БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 3, с. 608-613

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 577.3

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ КОЖИ КАК БЕЗОПАСНЫЙ И ЭРГОНОМИЧНЫЙ

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДИНАМИКОЙ РАКА

МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

, В.А. Намиот*, С.Н. Удальцов**

Л.М. Клюкин

ООО «Современная компьютерная медицинская техника», 129336, Москва, ул. Стартовая, 21/1, оф. 69

*Институт ядерной физики Московского государсвенного университета имени М.В. Ломоносова,

119991, Москва, Ленинские горы, 1

**Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН,

142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 2

E-mail: vnamiot@gmail.com

Поступила в редакцию 03.05.2018 г.

После доработки 12.06.2018 г.

Принята к публикации 13.12.2018 г.

Обсуждаются актуальные результаты по ранней безопасной диагностике рака молочной железы с

помощью отечественного аппарата ДОТ (диаграфа объемного теплового), осуществляющего реги-

страцию и анализ пространственного распределения температуры кожи в районе нахождения опу-

холи. Для анализа получаемого массива данных оказывается возможным использовать методы ис-

кусственного интеллекта, что позволяет осуществлять на доклиническом этапе развития рака мо-

лочной железы, эффективный выбор стратегии лечения (в том числе и за счет подбора оптимальной

терапии).

Ключевые слова: рак молочной железы, тепловой объемный томограф.

DOI: 10.1134/S0006302919030232

нансная томография не обеспечивают ранней и

Создатель отечественной маммологии, акаде-

безопасной диагностики [2,3].

мик РАН, профессор Л.Д. Линденбратен с соав-

торами в 1997 г. высказал критерии успешного ре-

Обычно при подобных методах диагностики

шения проблемы рака молочной железы: «Свое-

упускается время доклинической стадии разви-

временное выявление рака молочной железы

тия заболевания, составляющее порядка ¾ цикла

обеспечивает сохранение жизни женского насе-

развития опухоли от одной клетки до летального

ления. Необходимы органосберегающие способы

исхода [4]. Сам пациент в доклинической стадии

лечения и сокращение затрат на диагностику и

заболевания не может обнаружить рак молочной

железы (РМЖ), поскольку заболевание в этой

терапию. Необходимы национальная и регио-

стадии не сопровождается болевыми симптома-

нальные программы массовых проверочных об-

ми. Метод позитронно-эмиссионной томогра-

следований, создание федерального и региональ-

фии работает в доклинической стадии, но имеет

ных регистров лиц, прошедших скрининг и боль-

два недостатка: 1) он опасен, поскольку пациенту

ных раком молочной железы» [1]. Однако эти

вводят в железу радиоактивный агент, а молочная

критерии не реализованы в существующей ныне

железа (МЖ) имеет повышенную радиочувстви-

клинике в силу того, что имеющиеся сегодня на

тельность; 2) диагностика сопровождается высо-

вооружении медицины лучевые методы - ком-

кими затратами и дефицитом дорогостоящего

пьютерная томография, совмещенная с компью-

оборудования.

терной томографией позитронно-эмиссионная

К настоящему времени появились публикации

томография, рентгеновская маммография, а так-

и патенты по созданию новых средств «раннего»

же ультразвуковая диагностика и магниторезо-

обнаружения рака молочной железы, которые ос-

Сокращения: МЖ - молочная железа, РМЖ - рак молоч-

нованы на применении матриц температурных

ной железы, ДОТ - диаграф объемный тепловой.

датчиков, встроенных в эластичную основу (тка-

608

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

609

невую или латексную) бюстгальтера [5-7]. Такие

ме», либо наличию объемного образования. Этот

бюстгальтеры для обнаружения РМЖ необходи-

рельеф отображает результаты возмущения внут-

мо носить в течение часов или даже дней при

реннего теплового потока пациента вследствие

скрининге заболевания. Неотъемлемым их свой-

наличия помехи в виде раковой опухоли на его

ством является резко повышенное значение

пути. Опухоль можно представить как малое тело,

инерции температурного датчика, что снижает

помещенное в полупространство на каком-то

его температурную чувствительность и искаже-

расстоянии от его поверхности.

