Междисциплинарный подход к оценке и дифференциации здоровых и пораженных раком тканей молочной железы на основе мультифрактального анализа динамики поверхностной температуры кожи

Автор: Герасимова Е.И., Аудит Б., Ру С.-Г., Халил А., Аргул Ф., Наймарк О.Б., Гилева О.С., Арнеодо А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 1 (63) т.18, 2014 года.

Бесплатный доступ

Моделирование появления и развития заболеваний опухолевой природы является одним из актуальных направлений современной биомеханики. Понимание закономерностей физиологии развития опухолей с точек зрения биомеханики и механобиологии может явиться основой для развития новых методов диагностики и лечения онкологических заболеваний. Определенную роль подходы биомеханики играют в разработке методов клинической оценки состояния и свойств тканей. Для дифференциации здоровых и патологических тканей организма актуальны методы нанобиомеханики, измеряющие механические свойства клеток, ультразвуковые методы и различные тепловые методы, например инфракрасная термография. Количественный анализ сигналов и изображений является сложнейшей, до конца не изученной задачей, решение которой позволит определить объективные критерии нормы и патологии. Работа посвящена мультифрактальному анализу динамики поверхностной температуры молочных желез при их обследовании методом инфракрасной термографии. Установлены достоверные различия в температурных сигналах здоровых и пораженных раком молочных желез. Состояние здоровья молочной железы характеризуется наличием мультифрактального скейлинга. В противоположность этому температурные сигналы молочных желез со злокачественной опухолью отличает однородность и монофрактальность статистики флуктуаций температуры. Найденные объективные дифференцирующие диагностические критерии здоровой и пораженной раком молочных желез существенно повышают диагностический потенциал динамической инфракрасной термографии как метода скрининга онкопатологии молочных желез.

Еще

Рак молочной железы, инфракрасная термография, мультифрактальный анализ, диагностика

Короткий адрес: https://sciup.org/146216129

IDR: 146216129

Список литературы Междисциплинарный подход к оценке и дифференциации здоровых и пораженных раком тканей молочной железы на основе мультифрактального анализа динамики поверхностной температуры кожи

