Доктор физико-математических наук А. А. КАРАБУТОВ, Международный лазерный центр МГУ им. М. В. Ломоносова

Ежегодно в России более 400 тыс. человек заболевают раком. Несвоевременная постановка диагноза этого заболевания приводит к тому, что во многих случаях злокачественные новообразования обнаруживаются на 3 - 4 стадиях, когда требуется дорогостоящее комбинированное лечение, которое, к сожалению, несмотря на усилия врачей, часто не дает положительного результата. Масштаб проблемы диктует поиск эффективных средств ранней диагностики, доступных большинству населения страны. И речь идет прежде всего об использовании в медицине лазерных информационных технологий.

стр. 18

Обнаружение у пациента рака на первой и второй стадиях (еще до метастазов), экстренно начатое лечение позволяют полностью восстановить работоспособность больного. Оптимистический прогноз услышали бы и многие женщины, у которых выявлен рак молочной железы. Вероятность его возникновения увеличивается с возрастом, вот почему в США, например, каждой женщине старше 40 лет рекомендуют ежегодно проходить маммологическое (как правило, рентгенологическое) обследование. Однако при этом выявляют опухоли размером не менее 5 - 10 мм на глубине до 30 мм. Возможности ультразвукового метода сопоставимы: минимальный размер диагностируемой опухоли - 5 - 6 мм на глубине 25 - 30 мм. Правда, в отличие от рентгенографии, УЗИ не сопровождается ионизирующим излучением, вредно воздействующим на здоровые ткани, но для скрининга (массовое обследование населения) не используется. Что же касается ядерно-магнитно-резонансной томографии (ЯМРТ), которая в последнее время находит все более широкое применение в медицине, то с ее помощью можно получить трехмерное изображение опухоли, залегающей на любой глубине. Но, к сожалению, ЯМРТ - слишком дорогая диагностика, да и времени на обследование больного требуется очень много.

Иное дело предлагаемая нами лазерная оптико-акустическая томография (ЛОАТ). Этот подход не отрицает уже существующие методы, становится важным дополнением к ним, а в перспективе, как мы надеемся, выйдет в число ведущих. Он позволяет получать оптические "снимки" (аналог биопсии) исследуемой ткани. Для них характерны высокое пространственное разрешение, наличие контраста здоровой и патологической тканей, в десятки раз превышающего разность яркости фона и рака, достижимую с помощью рентгеновской, ультразвуковой или магнитно-резонансной томографии. Кроме того, использование соответствующего излучения на нескольких длинах волн дает возможность не только визуализировать неоднородности, но и собирать количественную информацию, например, о концентрации крови в ткани и степени ее оксигенации, т.е. насыщения кислородом. С помощью нового метода, в отличие от уже существующих, можно обнаруживать и диагностировать новообразования на самых ранних стадиях (при размере менее 3 мм) и больших глубинах (до 70 мм). Другие его достоинства - отсутствие ионизирующего излучения и работа в реальном времени при значительной частоте обновления кадра. По стоимости ЛОАТ вполне конкурирует с ультразвуковыми сканерами, обеспечивая при этом более высокий контраст (в 20 - 50 раз).

Концепция ЛОАТ родилась в России. Однако обстоятельства сложились так, что в 1983 г. она была запатентована в США, здесь же получено разрешение на ее медицинское применение (1997 г.). Что же касается ключевых технических идей, то часть из них удалось реализовать в 1998 - 2001 гг. во время работы груп-

Схема обследования молочной железы с помощью лазерного оптико- акустического томографа.

стр. 19

пы отечественных ученых, в которую входил и автор данной статьи, в Университете штата Техас. Первые же клинические испытания в госпитале города Галвестон (было обследовано 20 пациенток) убедили специалистов в высокой эффективности предложенного метода. Например, у одной женщины никак не удавалось установить местоположение опухоли. С помощью нашего томографа его обнаружили на силиконовом импланте. Тот же аппарат не ошибся и в 19 других случаях.

