Патент на 3D ультразвуковой томограф для диагностики рака молочной железы

Сотрудниками НИВЦ МГУ получен Евразийский патент № 036092 «Способ получения 3D ультразвуковых томографических изображений и устройство для его осуществления». Патент является результатом длительных исследований, направленных на разработку принципиально нового типа томографа, использующего ультразвуковые источники излучения. Такие томографы имеют широкие возможности и перспективы использования. Одним из основных приложений этой технологии является создание ультразвуковых томографов для ранней дифференциальной диагностики онкологических заболеваний молочной железы. Эта задача является важнейшей медицинской проблемой современности. 

В настоящее время смертность от рака молочной железы находится на первом месте среди всех онкологических заболеваний у женщин. В 2020 году на рак молочной железы пришелся каждый восьмой новый случай рака в мире и каждый четвертый - среди женщин: это заболевание диагностировали у 2.3 млн. человек, 685 тысяч от него скончались. Доля лиц с поздними стадиями заболевания (III – IV степени) среди первичных больных недопустимо высока и составляет более 40%. Ультразвуковой томограф предназначен для регулярных многократных обследований с целью выявления заболевания раком на самой ранней стадии.

В медицинских исследованиях томографические методы уже давно используются для диагностики. Наиболее информативным томографическим методом для диагностики рака молочной железы является позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Недостатком этого метода является необходимость использования изотопа. Как следствие позитронно-эмиссионные томографы нельзя использовать для регулярных многократныхобследований. Аналогичные проблемы существуют с использованием КТ и МРТ. Разрабатываемые ультразвуковые томографические методы в отличие от существующих томографических методов ПЭТ, КТ и МРТ безвредны для человека и могут использоваться для регулярных обследований.  

Разрабатываемые ультразвуковые томографы принципиально отличаются по своим диагностическим возможностям от широко распространенных в медицине приборов для ультразвуковых исследований (УЗИ-приборов). УЗИ-приборы позволяют формировать только изображение границ неоднородностей в исследуемом объекте и принципиально не могут осуществлять характеризацию внутренней структуры исследуемых объектов, т.е. выявлять природу новообразований. Разрабатываемые томографические методы позволяют с высоким разрешением восстанавливать внутреннюю структуру исследуемых объектов, поэтому настоящее исследование имеет фундаментальное значение для вычислительной диагностики. 

Промышленно выпускаемых ультразвуковых томографов в настоящее время не существует. Интенсивные работы по разработке ультразвуковых томографов ведутся в США, Германии. Разработки находятся на уровне прототипов для томографических исследований. Одной из основных проблем в создании ультразвуковых томографов является разработка эффективных высокопроизводительных алгоритмов решения полностью трёхмерных нелинейных обратных задач ультразвуковой томографии. В отличие от разработок США, Германии авторами настоящего исследования обратная задача рассматривается как трехмерная коэффициентная обратная задача для волнового дифференциального уравнения, учитывающая эффекты дифракции, рефракции, переотражения волн и эффекты поглощения ультразвука. Волновое поле регистрируется на цилиндрической поверхности, внутри которой находится исследуемый объект. Используя всю совокупность экспериментальных данных, реконструируются функции скорости ультразвуковой волны и коэффициента поглощения как функции трех пространственных координат. В основе разрабатываемых алгоритмов лежит полученные авторами формулы для прямого вычисления градиента функционала невязки. Предложен эффективный поэтапный итерационный метод приближенного решения обратной задачи.

Рассматриваемые трёхмерные нелинейные обратные задачи ультразвуковой томографии требуют огромных объёмов вычислений. Количество неизвестных в таких задачах достигает сотен миллионов. Поэтому для решения обратных задач волновой томографии используется суперкомпьютер «Ломоносов-2» Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В.Ломоносова. В патенте предложена архитектура GPU кластера, который может выполнять функции супервычислителя в составе ультразвукового томографа.

В настоящее время авторами патента разрабатывается экспериментальный вариант 3D ультразвукового томографа для диагностики новообразований молочной железы. Экспериментальный вариант 3D томографа будет установлен в Медицинском научно-образовательном центре МГУ имени М.В.Ломоносова для клинических испытаний.