XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированная система расчёта индивидуального онкориска

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Белякова Ю.А. 1

---

1ГБОУ "IШкола №1514"

Гущенко А.П. 1

---

1МГТУ им. Н.Э.Баумана, УЦ "Гравитация"

Работа в формате PDF

492.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Онкологические заболевания представляют собой одну из наиболее серьезных угроз для здоровья человечества, являясь одной из ведущих причин смертности на планете. Именно поэтому эпидемиологические исследования играют ключевую роль в изучении масштабов заболеваемости, уровня смертности и факторов, провоцирующих развитие рака.

Ежегодно диагностируется более 19 миллионов новых случаев, и это число продолжает расти, что свидетельствует о глобальном масштабе проблемы. В развитых странах рак занимает второе место среди причин смерти, уступая только сердечно-сосудистым заболеваниям, что подчеркивает его серьезное влияние на здоровье и общество.

Актуальность изучения рака обусловлена не только его распространенностью, но и разрушительными последствиями для всего человечества. Рак приводит к значительному снижению качества жизни, развитию инвалидности и существенным экономическим потерям, связанным с затратами на терапию и утратой трудового потенциала. Следовательно, изучение эпидемиологии рака, включая закономерности его распространения, этиологию и патогенетические механизмы, представляет собой приоритетную задачу современной медицинской науки.

Целью данного проекта является обобщение и систематизация современных данных об эпидемиологии злокачественных новообразований и анализ факторов риска заболевания раком.

ОБЩИЕ КАТЕГОРИИ ФАКТОРОВ РИСКА

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), развитие рака — это многоэтапный процесс взаимодействия генетических факторов с тремя основными категориями канцерогенов:

• Физические: ультрафиолетовое и ионизирующее излучение.

• Химические: компоненты табачного дыма, асбест, алкоголь, афлатоксины, мышьяк.

• Биологические: инфекции, вызванные вирусами, бактериями или паразитами.

Ключевая статистика:

• 30% смертей от рака вызваны поведенческими факторами (курение, ожирение, низкая физическая активность, алкоголь).

• Около 13% случаев рака в мире ассоциированы с хроническими инфекциями (Helicobacter pylori, ВПЧ, гепатиты B и C).

РИСКИ ПО ВИДАМ РАКА

Молочная железа:

Управляемые: алкоголь (даже малые дозы), курение (особенно с алкоголем).

Физиологические: поздняя первая беременность/отсутствие родов, короткое грудное вскармливание.

Неуправляемые: возраст (после 40 лет), генетика (мутации BRCA1/2, семейный анамнез).

Легкие:

Образ жизни: курение (риск выше в 20 раз у курящих).

Среда: загрязнение воздуха, радиоактивное излучение (радон), хронические болезни легких.

Иное: сильный стресс, наследственность.

Толстая кишка:

Модифицируемые (образ жизни): ожирение, курение, алкоголь, «западный» тип питания (красное/переработанное мясо, жиры), низкая физ. активность.

Немодифицируемые: возраст (ст. 50 лет), мужской пол, полипы, воспалительные заболевания кишечника, семейный анамнез.

Желудок:

Биологический: инфекция Helicobacter pylori (ключевой фактор).

Диета: высокое потребление соли, копченостей (нитраты), углеводов; дефицит фруктов/овощей.

Иное: курение, аутоиммунный гастрит, полипы (особенно >2 см), генетические синдромы.

Поджелудочная железа:

Образ жизни: курение.

Заболевания: хронический панкреатит, диабет.

Профессия/среда: воздействие асбеста, бензола, хлорированных углеводородов. Семейный анамнез.

Пищевод:

Тип-специфичные риски:

• Плоскоклеточный: Алкоголь и табак (ключевая связка).

• Аденокарцинома: ГЭРБ, ожирение, пищевод Барретта.

Иное: Пожилой возраст, мужской пол, ожоги щелочью.

ИНФЕКЦИИ

Ряд инфекционных агентов напрямую повреждают ДНК клеток или вызывают хроническое воспаление, что приводит к малигнизации:

• Helicobacter pylori: бактерия, колонизирующая желудок. Является основной причиной рака желудка, а также некоторых лимфом.

• Вирус папилломы человека (ВПЧ): причина практически 100% случаев рака шейки матки.

• Гепатиты B и C: хроническое носительство приводит к циррозу и гепатоцеллюлярной карциноме (рак печени).

• Описторхоз (печеночные сосальщики): паразиты, передающиеся через рыбу. Хроническое воспаление протоков повышает риск холангиокарциномы (рака желчных протоков).

• ВИЧ-инфекция: увеличивает риск развития саркомы Капоши и в 6 раз повышает риск рака шейки матки за счет иммуносупрессии.

