Программа, дающая надежду. Ученые разработали программу для анализа раковых клеток
06.02.2015 08:16
—
Новости Общества
Биоинформатика — использование компьютерных технологий для обработки биологической информации — сейчас переживает бурный рост во всем мире. Отдельный ее раздел — программы для улучшения диагностики заболеваний: на уровне клеток, органов, организма в целом. У нас в этой сфере есть не только фундаментальные изыскания — готовые разработки уже внедряются в практику. Ученые факультета радиофизики и компьютерных технологий БГУ разработали программу для анализа изображений раковых клеток CellDataMiner, сообщает "СБ Беларусь сегодня".
...Первым делом Евгения Лисица, основной разработчик программы CellDataMiner, старший преподаватель кафедры системного анализа и компьютерного моделирования БГУ, предлагает посмотреть на монитор. На экране — целый сонм синих, красных, зеленых мелких объектов.
— Это клетки, их на изображении более 600, и проанализировать все на глаз довольно сложная задача. А некоторые особенности "вживую" просто незаметны. Лучше найти характеристики, которые разделяют эти объекты, разработать методы классификации, анализа, и программа сама оценит форму, размер, окраску и прочие особенности каждой клетки, выбрав атипичные.
В качестве исходного материала для анализа выступает препарат, полученный из биопсийного материала опухоли груди. Изначально работа над программой шла совместно с Институтом Джефферсона (США), и уже готовые изображения были предоставлены им. Снимок сделан при помощи люминесцентного микроскопа, клетки обработаны тремя красителями: синий выделяет ядра, красный — ядра больных клеток, зеленый — цитоплазму. От того, насколько качественная "картинка" получена в итоге и как она проанализирована, может зависеть и диагноз, и способ лечения. Конечно, говорить о том, что программа заменит специалиста, неверно, считает Евгения Лисица, тут важен симбиоз возможностей нашего зрения и компьютерных технологий:
— Аналоги нашей программы есть, одна из них — ImageJ. Но там в процессе выделения клеток на изображении часть их попросту теряется, выпадает из картинки, и нужно каждый раз вручную подыскивать метод, как их лучше "проявить". Мы же ориентируемся на пользователя, который не владеет навыками программирования, и четкий, ясный рисунок появляется автоматически, сразу. И, конечно, у нас свои методы анализа. Каждая клетка оценивается по 11 самым информативным параметрам...
Проект по созданию CellDataMiner шел при поддержке Фонда фундаментальных исследований и при участии целого коллектива — сотрудников кафедры системного анализа и компьютерного моделирования: заведующего кафедрой, доцента, кандидата физико-математических наук Виктора Скакуна, профессора, доктора физико–математических наук Владимира Апанасовича и доцента, кандидата физико–математических наук Николая Яцкова. По сути, под их руководством Евгения Лисица, молодой ученый, с 5-го курса занялась биоинформатикой, прошла аспирантуру. CellDataMiner — часть ее кандидатской диссертации.
— Задача биоинформатики — анализ данных. Причем это могут быть не только раковые клетки, но и другие изображения. Методы, которые реализованы в программе, можно адаптировать для работы с любыми типами данных, — Евгения надеется, что уже в этом году ее программа начнет использоваться при диагностике.
В нашей медицине, кстати, пример успешного внедрения своего программного продукта уже есть — с декабря прошлого года в РНПЦ онкологии и медицинской радиологии имени Н.Н.Александрова используется программа "Волигатор" для ранней диагностики рака легкого. Разработали ее специалисты Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси в кооперации с медиками по государственной программе "Информационные технологии".
— У мужчин рак легкого находится на первом месте по частоте среди злокачественных опухолей. Но если опухоль "поймать" на 1–й стадии — вероятность вылечиться составит более 80%, и это при том, что с таким диагнозом прогноз часто неблагоприятный, — вводит в курс дела Сергей Хоружик, врач–рентгенолог РНПЦ, кандидат медицинских наук, доцент кафедры лучевой диагностики БелМАПО. "Волигатор" создавался при его участии, ведь именно медик может очертить требования для подобного программного продукта.
