Wspólnie z olsztyńską firmą Dramiński i lekarzami z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego grupa naukowców z Katedry Akustyki i Multimediów W4 od lat pracuje nad tomografem ultradźwiękowym z możliwościami diagnostycznymi łączącymi możliwości mammografii, USG i rezonansu magnetycznego. Urządzenie jest już w fazie testów i ma być dostępne w sprzedaży pod koniec przyszłego roku

Wśród kobiet rak piersi to najczęściej występujący nowotwór – niemal jedna czwarta zachorowań na raka wiąże się właśnie z piersiami. Statystyki pokazują, że każdego roku na tę chorobę umiera około pięć tysięcy kobiet, a u kolejnych 17 tys. jest diagnozowany nowotwór złośliwy. Czynników ryzyka jest bardzo wiele – od późnego porodu dziecka (po 30. roku życia matki), przez bardzo wczesne pojawienie się miesiączki, po mutacje genów i długie stosowanie terapii hormonalnej. Kluczowa jest wczesna diagnostyka, bo rak piersi wykryty we wczesnych fazach – a zatem wtedy, gdy jest jeszcze niewielkim, ledwo lub wcale niewyczuwalnym guzkiem – jest całkowicie wyleczalny. 

Urządzenie, które przyspieszy diagnozy

Nie ma jednak idealnej metody badań przesiewowych. Najczęściej stosowaną jest mammografia, czyli prześwietlanie ściśniętej mechanicznie piersi wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie. American Cancer Society przekonuje jednak, że dopiero u kobiet po 45. roku życia badania mammograficzne spełniają swoją rolę. Wówczas bowiem badane piersi mają więcej tłuszczu i mniejszą gęstość, a zatem ryzyko niewykrycia przez mammograf guzka jest minimalne. W przypadku młodszych pacjentek obrazowanie jest dużo trudniejsze i obarczone ryzykiem błędu. Należy też wziąć pod uwagę fakt, że mammografia wiąże się z promieniowaniem jonizującym, dlatego nie może być wykonywana częściej niż raz na dwa lata. 

Drugą metodą diagnostyki raka piersi jest badanie ultrasonografem, który wykorzystując „dźwięki” o bardzo wysokiej częstotliwości (ultradźwięki), tworzy obraz analizowanego fragmentu ciała. Przewagą USG nad mammografią jest to, że dzięki niej można odróżnić łagodną torbiel od złośliwego guza. Z drugiej strony nie jest już tak skuteczna w wykrywaniu mikrozwapnień, które mogą być oznaką zmian rakowych. 

Za najlepszą z metod uważa się tomografię rezonansu magnetycznego MRI, która wykorzystuje magnetyczne właściwości atomów do stworzenia obrazu przekrojów piersi we wszystkich płaszczyznach. Pole magnetyczne i fale radiowe rezonansu magnetycznego są w stanie wskazać zmiany o wielkości nawet 2 milimetrów. Często jednak tomografia rezonansu magnetycznego nadinterpretuje dane, wskazując jako potencjalnie niebezpieczne zmiany, które nie są nowotworami. Ale jej największą wadą są koszty. Samo urządzenie to wydatek kilku milinów złotych, a do tego utrzymanie pola magnetycznego cewek sporo kosztuje placówkę, która zdecyduje się na zakup rezonansu. Poza tym badanie jest inwazyjne – pacjentce przed badaniem podawany jest dożylnie środek kontrastujący, który powoduje, że zmiany nowotworowe będą widoczne w obrazie MRI. Środek może wywoływać reakcje alergiczne i jest szkodliwy dla osób z chorobami nerek i wątroby.

Dlatego standardowo pacjentki, u których występuje podejrzenie nowotworu, są kierowane najpierw na mammografię i USG i – jeśli wyniki są niepokojące – na rezonans magnetyczny. Wynalazek konstruowany m.in. przez naukowców z Politechniki Wrocławskiej może znacząco przyspieszyć i ułatwić tę diagnostykę.

Trzy w jednym

Urządzeniem,  nad którym już od kilku lat toczą się intensywne prace, jest hybrydowy tomograf ultradźwiękowy, który łączy w sobie możliwości mammografii, USG i rezonansu magnetycznego. Prace finansowane są przez olsztyńską firmę Dramiński, częściowo w ramach grantu wdrożeniowego z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, finansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego „Inteligentny Rozwój”. Na Politechnice Wrocławskiej projektem kieruje dr hab. Krzysztof Opieliński, prof. PWr. z Katedry Akustyki i Multimediów na Wydziale Elektroniki. Testy medyczne prowadzą natomiast lekarze, pod kierunkiem prof. Marcina Jóźwika z Wydziału Nauk Medycznych Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. 

