S pomočjo naprednih tehnologij v boj proti raku dojk

date: 23.10.2023

category: News

V okviru projekta QUSTom prestižne evropske raziskovalne organizacije in slovensko visokotehnološko podjetje Arctur s pomočjo novih znanstvenih dognanj in uporabe najnovejših tehnologij kot so superračunalništvo in umetna inteligenca razvijajo novo metodologijo zgodnjega odkrivanja raka dojk.

Za rakom dojk v Sloveniji vsako leto zboli skoraj 1.300 žensk in 15 moških

Rožnati oktober ima v mednarodnem prostoru prav posebno mesto, saj je ta mesec namenjen ozaveščanju o najpogostejšem raku pri ženskah, raku dojk.

Po podatkih Mednarodne agencije za raziskave raka IARC je rak dojk najpogosteje diagnosticirana vrsta tumorja na svetu. V okviru projekta QUSTom prestižne evropske raziskovalne organizacije in slovensko visokotehnološko podjetje Arctur s pomočjo novih znanstvenih dognanj in uporabe najnovejših tehnologij kot so superračunalništvo in umetna inteligenca razvijajo novo metodologijo zgodnjega odkrivanja raka dojk.

Rak dojke je najpogosteje diagnosticirana vrsta tumorja na svetu, ki pa ne prizadene samo žensk, temveč za rakom dojke zbolita do dva odstotka moških. Po podatkih Mednarodne agencije za raziskave raka IARC iz leta je rak dojk najpogosteje diagnosticirana vrsta tumorja na svetu. Statistično gledano bo v Evropi raka dojke razvila ena od sedmih žensk.

Zgodnje odkrivanje te bolezni je nujno, saj je, če je uspešno, preživetje 5 let po diagnozi kar 90-odstotno.

Revolucionarna metoda zgodnjega odkrivanja raka na dojki

K izboljšanju prognoze pripomorejo preventivni pregledi, presejalni testi, nova zdravila ter ozaveščanje o bolezni. Vojno je tej bolezni napovedal tudi konzorcij, ki sodeluje pod okriljem evropskega razvojno raziskovalnega projekta QUSTom. Projekt je bil med 868 prijavami izbran na prvem razpisu programa EIC Pathfinder Open - Evropskega sveta za inovacije (EIC), ki podpira najbolj prodorne, inovativne ideje, ki imajo potencial postavljanja novih standardov in oblikovanja novih trgov v mednarodnem prostoru. Konzorcij partnerjev koordinira Barcelona Supercomputing Center, eden največjih evropskih superračunalniških centrov. Poleg Arcturja pri projektu sodelujejo še Karlsruher Institut für Technologie, Vall d'Hebron Research Institute - VHIR, FrontWave Imaging in Imperial College London.

“V okviru projekta QUSTom skupaj s partnerji razvijamo revolucionarno metodo zgodnjega odkrivanja raka na dojki, ki temelji na tridimenzionalnih ultrazvočnih posnetkih, ki jih obdelamo s superračunalnikom in potem v realnem času s pomočjo umetne inteligence zelo natančno določimo verjetnost prisotnosti rakavih tvorb.”, je pojasnil Tomi Ilijaš, direktor podjetja Arctur. Arctur vodi delovno skupino raziskovalcev in programerjev, ki izvajajo optimizacijo programske opreme za 3D modeliranje in pomagajo pri implementaciji algoritmov. Zahtevno programsko opremo poganja MareNostrum, znameniti superračunalnik lociran v Barceloni. Programska oprema bo s podporo umetne inteligence omogočala izjemno natančne posnetke tkiva in tako še izboljšala zanesljivost in natančnost informacij. “Algoritmi, ki bodo razviti za pridobivanje medicinskih slik, bodo ponudili dve vrsti informacij hkrati: sliko pacientkinega tkiva in sliko s tem povezane negotovosti, ki piksel za pikslom prikazuje, kako zanesljiva je ta informacija.”, dodaja Ilijaš.

Revolucionarna metoda odkrivanja raka dojk je v postopku razvoja, vendar je konzorcij partnerjev zelo ambicizen in želi storiti vse kar je v njihovi moči, da bo tovrstna tehnologija na voljo uporabnikom čimprej. Ilijaš JE optimističen glede uporabe te metode v bližnji prihodnosti in dodaja: “Tovrstna tehnologija je bistveno manj invazivna za ženske kot mamografija, saj je ultrazvok praktično neškodljiv za človeško telo ker ne uporablja nobene vrste sevanja. Zagotovo je pomemben tudi podatek da ta postopek ne zahteva prisotnosti zdravnika, kar bistveno vpliva na ceno opravljenega pregleda in bo tako lahko pregled opravil večji odstotek ženske populacije in bolj pogosto kot doslej. Hvaležni smo, da smo lahko del tako ambicioznega projekta s tako plemenitim ciljem kot je boj proti raku.”

