КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 23-73-01139

НазваниеСочетание методов спектрального анализа и машинного обучения для малоинвазивной диагностики и контроля лечения заболеваний мочеполовой системы

РуководительБойченко Екатерина Сергеевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаспектроскопия, ближняя инфракрасная спектроскопия, машинное обучение, мочеполовая система, диагностика заболеваний, онкология, мочекаменная болезнь, анализ мочи, молекулярные эмиттеры

Код ГРНТИ31.19.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Заболевания органов мочеполовой системы оказывают негативное влияние на качество и продолжительность жизни пациентов, занимая 4-е место в общей статистике заболеваемости населения России. При этом одна из самых распространенных урологических патологий – мочекаменная болезнь – не входит в программу диспансерного наблюдения в России и часто выявляется уже на стадии проявления симптомов, схожая ситуация наблюдается и со злокачественными новообразованиями. Таким образом, для эффективного скрининга, своевременного диагностирования и надежного контроля лечения заболеваний органов мочеполовой системы необходим развитый комплекс методов физико-химического анализа многокомпонентных биологических образцов. Подавляющее большинство имеющихся методов решения поставленных задач не позволяют получать результаты и принимать медицинские решения в режиме реального времени. В то же время, выбор тактики лечения и профилактики рецидива мочекаменной болезни во многом определяется не только расположением и величиной камня, но и его химическим составом, хотя методик достоверного определения состава камня до его удаления в рекомендациях не предложено. Таким образом, разработка метода анализа состава мочевого камня in vivo позволит более эффективно выводить камни из организма пациента и выбирать персонализированную тактику профилактики рецидивов заболевания. Перспективным направлением в области скрининга МКБ является биохимический анализ мочи. Развитие методов быстрого анализа мочи на целевые компоненты (урат-, оксалат-, цитрат-, фосфат-ионы), в том числе доступных для самостоятельного использования пациентами, актуально для скрининга МКБ и классификации пациентов по группам риска ее развития, а также для эффективного контроля состояния пациентов после лечения. В оперативном лечении рака органов мочеполовой системы также наблюдается тенденция перехода к мягким, органосохраняющим тактикам, что требует разработки методов оценки края резекции в ходе операции на наличие остаточных опухолевых клеток. Существующие методы оценки границ опухоли являются в основном постоперационными либо требуют дополнительного врачебного персонала и специфического оборудования, что существенно удлиняет время операции и увеличивает риск осложнений. Создание инструмента, который позволит хирургу в режиме реального времени надежно определять наличие или отсутствие злокачественных клеток на краях оперируемой области, позволит сократить количество повторных операций и улучшить прогноз выживаемости пациентов. Методы спектрального анализа, в частности, ближняя инфракрасная спектроскопия обладают неоспоримыми преимуществами для решения поставленных задач: быстрота анализа, наличие выносных зондов для проведения измерений в условиях операции, отсутствие пробоподготовки. Поэтому данный проект направлен на развитие методов спектрального анализа в сочетании с машинным обучением для малоинвазивной диагностики и контроля лечения заболеваний мочеполовой системы. В связи с применением алгоритмов машинного обучения для обработки спектральных данных и построения классификационных моделей возникает вопрос о размерах доступных выборок и их представительности с учетом специфики биологических образцов и их доступности. Поэтому методы искусственного расширения, или аугментации, выборок спектральных данных – это перспективное направление исследований в области применения спектроскопии в медицинских исследованиях в целом, которое также будет изучаться в заявленном проекте.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что по итогам выполнения проекта будут разработаны метод интраоперационного качественного анализа мочевых камней и метод определения границ злокачественных новообразований в органах мочеполовой системы в ходе операции на основе спектроскопии в ближней инфракрасной области в режиме диффузного отражения и алгоритмов классификации данных. В рамках разработки метода качественного анализа мочевых камней будут проведены эксперименты по измерению спектров в условиях, максимально приближенных к оперативному вмешательству, предложен и апробирован алгоритм предварительной обработки полученных спектров, обучения, оптимизации и валидации модели для классификации мочевых камней по химическому составу, определена чувствительность, специфичность и точность метода. Этот метод востребован с точки зрения как ранней диагностики и скрининга мочекаменной болезни, так и эффективного удаления камня и контроля состояния пациента после лечения. В рамках разработки метода оценки границ опухолей в ходе операции будут получены