ПРОФИЛАКТИКА

Важно разделять факторы на не модифицируемые (возраст, пол, генетика) и модифицируемые (то, что мы можем изменить). ВОЗ подчеркивает, что 30–50% всех случаев рака можно предотвратить.

Основные стратегии снижения риска:

1. Отказ от канцерогенов: полное исключение табака (снижает риск рака легкого в десятки раз) и ограничение алкоголя.

2. Питание: снижение потребления красного/переработанного мяса, соли; увеличение клетчатки, фруктов и овощей.

3. Вакцинация: против гепатита В и ВПЧ (первичная профилактика рака печени и шейки матки).

4. Эрадикация инфекций: лечение хронического гастрита, противовирусная терапия гепатитов.

5. Скрининг: регулярная колоноскопия (снижает смертность от ККР на 70%), маммография, цитологические мазки (Пап-тест).

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КУМУЛЯТИВНЫЙ РИСК

• Возраст - риск развития большинства типов рака увеличивается с возрастом. Пол - некоторые типы рака более распространены у мужчин (например, рак предстательной железы, рак легких), а другие – у женщин (например, РМЖ, рак щитовидной железы).

• Генетическая предрасположенность - наличие определенных генетических мутаций может значительно повысить риск возникновения ЗН.

• Семейный анамнез - наличие случаев рака в семье может указывать на повышенный генетический риск ЗН.

• Образ жизни - курение, употребление алкоголя, неправильное питание, недостаточная физическая активность и избыточный вес могут повысить риск развития рака.

• Воздействие факторов окружающей среды - загрязнение воздуха, воды, почвы, воздействие радиации, асбеста и других вредных канцерогенов.

• Некоторые инфекции - например, вирус папилломы человека (ВПЧ) связан с риском развития рака шейки матки и других видов рака.

• Предыдущие заболевания и лечения - например, облучение грудной клетки в молодом возрасте увеличивает риск развития РМЖ.

ОСНОВНЫЕ ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РИСКА

Эпидемиологические исследования выявили множество факторов, способствующих развитию онкозаболеваний. Они делятся на: модифицируемые и немодифицируемые.

Немодифицируемые факторы.

- Возраст: риск развития рака увеличивается с возрастом.

- Генетическая предрасположенность: наличие мутаций в генах (например, BRCA1/BRCA2 для рака молочной железы).

- Пол: некоторые виды рака имеют половую предрасположенность (например, рак простаты у мужчин, рак шейки матки у женщин).

Модифицируемые факторы.

- Курение - основной фактор риска рака легких, полости рта, гортани и других органов.

- Питание - употребление красного мяса, трансжиров и недостаток клетчатки увеличивают риск колоректального рака.

- Алкоголь - повышает риск рака печени, пищевода и молочной железы.

- Ожирение - связано с повышенным риском рака эндометрия, молочной железы и поджелудочной железы.

- Инфекции - вирусы (например, ВПЧ, вирус гепатита B и C) играют роль в развитии рака шейки матки, печени и других органов.

- Воздействие канцерогенов - работа с химическими веществами, радиация и загрязнение окружающей среды.

ОПУХОЛИ

Отличить злокачественную опухоль от доброкачественной только по тексту описания (например, в заключении УЗИ, МРТ или КТ) можно, но с определенной долей вероятности. Окончательный диагноз ставит только врач (онколог, хирург) после гистологического исследования (биопсии).

Важно понимать, что:

1. Доброкачественная может маскироваться. Некоторые доброкачественные опухоли (например, филлоидная фиброаденома молочной железы) могут расти быстро и иметь нечеткие контуры.

2. Злокачественная на ранней стадии может выглядеть как киста с ровными краями (например, некоторые формы рака почки).

3. Злокачественная на ранней стадии может выглядеть как киста с ровными краями (например, некоторые формы рака почки).

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ПРИЗНАКОВ

ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ

Растут медленно, не метастазируют, имеют капсулу.

Эпителиальные (из покровных тканей):

• Папиллома чаще всего встречается на коже, в гортани или мочевом пузыре. При описании врачи используют такие фразы, как «сосочковое разрастание», «на ножке», «четкие контуры» и «мягкотканная структура». Особые приметы этого образования: оно состоит из множества сосочков, при травме может кровоточить, но в отличие от злокачественных опухолей, не прорастает (не инфильтрирует) в окружающие ткани.

• Аденома локализуется в железах (например, в кишечнике, щитовидной железе или гипофизе). В описании фигурирует как «округлый узел», «гомогенный», с «четкими ровными краями» и часто «в капсуле». Особенностью аденомы является риск малигнизации, который повышается, если размер узла превышает 2 см.

• Онкоцитома типична для почек. Ключевые фразы для её описания: «четко отграничена», «наличие рубца в центре» и «кортикальный рост» (то есть расположение в корковом слое почки). Главная особая примета заключается в том, что на компьютерной томографии (КТ) её трудно отличить от рака почки, поэтому для точной диагностики часто требуется биопсия.