Vabljeni da prebrskate Priročnik za ozaveščanje o raku dojk, ki smo ga partnerji pripravili v sklopu projekta. 

Spoznajte QUSTom projekt podrobneje. 

Napredek pri kvantifikaciji negotovosti in multiparametrski rekonstrukciji pri slikanju dojk

Glavni cilj delovnega sklopa 2 (WP2) je znanstvena validacija tehnologije in razvoj prototipa programske opreme za slikanje, ki temelji na njenih načelih. V nadaljevanju poglavja je pojasnjeno, kako sta ti dve nalogi napredovali v zadnjih nekaj mesecih.

Kvantifikacija negotovosti v slikah

Naš algoritem za oceno negotovosti je zasnovan za merjenje različnih virov napak na slikah ultrazvočne računalniške tomografije (Ultrasound Computed Tomography, USCT). Primeri napak vključujejo spremenljivo gostoto tkiva, slabljenje, položaj senzorja; vse to povzroča svetle/temne lise na sliki USCT. Taka slika ni realna predstavitev  stanja in ocene negotovosti bi nam pomagale najti in  eliminirati take lise.

Pokazali smo, da je ocena negotovosti sposobna opraviti to nalogo. Z uvedbo različnih vzrokov napak opazimo, da so slikovne napake pravilno kvantificirane z ustrezno negotovostjo. Na primer, ko ima krog visoko gostoto, se na meji med tkivi oblikuje hiperintenzivna regija. To območje je pravilno opredeljeno kot napačno prikazano, z obročem z ustrezno oceno negotovosti. Ugotavljamo, da to velja tudi v primeru slabljenja in napak položaja senzorja.

Večparametrska rekonstrukcija slik dojk

Narava širjenja ultrazvočnih valov v biološkem tkivu je nelinearno odvisna od  lokalnih razmer. Z drugimi besedami, ultrazvočni žarki postanejo močno popačeni zaradi heterogenosti in nepravilnosti tkiva. Razlike v izmerjenih signalih so povezane s fizikalnimi lastnostmi tkiv, ki bodo zdravnikom zagotovile dodatne informacije o dojkah in morebitnih odkritih lezijah.

V zadnjih mesecih smo večparametrski algoritem potrdili z več kanoničnimi poskusi, ki so nam pomagali oceniti natančnost algoritma na podlagi variacij posamičnih parametrov parametra: hitrosti zvoka, gostote in faktorja dušenja. Zaključili smo tudi študijo o delovanju Fourierjevega psevdospektralnega algoritma z zelo pozitivnimi rezultati.

Druga pomembna naloga v zadnjih nekaj mesecih je bila zagotoviti inovativen pristop za modeliranje vira s ciljem opisa neizotropnega obnašanja senzorskega sistema TAS (Transducer Array System). Tak kareakterizacija sistema ni namenjena samo reprodukciji specifičnega vzorca sevanja, le-tega ustvari izoliran TAS, ampak tudi določitvi njegovega položaja in orientacije za vsakega od njih v sistemu 3D USCT III.

Članek v angleščini je na voljo tukaj. 

Napredek v tehnologiji 3D USCT in optimizaciji programske opreme

Glavni cilj delovnega sklopa 3 (WP3) je zgraditi tehnološko okolje za projekt. V zadnjem letu je bila za klinično preizkušanje pripravljena naprava za ultrazvočno računalniško tomografijo (USCT), razviti in testirani so bili protokoli za zajemanje podatkov s ciljem popolne interpretacije valovne oblike ter optimizirana programska oprema za rekonstrukcijo slike.

Montaža in priprava naprave 3D USCT III za študijo izvedljivosti

Naprava 3D USCT je bila pripravljena in testirana za prihajajoče klinično preizkušanje. Pri pomembnih električnih in ultrazvočnih varnostnih preizkusih nas je nadzoroval pooblaščeni laboratorij za preizkušanje medicinskih pripomočkov. Mehanski in EMC testi so bili izvedeni na podlagi ustreznih standardov. Vsi testi so bili uspešno opravljeni. Metode in rezultati so bili opisani v obsežni tehnični dokumentaciji ter dokumentaciji o obvladovanju tveganja ter predloženi španski agencija za zdravila in medicinske pripomočke (AEMPS) kot del postopka odobritve kliničnega preskušanja.

Prilagoditev na inverzijo polne valovne oblike (Full waveform inversion, FWI)

Za testiranje splošne uporabnosti podatkov, ki jih generira naprava 3D USCT III, so bili razpoložljivi parametri zajemanja (število ultrazvočnih senzorjev, število položajev zaslonke, različni oddani signali, itd.). Testi so potekali z uporabo vode, fantoma (nadomestka človeškega tkiva) in meritev na zdravih prostovoljcih. Podatki so bili uspešno filtrirani, ponovno vzorčeni in preurejeni za uporabo z algoritmom FWI, kar je povzročilo uporabno pasovno širino med 700 kHz in 2,7 MHz.

