Моделирование процесса выявления опухоли молочной железы при электроимпедансной спектроскопии

А.А. Сатаненко; И.А. Кудашов; А.П. Николаев

doi:10.18127/j15604136-202305-08

Моделирование процесса выявления опухоли молочной железы при электроимпедансной спектроскопии

А.А. Сатаненко¹, И.А. Кудашов², А.П. Николаев³

научная статья УДК 602.1 Страницы: 75-84 doi.org/10.18127/j15604136-202305-08

^1,2,3 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Ключевые слова: Электрическая проводимость диэлектрическая проницамость импеданс фаза электроимпедансная спектроскопия чувствительность

Аннотация

Постановка проблемы. Несмотря на достижения в диагностике и лечении рака, рак молочной железы (РМЖ) у женщин по-прежнему сохраняет высокий уровень смертности из-за отсутствия точных и своевременных методов выявления, и из года в год количество случаев только растет. Каждый из доступных на сегодняшний день методов обнаружения опухолей имеет как преимущества, так и свои ограничения. В связи с этим в последнее десятилетие методы, основанные на распространении электропотенциалов, были в центре внимания исследователей. Было установлено, что электрические свойства злокачественных опухолей значительно отличаются от здоровой ткани. Из-за этого актуальным направлением в современной биомедицинской инженерии становится разработка устройств электроимпедансной спектроскопии для выявления РМЖ.

Цель. Определить эффективный критерий дифференцируемости доброкочаственных и злокачественных опухолей при электроимпедансной спектроскопии в биологических тканях.

Результаты. Электрические свойства биологических тканей являются подходящей характеристикой для их однозначной дифференциации на низких частотах зондирования.

Практическая значимость. Электроимпедансная спектроскопия может в равной степени использоваться не только для определения состояния опухолей, но и для визуализации положения кончика иглы при биопсии. В перспективе электроимпедансная спектроскопия поможет выявить, локализовать и классифицировать опухоли на ранней стадии развития проще, быстрее и точнее, чем используемые сегодня методы, включая биопсию. Выводы по определению эффективного критерия дифференцируемости будут применяться при разработке биотехнической системы выявления злокачественных опухолей на ранней стадии.

Поступила: 23.08.2023
Одобрена: 21.09.2023
Принята: 02.10.2023

Для цитирования

Сатаненко А.А., Кудашов И.А., Николаев А.П. Моделирование процесса выявления опухоли молочной железы при электроимпедансной спектроскопии // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. T. 26. № 5. С. 75-84. DOI: https://doi.org/10.18127/ j15604136-202305-08