Скрининговый метод в диагностике рака легкого сегодня — рентгенография органов грудной клетки. Цифровые рентгеновские аппараты дают обзорный снимок органов грудной полости. Но это снимок двухмерный, где сложно увидеть мелкие очаги — они могут "прятаться" за сосудами, за тенью сердца и др. Поэтому при подозрении на опухоль легкого выполняют рентгеновскую компьютерную томографию (КТ). Пациент сканируется от верхушки легких до диафрагмы, в итоге получается серия снимков в поперечной плоскости. Чем меньше толщина срезов, тем более мелкие очаги можно обнаружить. Но врачу-то нужно просмотреть очень много изображений, затратить массу времени, при этом что–то можно и не заметить: совсем мелкие очаги, например, могут быть похожи на сосуды. Поэтому и была поставлена задача создать программу, которая сама, автоматически, будет искать очаги в легких.
— "Волигатор" работает с тонкими срезами, по 2,5 — 3 мм. На одного пациента приходится примерно 150 таких изображений, полученных при КТ. Программа оптимизирована для поиска округлых образований, и, по нашему опыту, она порой находит даже то, что не видит врач, — Сергей Анатольевич демонстрирует возможности разработки: на мониторе трехмерное изображение легких, по всему объему которых разбросаны красные сферы разных размеров — опухоли. У этого пациента "Волигатор" обнаружил 17 новообразований. Даже непрофессионалу наглядно видно, что, какого размера и где расположено. Профессионалам же важна и статистика: список очагов, размер, объем, плотность каждого. Из новшеств — программа высчитывает вероятность того, что обнаруженная опухоль окажется злокачественной, на основании плотности, характера контура, локализации, размера, а также возраста пациента, стажа курения, сопутствующих заболеваний — все данные заранее вводятся в компьютер.
Еще одна новация, на которую особо обращает внимание Сергей Хоружик, — возможность высчитать общий опухолевый объем. Ведь это очень важно. Например, пациент проходит химиотерапию, одни опухоли уменьшаются, исчезают, другие, наоборот, могут увеличиться. Просто посмотрев на монитор, медику сложно определить, есть в целом улучшение или нет. А вот общая опухолевая масса — абсолютно объективный показатель: было, скажем, 200 мм кубических до химиотерапии, а после стало 120. Тогда онкологи четко знают: лечение помогает, его надо продолжать.
Безусловно, импортные аналоги программы существуют, как правило, они поставляются в комплексе с компьютерными томографами. Но улучшить самостоятельно их невозможно, а любое дополнение стоит немалых денег. Имея же собственное программное обеспечение, можно его постоянно развивать, вводить дополнительные опции. В этом году "Волигатор" планируется внедрить в медучреждениях, в первую очередь в онкологических клиниках, по всей стране. Что немаловажно, бесплатно.
 |
Фото: Татьяна Столярова, sb.by |
...Первым делом Евгения Лисица, основной разработчик программы CellDataMiner, старший преподаватель кафедры системного анализа и компьютерного моделирования БГУ, предлагает посмотреть на монитор. На экране — целый сонм синих, красных, зеленых мелких объектов.
— Это клетки, их на изображении более 600, и проанализировать все на глаз довольно сложная задача. А некоторые особенности "вживую" просто незаметны. Лучше найти характеристики, которые разделяют эти объекты, разработать методы классификации, анализа, и программа сама оценит форму, размер, окраску и прочие особенности каждой клетки, выбрав атипичные.
В качестве исходного материала для анализа выступает препарат, полученный из биопсийного материала опухоли груди. Изначально работа над программой шла совместно с Институтом Джефферсона (США), и уже готовые изображения были предоставлены им. Снимок сделан при помощи люминесцентного микроскопа, клетки обработаны тремя красителями: синий выделяет ядра, красный — ядра больных клеток, зеленый — цитоплазму. От того, насколько качественная "картинка" получена в итоге и как она проанализирована, может зависеть и диагноз, и способ лечения. Конечно, говорить о том, что программа заменит специалиста, неверно, считает Евгения Лисица, тут важен симбиоз возможностей нашего зрения и компьютерных технологий:
— Аналоги нашей программы есть, одна из них — ImageJ. Но там в процессе выделения клеток на изображении часть их попросту теряется, выпадает из картинки, и нужно каждый раз вручную подыскивать метод, как их лучше "проявить". Мы же ориентируемся на пользователя, который не владеет навыками программирования, и четкий, ясный рисунок появляется автоматически, сразу. И, конечно, у нас свои методы анализа. Каждая клетка оценивается по 11 самым информативным параметрам...