Optimizacija programske opreme za 3D HPC inverzijo

Posebna metoda za numerično reševanje parcialnih enačb Frontwave's Pseudo Spectral Method (PSM) je bila optimizirana tako glede časa izvajanja kot tudi porabe pomnilnika. Te optimizacije vključujejo paralelizacijo, optimizacijo upravljanja pomnilnika, odpravo neuporabljene kode in prevajanje glavne zanke ter najbolj zamudnih funkcij iz Phythona v C. Optimizirana različica omogoča boljšo stopnjo izvajanja na računalnikih za splošno uporabo zaradi učinkovitejše uporabe računalniških virov, tako CPU kot pomnilnika. Skupni čas izvajanja aplikacije PSM je v povprečju več kot štirinajstkrat hitrejši od prvotne različice za majhne, srednje in 3D nizkofrekvenčne testne primere.

Poleg tega te optimizacije postavljajo temelje za uporabo najnovejših arhitektur HPC za povečanje zmogljivosti aplikacije PSM in obravnavanje večjih testnih primerov.

V teku je tudi prenos na GPU z obetajočimi rezultati, kar bi  nam omogočalo izvajanje še več testov in hitrejše pridobivanje rezultatov.

Sooblikovanje bodoče naprave 3D USCT

Trenutno se izdelujejo in testirajo prototipi za optimizacijo naslednje generacije naprav. Po eni strani si prizadevajo za izboljšanje splošne zmogljivosti in razširljivosti naprav, po drugi strani pa za prve rezultate za izboljšano generiranje podatkov za FWI in slikanje negotovosti. Tako bi lahko dosegli znatno povečanje pasovne širine senzorjev. Vzporedno se pripravljajo simulacije in rekonstrukcije umetnih podatkov, ki bodo omogočili temeljito analizo parametrov. Ti bodo verjetno vplivali na kakovost slike, tj. pasovne širine in kotne značilnosti ultrazvočnih senzorjev pa tudi na skupno število in položaj senzorjev.

Članek v angleščini je na voljo tukaj.

Klinična validacija nove tehnike slikanja

Glavni cilj delovnega sklopa  4 (WP4) je izdelava klinične študije za potrditev tehnologije in programskih rešitev te nove slikovne tehnike. Dva glavna dela tega delovnega sklopa sta rešitev regulativnih vidikov projekta in izvedba študije preizkusa koncepta v kliničnem okolju.

Regulativna odobritev nove tehnike slikanja

Pri razvoju nove tehnike slikanja s programskimi in strojnimi rešitvami, ki še niso bile implementirane v klinični praksi, moramo izpolnjevati zakonske zahteve in imeti regulatorno dovoljenje zdravstvenih organov za uporabo teh elementov v klinični praksi pri pacientih.

Varnost in zanesljivost vseh elementov, ki se uporabljajo v študiji (nova naprava za ultrazvočno računalniško tomografijo (USCT) in programska oprema za rekonstrukcijo slike), je potrebno preveriti ter dokazati, da so varni za bolnika.

Študija preizkusa koncepta

Za testiranje nove programske rešitve ali novega medicinskega pripomočka je potrebno izdelati študijo preizkusa koncepta. Cilj take študije je garancija, da z novo tehniko pridobljene slike izpolnjujejo standarde kakovosti in zagotavljajo pomembne informacije o anatomiji in patologiji dojk.

Novo slikovno tehniko bomo primerjali z drugimi preiskavami, ki jih redno uporabljamo v bolnišnici za diagnosticiranje in presajanje patologije dojk. Preiskave, ki jih bomo uporabili za primerjavo, bodo mamografija (tehnika slikanja na osnovi rentgenskih žarkov), ultrazvok dojk in magnetna resonanca dojk.

Z izvedbo te primerjalne študije bomo zagotovili, da lahko identificiramo iste strukture in tkiva ter da izpolnjujemo standarde kakovosti, ki zagotavljajo, da bomo lahko nekoč uporabili to novo tehniko slikanja v klinični praksi.

Druga kritična točka v študiji preizkusa koncepta je ocena pacientkine izkušnje med tem testom: kakšno je njeno počutje, ali je bila izkušnja neprijetna. Zanimajo nas tudi ostale povratne informacije, ki jih lahko posreduje ekipi - ta si vedno mora prizadevati, da je pacient v središču klinične prakse.

Članek v angleškem jeziku je na voljo tukaj.

Vabljeni, da obiščete spletno stran projekta QUSTom ter družbena omrežja: X in LinkedIn.