Гилева О.С., Фрейнд Г.Г., Орлов О.А., Либик Т.В., Герасимова Е.И., Плехов О.А., Баяндин Ю.В., Пантелеев И.А. Междисциплинарные подходы к ранней диагностике и скринингу опухолевых и предопухолевых заболеваний (на примере рака молочной железы)//Вестник РФФИ. -2012. -№ 2-3. -С. 93-99.
Дурново Е.А., Потехина Ю.П., Хомутинникова Н.Е., Янова Н.А. Возможности инфракрасной термографии в комплексной диагностике заболеваний челюстно-лицевой области [Электронный ресурс]//Современные проблемы науки и образования. -2012. -№ 4. -URL: www.science-education.ru/104-6657.
Дьяченко А.И. Применение методов биомеханики для обнаружения опухолей мягких тканей//Современные проблемы биомеханики. -М.: Изд-во МГУ, 2006. -Вып. 11. -С. 152-166.
Колесов С.Н., Муравина Н.Л., Копылов А.Ю. Роль тепловидения при диагностике патологии периферических нервов на различных этапах лечения//Прикладная Оптика -2012: тр. 9-й Междунар. конф. -Санкт-Петербург, 2012. -T. 3. -C. 127-130.
Кучумов А.Г. Математическое моделирование и биомеханический подход к описанию развития, диагностики и лечения онкологических заболеваний//Российский журнал биомеханики. -2010. -Т. 14, № 4. -С. 42-69.
Пантелеев И.А., Плехов О.А., Наймарк О.Б. Механобиологическое исследование структурного гомеостаза в опухолях по данным инфракрасной термографии//Физическая мезомеханика. -2007. -Т. 15, № 3. -С. 105-113.
Регирер С.А. Приложения биомеханики в исследованиях роста опухолей//Современные проблемы биомеханики. -М.: Изд-во МГУ, 2000. -Вып. 10. -С. 268-290.
Сагайдачный А.А., Скрипаль А.В., Фомин А.В., Усанов Д.А. Восстановление спектра колебаний кровотока из спектра колебаний температуры пальцев рук, дисперсия температурного сигнала в биоткани//Регионарное кровообращение и микроциркуляция. -2013.-Т. 12, № 1 (45) -С. 76-82.
Усанов Д.А., Сагайдачный А.А., Скрипаль А.В., Фомин А.В. Взаимосвязь колебаний температуры и кровотока пальцев рук//Регионарное кровообращение и микроциркуляция. -2012. -Т. 11, № 2 (42). -С. 37-42.
Шапот В.С. Биохимические аспекты опухолевого роста. -М.: Медицина, 1975. -304 с.
Acharya U.R., Ng E.Y.K., Vinitha Sree S., Chua C.K., Chattopadhyay S. Expert Systems (2012).
Amalu W.C., Hobbins W.B., Head J.F., Elliott R.L. Infrared Imaging of the Breast -An over view//Biomedical Engineering Handbook/ed. J.D. Bronzino. -Boca Raton: CRC Press, 2006. -P. 1-21.
Anbar M. Hyperthermia of the cancerous breast: analysis of mechanism//Cancer Lett. -1994. -Vol. 84. -P. 23-29.
Anbar M., Milescu L., Naumov A., Brown C., Button T., Carty C., Dulaimy K. Detection of cancerous breasts by dynamic area telethermometry//IEEE Eng. Med. Biol. -2001. -Vol. 20. -P. 80-91.
Arneodo A., Bacry E., Muzy J.-F. The thermodynamics of fractals revisited with wavelets//Physica A. -1995. -Vol. 213, № 1-2. -P. 232-275.
Arneodo A., Decoster N., Kestener P., Roux S.G. A wavelet-based method for multifractal image analysis: From theoretical concepts to experimental applications//Adv. Imaging Electr. Phys. -2003. -Vol. 126. -P. 1-92.
Arneodo A., Decoster N., Roux S.G. A wavelet-based method for multifractal image analysis. I. Methodology and test applications on isotropic and anisotropic random rough surfaces//Eur. Phys. J. B. -2000. -Vol. 15, № 3. -P. 567-600.
Arneodo A., Manneville S., Muzy J.-F. Towards log-normal statistics in high Reynolds number turbulence//Eur. Phys. J. B. -1998. -Vol. 1, № 1. -P. 129-140.
Arneodo A., Muzy J.-F., Sornette D. "Direct" causal cascade in the stock market//Eur. Phys. J. B. -1998. -Vol. 2, № 2. -P. 277-282.