- Tworzymy urządzenie do badań przesiewowych, które pozwala stwierdzić obecność nowotworu i jednocześnie od razu przewidywać, czy jest łagodny, czy złośliwy – opowiada dr hab. Krzysztof Opieliński, prof. PWr. – Takie badanie, łącznie z przygotowaniem się pacjentki, zajmuje maksymalnie 10 minut. Jest więc szybkie, nieinwazyjne, bezpieczne, a do tego ma być tanie. Firma Dramiński planuje bowiem sprzedawać te tomografy w cenie wysokiej jakości ultrasonografu.

W czasie badania pacjentka kładzie się na specjalnym łóżku z wyciętym otworem, w który wkłada jedną z piersi, zanurzając ją w zbiorniku z podgrzewaną wodą destylowaną. W ciągu trzech do pięciu minut znajdująca się w tym otworze pierścieniowa głowica z przetwornikami piezoceramicznymi przesuwa się wzdłuż całej długości piersi, zbiera jej obrazy co milimetr i tworzy od stu do dwustu przekrojów koronalnych.  

– W wewnętrznym pierścieniu głowicy rozmieszczone są równomiernie aż 1024 miniaturowe przetworniki piezoceramiczne, z których każdy generuje i odbiera w odpowiednich sekwencjach impulsy drgań ultradźwiękowych. Dzięki wodzie te impulsy nie są tłumione, ale rozchodzą się, przenikają przez pierś, pobudzając do drgania wszystko, co jest w jej wnętrzu, i następnie są odbierane przez przetworniki po drugiej stronie piersi – tłumaczy dr hab. Krzysztof Opieliński, prof. PWr. –  Na tej podstawie jesteśmy w stanie tworzyć tomograficzne obrazy transmisyjne: rozkładu prędkości propagacji fali ultradźwiękowej w dowolnych przekrojach piersi, rozkładu współczynnika tłumienia i rozproszenia ultradźwięków. Kiedy łączymy ze sobą te obrazy, zyskujemy cenne informacje i podstawę do diagnozy.

Fale wykrywają nowotwór

By zrozumieć, jak mierzy się wartość prędkości fali ultradźwiękowej, profesor Opieliński proponuje wyobrazić sobie powierzchnię wypełnioną drogami prowadzącymi we wszystkich możliwych kierunkach. Po nich poruszają się oczywiście samochody, które jeżdżą tak szybko, jak pozwalają im na to warunki – a zatem w jednych miejscach przyspieszają, a w innych bardzo zwalniają. – Chcąc określić ich średnią prędkość, liczymy, w jakim czasie przejechaliśmy daną drogę i tę drogę dzielimy przez czas. Mając średnie prędkości ze wszystkich kierunków, w jakich poruszał się samochód, możemy zrekonstruować, jaka była lokalna wartość prędkości tego pojazdu w każdym punkcie powierzchni. I dokładnie tak samo wyliczamy wartość prędkości fali ultradźwiękowej.

Profesor Opieliński tłumaczy, że obraz tworzony z tych prędkości pozwala ilościowo ocenić nowotwór. – Tkanka piersi ma różne wartości prędkości – wyjaśnia. – W przypadku tłuszczu te prędkości są stosunkowo małe, około 1470 m/s. Znacznie większa jest natomiast prędkość  fali ultradźwiękowej przechodzącej przez tkankę gruczołową piersi,  czyli tam gdzie się znajdują przewody mlekowe, płaty gruczołowe, itp. Największą wartość odnotowujemy natomiast w przypadku zmiany nowotworowej.

W zależności od rodzaju takiej zmiany fala ultradźwiękowa przechodząca przez to miejsce ma prędkość większą o określoną wartość w stosunku do prędkości, z jaką normalnie przechodzi przez zdrową tkankę. – Problemem jest jednak to, że wartości te są względne – zaznacza kierownik projektu na PWr. – Oznacza to, że prędkość przechodzenia fali przez tkankę gruczołową piersi u jednej kobiety będzie inna niż u drugiej, bo jedna może mieć gęstszą pierś, a druga rzadszą. Zawsze jednak nowotwór powoduje zwiększenie tych prędkości w stosunku do prędkości w niezmienionej tkance. 

