Zastosowanie promieniowania mikrofalowego w detekcji raka gruczołu piersiowego

Transkrypt

1 Rozdział 1 Zastosowanie promieniowania mikrofalowego w detekcji raka gruczołu piersiowego Arkadiusz Miaskowski, Andrzej Krawczyk, Andrzej Wac-Włodarczyk 1. Wprowadzenie Wykorzystanie pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości w celach diagnostycznych znane jest od bardzo dawna. Jednakże dopiero od kilkudziesięciu lat daje się zauważyć świadome i bazujące na solidnych podstawach naukowych działania w tym zakresie. Prace badawcze, prowadzone w licznych ośrodkach naukowych na całym świecie (Industrial Process Tomagraphy Group, UMIST, Manchester, UK; University of Calgary, Kanada; University of Wisconsin, USA; University of Victoria, Kanada; Dortmouth College, USA; Technical University of Denmark, Dania), zmierzają do jak najlepszego poznania mechanizmów biologicznych zachodzących w tkankach biologicznych i wykorzystania tejże informacji do detekcji m.in. raka gruczołu piersiowego. Dlatego też badania nad właściwościami elektrycznymi tkanek ludzkich, prowadzone od przeszło czterdziestu lat, zmierzają do dogłębnego poznania struktury pola elektromagnetycznego w środowisku biologicznym i ustalania parametrów technicznych niezbędnych do uzyskania odpowiedniego procesu. W 2001 roku Institute of Medicine National Research Council (IOM) w USA opublikował raport pt. Mammography and Beyond: Developing Technologies for the Early Detection of Breast Cancer, w którym, obok przeglądu stanu technik mammograficznych, stwierdzenia się, że w ok. 17% przypadkach rak gruczołu piersiowego nie został wykryty! Wskazuje się także na trudności z obrazowaniem w przypadku kobiet z radiologicznie gęstym biustem, na dyskomfort, jaki odczuwają kobiety podczas badania, tj. bolesne odkształcenie piersi (dotyczy mammografii rentgenowskiej), a także na brak możliwości wykonania mammografii kobietom poniżej 40 roku życia. Podobne uwagi zawarte zostały w raporcie kanadyjskim z 1996 opublikowanym przez Canadian Medicine Association. Rys. 1. Zachorowania na nowotwory złośliwe u kobiet w Polsce (wskaźnik struktury).

2 W Polsce notuje się prawie nowych przypadków zachorowań rocznie na raka piersi. Oznacza to, że każdego roku na raka gruczołu piersiowego zachoruje 30 kobiet na (Rys. 1) [1]. Umieralność na raka piersi rośnie w tempie 1,6% rocznie, a za przypadki wczesne uznaje się zmiany (guzy) o średnicy poniżej 0,5 cm! Tylko w 20% przypadków chorobę rozpoznaje się we wczesnym stadium zaawansowania - wtedy szanse na wyleczenie są bardzo duże! Ograniczenia, jakie wynikają z mammografii klasycznej (rentgenowskiej), a także dane statystyczne skłaniają do podjęcia próby stworzenia metody alternatywnej bądź wspomagającej mammografię klasyczną. Nawiązując do wyżej wspomnianych raportów i danych można stwierdzić, że idealna metoda służąca do wykrywania raka piersi, w zakresie mikrofalowym, powinna mieć następujące cechy: 1. być nieinwazyjna i nieszkodliwa (należy wykonać analizę współczynnika SAR (ang. Specific Absorption Rate)), 2. wystarczająco czuła by wykryć nowotwór w jego bardzo wczesnym stadium (tj. wielkość guza < 0.5cm), 3. relatywnie tania. 2. Podstawy fizyczne obrazowania mikrofalowego U podstaw fizycznych obrazowania mikrofalowego leżą prace badawcze dotyczące parametrów elektrycznych tkanek ludzkich w naszym przypadku są to tkanki gruczołu piersiowego. Najbardziej ogólne studium dotyczące parametrów elektrycznych tkanek ludzkich zdrowych zawarte zostało w pracach C. Gabriel i inni [2,3,4]. Prace dotyczące badań właściwości elektrycznych tkanek dotkniętych zmianami patologicznymi były pomijane. Dopiero w 1984 r. Chaudhary i inni [5], zmierzyli parametry elektryczne tkanek gruczołu piersiowego zdrowego, jak i dotkniętego zmianami patologicznymi złośliwym guzem piersi, w zakresie częstotliwości od 3 MHz do 3 GHz. W 1988 r. Surowiec i inni [6] zaprezentowali wyniki pomiarów parametrów elektrycznych raka piersi i tkanek zdrowych w zakresie częstotliwości od 2 khz do 100 MHz, a w 1994 r. Joines i inni [7], opublikowali wyniki pomiarów parametrów elektrycznych tkanek kilku organów, w tym tkanek piersi w zakresie do 50 do 900 MHz. Na rys. 2. zestawiono wyniki w/w prac badawczych, tj. parametry elektryczne gruczołu piersiowego zdrowego i dotkniętego zmianami patologicznymi w funkcji częstotliwości, a także zastosowaną do nich aproksymację Debye a [8] (linia ciągła).