ние режима теплообмена молочной железы (МЖ)

Впервые решение подобной задачи при стаци-

из-за введенного слоя материала между телом и

онарном потоке тепла изнутри на границу полу-

окружающей средой, а это приводит к повышен-

пространства массивного тела и рассеивании теп-

ному потоотделению, искажающему обследова-

ла с его границы конвекцией в атмосферу при ее

ние. Однако решающим фактором непригодно-

фиксированной температуре было опубликовано

сти таких изделий является игнорирование

в работе [9], а позднее оно было предложено, раз-

недавно обнаруженного эффекта нестационар-

вито и проверено в клинике для теплокровного

ности температурного рельефа в МЖ со сравни-

объекта в работах [10-17].

тельно высокой частотой [8], обеспечивающей

Во Франции в институте Пастера профессор

нивелирование результатов обследования из-за

M. Gautherie провел клиническое исследование

большей длительности тепловой экспозиции по

РМЖ для большой базы пациенток (85 тысяч).

сравнению со скоростью изменения упомянутого

Обследования проводили с целью исследования

температурного рельефа на коже МЖ (получается

параметров развития РМЖ погружением тонкой

белый шум из температурных следов).

иглы - термопары - в опухоль. Температура из-

Первостепенным фактором успешности изле-

мерялась термопарой, а координаты погружения

чения от РМЖ является методика обследования,

контролировали рентгенографически [18]. Этот

которое должно быть абсолютно безопасным и

метод имеет ряд недостатков - он опасен [19,20],

обеспечивать экспрессное обнаружение заболе-

не рекомендован к использованию до достиже-

вания на доклиническом уровне. Диагностиче-

ния возраста пациенток в 40 лет [21]. Однако объ-

ская аппаратура должна не только предоставлять

ем проведенных исследований и достоверность

достаточное время для успешного излечения, но

данных позволяют использовать полученные

и давать возможность оперативного наблюдения

M. Gautherie результаты в ДОТ-методике, как бо-

динамики лечения и, следовательно, при скри-

лее безопасной, экспрессной и эргономичной по

нинге обеспечить подбор оптимальной терапии в

сравнению со стандартными методами. Метод

процессе лечения или при реабилитации этого за-

ДОТ рекомендован Минздравом России для об-

болевания. Всем этим требованиям удовлетворя-

следования МЖ пациенток любого возраста, в

ет «Диаграф объемный тепловой» (ДОТ) (ООО

том числе для работы на доклиническом этапе

«Современная компьютерная медицинская тех-

этого заболевания, где он не дает ложно положи-

ника», Москва), использующий метод объемной

тельных или ложноотрицательных показаний

тепловой диаграфии.

[22].

Метод ДОТ имеет ряд преимуществ и по срав-

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДОТ И МОДЕЛИ,

нению с дистанционным тепловидением:

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ

1) существенно более низкая стоимость обору-

дования;

Теоретическое обоснование и принципы при-

менения ДОТ-методики в клинике основано на

2) прибор не требует внешнего питания, пор-

выявлении заболеваний в теле человека путем

тативен, допускает реперную корректировку по

сканирования кожной температуры МЖ одним

абсолютной температуре при исследовании;

датчиком температуры, помещенным в автоном-

3) погрешность при измерении градиента тем-

ной и портативной головке прибора, с погрешно-

пературы составляет 10^-3 °С;

стью порядка 10^-3 °С. Сканирование произво-

4) тепловизор исключает возможность визуа-

дится через регулярные отверстия в одетой на

лизации опухолей, характерный размер которых

грудь эластичной маске, на что затрачивается от

не определяется при их залегании на более чем на

пяти до восьми минут на обе МЖ в зависимости

половину их размера;

от размера бюста, после чего по кабелю данные

5) оценка температуры с помощью тепловизо-

измерений передают от головки ДОТ-аппарата в

ра зависит от угла наклона кожи относительно

компьютер. После компьютерной обработки мо-

директрисы наклона наблюдаемого участка тела;

нитор отображает в цвете маммограмму в виде

двумерного рельефа градиентов температурного

6) оценка температуры с помощью тепловизо-

поля на коже МЖ, соответствующего либо «нор-

ра зависит также от состояния кожи, ее волоси-

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

610

КЛЮКИН и др.

Рис. 1. Рост раковой опухоли во времени в зависимости от времени удвоения. Время удвоения для кривой А ≤ вре-

мени удвоения для кривой Б, D_s - диаметр опухоли.