Соединительнотканные (мезенхимальные):

• Липома чаще всего располагается в подкожной клетчатке. На УЗИ её описывают как «гипоэхогенное», «дольчатое» образование с «капсулой», также отмечают «симптом сжатия». Особые приметы: внутренняя структура напоминает «соты», и образование не кровоснабжается.

• Фиброма типична для матки и кожи. Её характеризуют как «плотное» образование с «четкими контурами», часто с участками «обызвествления» (кальцинатами). В матке особая примета — это расположение узла (субсерозное или интрамуральное).

• Хондрома поражает кости, чаще всего кистей рук. На снимках выглядит как «очаг просветления» с «ровными краями» и «тонким ободком склероза». Отличительная черта: опухоль не разрушает кортикальный (поверхностный) слой кости.

• Гемангиома встречается в печени и на коже. При описании говорят о «гиперэхогенной» структуре, «четких границах» и «периферическом контрастировании». Главная примета: при введении контраста он «заполняет» образование не сразу, а постепенно — от края к центру.

• Лейомиома — это опухоль матки. Визуализируется как «гипоэхогенный узел» с «ровными контурами», часто дающий «акустическую дорожку». Особые приметы: если узел существует долго, в нем могут появляться кальцинаты.

Нейрогенные:

• Невринома (шваннома) при визуализации описывается как образование «овальной формы» с «четкими контурами». Внутри нее могут обнаруживаться «жидкостные включения» (признак кистозных изменений), и главной особенностью является прямая «связь с нервом».

• Нейрофиброма выглядит как «веретенообразное» утолщение, которое располагается непосредственно «в толще нерва» и имеет «гомогенную» структуру (без жидкостных включений).

ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ

Инвазивный рост, метастазы, атипия.

Карциномы (из эпителия) – 80% всех раков:

• Плоскоклеточный рак возникает на коже, в легких или пищеводе. Врачи описывают его как «язву с валикообразными краями», имеющую «плотное дно» и склонность к «инфильтрации» (прорастанию) окружающих тканей. «Красные флаги» (настораживающие признаки) — наличие роговых масс и быстрое изъязвление опухоли.

• Аденокарцинома поражает желудок, кишечник, предстательную железу и молочную железу. На снимках выглядит как «узел неправильной формы» с «нечеткими, лучистыми границами» и «обрывом периферического ободка» органа. Главный «красный флаг» на МРТ — это ограничение диффузии (яркий сигнал на DWI), что говорит о высокой клеточной плотности.

• Базальноклеточный рак (базалиома) локализуется преимущественно на коже лица. Ключевые признаки: «жемчужный валик» по краю и «телеангиэктазии» (расширенные сосудики) на поверхности. Для него характерен медленный рост. «Красный флаг» специфичен: эта опухоль почти никогда не метастазирует, но зато способна разрушать окружающие ткани (в том числе хрящи и кости).

• Меланома встречается на коже и глазах. Диагностируется по ABCD-правилу: Асимметрия, Неровные (неровные) края, Неравномерная окраска, Диаметр больше 6 мм. Самый опасный «красный флаг» — вертикальный рост, который означает инвазию (прорастание) вглубь тканей.

Саркомы (из соединительной ткани):

Отличаются агрессивным ростом, гематогенные метастазы.

• Остеосаркома является злокачественной опухолью костей. На рентгеновских снимках её описывают по характерным признакам: «спикулы» (также известные как лучи Кодмана — игольчатые тени, отходящие от кости), «треугольник Кодмана» (приподнятый край надкостницы) и явное «разрушение кортикального слоя» кости.

• Хондросаркома чаще всего локализуется в костях таза и ребрах. Основным признаком является «кольцевидная кальцинация» (обызвествление по типу колец или дуг), а также «вздутие» пораженной кости.

• Липосаркома растет в забрюшинном пространстве или на бедре. При визуализации (на КТ или МРТ) она выглядит как «гетерогенное» (неоднородное) образование с «толстыми перегородками» и участками «некроза» (распада ткани).

• Лейомиосаркома поражает матку или желудочно-кишечный тракт. Она описывается как «узел с нечеткими контурами», часто имеющий зону «распада в центре».

• Рабдомиосаркома встречается преимущественно у детей, локализуясь в области головы и шеи или в мочевом пузыре. Отличительная черта — «гроздевидная» форма (напоминающая виноградную гроздь), а также крайне быстрый, агрессивный рост.

Глиальные и нейроэктодермальные:

• Глиобластома на МРТ выглядит следующим образом: характерно «кольцевидное усиление» сигнала после введения контраста, наличие зоны «некроза в центре» опухоли и «инфильтративный край», который не имеет четких границ, так как опухоль прорастает в окружающую мозговую ткань.

• Менингиома при МРТ-исследовании имеет «четкие контуры», прилегает к твердой мозговой оболочке «широким основанием» и в большинстве случаев является доброкачественной.

СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ РИСКА

Врачи не опираются только на описание, а используют шкалы:

1. BI-RADS (маммография/УЗИ молочной железы):

• *BI-RADS 2* — добро.

• *BI-RADS 4B/5* — зло (высокий риск).

2. TI-RADS (щитовидная железа):

• *TR-2* — добро.

• *TR-5* — рак (>80%).

3. PI-RADS (простата): Наличие ограничения диффузии на МРТ.

4. LI-RADS (печень): Неправильная форма, венозная инвазия.

Важный нюанс: опухоль может описываться как «киста с ровными краями» (добро), но, если внутри нее есть папиллярные разрастания или она накапливает контраст — это рак до тех пор, пока биопсия не докажет обратное.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Целью практической работы было создание демонстрационного прототипа программы для автоматического распознавания типа опухоли (доброкачественная/злокачественная) на заданном наборе изображений. Данный прототип использовался для тестирования и оптимизации алгоритмов обработки изображений и машинного обучения при ограниченном количестве данных, а также для подтверждения точности работы модели на контрольных образцах.

В рамках прототипирования был сформирован набор из 10 заранее заготовленных фотографий новообразований кожи. Изображения получены из открытых источников (например, базы ISIC Archive) и включают 5 образцов доброкачественных опухолей (невусы) и 5 образцов злокачественных (меланомы).

Рисунок 1Меланома

Рисунок 2 Невус

Программа реализует следующий алгоритм:

1. При запуске загружается обученная модель из файла.

2. Пользователю предлагается выбрать одно из заранее заготовленных изображений.

3. Выбранное изображение проходит предобработку.

4. Изображение подаётся на вход модели, выполняется прямой проход.

5. На выходе получается вектор вероятностей двух классов.

6. Результат отображается на экране вместе с самим изображением (для наглядности).

Проведено тестирование на всех 10 изображениях. Результаты приведены в таблице.

№	Имя файла	Результат
1	benign_1.jpg	Доброкачественная
2	benign_2.jpg	Доброкачественная
3	benign_3.jpg	Доброкачественная
4	benign_4.jpg	Доброкачественная
5	benign_5.jpg	Доброкачественная
6	malignant_1.jpg	Злокачественная
7	malignant_2.jpg	Злокачественная
8	malignant_3.jpg	Злокачественная
9	malignant_4.jpg	Злокачественная
10	malignant_5.jpg	Злокачественная

Разработанный прототип успешно демонстрирует принцип работы системы классификации опухолей на заранее заготовленных фотографиях. Программа корректно загружает модель, выполняет предобработку и выносит вердикт по каждому изображению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения научно-исследовательской работы была достигнута поставленная цель: проведен анализ современных данных об эпидемиологии злокачественных новообразований и факторах риска развития онкологических заболеваний, а также разработан демонстрационный прототип программы для классификации опухолей по изображениям.

В теоретическом разделе работы были собраны и проанализированы данные о различных типах канцерогенов (физических, химических, биологических), факторах риска (изменяемых и неизменяемых), а также о различиях между доброкачественными и злокачественными новообразованиями. Было подчеркнуто, что, по данным ВОЗ, от 30% до 50% случаев рака можно предотвратить, изменив образ жизни и проводя своевременную профилактику. Исследование показало, что основными причинами развития рака являются курение, неправильное питание, ожирение, хронические инфекции (такие как Helicobacter pylori, ВПЧ, гепатиты B и C) и воздействие канцерогенов из окружающей среды.

Практическая значимость работы заключается в создании прототипа программы, демонстрирующего принципиальную возможность автоматической классификации новообразований на основе методов глубокого обучения.

Проведенное исследование подтверждает острую необходимость в раннем обнаружении рака и открывает новые горизонты для применения искусственного интеллекта, обещая повысить эффективность скрининговых мероприятий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. International scientific journal “Interpretation and researches”

URL: <https://inlibrary.uz/index.php/international-scientific/article/view/70409> (дата обращения 12.02.2026)

2. ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России

URL: https://new.nmicr.ru/pacientam/oncology/ (дата обращения 12.02.2026)

3. ЕВРООНКО

URL: https://www.euroonco.ru/oncology/vidy-raka (дата обращения 12.02.2026)

4. ВСЕРОССИЙСКАЯ АССОЦИАЦИЯ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ПАЦИЕНТОВ

URL: https://www.russcpa.ru/patsientam/o-rake/rak-i-ego-tipy/ (дата обращения 12.02.2026)

5. The International Skin Imaging Collaboration​

URL: https://www.isic-archive.com/ (дата обращения 20.02.2026)