3 Rys.2. Parametry elektryczne gruczołu piersiowego w funkcji częstotliwości na tle aproksymacji Debye a (linia ciągła). Na podstawie, wspomnianych prac badawczych, można stwierdzić, że parametry elektryczne gruczołu piersiowego (przenikalność elektryczna, konduktywność tkanki zdrowej i dotkniętej zmianami patologicznymi) przy częstotliwościach gigahercowych, mają charakterystykę zbliżoną do tkanki mięśniowej tkanka rakowa, natomiast tkanka zdrowa charakterystykę tkanki tłuszczowej, jak pokazano na rys. 3. Rys. 3. Zależność parametrów elektrycznych gruczołu piersiowego do częstotliwości Opierając się na przytoczonych danych można stwierdzić, że możliwa jest detekcja raka sutka poprzez naświetlanie go falą elektromagnetyczną, a następnie pomiar pola elektromagnetycznego rozproszonego bądź transmitowanego na podstawie, którego dokonuje się konstrukcji obrazu. Postępowanie takie zwane jest obrazowaniem mikrofalowym. Jego idea przedstawiona została na rys. 4.

4 Rys. 4. Idea obrazowania mikrofalowego (tomograficzna i radarowa) 3. Metody detekcji raka sutka w zakresie mikrofalowym W zakresie mikrofal można wyróżnić następujące metody detekcji raka sutka: 1) metoda pasywna, polegająca na detekcji obszaru patologicznego poprzez radiometryczny pomiar rozkładu temperatury na gruczole piersiowym (rys. 5a), 2) metoda hybrydowa (połączenie metody pasywnej z metodą mikrofalową), polegająca na pomiarze fali transmitowanej i fali generowanej na skutek odkształceń obszaru patologicznego, a następnie jego detekcja (rys. 5b), 3) metoda aktywna, polegająca detekcji danego obszaru poprzez pomiar fali rozproszonej lub fali transmitowanej (rys. 5c). Idea ww. obrazowania przedstawiona została na rys. 5. W artykule szczegółowiej omówiona została metoda aktywna (p. 3).

5 Rys. 5. Metody detekcji raka sutka w zakresie mikrofalowym 4. Metoda aktywna Aktywna metoda detekcji raka polega na naświetlaniu piersi falą elektromagnetyczną o odpowiedniej częstotliwości i polaryzacji, po czym fala ta jest odbierana przez tę samą antenę lub oddzielną antenę odbiorczą, bądź też tablicę anten. Następnie konstruowany jest obraz na podstawie fali elektromagnetycznej transmitowanej bądź odbitej od piersi (rys. 4c). Jeśli mamy do czynienia z pomiarem różnicy sygnału nadawanego i transmitowanego, to mówimy o tzw. tomografii mikrofalowej (rys.4 górny). W tym przypadku konstruowanie obrazu polega na wytyczeniu mapy rozkładu parametrów elektrycznych gruczołu piersiowego. Jeśli natomiast dokonujemy pomiaru sygnału rozproszonego, to mówimy o metodzie radarowej (rys. 4 dolny). W tym przypadku konstruowanie obrazu polega na wytyczeniu mapy położenia obiektów charakteryzujących się silnym rozpraszaniem fali elektromagnetycznej. Inna klasyfikacja, jakiej można dokonać, biorąc pod uwagę metodę aktywną, uwarunkowana jest pozycją kobiety podczas badania. Przy takim podziale można mówić o tzw. systemie płaskim i systemie cylindrycznym, jak pokazano na rys. 6.