спектры свежеиссеченных фрагментов тканей органов со злокачественными новообразованиями, предложен и апробирован алгоритм предварительной обработки полученных спектров, обучения, оптимизации и валидации модели для классификации образцов на "опухоль", "норму" и иные классы в зависимости от реальных образцов. Данный метод потенциально позволит сократить количество повторных операций и улучшить прогноз выживаемости пациентов. Также будет разработана методика определения содержания цитрат-иона колориметрическим методом в образцах мочи посредством анализа изображений образцов после протекания цветной реакции, полученных с помощью смартфона. Данная методика является потенциально коммерциализуемой в виде набора для самостоятельного использования пациентами. По результатам проекта будет разработан прототип оптической системы на основе молекулярных эмиттеров для экспрессного анализа мочи на оксалат-, урат- ионы. Данный подход является перспективным методом неинвазивного скрининга мочекаменной болезни без привлечения УЗИ или КТ-оборудования.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Заболевания мочеполовой системы существенно влияют на качество и продолжительность жизни пациентов. Своевременное выявление и снижение риска рецидивов невозможно без современных методов физико-химического анализа многокомпонентных биологических образцов (мочи, тканей, камней). Несмотря на разнообразие точных и хорошо проработанных лабораторных анализов, методы онлайн-анализа внедряются недостаточно активно, в том числе во время операций, что мешает принимать быстрые и эффективные решения в реальном времени. Анализ химического состава мочевых камней является важной задачей в лечении мочекаменной болезни. В рамках проекта используется БИК-спектроскопия благодаря следующим преимуществам: быстрое получение спектра, отсутствие необходимости в пробоподготовке, доступность выносных зондов разных диаметров и длин, совместимость с инструментами для катетеризации мочевого пузыря. В проекте предлагается решение классификационной задачи, а именно анализа мочевого камня путем сопоставления спектра конкретного образца с его классом: оксалатный, уратный, фосфатный и так далее. Анализ мочи на оксалат-, урат-, цитрат-, фосфат-ионы является перспективным методом неинвазивного скрининга МКБ без привлечения УЗИ или КТ-оборудования. Кроме того, пациентам после лечения МКБ требуется отслеживать содержание этих компонентов в моче для коррекции мер по профилактике рецидива заболевания. Экспрессные методы анализа мочи на конкретные аналиты, в том числе не требующие очного визита пациента к врачу, обладают большим потенциалом в решении таких задач, также снижая нагрузку на лаборатории лечебных учреждений. Эксперименты проводятся с реальными образцы биологической природы (мочевые камни, моча, и др.), полученными в рамках сотрудничества с ведущими лечебными учреждениями урологического профиля г. Санкт-Петербурга. В рамках первого этапа проекта обучены и валидированы классификационные модели для распознавания химического состава мочевых камней, была оптимизирована предварительная обработка спектральных данных (SNV-коррекция или её сочетание с взятием первой производной). Показано, что для классификаций, представляющих интерес с клинической точки зрения, методом k-средних была получена точность выше 90%, что явно показывает потенциал предлагаемого метода и его универсальность. Для сравнения, точность визуального определения типа мочевого камня врачами-урологами составляет 40%. Также была разработана простая и экспрессная методика количественного определения цитрат-иона колориметрическим методом за счет конкурентной цветной реакции комплексообразования. На данный момент разработана измерительная установка, для которой напечатаны полимерные кюветы, со стандартизованными условиями измерения. По фотографии раствора на обычный смартфон определяется среднее значение каналов RGB света. Коэффицент детерминации при перекрестной проверке (кросс-валидации) составил 0,96 для диапазона концентраций цитрата 0,05 - 5 ммоль/л, что соответствует поставленной клинической задаче экспресс-диагностики гипоцитратурии. Отработана методика печати подложек из полимерного материала с включениями молекул эмиттеров, была выполнена печать кюветы для проведения модельного эксперимента. Дно кюветы было модифицировано молекулярными эмиттерами на основе Eu ([Eu(tta)3(H2O)n]), предварительно была подтверждена термическая стабильность модифицированного полимера. Модельный эксперимент по анализу биологических простых органических соединений показал, что такая оптическая система позволяет построить градуировку в диапазоне 0,001 - 0,012 моль/л с коэффициентом детерминации 0,92, при валидации на реальных образцах коэффициент составил 0,87, что является хорошим результатом для пилотного исследования.

 

Публикации

1. Бойченко Е.С., Паронников М.В., Кирсанов Д.О. Pilot Study on the Qualitative Analysis of Urinary Stones Using Near-Infrared Spectroscopy and Chemometrics Engineering Proceedings, том 48, выпуск 1, стр. 64-69 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/CSAC2023-15162