стости выделения пота и степени излучательной

Из выражения (1) следует, что объем опухоли в

способности, варьирующей от значения

0,24

зависимости от t может определен как

до 0,9.

πD

Результаты ДОТ-обследований в сочетании с

exp(kt)

(2)

последующей цифровой обработкой на компью-

тере можно сравнить с томограммой, но с мень-

где D₀ - начальный диаметр, а k = (Δt_u)^-1. Введем

шим пространственным разрешением. Они при-

обозначения: Ds´ - летальный размер, ∑Δt - вре-

годны для работы на доклиническом этапе разви-

мя достижения этого размера. Из выражения (2)

тия РМЖ, дающем возможность отработать

следует:

адекватную терапию для любого возраста паци-

ентки и со значительным резервом времени.

⎛D′

⎞

3ln

(

Δt

)

(3)

⎜

⎟

∑

⎝D

⎠

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

При известной величине диаметра раковой

ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИЯХ

клетки (10 мкм) и при Ds´ = 10 см имеем для двух

ДАННЫХ

значений k (см. рис. 1): k_A = 0,27 (суток)^-1

Ранее было показано, что время удвоения кле-

k_Б = 0,11 (суток)^-1. Оба эти значения характери-

ток у конкретного пациента Δt_u при РМЖ являет-

зуют бурный и агрессивный рост РМЖ в 20% слу-

ся неизменным в течение заболевания РМЖ и ко-

чаев в отличие от среднего темпа развития РМЖ,

леблется индивидуально в диапазоне от несколь-

когда на развитие опухоли размером в 1 см уходит

ких недель до 400 суток [23,24]. Рост раковой

от пяти до семи лет [2].

опухоли характеризуется экспонентой, начиная с

появления раковой клетки, диаметр которой со-

Основной смысл приведенного на рис. 1 гра-

ставляет порядка 10 мкм, и соответственно опи-

фика заключается в возможности использования

сывается следующей закономерностью:

достоинств метода ДОТ как полностью безопас-

ного при диагностике МЖ на доклиническом

(1)

этапе РМЖ, обозначенном на рис. 1 в диапазоне

Vt = V02t/Δtu,

значений D_sот 0,3 до 0,5 см, допускающим скри-

где V_t - конечный объем опухоли, V₀ - ее перво-

нинговое обследование с любой разумной часто-

начальный объем, t - время, а t/Δt_u - количество

той [25], во избежание маскирующего влияния не

делений клетки. Рост объема опухоли зависит от

стационарности поля температурных градиентов

времени t, времени удвоения Δt_u и, поскольку

[8]. Особенностью данного подхода является учет

время удвоения индивидуально, на рис. 1 приве-

характера теплообмена именно на доклиниче-

дены кривые роста опухоли для двух значений

ском этапе, когда еще не происходит выражен-

времени удвоения (кривые А и Б).

ный процесс метастазирования, а раковая опу-

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

611

мальном ее размере в доклинической стадии об-

наружения.

(4)

где Z - глубина залегания центра обнаруженной

горячей раковой опухоли, T₀ - величина градиен-

та температуры в полюсе соответствующей изо-

терме, T - текущее значение температуры, взятое

от соответствующего полюса по данным из по-

лярных координат на коже МЖ [10].

Эффект изменения отображения градиента на

коже МЖ можно трактовать ухудшением роли

подачи тепла от нижней стенки опухоли при од-

Рис. 2. Схема изменения градиента максимума в по-

люсе с ростом раковой опухоли: 1 - МЖ, 2 - рельеф

новременной экранировке потока тепла от пере-

градиента в норме, 3 - градиент при верхней грани-

крываемого растущим сечением опухоли потока

це опухоли в процессе роста, 4 - промежуточный

тепла в «норме». При соприкосновении верхней

размер опухоли, 5 - максимум градиента при ее об-

границы опухоли с кожей МЖ поток «нормы» в

наружении, 6 - ткань МЖ в норме, 7 - глубина зале-

гания минимальной опухоли, 8 - отрицательный

точке касания на ее поверхность исчезает, так как

градиент при достижении опухолью кожи МЖ.