Z kolei obraz transmisyjny rozkładu tłumienia fal w połączeniu z obrazem ich prędkości pokazuje nie tylko, gdzie jest nowotwór, ale także jaki ma charakter. Fale dźwiękowe są mocno tłumione w tkankach gęstych i w nowotworach, a w nowotworach złośliwych to tłumienie jest znacznie większe niż w przypadku łagodnych. 

- Połączenie takich dwóch obrazów daje już podstawę do diagnozy – podkreśla dr hab. Opieliński, prof. PWr. – Jeśli bowiem na danym obrazie mamy obszar, w którym prędkość fali jest większa od wyskalowanej według wieku pacjentki wartości progowej, ale jej tłumienie nie, oznacza to, że mamy do czynienia z  nowotworem i jest on łagodny. Kiedy natomiast prędkość ultradźwięków jest większa i jednocześnie tłumienie jest większe od ustalonych wartości progowych, wiemy już, że zdiagnozowaliśmy nowotwór z dużym prawdopodobieństwem złośliwości. Nasz tomograf umożliwia wówczas oznaczenie obszaru, w którym jest ten nowotwór. Ponadto lekarz może obejrzeć jeszcze obraz odbiciowy, który bardzo szczegółowo pokazuje mu naczynia krwionośne i limfatyczne, więzadła Coopera, przewody mlekowe i inne małe struktury włókniste. Nakładając ten obraz na pozostałe dwa, od razu może przewidywać, jaki rodzaj nowotworu występuje u pacjentki. Rozrost naczyń krwionośnych wskaże na guz spikularny złośliwy, natomiast wyraźny obrys owalny zasugeruje, że może to być np. torbiel.

Badający będzie też mógł skorzystać dodatkowo z obrazu USG dowolnego przekroju piersi, tworzonego za pomocą głowicy pierścieniowej dookoła, w czasie rzeczywistym, a także obejrzeć nowotwór w 3D lub w dowolnym przekroju poprzecznym.

24 lata badań

Obecnie urządzenie skonstruowane wspólnie przez pracowników firmy Dramiński i naukowców PWr. przechodzi testy medyczne in vivo, czyli badania na pacjentkach. Wstępne wyniki rozpoznawania nowotworów są w przypadku tego tomografu bardzo obiecujące i porównywalne do wyników, jakie wskazują poszczególne metody badań (mammografia, USG, MRI). Jego twórcy skupiają się już więc tylko na przyspieszeniu pracy urządzenia, testach medycznych i optymalizacji algorytmów. – Obecnie wykonanie jednego przekroju zajmuje nam około sześciu sekund, ale pracujemy już nad algorytmami, które pozwolą nam to przyspieszyć – tłumaczy dr hab. Krzysztof Opieliński, prof. PWr.  Firma zajmuje się też graficznym dopracowaniem wyświetlanych obrazów tak, by lekarze mogli sprawnie je analizować. 

Zgodnie z planami firmy Dramiński, urządzenie powinno pojawić się na rynku pod koniec 2018 r. 

Dla dr. hab. Krzysztofa Opielińskiego, prof. PWr, będzie to zamknięcie pewnego ważnego etapu. – Badaniom prowadzącym do skonstruowania tego tomografu poświęciłem dużą część swojego życia – opowiada. – Wszystko zaczęło się jeszcze w 1993 r., kiedy kierownik Pracowni Techniki Ultradźwięków, prof.  Tadeusz Gudra, przywiózł z Hiszpanii artykuł na temat metody tomografii ultradźwiękowej. W tamtych czasach to była absolutna nowość, a wykorzystanie jej do medycznych badań in vivo w czasie rzeczywistym było jeszcze niemożliwe ze względu na problemy z przetwarzaniem danych. Ówczesne urządzenia po prostu nie radziły sobie z takim ogromem informacji. Zainteresowałem się jednak tą tematyką i zacząłem badać tę metodę, najpierw pod kątem symulacji, a następnie opracowałem oprogramowanie do rekonstruowania obrazów i zaczęliśmy tworzyć stanowisko pomiarowe. Początkowo badaliśmy tylko możliwości tomografii transmisyjnej. Nie mieliśmy funduszy na to, żeby zrobić małe przetworniki, dlatego korzystaliśmy z dwóch dużych przesuwanych i obracanych mechanicznie głowic ultradźwiękowych, a badania wykonywaliśmy na fantomach. Wyniki były idealne. Uzyskiwaliśmy wspaniałe przekroje w bardzo dużych rozdzielczościach. Zrobienie jednego zajmowało nam jednak wówczas od pięciu do ośmiu godzin.