Список источников

Bray F., Colombet M., Mery L. et al. Cancer Incidence in Five Continents // IARC Scientific Publication. 2021. V. XI. № 166.
Siegel R.L., Miller K.D., Wagle N.S., Jemal A. Cancer statistics // CA Cancer J. Clin. 2023. V. 73(1). P. 17–48.
World Cancer Research Fund International / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.wcrf.org/cancer-trends/breast-cancer-statistics/ (дата обращения: 10.06.2023).
Howlader N., Noone A.M., Krapcho M. et al. SEER Cancer Statistics Review, 1975-2018, Bethesda, MD // National Cancer Institute. 2021.
Kuhl C. The current status of breast MR imaging. Part I. Choice of technique, image interpretation, diagnostic accuracy, and transfer to clinical practice // Radiology. 2007. V. 244(2). P. 356–378.
Kuhl C. Current status of breast MR imaging. Part 2. Clinical applications // Radiology. 2007. V. 244(3). P. 672–691.
Grosenick D., Moesta K.T., Wabnitz H. et al. Time-domain optical mammography: initial clinical results on detection and characterization of breast tumors // Appl. Opt. 2003. V. 42. P. 3170–3186.
Mehta T.S., Raza S., Baum J.K. Use of Doppler ultrasound in the evaluation of breast carcinoma // Semin. Ultrasound CT MR. 2000. V. 21(4). P. 297–307.
Stojadinovic A. et al. Electrical impedance scanning for the early detection of breast cancer in young women: preliminary results of a multicenter prospective clinical trial // Journal of clinical oncology. 2005. V. 23(12). P. 2703–2715.
Malich A. et al. Electrical impedance scanning as a new imaging modality in breast cancer detection – a short review of clinical value on breast application, limitations and perspectives // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2003. V. 497(1). P. 75–81.
Галямов А.З., Закирова А.А., Кудашов И.А., Щукин С.И., Решетов И.В., Щербачев А.В. Метод биоимпедансной диагностики постмастэктомической лимфедемы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 4. С. 72–78.
Markx G., Daveyb C. The dielectric properties of biological cells at radiofrequencies: applications in biotechnology // Enzyme and Microbial Technology. 1999. V. 25. P. 161–171.
Bland K.I., Copeland E.M., Klimberg V.S. Anatomy of the Breast, Axilla, Chest Wall, and Related Metastatic Sites. The Breast: Comprehensive Management of Benign and Malignant Diseases, 5th Edition. 2018. P. 20–36.
Klimberg V.S., Bland K.I. In-Situ Carcinomas of the Breast. The Breast: Comprehensive Management of Benign and Malignant Diseases, 5th Edition. 2018. P. 130–144.
Satanenko A.A., Kudashov I.A., Nikolaev A.P. Measurement Error Generated by the Electrode System in Impedance Spectroscopy // Proceedings of the 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2023. P. 33–36.
Бычков Е.А., Кудашов И.А., Щукин С.И., Галямов А.З., Щербачев А.В. Исследование емкостных свойств биотканей при венепункции // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 4. С. 41–47.
Kalvøy H., Tronstad C., Nordbotten B., Grimnes S., Martinsen O.G. Electrical impedance of stainless-steel needle electrode // Annals of biomedical engineering. 2010. V. 38. № 7.
Liaw D.-J., Wang K.-L., Huang Y.-C., Lee K.-R., Lai J.-Y., Ha C.-S. Advanced polyimide materials: syntheses, physical properties and applications // Progress in Polymer Science. 2012. V. 37. № 7. P. 907–974.
Gabriel S., Lau R. W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range of 10 Hz to 20 GHz // Physics in medicine and biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2251–2269.
Hesabgar S.M., Sadeghi-Naini A., Czarnota G., Samani A. Dielectric properties of the normal and malignant breast tissues in xenograft mice at low frequencies (100 Hz – 1 MHz) // Measurement. 2017. V. 105. P. 56–65.
Cardu R., Leong P.H.W., Jin C.T., McEwan A. Electrode contact impedance sensitivity to variations in geometry // Physiological measurement. 2012. V. 33. P. 817–830.
Jin J.-M. The finite element method in electromagnetics. 3rd ed. 2014. p. 876.
Сатаненко А.А., Кудашов И.А., Николаев А.П., Щукин С.И. Разработка электродной системы для навигации в биологических тканях в реальном времени // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 5. С. 20–31.
Trebbels D., Fellhauer F., Jugl M., Haimerl G., Min M., Zengerle R. Online Tissue Discrimination for Transcutaneous Needle Guidance Applications Using Broadband Impedance Spectroscopy // IEEE transactions on biomedical engineering. 2012. V. 59(2). P. 494–503.

[1] Bray F., Colombet M., Mery L. et al. Cancer Incidence in Five Continents // IARC Scientific Publication. 2021. V. XI. № 166.

[2] Siegel R.L., Miller K.D., Wagle N.S., Jemal A. Cancer statistics // CA Cancer J. Clin. 2023. V. 73(1). P. 17–48.

[3] World Cancer Research Fund International / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.wcrf.org/cancer-trends/breast-cancer-statistics/ (дата обращения: 10.06.2023).

[4] Howlader N., Noone A.M., Krapcho M. et al. SEER Cancer Statistics Review, 1975-2018, Bethesda, MD // National Cancer Institute. 2021.

[5] Kuhl C. The current status of breast MR imaging. Part I. Choice of technique, image interpretation, diagnostic accuracy, and transfer to clinical practice // Radiology. 2007. V. 244(2). P. 356–378.