Arneodo A., Vaillant C., Audit B., Argoul F., d'Aubenton-Carafa Y., Thermes C. Multi-scale coding of genomic information: From DNA sequence to genome structure and function//Phys. Rep. -2011. -Vol. 498. -P. 45-188.
Audit B., Bacry E., Muzy J.-F., Arneodo A. Wavelet-based estimators of scaling behavior//IEEE Trans. Info. Theory. -2002. -Vol. 48. -P. 2938-2954.
Boyd N.F., Byng J.W., Jong R.A., Fishell E.K., Little L.E., Miller A.B., Lockwood G.A., Tritchler D.L., Yaffe M.J. Quantitative classification of mammographic densities and breast cancer risk: results from the Canadian national breast screening study//J. Natl. Cancer. Inst. -1995. -Vol. 87. -P. 670-675.
Button T.M., Li H., Fisher P., Rosenblatt R., Dulaimy K., Li S., O'Hea B., Salvitti M., Geronimo V., Jambawalikar S., Weiss R. Dynamic infrared imaging for the detection of malignancy//Phys. Med. Biol. -2004. -Vol. 49. -P. 3105-3116.
Byrne C., Schairer C., Wolfe J., Parekh N., Salane M., Brinton L.A., Hoover R., Haile R. Mammographic features and breast cancer risk: effects with time, age, and menopause status//J. Natl. Cancer. Inst. -1995. -Vol. 87. -P. 1622-1629.
Chen M.M., Pederson C.O., Chato J.C. On the feasibility of obtaining three-dimensional information from thermographic measurements//J. Biomech. Eng. -1977. -Vol. 99. -P. 58-64.
Chernavskii D.S., Polezhaev A.A., Volkov E.I. On the difference in plasma membrane organization in normal and tumor cell//Comments Mol. Cell Biophys. -1981. -Vol. 1, № 3. -P. 159-169.
Decoster N., Roux S.G., Arneodo A. A wavelet-based method for multifractal image analysis. II. Applications to synthetic multifractal rough surfaces//Eur. Phys. J. B. -2000. -Vol. 15, № 4. -P. 739-764.
Fei D.Y., Shung K.K., Wilson T.M. Ultrasonic backscatter from bovine tissues: variation with pathology//J. Acoust. Soc. Am. -1987. -Vol. 81, № 1. -P. 166-172.
Gautherie M. Thermopathology of breast cancer: measurement and analysis of in vivo temperature and blood flow//Ann. N. Y. Acad. Sci. -1980. -Vol. 335. -P. 383-415.
Grant J., Verrill C., Coustham V., Arneodo A., Palladino F., Monier K., Khalil A. Perinuclear distribution of heterochromatin in developing C. elegans embryos//Chromosome Res. -2010. -Vol. 18, № 8. -P. 873-885.
Head J.F., Wang F., Lipari C., Elliott R.L. The important role of infrared imaging in breast cancer//IEEE Eng. Med. Biol. -2000. -Vol. 19. -P. 52-57.
Itoh T., Kato T., Igarashi Y., Ishihara S., Sasamon H., Sekiya T. Contact-thermography in breast cancer mass screening (in Japanese with English abstract)//Biomed. Thermol. -1990. -Vol. 10. -P. 49-51.
Ivanov P.C., Amaral L.A., Goldberger A.L., Havlin S., Rosenblum M.G., Struzik Z.R., Stanley H.E. Multifractality in human heartbeat dynamics//Nature. -1999. -Vol. 399, № 6735. -P. 461-465.
Ivanov P.C., Rosenblum M.G., Peng C.-K., Mietus J., Havlin S., Stanley H.E., Goldberger A.L. Scaling behaviour of heartbeat intervals obtained by wavelet-based time-series analysis//Nature. -1996. -Vol. 383, № 6598. -P. 323-327.
Iwase T., Yoshimoto M., Watanabe S., Fujio K., Nishi M., Ohashi Y. Relation between hot spot and tumor location in the thermogram of breast cancer (in Japanese with English abstract)//Biomed. Thermol. -1990. -Vol. 10. -P. 60-62.
Joro R., Lääperi A.-L., Dastidar P., Soimakallio S., Kuukasjäri T., Toivonen T., Saaristo R., Järvenpää R. Imaging of breast cancer with mid-and long-wave infrared camera//J. Med. Eng. Technol. -2008. -Vol. 32. -P. 189-197.
Joro R., Lääperi A.-L., Soimakallio S., Järvenpää R., Kuukasjä T., Toivonen T., Saaristo R., Dastida P. Dynamic infrared imaging in identification of breast cancer tissue with combined image processing and frequency analysis//J. Med. Eng. Technol. -2008. -Vol. 32. -P. 325-335.
