По неутешительным данным Всемирной организации здравоохранения, рак является второй из основных причин смерти в мире. Так, в 2018 году от этого заболевания умерли 9,6 млн человек, а более 2 млн женщин погибли от рака молочной железы. Ученые и врачи сходятся в том, что важна ранняя диагностика заболевания. Рентгеновские и магнитно-резонансные томографы показали свою эффективность, но будущее за ультразвуковыми томографами — безболезненными и дружественными для человека. О разработке такого томографа и использовании суперкомпьютерных технологий рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Романов.

Романов Сергей Юрьевич – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

— Чем занимается ваша лаборатория в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ?

— Одним из направлений деятельности Лаборатории разработки систем автоматизации обработки изображений является разработка ультразвуковых томографов для диагностики онкологических заболеваний молочной железы.

Сейчас разработка находится на стадии создания макета будущего томографа и совершенствования методов вычислений на суперкомпьютерах. В настоящее время у всех на слуху рентгеновские томографы для диагностики раковых заболеваний, которые доказали свою высокую эффективность. К сожалению, у рентгеновских томографов есть недостаток – наличие ионизирующего излучения. Поэтому регулярные обследования пациентов проводить невозможно.

Существуют также магнитно-резонансные томографы, которые тоже обладают высоким разрешением, но и высокой стоимостью. Кроме того, для проведения высококачественных обследований на МРТ-томографах пациентам требуется вводить особые контрастные вещества, что тоже вредно для человеческого организма.

В качестве альтернативы мы разрабатываем ультразвуковые томографы, которые пока находятся на стадии макетных образцов.

— А как вы применяете суперкомпьютерные технологии?

— Ультразвуковая томография лежит на трех китах. Мы разрабатываем вычислительные методы для решения сложных задач и больших систем уравнений. Второе направление связано с совершенствованием ультразвуковых источников и приемников с требуемыми характеристиками малого размера с высокой чувствительностью и частотой. И третье направление – развитие суперкомпьютерных вычислений. И здесь мы наблюдаем большой прорыв. То, что нельзя было посчитать еще 10-15 лет назад, сегодня стало возможным.

Название изображения
Грандиозные устройства − суперкомпьютеры «Ломоносов-1» и «Ломоносов-2» позволяют ускорить наши вычисления в тысячи раз. А считать нам приходится много. Достаточно сказать, что приходится решать нелинейные системы уравнений с десятками миллионов неизвестных.

В отличие от продвинутой рентгеновской томографии, которая описывается линейными уравнениями, ультразвуковая томография описывается нелинейными уравнениями. Это гораздо более сложная задача с точки зрения вычислений.

— На каком этапе сейчас находится разработка ультразвуковых томографов?

— Сегодня в мире разработкой ультразвуковых томографов занимаются несколько групп ученых из Соединенных Штатов Америки, из Германии, Японии и Китая. Конечно, мы пока отстаем в техническом плане. В Соединенных Штатах есть уже опытные образцы этих установок, которые испытывают на реальных пациентах. У нас такого пока нет.

Тем не менее, мы разработали более продвинутые методы диагностики, математический аппарат, используем более сложные вычисления на суперкомпьютерах, которые дают более точные результаты. Конечно, нет предела совершенству. На каждом этапе появляются новые проблемы, которые необходимо решать.

Сейчас у нас есть макет ультразвуковой томографической установки в виде металлической ванны, в которую помещается для обследования силиконовый объект-фантом (с разного рода включениями), близкий по параметрам к мягким тканям человека. Ванна заполняется водой. В ней вращаются специальные ультразвуковые источники и приемники, которые облучают силиконовый объект ультразвуком с разных сторон, а после собираются экспериментальные данные. Далее эти экспериментальные данные используются при расчетах на суперкомпьютере для создания трехмерного изображения внутренней структуры объекта обследования.

— Как вы считаете, когда можно ожидать выхода этих технологий на уровень использования в клиниках?

— Неблагодарное это дело – предсказывать. Я лишь могу для сравнения напомнить этапы развития рентгеновской томографии. Первые математические результаты были получены в конце XIX века. Первые методы решений – в начале XX. Первые установки появились в 60-х гг. ХХ века. В 70-х – получена Нобелевская премия по рентгеновской томографии. Но использовать их в медицинских целях стали лишь в конце ХХ века.

Сегодня рентгеновский томограф — необходимый элемент при многих медицинских исследованиях. Чтобы технология прошла все этапы, нужно время.

«МИЛЛИОН ЖЕНЩИН НА ЗЕМЛЕ ЕЖЕГОДНО ЗАБОЛЕВАЮТ РАКОМ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ. 10% ЖЕНЩИН В ТЕЧЕНИЕ ЖИЗНИ ПОЛУЧАЮТ ЭТОТ ДИАГНОЗ. В 30 % СЛУЧАЕВ ДИАГНОЗ СТАВИТСЯ НА ТРЕТЬЕЙ ИЛИ ЧЕТВЕРТОЙ СТАДИИ, КОГДА ВЫЛЕЧИТЬ ЧЕЛОВЕКА ПРАКТИЧЕСКИ НЕВОЗМОЖНО.

ПОЭТОМУ ОЧЕНЬ ВАЖНА РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА. ДЛЯ ЭТОГО НЕОБХОДИМО ЧАСТО ПРОВОДИТЬ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПАЦИЕНТА. И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФ ОТЛИЧНО ПОДХОДИТ ДЛЯ ЭТИХ ЦЕЛЕЙ, ПОСКОЛЬКУ ОН АБСОЛЮТНО БЕЗВРЕДЕН ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА»

— Есть ли в планах идеи других проектов?

— Сейчас перед нами стоят задачи неразрушающего контроля. Здесь тоже применяются методы томографии, но с другими частотами ультразвукового излучения. Речь идет о диагностике сварных швов в трубах. Скажем, трубы, залегающие на морском дне, подвергаются коррозии. Поэтому необходимо заранее определить места, которые подвергнутся наибольшему разрушению.

Мы проводили макетные испытания и получили неплохие результаты. Конечно, здесь физика совершенно другая, в отличие от сферы медицины.

— Почему вы стали работать над прибором для диагностики рака молочной железы?

— Я могу привести печальные цифры – миллион женщин на Земле ежегодно заболевают раком молочной железы (По данным Всемирной организации здравоохранения в 2018 году от рака молочной железы погибло более 2 миллионов человек. — прим. НР). 10% женщин в течение жизни получают этот диагноз. В 30% случаев диагноз ставится на третьей или четвертой стадии, когда вылечить человека практически невозможно.

Поэтому очень важна ранняя диагностика. Для этого необходимо часто проводить обследования пациента. И ультразвуковой томограф отлично подходит для этих целей, поскольку он абсолютно безвреден для человека.

Сама диагностика должна проходить минут за десять, чтобы человек не устал. Женщина ложится на стол, внизу которого располагается емкость с теплой водой, в которой проводится ультразвуковая диагностика груди. Все безболезненно и дружественно к человеку.

— Когда аппарат будет создан?

— Это зависит не только от нас. Нужны источники и приемники, разработки в области микроэлектроники, финансирование научных работ и закупки оборудования. В США уже работают опытные образцы таких томографов, использующие методы похожие на наши. И я надеюсь, что через 5-10 лет подобные аппараты будут работать и в России.