных лиц: на год – 176 рублей (индекс 80692), на полгода – 88 рублей (индекс 79754);
для организаций: на год – 198 рублей (индекс 80693), на полгода – 110 рублей (индекс 79755).
на ежеквартальный журнал
“МЕДИЦИНСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ”
на 2004 год
Подписные индексы и стоимость подписки в каталоге Роспечати
для частных лиц: на год – 484 рубля (индекс 47934), на полгода – 286 рублей (индекс 71687);
для организаций: на год – 594 рубля (индекс 47935), на полгода – 352 рубля (индекс 71688).
на ежеквартальный научно&практический журнал
“Ультразвуковая и функциональная диагностика”
на 2004 год
Подписные индексы и стоимость подписки в каталоге Роспечати
для частных лиц: на год – 484 рубля (индекс 80694), на полгода – 286 рублей (индекс 79752);
для организаций: на год – 902 рубля (индекс 80695), на полгода – 506 рублей (индекс 79753).
Кроме того, подписку на год, на любое полугодие или на 1 мес можно оформить
непосредственно в Издательском доме ВидарМ, а также на нашем сайте (http://www.vidar.ru).
Контакты
по вопросам подписки
и приобретения
Тел.: (095) 9150620;
email: info@vidar.ru
тел./факс: (095) 9153413;
Почтовый адрес: 109028 Москва, а/я 16, Издательский дом ВидарМ.
Для посетителей: Москва, Яузский бульвар, 9/6, стр. 3, 2й этаж.
Часы работы: с 10 до 18, кроме выходных и праздничных дней.
РАДИОЛОГИЯ – ПРАКТИКА № 1
2004
http://www.vidar.ru
25