Kestener P., Arneodo A. A multifractal formalism for vector-valued random fields based on wavelet analysis: application to turbulent velocity and vorticity 3D numerical data//Stoch. Environ. Res. Risk Assess. -2007. -Vol. 22. -P. 421-435.
Kestener P., Arneodo A. Generalizing the wavelet-based multifractal formalism to random vector fields: Application to three-dimensional turbulence velocity and vorticity data//Phys. Rev. Lett. -2004. -Vol. 93, № 4. -P. 044501.
Kestener P., Arneodo A. Three-dimensional wavelet-based multifractal method: The need for revisiting the multifractal description of turbulence dissipation data//Phys. Rev. Lett. -2003.-. Vol. 91, № 19. -P. 194501.
Kestener P., Lina J.-M., Saint-Jean P., Arneodo A. Wavelet-based multifractal formalism to assist in diagnosis in digitized mammograms//Image Anal. Stereol. -2001. -Vol. 20. -P. 169-174.
Keyserlingk J.R., Ahlgren P.D., Yu E., Belliveau N., Yassa M. Functional infrared imaging of the breast: historical perspectives, current application and future considerations//Biomedical Engineering Handbook/ed. J.D. Bronzino. -New York: CRC Press, 2006. -P. 97-158.
Khalil A., Aponte C., Zhang R., Davisson T., Dickey I., Engelman D., Hawkins M., Mason M. Image analysis of soft-tissue in-growth and attachment into highly porous alumina ceramic foam metals//Med. Eng. Phys. -2009. -Vol. 31, № 7. -P. 775-783.
Khalil A., Grant J.L., Caddle L.B., Atzema E., Mills K.D., Arneodo K.D. Chromosome territories have a highly nonspherical morphology and nonrandom positioning//Chromosome Res. -2007. -Vol. 15, № 7. -P. 899-916.
Khalil A., Joncas G., Nekka F., Kestener P., Arneodo A. Morphological analysis of HI features. II. Wavelet-based multifractal formalism//Astrophys. J. Suppl. Ser. -2006. -Vol. 165, № 2. -P. 512-550.
Kuhl C.K., Schrading S., Leutner C.C., Morakkabati-Spitz N., Wardelmann E., Fimmers R., Kuhn W., Schild H.H. Mammography, breast ultrasound, and magnetic resonance imaging for surveillance of women at high familial risk for breast cancer//J. Clin. Oncol. -Vol. 23, № 33. -P. 8469-8476.
Lin Q.Y., Yang H.Q., Xie S.S., Wang Y.H., Ye Z., Chen S.Q. Detecting early breast tumour by finite element thermal analysis//J. Med. Eng. Technol. -2009. -Vol. 33. -P. 274-280.
Mabuchi T., Omata S., Hara K., Kimijima I., Abe R. Stiffness of tumor in mammary region using a new sensor//Bioreology. -1996. -Vol. 33, № 1. -P. 82.
Mordant N., Delour J., Léveque E., Arneodo A., Pinton J.-F. Long time correlations in Lagrangian dynamics: a key to intermittency in turbulence//Phys. Rev. Lett. -2002. -Vol. 89, № 25. -P. 254502.
Muzy J.-F., Bacry E., Arneodo A. Multifractal formalism for fractal signals: The structure-function approach versus the wavelet-transform modulus-maxima methods//Phys. Rev. E. -1993. -Vol. 47, № 2. -P. 875-884.
Muzy J.-F.¸ Bacry E., Arneodo A. The multifractal formalism revisited with wavelets//Int. J. Bifurc. Chaos. -1994. -Vol. 4. -P. 245-302.
Muzy J.-F., Bacry E., Arneodo A. Wavelets and multifractal formalism for singular signals: Application to turbulence data//Phys. Rev. Lett. -1991. -Vol. 67, № 25. -P. 3515-3518.
Muzy J.-F., Sornette D., Delour J., Arneodo A. Multifractal returns and hierarchical portfolio theory//Quant. Finance. -2001. -Vol. 1. -P. 131-148.
Nass S.J., Henderson I.C., Lashof J.C. Mammography and beyond: developing technologies for the early detection of breast cancer. -Washington: National Academy Press, 2000. -312 p.
Ng E.Y.K. A review of thermography as promising non-invasive detection modality for breast tumor//Int. J. Therm. Sci. -2009. -Vol. 49. -P. 849-859.