6 (a) (b) Rys. 6. System płaski (a); system cylindryczny (b) odpowiadające mi tablice anten Pierwszy z nich, tj. system płaski (rys. 6a) wydaje się korzystniejszy przy metodzie radarowej. W takim przypadku gruczoł piersiowy zastępuje się odpowiednim modelem matematycznym najczęściej jest to sześcian o odpowiednich parametrach elektrycznych w środku, którego umieszcza się zaburzenie (duża czarna kulka), jak pokazano na rys. 7. Rys. 7. Numeryczny model systemu płaskiego Drugi system tj. system cylindryczny jest uniwersalny tzn. może być stosowany zarówno przy metodzie tomograficznej, jak i radarowej (rys. 8). Podobnie, jak dla systemu płaskiego, przypisuje mu się odpowiednie parametry elektryczne, zaś w środku umieszcza się model raka piersi o odpowiednich parametrach.

7 Rys. 8. Numeryczny model systemu cylindrycznego Na rys. 7-8 małymi czarnymi punktami zaznaczono położenia anteny nadawczo-odbiorczej podczas procesu skanowania piersi. Prezentowany na rys. 9 rozkładu pola elektromagnetycznego (składowa natężenia pola elektrycznego) wykonany został dla homogenicznego modelu sutka o kształcie półsfery przy parametrach: grubość skóry: 2 mm, odległość anteny od modelu: 1 cm, parametry elektryczne modelu: tkanka tłuszczowa ε r =4,46; σ=0,44; skóra ε r =34,94; σ=3,9. Symulacja wykonana została metodą FDTD (ang. Finite Difference Time Domain). Rys. 9. Rozkład pola elektromagnetycznego w homogenicznym modelu sutka. 5. Podsumowanie Niniejszy artykuł ma charakter wprowadzający w tematykę detekcji raka gruczołu piersiowego przy pomocy mikrofal. Omówiono w nim podstawy fizyczne, jak i rodzaje detekcji raka piersi w zakresie mikrofalowym. Szczegółowiej omówiona została metoda aktywna detekcji. Oto kilka zalet tomografii mikrofalowej w stosunku do mammografii w detekcji raka piersi: brak narażenia pacjentki ze strony promieniowania jonizującego, nie jest konieczny ucisk piersi, szacuje się, że metoda ta pozwoli na wykrycie guzków o średnicy mniejszej od 5 mm, oczekuje się, że będzie ona dużo tańsza niż badanie MRI lub medycyna nuklearna, kobiety poniżej 40 roku życia będą mogły być badane tą metodą,

8 metoda całkowicie bezpieczna. LITERATURA [1] Polski Komitet Zwalczania Raka; Klinika Ginekologii Akademii Medycznej w Białymstoku ul. M. Skłodowskiej-Curie 24A Białystok tel./fax: [2] Gabrie C. i inni, The dielectric properties of biological tissue: I. Literature survey. Phys. Med. Biol, vol. 41, pp , 1996 [3] Gabriel C. i inni, The dielectric properties of biological tissue: II. Measuremeants on frequency range 10 Hz to 20 GHz, Phys. Med. Biol, vol. 41, pp , 1996 [4] Gabriel C. i inni, The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys. Med. Biol, vol. 41, pp , 1996 [5] Chaudhary S.S. i inni, Dielectric properties of normal and malignant human breast tissues at radio wave and microwave frequencies, Indian J.Biochem. Biophys., vol. 21, pp , 1984 [6] Surowiec A. J. i inni, Dielectric properties of breast carcinoma and the surrounding tissue, IEEE Trans. Boiomed. Eng. Vol. 25, pp , 1988 [7] Joines W. T i inni, The measured electrical properties of normal and malignant human tissue from 50 Hz to 900 MHz, Med., Phy, vol. 21, pp , 1994 [8] Hurt W. D., Multiterm Debye dispersion relations for permittivity of muscle, IEEE Trans BME-32(l):60-64, 1985