Проект по созданию CellDataMiner шел при поддержке Фонда фундаментальных исследований и при участии целого коллектива — сотрудников кафедры системного анализа и компьютерного моделирования: заведующего кафедрой, доцента, кандидата физико-математических наук Виктора Скакуна, профессора, доктора физико–математических наук Владимира Апанасовича и доцента, кандидата физико–математических наук Николая Яцкова. По сути, под их руководством Евгения Лисица, молодой ученый, с 5-го курса занялась биоинформатикой, прошла аспирантуру. CellDataMiner — часть ее кандидатской диссертации.
— Задача биоинформатики — анализ данных. Причем это могут быть не только раковые клетки, но и другие изображения. Методы, которые реализованы в программе, можно адаптировать для работы с любыми типами данных, — Евгения надеется, что уже в этом году ее программа начнет использоваться при диагностике.
В нашей медицине, кстати, пример успешного внедрения своего программного продукта уже есть — с декабря прошлого года в РНПЦ онкологии и медицинской радиологии имени Н.Н.Александрова используется программа "Волигатор" для ранней диагностики рака легкого. Разработали ее специалисты Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси в кооперации с медиками по государственной программе "Информационные технологии".
— У мужчин рак легкого находится на первом месте по частоте среди злокачественных опухолей. Но если опухоль "поймать" на 1–й стадии — вероятность вылечиться составит более 80%, и это при том, что с таким диагнозом прогноз часто неблагоприятный, — вводит в курс дела Сергей Хоружик, врач–рентгенолог РНПЦ, кандидат медицинских наук, доцент кафедры лучевой диагностики БелМАПО. "Волигатор" создавался при его участии, ведь именно медик может очертить требования для подобного программного продукта.
Скрининговый метод в диагностике рака легкого сегодня — рентгенография органов грудной клетки. Цифровые рентгеновские аппараты дают обзорный снимок органов грудной полости. Но это снимок двухмерный, где сложно увидеть мелкие очаги — они могут "прятаться" за сосудами, за тенью сердца и др. Поэтому при подозрении на опухоль легкого выполняют рентгеновскую компьютерную томографию (КТ). Пациент сканируется от верхушки легких до диафрагмы, в итоге получается серия снимков в поперечной плоскости. Чем меньше толщина срезов, тем более мелкие очаги можно обнаружить. Но врачу-то нужно просмотреть очень много изображений, затратить массу времени, при этом что–то можно и не заметить: совсем мелкие очаги, например, могут быть похожи на сосуды. Поэтому и была поставлена задача создать программу, которая сама, автоматически, будет искать очаги в легких.
— "Волигатор" работает с тонкими срезами, по 2,5 — 3 мм. На одного пациента приходится примерно 150 таких изображений, полученных при КТ. Программа оптимизирована для поиска округлых образований, и, по нашему опыту, она порой находит даже то, что не видит врач, — Сергей Анатольевич демонстрирует возможности разработки: на мониторе трехмерное изображение легких, по всему объему которых разбросаны красные сферы разных размеров — опухоли. У этого пациента "Волигатор" обнаружил 17 новообразований. Даже непрофессионалу наглядно видно, что, какого размера и где расположено. Профессионалам же важна и статистика: список очагов, размер, объем, плотность каждого. Из новшеств — программа высчитывает вероятность того, что обнаруженная опухоль окажется злокачественной, на основании плотности, характера контура, локализации, размера, а также возраста пациента, стажа курения, сопутствующих заболеваний — все данные заранее вводятся в компьютер.
Еще одна новация, на которую особо обращает внимание Сергей Хоружик, — возможность высчитать общий опухолевый объем. Ведь это очень важно. Например, пациент проходит химиотерапию, одни опухоли уменьшаются, исчезают, другие, наоборот, могут увеличиться. Просто посмотрев на монитор, медику сложно определить, есть в целом улучшение или нет. А вот общая опухолевая масса — абсолютно объективный показатель: было, скажем, 200 мм кубических до химиотерапии, а после стало 120. Тогда онкологи четко знают: лечение помогает, его надо продолжать.
Безусловно, импортные аналоги программы существуют, как правило, они поставляются в комплексе с компьютерными томографами. Но улучшить самостоятельно их невозможно, а любое дополнение стоит немалых денег. Имея же собственное программное обеспечение, можно его постоянно развивать, вводить дополнительные опции. В этом году "Волигатор" планируется внедрить в медучреждениях, в первую очередь в онкологических клиниках, по всей стране. Что немаловажно, бесплатно.