[6] Kuhl C. Current status of breast MR imaging. Part 2. Clinical applications // Radiology. 2007. V. 244(3). P. 672–691.

[7] Grosenick D., Moesta K.T., Wabnitz H. et al. Time-domain optical mammography: initial clinical results on detection and characterization of breast tumors // Appl. Opt. 2003. V. 42. P. 3170–3186.

[8] Mehta T.S., Raza S., Baum J.K. Use of Doppler ultrasound in the evaluation of breast carcinoma // Semin. Ultrasound CT MR. 2000. V. 21(4). P. 297–307.

[9] Stojadinovic A. et al. Electrical impedance scanning for the early detection of breast cancer in young women: preliminary results of a multicenter prospective clinical trial // Journal of clinical oncology. 2005. V. 23(12). P. 2703–2715.

[10] Malich A. et al. Electrical impedance scanning as a new imaging modality in breast cancer detection – a short review of clinical value on breast application, limitations and perspectives // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2003. V. 497(1). P. 75–81.

[11] Галямов А.З., Закирова А.А., Кудашов И.А., Щукин С.И., Решетов И.В., Щербачев А.В. Метод биоимпедансной диагностики постмастэктомической лимфедемы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 4. С. 72–78.

[12] Markx G., Daveyb C. The dielectric properties of biological cells at radiofrequencies: applications in biotechnology // Enzyme and Microbial Technology. 1999. V. 25. P. 161–171.

[13] Bland K.I., Copeland E.M., Klimberg V.S. Anatomy of the Breast, Axilla, Chest Wall, and Related Metastatic Sites. The Breast: Comprehensive Management of Benign and Malignant Diseases, 5th Edition. 2018. P. 20–36.

[14] Klimberg V.S., Bland K.I. In-Situ Carcinomas of the Breast. The Breast: Comprehensive Management of Benign and Malignant Diseases, 5th Edition. 2018. P. 130–144.

[15] Satanenko A.A., Kudashov I.A., Nikolaev A.P. Measurement Error Generated by the Electrode System in Impedance Spectroscopy // Proceedings of the 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2023. P. 33–36.

[16] Бычков Е.А., Кудашов И.А., Щукин С.И., Галямов А.З., Щербачев А.В. Исследование емкостных свойств биотканей при венепункции // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 4. С. 41–47.

[17] Kalvøy H., Tronstad C., Nordbotten B., Grimnes S., Martinsen O.G. Electrical impedance of stainless-steel needle electrode // Annals of biomedical engineering. 2010. V. 38. № 7.

[18] Liaw D.-J., Wang K.-L., Huang Y.-C., Lee K.-R., Lai J.-Y., Ha C.-S. Advanced polyimide materials: syntheses, physical properties and applications // Progress in Polymer Science. 2012. V. 37. № 7. P. 907–974.

[19] Gabriel S., Lau R. W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range of 10 Hz to 20 GHz // Physics in medicine and biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2251–2269.

[20] Hesabgar S.M., Sadeghi-Naini A., Czarnota G., Samani A. Dielectric properties of the normal and malignant breast tissues in xenograft mice at low frequencies (100 Hz – 1 MHz) // Measurement. 2017. V. 105. P. 56–65.

[21] Cardu R., Leong P.H.W., Jin C.T., McEwan A. Electrode contact impedance sensitivity to variations in geometry // Physiological measurement. 2012. V. 33. P. 817–830.

[22] Jin J.-M. The finite element method in electromagnetics. 3rd ed. 2014. p. 876.

[23] Сатаненко А.А., Кудашов И.А., Николаев А.П., Щукин С.И. Разработка электродной системы для навигации в биологических тканях в реальном времени // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 5. С. 20–31.

[24] Trebbels D., Fellhauer F., Jugl M., Haimerl G., Min M., Zengerle R. Online Tissue Discrimination for Transcutaneous Needle Guidance Applications Using Broadband Impedance Spectroscopy // IEEE transactions on biomedical engineering. 2012. V. 59(2). P. 494–503.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи