Кириллов В.А.

Лаборатория ЭПР-дозиметрии и цитологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск, Беларусь

Емельянова О.А.

Лаборатория ЭПР-дозиметрии и цитологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск, Беларусь

Гладышев А.О.

Лаборатория ЭПР-дозиметрии и цитологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск, Беларусь

Экспертная система для дифференциальной диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы

Журнал: Архив патологии. 2014;76(5): 26-32

Просмотров : 16

Загрузок : 1

Как цитировать

Кириллов В. А., Емельянова О. А., Гладышев А. О. Экспертная система для дифференциальной диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы. Архив патологии. 2014;76(5):26-32.

Авторы:

Кириллов В.А.

Лаборатория ЭПР-дозиметрии и цитологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск, Беларусь

Все авторы (3)

Вариабельность дифференциально-диагностических признаков цитограмм медуллярного рака щитовидной железы и наличие в мазках пунктата не характерной для этой патологии картины (признаки оксифильноклеточной дифференцировки) требуют проведения дифференциальной диагностики этого заболевания с оксифильноклеточным раком [1]. К этим признакам относятся в первую очередь оксифильная окраска цитоплазмы и наличие в цитограммах двух клеточных популяций: одноядерных и двуядерных клеток. Важность дифференциальной диагностики оксифильноклеточного и медуллярного рака на дооперационном этапе обусловлена тем, что при проведении хирургического лечения в случае злокачественной опухоли из клеток Гюртля проводят тотальную тиреоидэктомию с шейной лимфаденэктомией, а при медуллярном раке, кроме тотальной резекции органа, удаляют лимфатические узлы из средостения [2].

Одним из подходов к решению этой проблемы является создание экспертной системы на базе совокупности количественных параметров ядер и агрегатов С- и В-клеток и их весовых коэффициентов. Ранее нами были разработаны экспертные системы для диагностики рака щитовидной [3-5] и молочной [6] желез, которые позволяли с высокой эффективностью оценивать злокачественный характер опухолевого процесса.

Цель - выявить количественные закономерности патологических изменений ядер и агрегатов С- и В-клеток и построить на их основе экспертную систему для дифференциальной диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы.

Материал и методы

Цитологические препараты щитовидной железы получали путем аспирационной биопсии у пациентов, находящихся на лечении в Минском городском клиническом онкологическом диспансере. Фиксацию и окрашивание мазков осуществляли по Май-Грюнвальду-Гимзе. Изучали мазки пунктатов с гистологическим заключением «медуллярный (С-клеточный) рак» и «оксифильноклеточный (В-клеточный) рак». Для морфометрических исследований было отобрано 23 препарата медуллярного рака (смешанный вариант) и 20 - оксифильноклеточного рака (фолликулярный вариант).

Морфометрию ядер и агрегатов С- и В-клеток (клетки Гюртля, онкоциты) проводили с помощью компьютерного анализатора цветных изображений на базе светового микроскопа и цифровой фотокамеры («Leica», Германия). Для построения исходной базы данных измеряли площадь, периметр, фактор формы, минимальный диаметр (малая ось эллипса, по площади и периметру равного измеряемой фигуре), максимальный диаметр (большая ось эллипса, по площади и периметру равного измеряемой фигуре) и диаметр (диаметр окружности, равной по площади измеряемой фигуре) ядер и агрегатов. База данных также включала параметры, характеризующие архитектуру клеточных скоплений: количество клеток в агрегате, площадь, приходящаяся на одну клетку, отклонение координаты (усредненная сумма абсолютных значений расстояния от центра тяжести агрегата до каждой клетки) и момент инерции (усредненная сумма квадратов расстояний от центра тяжести агрегата до каждой клетки). Преобразование исходных морфометрических данных в количественные параметры проводили путем оценки среднего, построения гистограмм и регрессионного анализа. Индивидуальные средние значения каждого параметра рассчитывали по 150 ядрам и 100 агрегатам. Общий размер выборки составил 6450 ядер и 4300 агрегатов.

Регрессионный анализ осуществляли с помощью компьютерной программы «Парабола» [6]. При этом в автоматическом режиме строили диаграмму рассеяния зависимости периметра от площади ядер и агрегатов, где скопление экспериментальных точек описывалось регрессионной кривой второго порядка, представляющей собой обращенную вершиной вверх параболу. Программа рассчитывала уравнение параболы P = –a(Sb)2 + c, по которому определяли значения квадратного a и линейного b коэффициентов, а также свободного члена c. Затем находили площадь AS под отрезком параболы от минимального Smin до максимального Smax значения площади ядер и площадь AD под куполом параболы между точками пересечения кривой с осью абсцисс.

Расчет весового коэффициента каждого параметра, входящего в совокупность диагностических решающих критериев, осуществляли по формуле [3, 6]:

, (1)

где ki - весовой коэффициент i-го параметра; Аi - точность; Sn - чувствительность; Sp - специфичность; n - число параметров, входящих в систему.

Диагностический индекс рассчитывали по сумме значений весовых коэффициентов параметров, попавших в диапазон системы диагностических решающих критериев, характеризующих медуллярный рак, по формуле [4, 6]:

, (2)

где ki - весовой коэффициент i-го параметра, а pi=1, если значение параметра находится в диапазоне системы, и pi=0, если значение параметра не входит в диапазон системы.

Результаты и обсуждение

Кариометрический анализ С- и В-клеток. Кариометрическое исследование аспирационного материала пациентов, у которых по результатам гистологической диагностики были верифицированы медуллярный и оксифильноклеточный рак щитовидной железы, показало, что размеры ядер С- и В-клеток колебались в широких пределах. Оценка среднего показала, что индивидуальные значения средней площади колебались в интервале от 44,3 до 129,1 мкм2 и от 52,0 до 137,2 мкм2 при медуллярном и оксифильноклеточном раке соответственно. Среднестатистическое значение средней площади ядер, рассчитанное по 10 пациентам, при обоих заболеваниях приведено в табл. 1.

Анализ табл. 1 не выявил достоверных различий в группах сравнения. Следует отметить, что среднестатистическое значение площади ядер А-клеток при папиллярном и фолликулярном раке [3] превышало данный кариометрический параметр В- и С-клеток при медуллярном и оксифильноклеточном раке примерно в 1,4 и 1,2 раза соответственно. Построение гистограмм площади ядер с разным шагом 30, 40, 45, 50 мкм2 не выявило различий в характере распределения (куполообразный или экспоненциально-подобный) в группах сравнения. Анализ регрессионной кривой второго порядка к скоплению экспериментальных точек на диаграммах рассеяния зависимости периметра от площади ядер показал, что параметры параболы полностью перекрывались между собой при обоих заболеваниях, т.е. интервалы колебаний всех количественных параметров ядер практически совпадали, что указывало на невозможность определения пороговых значений в группах сравнения, по величине которых можно отнести случай к медуллярному или оксифильноклеточному раку.

Учитывая, что на цитограммах при обоих заболеваниях имеются две популяции клеток - одноядерные и двуядерные, нами был проведен кариометрический анализ для каждой из этих популяций (рис. 1).

Рисунок 1. Агрегаты из одноядерных и двуядерных С-клеток при медуллярном (а) и В-клеток при оксифильноклеточном. Окраска по Май-Грюнвальду-Гимзе. ×100
Рисунок 1. Агрегаты из В-клеток при оксифильноклеточном (б) раке щитовидной железы. Окраска по Май-Грюнвальду-Гимзе. ×100
Однако и в этом случае наблюдалось полное перекрытие значений количественных параметров ядер. Далее нами была осуществлена кариометрическая оценка только двуядерных клеток. При этом в каждой клетке находили отношение количественных параметров ядра, большего по размеру, к параметрам ядра, меньшего по размеру. Этот прием не позволил разработать диагностические критерии, поскольку величины этих отношений также перекрывались между собой при обоих заболеваниях. Ранее нами с помощью кариометрии была построена экспертная система на базе совокупности пороговых значений количественных параметров ядер А-клеток (тироцитов), которая позволила эффективно проводить дифференциальную диагностику фолликулярного рака и аденомы [5]. В то же время разработка аналогичной экспертной системы для диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака оказалась невозможна из-за перекрытия диапазонов колебаний всех количественных параметров ядер С- и В-клеток.

Морфометрический анализ агрегатов С- и В-клеток. Анализ цитограмм показал, что агрегаты С-клеток при медуллярном раке по сравнению со скоплениями В-клеток при оксифильноклеточном раке были более мелкими по размеру (см. рис. 1). Данные микроскопической оценки степени агрегированности клеток подтверждены результатами морфометрического исследования.

В табл. 2

приведены среднестатистические значения исходных морфометрических параметров агрегатов С- и В-клеток при медуллярном и оксифильноклеточном раке, рассчитанные по 10 больным для каждой патологии.

В частности, как видно из этой таблицы, среднестатистическое значение площади ядер при медуллярном раке было меньше этого показателя при оксифильноклеточном раке в 1,6 раза и составляло 734,2±217,4 и 1143,7±252,1 мкм2 соответственно. Сходное соотношение наблюдалось между остальными количественными параметрами агрегатов С- и В-клеток. Следует отметить, что среднестатистические значения площади агрегатов А-клеток при папиллярном и фолликулярном раке [4] превышали данный показатель агрегатов С-клеток при медуллярном раке примерно в 4 раза, а агрегатов В-клеток при оксифильноклеточном раке - в 2,6 раза. Это указывало на менее выраженный характер агрегированности специализированных клеток в опухолях из С- и В-клеток по сравнению с опухолями из А-клеток. Индивидуальные значения средних параметров колебались в значительном интервале при обоих заболеваниях. Так, при медуллярном раке значения средней площади Sср агрегатов С-клеток колебались в диапазоне от 439,9 до 1000,7 мкм2, среднего периметра Pср - от 86,1 до 133,6 мкм, средней площади на одну клетку Sсср - от 51,4 до 86,3 мкм2, среднего расстояния между клетками Lср - от 19,1 до 25,0 мкм, среднего момента инерции Мср - от 198,4 до 386,5 мкм2, среднего отклонения координаты Kср - от 2,20 до 2,88 мкм. При оксифильноклеточном раке Sср агрегатов В-клеток варьировала в интервале от 784,3 до 1549,6 мкм2, Pср - от 119,7 до 164,3 мкм, Sсср - от 92,3 до 146,1 мкм2, Lср - от 25,5 до 33,0, Мср - от 350,7 до 613,6 мкм2, Kср - от 2,84 до 3,84 мкм. Диапазоны индивидуальных значений Sср, Pср, Мср и Kср перекрывались между собой в группах сравнения, и зона перекрытия значений этих параметров в группах сравнения находилась в интервалах 784,3-1000,7 мкм2; 119,7-133,6 мкм; 350,7-386,5 мкм2 и 2,84-2,88 мкм соответственно. В то же время диапазон значений Sсср и Lср не перекрывался между собой и зона разрыва находилась в интервале 86,3-92,3 мкм2 и 25,0-25,5 мкм соответственно. С учетом вышеизложенного были найдены пороговые значения параметров, по величине которых к медуллярному раку можно достоверно отнести случаи, когда Sср <784,3 мкм2, Pср <119,7 мкм, Sсср ≤86,3 мкм2, Lср ≤25,0 мкм, Мср <350,7 мкм2 и Kср <2,84 мкм, а к оксифильноклеточному раку - Sср >1000,7 мкм2, Pср >133,6 мкм, Sсср ≥92,3 мкм2, Lср ≥25,5 мкм, Мср >386,5 мкм2 и Kср >2,88 мкм.

Построение гистограмм распределения площади агрегатов С- и В-клеток показало, что для медуллярного рака было характерно экспоненциально-подобное распределение, в то время как для оксифильноклеточного рака отмечался куполообразный характер распределения (рис. 2).

Рисунок 2. Типичный вид гистограмм распределения площади агрегатов С-клеток при медуллярном (а) и В-клеток при оксифильноклеточном (б) раке.
Сходная зависимость отмечалась на гистограммах момента инерции при обоих заболеваниях. Выявленные различия в характере распределения площади и момента инерции агрегатов С- и В-клеток на гистограммах можно выразить в числовой форме как отношение доли ядер во 2-м и 1-м классах FII/FI. Данное отношение как для площади, так и для момента инерции при медуллярном раке было меньше 1, а при оксифильноклеточном раке - больше 1. Среднестатистические значения числовых характеристик гистограмм распределения агрегатов С- и В-клеток по площади и моменту инерции представлены в табл. 3.

Построение диаграмм рассеяния зависимости периметра от площади агрегатов С- и В-клеток показало, что скопления экспериментальных точек, характеризующие медуллярный и оксифильноклеточный рак, в значительной степени перекрывались между собой. Совокупность этих экспериментальных точек описывалась регрессионной зависимостью второго порядка (R2 >0,95), представляющей собой параболу (рис. 3 и 4).

Рисунок 3. Типичный вид параболы, описывающей скопления экспериментальных точек на диаграммах рассеяния зависимости периметра от площади агрегатов В-клеток. Приведены уравнение параболы и схематическое изображение площади АS под отрезком параболы.
Рисунок 4. Типичный вид параболы, описывающей скопления экспериментальных точек на диаграммах рассеяния зависимости периметра от площади агрегатов С-клеток. Приведены уравнение параболы и схематическое изображение площади AD под куполом параболы.
Как видно из табл. 3
, среднестатистические значения коэффициентов уравнения a, b и c, а также площадь AS под отрезком параболы и площадь AD под куполом параболы при медуллярном раке по сравнению с оксифильноклеточным раком были меньше в 1,8, 1,4, 1,2, 1,7 и 1,5 раза соответственно. Индивидуальные значения квадратного коэффициента a при медуллярном раке колебались от –4,4 до –0,1·10–5, а при оксифильноклеточном раке - от –2,1 до –0,6·10–5, т.е. все значения этого параметра параболы при С-клеточном раке попадали в интервал его значений при В-клеточном раке. Сходная ситуация наблюдалась и для свободного коэффициента c, значения которого колебались в диапазоне 161,7-317,1 и 206,6-294,2 при медуллярном и оксифильноклеточном раке соответственно. При медуллярном раке диапазон варьирования индивидуальных значений линейного коэффициента b составлял 1688,5-5434,8, площади AS - 183 207,0-849 109,0 усл. ед. и площади AD - 414 777,8-2 522 392,2 усл. ед. При оксифильноклеточном раке интервал колебаний коэффициента b составлял 2710,8-5901,4; AS - 183 207,0-849 109,0 усл. ед. и AD - 414 777,8-2 522 392,2 усл. ед. В группах сравнения диапазоны индивидуальных средних значений b, AS, и AD перекрывались между собой, и зона перекрытия значений этих параметров находилась в интервалах 2710,8-5434,8; 406 672,4-849 190,0 и 856 986,5-2 522 392,2 усл. ед. соответственно. Как следует из уравнения параболы, квадратный коэффициент a характеризовал крутизну ветвей параболы, а линейный коэффициент b и свободный член c - координаты вершины. Площадь AS под отрезком параболы представляла собой результат интерполяции, при которой функция аппроксимируется между минимальным и максимальным значениями площади агрегатов [6]. В то же время площадь AD под куполом параболы представляла собой результат экстраполяции, при которой функция аппроксимируется вне заданного интервала значений площади агрегатов. Таким образом, смещение координат вершины вверх, а также увеличение площадей AS и AD указывало на более высокую степень агрегированности В-клеток по сравнению с С-клетками. Исходя из найденных диапазонов колебаний индивидуальных величин параметров параболы и зоны неопределенности, к медуллярному раку относились случаи со значениями b <2710,8; AS <406 672,4 усл. ед.; AD <856 986,5 усл. ед., а к оксифильноклеточному раку - случаи, когда b >5434,8; AS >849 109,0 усл. ед.; AD >2 522 392,2 усл. ед.

Совокупность пороговых значений количественных параметров агрегатов в группах сравнения приведена в табл. 4.

Анализ данных этой таблицы свидетельствует о том, что все количественные параметры агрегатов из В-клеток были больше, чем параметры клеточных скоплений из С-клеток. Другими словами, размеры агрегатов при оксифильноклеточном раке были больше, чем при медуллярном раке.

Построение экспертной системы. Совокупность пороговых значений 11 количественных параметров агрегатов представляла собой систему диагностических критериев для дифференциальной диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы (см. табл. 4). Для оценки значимости каждого из параметров, приведенных в этой таблице, в диагностике медуллярного рака были рассчитаны их точность, чувствительность и специфичность (табл. 5).

При их расчете значения всех параметров образцов медуллярного и оксифильноклеточного рака, отобранных для построения экспертной системы, сравнивали с пороговыми значениями параметров системы диагностически решающих критериев для медуллярного рака (см. табл. 4). После этого с помощью формулы (1) рассчитывали весовой коэффициент каждого параметра в диагностике медуллярного рака (см. табл. 5).

Дифференциальная диагностика медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы с помощью экспертной системы осуществлялась по величине диагностического индекса D. Индекс D определяли по сумме значений весовых коэффициентов параметров, попавших в заданный диапазон при сравнении пороговых значений параметров системы диагностически решающих критериев для медуллярного рака (см. табл. 4) с параметрами исследуемого образца, согласно формуле (2).

Определение граничных значений диагностического индекса при медуллярном и оксифильноклеточном раке проводили следующим образом: параметры исследуемых образцов, отобранных для построения экспертной системы, поочередно сравнивали с количественными параметрами системы диагностических критериев для медуллярного рака, а затем для каждого образца рассчитывали величину диагностического индекса по формуле (2). Так, для медуллярного рака его значения колебались в интервале от 17,3 до 100%, а для оксифильноклеточного - от 0,0 до 8,2%. Если при расчете диагностического индекса препарата от пациента с неустановленным диагнозом его величина попадала в диапазон 17,3-100%, то диагностировали медуллярный рак. В случае попадания значения D в диапазон 0,0-8,2% - оксифильноклеточный рак.

Проверку эффективности экспертной системы проводили с помощью слепого тестирования. Для этого была отобрана экзаменационная группа из 10 пациентов, в цитологическом заключении которых было указано «подозрение на медуллярный рак». Экспертная система в 3 случаях диагностировала медуллярный рак, а в 7 - оксифильноклеточный рак. При гистологическом исследовании у 4 пациентов был выявлен медуллярный рак, а у 6 - оксифильноклеточный рак. Сравнительный анализ результатов слепого тестирования экспертной системы с данными гистологического исследования выявил, что нозологическая форма новообразования щитовидной железы была распознана экспертной системой в 9 из 10 случаев (3 из 4 при медуллярном раке и 6 из 6 при оксифильноклеточном раке).

Разработанная экспертная система является важным шагом в автоматизации процесса цитологической диагностики медуллярного и оксифильноклеточного рака щитовидной железы на дооперационном этапе.

Заключение

Выявлены количественные закономерности степени агрегированности С- и В-клеток при медуллярном раке и оксифильноклеточном раке щитовидной железы, которые легли в основу экспертной системы для дифференциальной диагностики этих злокачественных заболеваний на начальных этапах обследования пациентов.

Конфликт интересов отсутствует.

Участие авторов:

Дизайн исследования: В.А.К.

Сбор и обработка материала: О.А.Е.

Статистическая обработка данных: А.О.Г.

Написание текста: В.А.К.

Редактирование: О.А.Е.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail