Кариометрический анализ клеток железистого эпителия при злокачественной и доброкачественной патологии молочной железы - Вместе против рака
    Главная / Литература / Статьи для специалистов / Рак молочной железы / Кариометрический анализ клеток железистого эпителия при злокачественной и доброкачественной патологии молочной железы

    Кариометрический анализ клеток железистого эпителия при злокачественной и доброкачественной патологии молочной железы

    Дата: 27.04.10

    В.А. Кириллов, О.Е. Харитончик, Л.Б. Клюкина, А.Ч. Дубровский

    Белорусский ГМУ,НИИ онкологии и медицинской радиологии, Минск, Беларусь

    Целью работы являлось создание экспертной системы для диагностики рака молочной железы на базе совокупности количественных признаков атипии клеток.

    Объектом исследования служили ядра клеток железистого эпителия аспирационного материала при злокачественных (протоковый и дольковый рак) и доброкачественных (фиброаденома и фиброзно-кистозная мастопатия) заболеваниях молочной железы. Световая морфометрия осуществлялась с помощью компьютерного анализатора цветных изображений на базе светового микроскопа Leica DMLB, цифровой фотокамеры Leica DC 200 и захватчика кадров (Leica, Germany). В каждом цитологическом препарате обсчитывались 150 ядер, после чего определялось индивидуальные средние значения параметров. Общий объем выборки составил 6000 ядер.

    Кариометрическое исследование пунктатов больных с различной патологией молочной железы (все случаи имели гистологическое подтверждение диагноза) показало, что размеры ядер клеток железистого эпителия колебались в широком интервале. В частности, индивидуальные значения площади ядер находились в диапазоне 57,3 – 587,4 мкм2. Индивидуальные значения средней площади ядер клеток железистого эпителия также варьировали в широком диапазоне. Так, для фиброзно-кистозной мастопатии диапазон колебания составлял 57,2 – 93,3, фиброаденомы – 53,4 –95,2, протокового рака – 79,5 – 296,6 и долькового рака – 77,3 – 297,6 мкм2. Следует отметить, что в зависимости от стадии диапазон колебаний индивидуальных значений площади ядер для рака составил: I стадия – 92,3 – 216,8; II стадия – 77,3 – 296,6 и III стадия – 145 – 295,4. Т.е. все значения площади ядер клеток при раке на I и III стадиях полностью входили в диапазон колебаний значений для II стадии злокачественного процесса. Как видно из этих данных, диапазон индивидуальных значений средней площади ядер клеток железистого эпителия у группы злокачественной патологии колебался в интервале 77,3 – 297,6, в то время как у группы с доброкачественной патологии – 53,4 – 95,2 мкм2, т.е. в интервале 77,3 – 95,2 мкм2 происходило наложение этого параметра. Такая зона неопределенности составила 7,4% от общего диапазона колебаний индивидуальных значений площади ядер в обеих группах патологии молочной железы. Другими словами, к группе злокачественной патологии можно было достоверно отнести случаи, у которых индивидуальное значение средней площади ядер превышало 95,2 мкм2, а к группе доброкачественной патологии – было меньше 77,3 мкм2.

    Количественные изменения площади ядер клеток у выделенных групп наглядно проявлялись на гистограммах распределения. Так, для группы злокачественной патологии отмечался куполообразный характер распределения, а для группы доброкачественной патологии была характерна экспоненциальная зависимость. Следует отметить, что для рака характер распределения не зависел от стадии злокачественного процесса. Внутри этих групп для каждой нозологической формы заболевания, а также для каждого индивидуального случая наблюдался схожий характер распределения, т.е. при протоковом и дольковом раке – куполообразный, а при фиброаденоме и фиброзно-кистозной мастопатии – экспоненциальный. Выявленные закономерности в характере распределения площади ядер клеток на гистограммах можно выразить в числовой форме, как отношение частот встречаемости во 2-ом и 1-ом классах. Данное отношение при злокачественных заболеваниях было больше 1, а при доброкачественных – меньше 1. Следует отметить, что число классов при злокачественной патологии молочной железы независимо от стадии варьировало от 4 до 9, а при доброкачественной – от 2 до 3, т.е. к группе злокачественной патологии можно было достоверно отнести случаи, у которых число классов было больше либо равно 4, а к доброкачественной – меньше либо равно 3.

    Построение диаграмм рассеяния значений периметра от площади ядер клеток железистого эпителия пункционного материала показало, что скопления экспериментальных точек, характеризующие злокачественную и доброкачественную патологию, перекрывались между собой. Совокупность этих экспериментальных точек хорошо описывалась регрессионной зависимостью второго порядка, представляющей собой обращенную вершиной вверх параболу. Анализ коэффициентов уравнения регрессии выявил, что индивидуальные значения коэффициентов a, b и свободного члена с колебались в достаточно широком диапазоне. Так, диапазон колебания значений составлял для протокового рака -(7 – 65)x10-5, 0,147–0,306, и 12,87 – 25,50; для долькового рака – -(9–41)x10-5, 0,164–0,270 и 22,0–23,33; фиброаденомы – -(28–108)x10-5, 0,245–0,368 и 10,40–14,87; фиброзно-кистозной мастопатии – -(49–105)x10-5, 0,280–0,358 и 10,79–13,71, соответственно. Из этих данных следует, что диапазоны колебания коэффициента а,bиc в различной степени перекрывались между злокачественной и доброкачественной патологией. Зона неопределенности у коэффициента а составила 37%, коэффициента b – 28%, а свободного члена с – 13%.Другими словами, к злокачественным заболеваниям можно достоверно отнести случаи, у которых коэффициент а > -28, коэффициент b <0.245, а свободный член c > 14.87. К доброкачественным заболеваниям – случаи, у которых коэффициент а < - 65, коэффициент b > 0,306, а свободный член с < 12,87.

    Выявленные с помощью морфометрии закономерности патологических изменений ядер клеток железистого эпителия пунктатов молочной железы объединены в систему количественных параметров, характеризующих злокачественные и доброкачественные заболевания молочной железы. В таблице приведена система параметров, включающая: среднюю площадь ядер клеток эпителия, числовые характеристики гистограмм распределения их площади, коэффициенты уравнения регрессии. Приведенная в этой таблице совокупность граничных значений кариометрических параметров между злокачественной и доброкачественной патологией является системой решающих критериев для диагностики рака молочной железы.

    Таблица. Система решающих критериев для диагностики рака молочной железы на основе совокупности количественных параметров клеток железистого эпителия






    Патология

    Параметры

    Средняя

    площадь,

    мкм2

    Гистограммы распределения площади

    Коэффициенты уравнения

    регрессии

    Отношение частот

    Число

    классов

    ax10-5

    b

    c

    Злокачественная

    > 95.2

    > 1

    >=4

    >-28

    <0.245

    >14.87

    Доброкачественная

    < 77.3

    <1

    <=3

    <-65

    >0.306

    <12.87

    Для определения значимости каждого из кариометрических параметров, приведенных в таблице, было проведено тестирование каждого параметра экспертной системы на материале больных различными нозологическими формами заболевания молочной железы. Всего было протестировано 40 мазков пунктатов с гистологически верифицированным диагнозом, из которых 20 случаев злокачественной патологии и 20 – доброкачественной. При этом вначале выбранные для тестирования мазки пунктатов обрабатывались на компьютерном анализаторе изображений. После этого по базе кариометрических данных для каждого случая рассчитывались количественные параметры, значения которых затем сравнивались с табличными данными системы диагностических решающих критериев для рака молочной железы (таблица). По результатам тестирования определяли информативность каждого кариометрического параметра. Оценка информативности проводилась путем расчета точности, чувствительности и специфичности.

    Расчет весового коэффициента параметров производился с помощью выведенной нами формулы, используя значения точности, чувствительности и специфичности:


    где ki-весовой коэффициент i-го кариометрического параметра; А – точность; Sn - чувствительность; Sp – специфичность; n – число кариометрических параметров.

    Наличие весового коэффициента у каждого количественного параметра позволяло проводить диагностику рака молочной железы с помощью диагностического индекса. Диагностический индекс рассчитывался по сумме значений весовых коэффициентов кариометрических параметров, попавших в заданный диапазон при сравнении параметров мазков исследуемых препаратов с соответствующими параметрами группы злокачественной патологии системы диагностических решающих критериев:

    где ki – весовой коэффициент i-го кариометрического параметра.


    1, если значение параметра находится в диапазоне системы.

    0, если значение параметра не входит в диапазон системы.

    Для автоматизации процесса постановки диагноза была создана экспертной системы, которая включала стандартную или референс-матрицу (S-матрица) на основе системы диагностических решающих критериев для рака молочной железы, весовые коэффициенты параметров и диагностический индекс. Постановка диагноза с помощью экспертной системы осуществлялась поэтапно. Сначала производилось морфометрическая оценка мазков пунктатов и построение исходной базы данных. Затем исходная база данных с помощью математических преобразований (расчет среднестатистических величин, построение гистограмм распределения площади ядер и регрессионный анализ скопления точек на диаграммах рассеяния зависимости периметра от площади ядер) трансформировалась в количественные параметры, которые адекватно описывали патологические изменения ядер клеток. Полученные в результате такой обработки значения шести параметров автоматически вводились в Х-матрицу, построенную в том же формате что и S-матрица. Затем компьютерная программа (в режиме реального времени) сравнивала элементы (количественные параметры) полученной Х-матрицы с элементами S-матрицы. Программа регистрировала совпадение хi элемента и соответствующего si элемента. Когда значения элементов Х матрицы попадали в диапазон элементов S-матрицы, весовые коэффициенты соответствующих кариометрических параметров складывались. Диагностический индекс рассчитывался как сумма весовых коэффициентов кариометрических параметров, попавших в диапазон значений параметров S-матрицы.

    При клинических испытаниях экспертной системы было установлено, что из 20 случаев злокачественной патологии молочной железы диагностический индекс в 2-ух случаях был равен 35,3; в 2-ух – 52,0 в 1-ом – 68,2, а в 15-ти – 100%. Т.е. его величина колебалась в интервале от 35,3 до 100%. В то же время для 20 случаев доброкачественной патологии диагностический индекс в 1-ом случае равнялся 15,4, в 1-ом – 17,6 и в 18-ти – 0%. Т.е. диагностический индекс колебался в интервале от 0 до 17,6%. Как следует из этих данных диапазоны колебания диагностического индекса для злокачествен-ной и доброкачественной патологии не перекрывались. Это указывает на то, что разработанная нами экспертная система обладала 100% информативностью в отношении рака молочной железы. Другими словами, диагноз, поставленный с помощью экспертной системы, совпадал с гистологическим диагно-зом в 100% случаев.

    Таким образом, в настоящей работе создана экспертная система для диагностики рака молочной железы, в основе которой лежит совокупность количественных параметров, отражающих закономер-ности патологических изменений ядер клеток железистого эпителия при злокачественной и доброка-чественной патологии молочной железы. Выведена формула расчета весовых коэффициентов парамет-ров и диагностического индекса. Разработанная экспертная система позволяет осуществлять диагности-ку рака молочной железы на дооперационном этапе.