в полюсе появляется температура с нулевым гра-

диентом, а при дальнейшем росте опухоли из-за

кожной упругости верхняя граница опухоли плю-

холь сохраняет свои координаты. С ростом

щится, отодвигая на периферию роль ткани в

опухоли скрининг обнаруживает деградацию

«норме» и создавая тем самым отрицательный

максимума теплового потока по интенсивности

температурный градиент в том же полюсе изо-

положительного температурного градиента, как

терм, поскольку рост раковой опухоли отодвигает

показано на рис. 2. В связи с тем, что опухоль, не

нижнюю стенку паталогического образования,

меняя координаты Z, увеличивает свой размер,

как показано на рис. 2. Это хорошо видно на при-

величина положительного градиента спадает в

мере двух снятых последовательно во времени (с

силу ухудшающейся теплопроводности ткани в

интервалом в один месяц) ДОТ-маммограмм па-

раковой опухоли:

0,451 Вт/(м град) вместо

циентки Л., 56 лет (рис. 3). В нижнем меню мам-

мограмм указана средняя температура паталоги-

0,532 Вт/(м град) в «норме», т.е. изменяется в худ-

ческого образования, его форма и в какой МЖ

шую сторону на 15% [25].

оно обнаружено. В верхнем меню маммограммы

На схеме, представленной на рис. 2, отображе-

дана таблица (рис. 4), где приводятся обработан-

ны стадии развития раковой опухоли при мини-

ные массивы температур, переданных от головки

Рис. 3. Две ДОТ-маммограммы, снятые последовательно с интервалом в один месяц, демонстрирующие деграда-

цию раковой опухоли на доклиническом этапе.

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

612

КЛЮКИН и др.

Рис. 4. Таблицы верхних меню ДОТ-маммограмм, представленных на рис. 3: 1 - данные по температурным гради-

ентам, 2 - данные по площади проекции градиента на кожу МЖ.

ДОТ. В такой таблице в цифровой форме имеют-

наруживаемых с помощью конвенциональных

ся сведения обо всех патологических областях и, в

методов диагностики;

частности, о площади отображения градиента на

- поскольку аппарат ДОТ портативен, абсо-

кожу МЖ.

лютно безопасен и относительно дешев, а его об-

Как видно из приведенных маммограмм и таб-

служивание при обследовании не требует специа-

лиц на рис. 4, данные градиентов и областей про-

листов высокой квалификации, он может быть

екций (4 и 3 на рис. 2; соответственно 0,537 и

полезным в качестве помощника врача;

0,37°С и 6,5 и 1,9%) хорошо коррелируют и укла-

- метод ДОТ допускает использование искус-

дываются в теорию, описывающую развитие

ственного интеллекта при автоматическом ана-

РМЖ [26].

лизе полученного массива цифровых данных;

Процедура диагностирования рака молочной

- малое время диагностики дает все предпо-

жедезы и стоимость ее проведения намного мень-

сылки для использования ДОТ-методики в целях

ше как по времени, так и по затрачиваемым сред-

профилактики РМЖ.

ствам по сравнению с тем, что предусмотрено,

например, дейтсвующим стандартом США [27].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Л. Д. Линденбратен, Л. М. Бурдина и Е. Г. Пинхо-

севич, Маммография (учебный атлас) (ВИДАР,

Метод ДОТ имеет ряд преимуществ по сравне-

Москва, 1997).

нию с общепринятыми в клинике конвенцио-

нальными методами диагностики. Он:

2. Л. М. Клюкин, в сб. Материалы ХХ международной

заочной конференции «Развитие науки в XXI веке»

- обеспечивает однозначность анализа роста

(НИЦ «Знание», Харьков, 2016), т. 3, сс. 21-32.

раковой опухоли в доклинической стадии ее раз-

3. A. M. Maffione, M. Piva C. S. Stamata, et al., Arch.

вития;

Gynecol. Obstetric 280 (4), 521 (2009).

- дает возможность оценки времени удвоения

4. R. Shah, K. Rosso, and S. D. Natanson, World J.

опухоли благодаря длительному периоду докли-

Clinic Oncolol. 5 (3), 283 (2014).

нической стадии, тем самым с помощью безопас-

ного способа скрининга можно оценить длитель-

5. Л. М. Клюкин и С. Ю. Морозов, Патент РФ

ность возможного цикла заболевания;

№ 2537762 от 12.11.2014 г. с приоритетом от 15.01.2013 г.

