А.Г. Лосев1, И.Е. Попов2, А.Г. Гудков3, С.В. Чижиков4

1,2 Волгоградский государственный университет (г. Волгоград, Россия)
3,4 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
3 ООО «НПИ «ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)
 

Постановка проблемы. В основе медицинской диагностики методом микроволновой радиотермометрии лежит измерение собственного электромагнитного излучения тканей человека в микроволновом и инфракрасном диапазонах, что позволяет неинвазивно выявлять температурные аномалии на глубине нескольких сантиметров. Сложность анализа термометрических данных вызывает необходимость подготовки высококлассных специалистов.

Цель. Разработать гибридные интеллектуальные системы поддержки принятия решений в медицинской диагностике методом микроволновой радиотермометрии, включающие в себя диагностическую и концептуально-диагностическую модели.

Результаты. Предложен метод разработки диагностической и концептуально-диагностической моделей, заключающийся в поэтапном создании и последующем уточнении соответствующих моделей. Приведены примеры каждой из моделей, применяемых в обследованиях рака молочной железы методом микроволновой радиотермометрии. Описаны диагностические классы, применяемые в обследованиях, а также температурные аномалии, характерные для каждого из них. Показана математическая модель и описаны принципы ее построения. Изложены результаты вычислительных экспериментов по построенным диагностическим моделям, показывающие их эффективность. Приведены примеры консультативно-диагностических моделей, построенных по различным алгоритмам классификации.

Практическая значимость. Предложенный метод построения интеллектуальных систем могут быть применимы как в обследованиях органов человека методом микроволновой радиотермометрии, так и адаптированы к различным сферам применения, в которых используются алгоритмы классификации, подлежащие обоснованию. Данный метод позволяет задействовать медицинских специалистов среднего, а не высшего звена в измерении температур при проведении массовых обследований, а также дает возможность врачу-диагносту минимизировать как ложноположительные заключения о наличии заболеваний молочных желез, так и ложноотрицательные.

Лосев А.Г., Попов И.Е., Гудков А.Г., Чижиков С.В. Интеллектуальный анализ данных микроволновой радиотермометрии в медицинской диагностике // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 1. С. 5–22. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202301-01

1. Видюков В.И., Мустафин Ч.К., Керимов Р.А., Фишер Л.Н. Дифференциальная диагностика опухолей молочных желез на основе данных радиотермометрии // Опухоли женской репродуктивной системы. 2016. Т. 12. № 1. С. 26–31.
2. Barrett A.H., Myers P.C. Subcutaneous temperatures: A method of noninvasive sensing. Science 1975. V. 190. P. 669–671.
3. Barrett A.H., Myers P.C., Sadowsky N.L. Detection of breast cancer by microwave radiometry. Radio Sci. 1977. V. 12. P. 167–171.
4. Троицкий В.С., Густов А.В., Белов И.Ф., Плечков В.М., Горбачев В.П., Сизьмина Л.К. О возможности использования собственного теплового СВЧ радиоизлучения тела человека для измерения температуры его внутренних органов: результаты и перспективы // Успехи физических наук. 1981. Т. 134. № 5. С. 155–158.
5. Троицкий В.С. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Изв. вузов.  Сер.: Радиофизика. 1981. Т. 24. № 9. С. 1054.
6. Годик Э.Э., Гуляев Ю.В. Человек глазами радиофизики // Радиотехника. 1991. № 8. С. 51–62.
7. Gautherie M., Gros C.M. Breast Thermography and Cancer Risk Prediction. Cancer. 1980. V. 45. P. 51–56.
8. Gautherie M. Temperature and Blood Flow Patterns in Breast Cancer During Natural Evolution and Following Radiotherapy. Biomedical Thermology. 1982. P. 21–64.
9. Vesnin S.G., Sedankin M.K., Gudkov A.G., Leushin V.Y., Sidorov I.A., Porokhov I.O., Agasieva S.V., Vidyakin S.I. A Printed Antenna with an Infrared Temperature Sensor for a Medical Multichannel Microwave Radiometer. Biomedical Engineering. 2020. V. 54. № 4. P. 235–239.
10. Vesnin S., Turnbull A., Dixon J., Goryanin I. Modern Microwave Thermometry for Breast Cancer. Journal of Molecular Imaging & Dynamics. 2017. V. 7. № 2.
11. Бурдина Л.М., Вайсблат А.В., Веснин С.Г., Конкин М.А., Лащенков А.В., Наумкина Н.Г., Тихомирова Н.Н. Применение радиотермометрии для диагностики рака молочной железы // Маммология. 1998. № 2. С. 3–12.
12. Бурдина Л.М., Хайленко В.А., Кижаев Е.В., Легков А.А., Пинхосевич Е.Г., Мустафин Ч.К., Вайсблат А.В., Веснин С.Г., Тихомирова Н.Н. Применение радиотермометра диагностического компьютеризированного интегральной глубинной температуры ткани для диагностики рака молочной железы: пособие для врачей. М., 1999. 20 с.
13. Вайсблат А.В. Радиотермография как метод диагностики в медицине. М.: НЦЗД РАМН. 2003. 80 с.
14. Веснин С.Г., Каплан М.А., Авакян Р.С. Современная микроволновая радиотермометрия молочных желез // Опухоли женской репродуктивной системы. 2008. № 3.
15. Тихомирова Н.Н. Микроволновая радиотермометрия. [Электронный ресурс]: техника проведения РТМ-обследования молочных желез. URL: http://www.radiometry.ru/radiometry/books/upload/536/tech_2008.pdf
16. Комов Д.В., Ожерельев А.С., Терентьев И., Малыгин А.А., Ориновский М.Б. Радиотермометрия в комплексной диагностике доброкачественных образований и рака молочной железы // Вестник РОНЦ им. Н. Н. Блохина РАМН. 1992. Т. 3. № 1. С. 31–33.
17. Мустафин Ч. К. Радиотермометрические основы исследования молочных желез // Медицинская визуализация. 2006. № 3. С. 31–38.
18. Рожкова Н.И., Смирнова Н.А., Назаров А.А. Факторы, влияющие на эффективность радиотермометрических измерений молочной железы с помощью диагностического комплекса РТМ-01-РЭС // Медицинская визуализация. 2007. № 6. С. 118–123.
19. Moloney B.M., McAnena P.F., Abd Elwahab S.M., Fasoula A., Duchesne L., Gil Cano J.D., Glynn C., O’Connell A., Ennis R., Lowery A.J., Kerin M.J. Microwave Imaging in Breast Cancer–Results from the First-In-Human Clinical Investigation of the Wavelia System. Acad. Radiol. 2022. V. 29. P. S211–S222.
20. Stauffer P.R., Snow B.W., Rodrigues D.B., Salahi S., Oliveira T.R., Reudink D., Maccarini P. F. Non-invasive measurement of brain temperature with microwave radiometry: Demonstration in a head phantom and clinical case. Neuroradiol. J. 2014. V. 27. P. 3–12.
21. Goryanin I., Karbainov S., Shevelev O., Tarakanov A., Redpath K., Vesnin S., Ivanov Y. Passive microwave radiometry in biomedical studies. Drug Discovery Today. 2020. V. 25. № 4. P. 757–763.
22. Osmonov B., Ovchinnikov L., Galazis C., Emilov B., Karaibragimov M., Seitov M., Vesnin S., Losev A., Levshinskii V., Popov I., Mustafin C., Kasymbekov T., Goryanin I. Passive Microwave Radiometry for the Diagnosis of Coronavirus Disease 2019 Lung Complications in Kyrgyzstan. Diagnostics. 2021. Vol. 11. № 2.
23. Sedankin M., Gudkov A., Leushin V., Vesnin S., Sidorov I., Chupina D., Agasieva S., Skuratov V., Chizhikov S. Microwave Radiometry of the Pelvic Organs. Biomedical Engineering. 2019. V. 53. № 4. P. 288–292.
24. Tarakanov A.V., Tarakanov A.A., Vesnin S., Efremov V., Roberts N., Goryanin I. Influence of Ambient Temperature on Recording of Skin and Deep Tissue Temperature in Region of Lumbar Spine. European Journal of Molecular & Clinical Medicine. 2020. V. 7. № 1. P. 21–26.
25. Адырхаев А.А., Гусейнов А.З., Мустафин Ч.К., Хапилина О.Б. Роль радиотермометрии в комплексной диагностике фиброзно-кистозной мастопатии // Вестник новых медицинских технологий. 2007. Т. XIV. № 1. С. 145–146.
26. Замечник Т.В., Ларин С.И., Лосева А.Г. Комбинированная радиотермометрия как метод исследования венозного кровообращения нижних конечностей. Волгоград: Волгоградский гос. мед. ун-т, 2015. 252 с.
27. Тараканов А.В., Лебеденко А.А., Ладанова Е.С., Тараканова Т.Д. Перспективы применения микроволновой радиотермометрии коленных суставов у детей при ювенильном идиопатическом артрите // Современные проблемы науки и образования. 2020. № 5.
28. Хардиков А.В. Возможности радиотермометрии в дифференциальной диагностике тазового болевого синдрома и вариантов хронических сальпингоофоритов // Вестник новых медицинских технологий. 2009. Т. XVI. № 2. С. 150–151.
29. Kaprin A.D., Kostin A.A., Andryukhin M.I., Ivanenko K.V., Popov S.V., Shegai P.V., Kruglov D.P., Mangutov F.S., Leushin V.Y., Agasieva S.V. Microwave Radiometry in the Diagnosis of Various Urological Diseases. Biomed. Eng. 2019. V. 53. P. 87–91.
30. Shevelev O., Petrova M., Smolensky A., Osmonov B., Toimatov S., Kharybina T., Karbainov S., Ovchinnikov L., Vesnin S., Tarakanov A., Goryanin I. Using medical microwave radiometry for brain temperature measurements. Drug Discov. Today 2022. V. 27. P. 881–889.
31. Zaretsky D., Romanovsky A., Zaretskaia M., Molkov Y. Tissue oxidative metabolism can increase the difference between local temperature and arterial blood temperature. Temperature. 2018. V. 5. P. 22–35.
32. Laskari K., Pentazos G., Pitsilka D., Raftakis J., Konstantonis G., Toutouzas K., Siores E., Tektonidou M., Sfikakis P.P. Joint microwave radiometry for inflammatory arthritis assessment. Rheumatology. 2020. V. 59. P. 839–844.
33. Гуляев Ю.В., Леушин В.Ю., Гудков А.Г., Щукин С.И., Веснин С.Г., Кубланов В.С., Порохов И.О., Седанкин М.К., Сидоров И.А. Приборы для диагностики патологических изменений в организме человека методами микроволновой радиометрии // Нанотехнологии: разработка, применение. 2017. Т. 9. № 2. С. 27–45.
34. Гаврилова Т.А., Червинская К.Р. Извлечение и структурирование знаний для экспертных систем М.: Радио и связь. 1992. 200 с.
35. Лосев А. Г., Хоперсков А.В., Астахов А.С., Сулейманова Х.М. Проблемы измерения и моделирования тепловых и радиационных полей в биотканях: анализ данных микроволновой термометрии // Вестник Волгоградского государственного университета. Сер. 1: Математика. Физика. 2015. № 6 (31). С. 31–71.
36. Polyakov M.V., Popov I.E., Losev A.G., Khoperskov A.V. Application of computer simulation results and machine learning in the analysis of microwave radiothermometry data. Mathematical Physics and Computer Simulation. 2021. V. 24, № 2. P. 27–37.
37. Khoperskov A.V., Polyakov M.V. Improving the Efficiency of Oncological Diagnosis of the Breast Based on the Combined Use of Simulation Modeling and Artificial Intelligence Algorithms. Algorithms. 2022. V. 15. P. 292.
38. Levshinskii V., Polyakov M., Losev A., Khoperskov A.V. Verification and Validation of Computer Models for Diagnosing Breast Cancer Based on Machine Learning for Medical Data Analysis. Communications in Computer and Information Science. 2019.
    V. 1084. P. 447–460.
39. Losev A.G., Popov I.E., Petrenko A.Y. Gudkov A.G., Vesnin S.G., Chizhikov S.V. Some Methods for Substantiating Diagnostic Decisions Made Using Machine Learning Algorithms. Biomed Eng. 2022. № 55. P. 442–447.