Intensywny rozwój techniki komputerowej i układów elektronicznych, zwłaszcza układów FPGA, pozwolił na dalszy rozwój tych badań. - Prof. Gudra, wspólnie ze swoim dyplomantem opracował wówczas pierwszą głowicę pierścieniową.  Nie była oczywiście doskonała. Spore problemy związane były z selekcją miniaturowych przetworników i precyzyjnym wycinaniem i mocowaniem płytek piezoceramicznych, ale udało się i po podłączeniu głowicy do odpowiednio zaprojektowanych układów elektronicznych uzyskaliśmy wstępne pomiary i obiecujące rezultaty. Wówczas zająłem się stworzeniem symulacji i rekonstrukcji pomiarów tomograficznych w geometrii rozbieżnej, dostosowanej do pracy z głowicą pierścieniową. Stwierdziliśmy wtedy, że jeśli tylko uda się przyspieszyć transmisję i obróbkę danych, to obrazowanie piersi będzie możliwe – opowiada naukowiec. 

W 2007 r. za swoje badania nad tomografią ultradźwiękową prof. Tadeusz Gudra i prof. Krzysztof Opieliński zostali uhonorowani nagrodą pierwszego stopnia w konkursie Wrocławskiej Rady Federacji Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych NOT za wybitne osiągnięcia w dziedzinie techniki. Wtedy też opatentowali swoją metodę i urządzenie, a o ich pracach zrobiło się głośno w Polsce i poza granicami kraju.

- Zainteresowało się nami wiele firm, a kilka z nich namawiało nas, byśmy rzucili pracę na uczelni, wyjechali za granicę i tam dopracowali urządzenie – opowiada dr hab. Krzysztof Opieliński, prof. PWr. – Zgłaszały się też banki, oferując nam kilkumilionowy kredyt, który pozwoliłby na sfinansowanie zakupu i wykonania potrzebnej elektroniki. Aż w końcu odezwała się do nas olsztyńska firma Dramiński, która doskonale rozumiała ryzyko, jakie wiąże się z takimi badaniami. Wówczas mieliśmy przecież tylko laboratoryjną wersję stanowiska badawczego z głowicą pierścieniową, pomysł zastosowania tej metody do badań piersi in vivo, algorytmy przetestowane na rzeczywistych obiektach biologicznych, fantomach i wirtualnych danych oraz ogromny zapał i determinację do działania. Właściciel tej firmy miał też świadomość, że taki projekt będzie wymagał sporych nakładów przez kilka lat, zanim stanie się realnym produktem, gotowym do wypuszczenia na rynek. W 2010 r. zaczęliśmy więc współpracę. Firma wykupiła od uczelni nasz patent, który wówczas był jeszcze na etapie zgłoszenia patentowego. Było to rozwiązanie bardzo korzystne dla obu stron, zarówno pod kątem finansowym, jak i ze względu na realne możliwości dalszego rozwoju i wdrożenia urządzenia. Pracownicy firmy Dramiński rozwijali nasze pomysły i korzystali z naszych wskazówek, przedsiębiorstwo finansowało zakup potrzebnych elementów, a część badań realizowaliśmy my, na Politechnice Wrocławskiej, w ramach zleconych badań i projektów. 

Wspólnie z dr. hab. Krzysztofem Opielińskim, prof. PWr, nad rozwijaniem tomografu pracowali prof. Tadeusz Gudra, Juliusz Bednarek i dr Piotr Pruchnicki - pomysłodawca i autor pierwszych  elektronicznych rozwiązań układowych wraz z oprogramowaniem sterującym, pomiarowym i akwizycji danych, a w ostatnich latach także doktoranci: Mateusz Celmer i Tomasz Świetlik. 

Prof. Marcin Jóźwik, kierujący medycznymi testami in vivo tomografu, w wywiadzie dla Polskiej Agencji Prasowej podkreślał, że nowe urządzenie łączy korzyści dotychczasowych metod, a usuwa ich niektóre ograniczenia (nie korzysta  np. ze szkodliwego promieniowania rentgenowskiego). Ma więc szansę stać się nowym narzędziem pomagającym skuteczniej wykrywać raka piersi. – A w przyszłości być może nawet nowym standardem diagnostyki tego nowotworu – przewidywał profesor w rozmowie z PAP. 

Lucyna Róg