Ng E.Y.K., Sudharsan N.M. Computer simulation in conjunction with medical thermography as an adjunct tool for early detection of breast cancer//BMC Cancer. -2004. -Vol. 4. -P. 17.
Nicolini C. Biophysics and cancer. -New York; London: Plenum Press, 1986. -480 p.
Nicolson G.L. Trans-membrane control of the receptors on normal and tumor cells II. Surface changes associated with transformation and malignancy//Biochim. Biophys. Acta. -1979. -Vol. 43, № 1. -P. 1-72.
Osman M.M., Afify E.M. Thermal modeling of the normal woman’s breast//J. Biomech. Eng. -1984. -Vol. 106. -P. 123-130.
Roland T., Khalil A., Tanenbaum A., Berguiga L., Delichère P., Bonneviot L., Elezgaray J., Arneodo A., Argoul F. Revisiting the physical processes of vapodeposited thin gold films on chemically modified glass by atomic force and surface plasmon microscopies//Surface Science. -2009. -Vol. 603, № 22. -P. 3307-3320.
Roux S.G., Arneodo A., Decoster N. A wavelet-based method for multifractal image analysis. III. Applications to high-resolution satellite images of cloud structure//Eur. Phys. J. B. -2000. -Vol. 15, № 4. -P. 765-786.
Roux S., Muzy J.-F., Arneodo A. Detecting vorticity filaments using wavelet analysis: About the statistical contribution of vorticity filaments to intermittency in swirling turbulent flows//Eur. Phys. J. B. -1999. -Vol. 8, № 2. -P. 301-322.
Roux S.G., Venugopal V., Fienberg K., Arneodo A., Foufoula-Georgiou E. Evidence for inherent nonlinearity in temporal rainfall//Adv. Water Resourc. -2009. -Vol. 32, № 1. -P. 41-48.
Snow C.J., Goody M., Kelly M.W., Oster E.C., Jones R., Khalil A., Henry C.A. Time-lapse analysis and mathematical characterization elucidate novel mechanisms underlying muscle morphogenesis//PLoS Genet. -2008. -Vol. 4, № 10. -P. e1000219.
Sterns E.E., Zee B., SenGupta S., Saunders F.W. Thermography: its relation to pathologic characteristics, vascularity, proliferation rate, and survival of patients with invasive ductal carcinoma of the breast//Cancer. -1996. -Vol. 77. -P. 1324-1328.
Sudharsan N.M., Ng E.Y.K., Tech S.L. Surface temperature distribution of a breast with and without tumour//Comput. Methods. Biomech. Biomed. Engin. -1999. -Vol. 2. -P. 187-199.
Suresh S. Biomechanics and biophysics of cancer cells//Acta Mater. -Vol. 55, № 12. -P. 3989-4014.
Tamini R.M., Colditz G.A., Hankinson S.E. Circulating carotenoids, mammographic density, and subsequent risk of breast cancer//Cancer Res. -2009. -Vol. 69. -P. 9323-9329.
Thomsen L.L., Miles D.W. Role of nitric oxide in tumour progression: lessons from human tumours//Cancer Metast. Rev. -1998. -Vol. 17. -P. 107-118.
Venugopal V., Roux S.G., Foufoula-Georgiou E., Arneodo A. Revisiting multifractality of high-resolution temporal rainfall using a wavelet-based formalism//Water Resour. Res. -2006. -Vol. 42, № 6. -P. W06-D14.
Vinitha Sree S., Ng E.Y.K., Kaw G., Acharya U.R., Chong B.K. The use of skin surface electropotentials for breast cancer detection preliminary clinical trial results obtained using the biofield diagnostic system//J. Med. Syst. -2009. -Vol. 35. -P. 79-86.
Warren R. Screening women at high risk of breast cancer on the basis of evidence//Eur. J. Radiol. -2001. -Vol. 39. -P. 50-59.
Yahara T., Koga T., Yoshida S., Nakagawa S., Deguchi H., Shirouzou K. Relationship between micro vessel density and thermographic hot areas in breast cancer//Surg. Today. -2003. -Vol. 33. -P. 243.
Yokoe T. The relationship between thermographic positive pattern and pathological factors of breast cancer (in Japanese with English abstract)//Biomed. Thermol. -1990. -Vol. 12. -P. 69.

Еще

Статья научная