- в доклиническом этапе становится возмож-

6. Дж. Р. Канту, https://tehnoobzor.com/hi-tech-news/

ным, благодаря его длительности, путем скри-

1194-podrostok-izobrel-byustgalter-diagnostiruyus-

chiy-rak.html.

нинга подобрать адекватную терапию и наблю-

дать деградацию опухоли, что менее затратно для

7. https://www.google.ru/search?q=itbra&newwindow=

лечения пациента на более поздних стадиях, об-

1&rlz=1C1AOHY_ruRU724RU731&tbm=isch&tbo=

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

613

u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwj9iJGOqYLaAh-

19. Annu. Meet. of Radiological Society of North America

WkF5oKHR6sDUoQsAQIOA&biw= 1280&bih=911.

(2009), vol. 30.

8. L. M. Klukin and V. А. Namiot, Biophysics 60 (1), 138

20. С. К. Терновой и А. Б. Абдураимов, Лучевая мам-

(2015).

мология (ИГ «ГЭОТАР-Медиа», 2007).

9. Л. М. Клюкин и В. А. Намиот, Письма в ЖЭТФ 6

21. Скриниговая экспресс-диагностика и мониторинг

(10), 615 (1980).

опухолевых новообразований в молочных железах

безопасным методом контактной термографии.

10. Л. М Клюкин и В. А. Намиот, Наука и техника в

Разрешение МЗ РФ ФС № 2010/258 от 01.07.2010 г.

России, № 2-3, 10 (2001).

22. V. P. Collins, R. K. Loeffler, and H. Tiivey, Am. J. 76

11. Л. М. Клюкин и В. А. Намиот. Междунар. мед.

(5), 988 (1956).

журн., № 2, 170 (2001).

23. 23. N. E. Davidson, Cancer 97 (3), 825 (2003).

12. L. M. Klukin, US Patent 7,214,194 B2, May 8, 2007.

24. J.-V. D. Valde, G. De Bock, M. Greuter, et al., In Abstr.

13. L. M. Klukin and V. A. Namiot, Phys. Lett. A 288, 115

Book of 95th Scientific Assembly and Annual Meeting of

(2001).

Radiological Society of North America (2009), vol. 30,

14. Л. М. Клюкин, Патент РФ № 2622362 от 14.06.2017 г.

RO 22-24.

с приоритетом от 19.06.2015 г.

25. Л. Розенфельд. Основы клинической дистанционной

15. L. M. Klukin and V. A. Namiot, Biophysics 46 (3), 500

термодиагностики (Здоровье, Киев, 1988).

(2001).

26. Я. Тюрюмина и А. А. Незнанов, в сб. Мат-лы 39-й

16. Л. М. Клюкин и В. П. Игумнов, Радиология -

междисциплинарной школы-конференции «Инфор-

практика, № 3, 56 (2003).

мационные технологии и системы» (Springer, 2015),

17. Л. М.. Клюкин, Наука и техника в России, № 2-3,

сc. 38-51.

24 (2005).

27. J. C. Keen, National Comprehensive Cancer Network

18. M. Gautherie, Biomed. Thermol. 107, 21 (1982).

4 (5), 480 (2006).

Method for Registrating the Surface Temperature Distribution of the Skin

as a Safe and Ergonomic Approach to Diagnosis and Monitoring

of the Dynamics of Breast Cancer

L.M. Klyukin

*, V.A. Namiot**, and S.N. Udaltsov***

*Limited Liability Company «Modern Computer Medical Equipment», ul. Startovaya, 21/1, room 69, Moscow, 129336 Russia

**Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory 1, Moscow, 119991 Russia

***Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences,

ul. Institutskaya 3, Pushchino, Moscow region, 142290 Russia

The paper discusses relevant results on the early detection of breast cancer, the safety and diagnostic accuracy

using thermal volume tomography device of domestic production. This device allows for registration and

analysis of the spatial temperature distribution on the skin in the tumor region. For the analysis of the ob-

tained data set, it is possible to use the methods of artificial intelligence that enables the effective choice of

the treatment strategy by selecting the optimal therapy in the pre-clinical phase of breast cancer development.

Keywords: breast cancer, thermal volume tomography device

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019