В 2002 г. руководители Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере решили совместно профинансировать проект создания ЛОАТ. Клинические испытания опытного образца предполагается провести в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П. А. Герцена, Маммологическом центре Научного центра рентгенологии, Центре медицинской диагностики МГУ. Следующие этапы - получение разрешения Минздрава РФ на клиническое применение прибора и организация его производства на московском Научно-производственном предприятии "Антарес", имеющем богатый опыт разработки и выпуска разнообразного медицинского оборудования в кооперации с Институтом проблем лазерных информационных технологий. Каковы же особенности нового метода томографии? Известно, что здоровая и пораженная опухолью ткани поглощают свет по-разному. Объясняется это тем, что в последнем случае концентрация крови в ткани, как правило, выше (соответственно - выше и поглощение света). Эта ткань под воздействием лазерного импульса нагревается сильнее. Неоднородность распределения температуры сопровождается неравномерностью давления в данном объеме, что приводит в движение среду, а механическая разгрузка реализуется излучением акустической волны. Итак, чем быстрее нагрев, тем сильнее звук (наглядный пример - булькающий и свистящий чайник в момент кипения). Амплитуда акустической волны прямо зависит от скорости повышения температуры. Допустим, вы, стреляя коротким лазерным импульсом, т.е. почти мгновенно, нагреваете тело на 0,2°С. При этом возбуждается волна с амплитудой в 1 атм. Впрочем, в оптико- акустической томографии применяют нагрев гораздо меньшей интенсивности (можно зарегистрировать сигнал при температуре до 10 мкК). Этого достаточно, чтобы произвести акустическую волну в несколько паскалей, т.е. в 10 ^{- 5} атм.

Поскольку опухоль нагревается сильнее, то и звук от нее мощнее в 2 - 3 раза, чем от здоровой ткани. Снять и одновременно обработать весь объем информации (измерение идет в десятках точек) нужно за доли секунды в реальном масштабе времени. Для выполнения столь сложной задачи в нашем лазерном центре разработаны и изготовлены многоэлементные фокусированные пьезоэлектрические антенны с многоканальными зарядовыми предусилителями и аналого-цифровыми преобразователями, каких в мире нет. Звуковой сигнал, идущий от

Оптико-акустическое изображение злокачественной опухоли на экране монитора.

стр. 20

ткани, принимается, оцифровывается и уже затем выводится на экран центрального компьютера. Получаемый "снимок" опухоли чрезвычайно четок; настолько высока степень его контрастности, что расшифровка картинки вполне по силам не только врачу, но и лаборанту. Более того, обследование можно вести в автоматическом режиме.

По предположениям, метод позволяет повысить результативность диагностических осмотров, поскольку контраст изображения здоровой и патологической тканей, получаемый с помощью ЛОАТ, как упоминалось, в десятки раз превышает контраст, достижимый другими методами томографии.

Известно также, что световые волны чрезвычайно сильно рассеиваются в биологических тканях. Получить четкий снимок опухоли размером менее 5 мм в молочной железе на глубине 60 мм невозможно, поскольку пучок света, проходя на такую глубину, рассеивается, а двигаясь в обратном направлении - ослабевает еще сильнее. К слову сказать, сегодня западными учеными предложен ряд оптических методов неинвазивной биопсии, однако они еще не вышли за рамки клинических испытаний и не обеспечивают высокого, хотя бы в 1 мм, разрешения на глубинах более 10 мм. А вот акустический сигнал, возбуждаемый при поглощении лазерного импульса, не гасится и не подвергается большим искажениям. Поэтому и изображение опухоли в данном случае получается более четким. Но возникает вопрос: каким же образом выяснить характер обнаруженного новообразования, т.е. определить - злокачественная эта опухоль или доброкачественная? Ответ можно найти, измерив степень оксигенации. В первом случае характерно понижение ее уровня, а вот если он превышен, то, скорее всего, речь идет о доброкачественном новообразовании.

Чисто технически обследование проходит в два этапа, хотя их разделяют буквально секунды. На первом - исследуемую ткань облучают импульсом лазера на александрите (определяется содержание крови в тканях). При обнаружении подозрительной неоднородности - это уже второй этап - с помощью твердотельного лазера с высокой частотой повторения импульсов уточняется уровень оксигенации, а следовательно, характер образования.

Новый метод диагностики позволяет получить двумерные томограммы в реальном времени.

Маммография - не единственно возможная область применения ЛОАТ Эксперименты подтверждают: ее использование эффективно также при диагностике меланом (врачи сегодня испытывают трудности при диагностике этого вида рака стандартными методами), при картировании сосудов в ходе проведения сложных хирургических операций, а также при контроле за распространением в органах контрастных агентов, например, при фотодинамической терапии.

Постоянный адрес данной публикации: