oncotomskСибирский онкологический журналSiberian journal of oncology1814-48612312-3168Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences10.21294/1814-4861-2023-22-6-7-15oncotomsk-2830Research ArticleКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯCLINICAL STUDIESНеинвазивная диагностика злокачественных новообразований верхних дыхательных путей на основе анализа маркеров в выдыхаемом воздухеNon-invasive diagnosis of upper airway malignancies based on the analysis of markers in exhaled airhttps://orcid.org/0000-0003-3089-5047КульбакинД. Е.KulbakinD. E.

Кульбакин Денис Евгеньевич - доктор медицинских наук, заведующий отделением опухолей головы и шеи, 

634009, г. Томск, ул. Кооперативный, 5

Denis E. Kulbakin - MD, DSc, Head of Department of Head and Neck Tumors,

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

kulbakin_d@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3651-0665ЧойнзоновЕ. Л.ChoynzonovE. L.

Чойнзонов Евгений Лхамацыренович - доктор медицинских наук, профессор, академик РАН, директор, 

634009, г. Томск, ул. Кооперативный, 5

Evgeny L. Choynzonov - MD, DSc, Professor, Member of the Russian Academy of Sciences, Director,

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

https://orcid.org/0000-0002-7540-8532ФедороваИ. К.FedorovaI. K.

Федорова Ирина Казановна - аспирант отделения опухолей головы и шеи,

634009, г. Томск, ул. Кооперативный, 5

Irina K. Fedorova - MD, Postgraduate, Department of Head and Neck Tumors,

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

https://orcid.org/0000-0002-0708-7765ОбходскаяЕ. В.ObkhodskayaE. V.

Обходская Елена Владимировна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории химических технологий, химический факультет, 

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

Elena V. Obkhodskaya - PhD, Senior Researcher, Laboratory of Chemical Technologies, Chemical faculty,

36, Lenina St., Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0002-3996-0573ОбходскийА. В.ObkhodskiyA. V.

Обходский Артем Викторович - кандидат технических наук, доцент инженерной школы ядерных технологий,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Artem V. Obkhodskiy - PhD, Associate Professor, School of Nuclear Technology,

30, Lenin St., Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0003-4980-8986РодионовЕ. О.RodionovE. O.

Родионов Евгений Олегович - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отделения торакальной онкологии, 634009, г. Томск, ул. Кооперативный, 5;

ассистент кафедры онкологии, 634050, г. Томск, Московский тракт, 2

Evgeniy O. Rodionov - MD, PhD, Senior Researcher, Department of Thoracic Oncology, 5, Kooperativny St., Tomsk, 634009;

Assistant, Department of Oncology, 2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0001-7866-274XСачковВ. И.SachkovV. I.

Сачков Виктор Иванович - доктор химических наук, заведующий лабораторией химических технологий, химический факультет, 

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

Victor I. Sachkov - DSc, Head of the Laboratory of Chemical Technologies, Chemical faculty, 

36, Lenina St., Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0001-8753-7916ЧерновВ. И.ChernovV. I.

Чернов Владимир Иванович - доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной и инновационной работе, заведующий отделением радионуклидной терапии и диагностики, 

634009, г. Томск, ул. Кооперативный, 5

Vladimir I. Chernov - MD, DSc, Professor, Deputy Director for Science and Innovation, Head of Nuclear Medicine Department,

5, Kooperativny St., Tomsk, 634009

Научно-исследовательский институт онкологии, Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наукРоссияCancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of SciencesRussian FederationФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»РоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»РоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationНаучно-исследовательский институт онкологии, Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук; ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет» Минздрава РоссииРоссияCancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of Sciences; Siberian State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian Federation202329122023226715Copyright © Кульбакин Д.Е., Чойнзонов Е.Л., Федорова И.К., Обходская Е.В., Обходский А.В., Родионов Е.О., Сачков В.И., Чернов В.И., 20242024Кульбакин Д.Е., Чойнзонов Е.Л., Федорова И.К., Обходская Е.В., Обходский А.В., Родионов Е.О., Сачков В.И., Чернов В.И.Kulbakin D.E., Choynzonov E.L., Fedorova I.K., Obkhodskaya E.V., Obkhodskiy A.V., Rodionov E.O., Sachkov V.I., Chernov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/2830

Цель исследования – изучение диагностической возможности сенсорного газоаналитического аппарата при исследовании образцов выдыхаемого газа, полученных у больных раком орофарингеальной области и гортани.

Материал и методы

Материал и методы. Объектом исследования были пробы выдыхаемого газа от 31 больного раком орофарингеальной области и гортани, а также 31 здорового добровольца. Предлагаемый метод основан на анализе проб выдыхаемого газа исследуемых лиц при помощи разработанного авторами диагностического прибора, созданный на детекции летучих соединений в вдыхаемом воздухе посредством набора полупроводниковых сенсоров с последующим нейросетевым анализом.

Результаты

Результаты. По сигналам с данных сенсоров нейронная сеть проводила классификацию и выявление пациентов со злокачественными новообразованиями. Чувствительность и специфичность метода составили 67,74 и 87,1 % соответственно.

Заключение

Заключение. Созданный газоаналитический сенсорный аппарат и метод диагностики опухолей орофарингеальной области и гортани посредством анализа выдыхаемого газа является доступным и дешевым диагностическим этапом и перспективен в отношении скрининга широких слоев населения с целью отбора лиц для комплексного обследования (эндоскопического, рентгенологического и морфологического) при выявлении подозрения на онкологический процесс.

The purpose of the study was to evaluate diagnostic capabilities of the gas analysis sensor device used for the study of exhaled gas samples obtained from patients with oropharyngeal and laryngeal cancers.

Material and Methods

Material and Methods. Exhaled gas samples from 31 oropharyngeal and laryngeal cancer patients and 31 healthy volunteers were studied using a diagnostic device based on the detection of volatile compounds in inhaled air using semiconductor gas sensors with subsequent neural network analysis.

Results

Results. Based on the signals from gas sensors, the neural network classified and identified patients with malignant neoplasms. The sensitivity and specificity of the method were 67.74% and 87.1%, respectively.

Conclusion

Conclusion. The gas analysis sensor device and the method for detecting oropharyngeal and laryngeal tumors using the exhaled gas analysis are an accessible and cheap diagnostic tools, and are promising for screening the population in order to select individuals for a comprehensive examination (endoscopic, radiological and morphological) in identifying suspicion of cancer.

рак орофарингеальной областирак гортанимаркерынеинвазивная диагностикавыдыхаемый воздухсенсорная газоаналитическая системанейронная сетьoropharyngeal cancerlaryngeal cancermarkersnon-invasive diagnosisexhaled airsensor-based gas analyzerneural networkРезультаты получены в рамках выполнения гранта Российского научного фонда № 23-15-00177, URL: https://rscf.ru/project/23-15-00177/.The study was carried out at the expense of a grant Russian Science Foundation No 23-15-00177, URL: https://rscf.ru/project/23-15-00177/ReferencesСостояние онкологическои помощи населению России в 2021 году. Под ред. А.Д. Каприна, В.В. Старинского, А.О. Шахзадовой. М., 2022. 239 с.Cancer care for the population of Russia in 2021. Ed. by A.D. Kaprin, V.V. Starinsky, A.O. Shakhzadova. Moscow, 2022. 239 p. (in Russian).Панферова О.И., Николенко В.Н., Кочурова Е.В., Кудасова Е.О. Этиология, патогенез, основные принципы лечения плоскоклеточного рака слизистой оболочки полости рта. Голова и шея. 2022; 10(2): 69–77. doi: 10.25792/HN.2022.10.2.69-77.Panferova O.I., Nikolenko V.N., Kochurova E.V., Kudasova E.O. Etiology, pathogenesis, basic principles of treatment of squamous cell carcinoma of the oral mucosa. Head and neck. Russian Journal. 2022; 10(2): 69–77. (in Russian). doi: 10.25792/HN.2022.10.2.69-77.The National Comprehensive Cancer Network [Internet]. Clinical Practice Guidelines in Oncology. [cited 2023 May 15]. URL: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/default.aspx.The National Comprehensive Cancer Network [Internet]. Clinical Practice Guidelines in Oncology. [cited 2023 May 15]. URL: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/default.aspx.Harris A., Lyu L., Wasserman-Winko T., George S., Johnson J.T., Nilsen M.L. Neck Disability and Swallowing Function in Posttreatment Head and Neck Cancer Patients. Otolaryngol Head Neck Surg. 2020; 163(4): 763–70. doi: 10.1177/0194599820923630.Harris A., Lyu L., Wasserman-Winko T., George S., Johnson J.T., Nilsen M.L. Neck Disability and Swallowing Function in Posttreatment Head and Neck Cancer Patients. Otolaryngol Head Neck Surg. 2020; 163(4): 763–70. doi: 10.1177/0194599820923630.Krilaviciute A., Stock C., Leja M., Brenner H. Potential of noninvasive breath tests for preselecting individuals for invasive gastric cancer screening endoscopy. J. Breath Res. 2018; 12. doi: 10.1088/1752-7163/aab5be.Krilaviciute A., Stock C., Leja M., Brenner H. Potential of noninvasive breath tests for preselecting individuals for invasive gastric cancer screening endoscopy. J. Breath Res. 2018; 12. doi: 10.1088/1752-7163/aab5be.Bouza M., Gonzalez-Soto J., Pereiro R., de Vicente J.C., SanzMedel A. Exhaled breath and oral cavity VOCs as potential biomarkers in oral cancer patients. J Breath Res. 2017; 11(1). doi: 10.1088/1752-7163/aa5e76.Bouza M., Gonzalez-Soto J., Pereiro R., de Vicente J.C., SanzMedel A. Exhaled breath and oral cavity VOCs as potential biomarkers in oral cancer patients. J Breath Res. 2017; 11(1). doi: 10.1088/1752-7163/aa5e76.Leunis N., Boumans M.L., Kremer B., Din S., Stobberingh E., Kessels A.G., Kross K.W. Application of an electronic nose in the diagnosis of head and neck cancer. Laryngoscope. 2014; 124(6): 1377–81. doi: 10.1002/lary.24463.Leunis N., Boumans M.L., Kremer B., Din S., Stobberingh E., Kessels A.G., Kross K.W. Application of an electronic nose in the diagnosis of head and neck cancer. Laryngoscope. 2014; 124(6): 1377–81. doi: 10.1002/lary.24463.Opitz P., Herbarth O. The volatilome – investigation of volatile organic metabolites (VOM) as potential tumor markers in patients with head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). J Otolaryngol Head Neck Surg. 2018; 47(1): 42. doi: 10.1186/s40463-018-0288-5.Opitz P., Herbarth O. The volatilome – investigation of volatile organic metabolites (VOM) as potential tumor markers in patients with head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). J Otolaryngol Head Neck Surg. 2018; 47(1): 42. doi: 10.1186/s40463-018-0288-5.Chernov V.I., ChoynzonovE.L., KulbakinD.E., Obkhodskaya E.V., Obkhodskiy A.V., Popov A.S., Sachkov V.I., Sachkova A.S. Cancer Diagnosis by Neural Network Analysis of Data from Semiconductor Sensors. Diagnostics. 2020; 10(9). doi: 10.3390/diagnostics10090677.Chernov V.I., ChoynzonovE.L., KulbakinD.E., Obkhodskaya E.V., Obkhodskiy A.V., Popov A.S., Sachkov V.I., Sachkova A.S. Cancer Diagnosis by Neural Network Analysis of Data from Semiconductor Sensors. Diagnostics. 2020; 10(9). doi: 10.3390/diagnostics10090677.Horváth I., Barnes P.J., Loukides S., Sterk P.J., Högman M., Olin A.C., Amann A., Antus B., Baraldi E., Bikov A., Boots A.W., Bos L.D., Brinkman P., Bucca C., Carpagnano G.E., Corradi M., Cristescu S., de Jongste J.C., Dinh-Xuan A.T., Dompeling E., Fens N., Fowler S., Hohlfeld J.M., Holz O., Jöbsis Q., Van De Kant K., Knobel H.H., Kostikas K., Lehtimäki L., Lundberg J., Montuschi P., Van Muylem A., Pennazza G., Reinhold P., Ricciardolo F.L.M., Rosias P., Santonico M., van der Schee M.P., van Schooten F.J., Spanevello A., Tonia T., Vink T.J. A European Respiratory Society technical standard: exhaled biomarkers in lung disease. Eur Respir J. 2017; 49(4). doi: 10.1183/13993003.00965-2016.Horváth I., Barnes P.J., Loukides S., Sterk P.J., Högman M., Olin A.C., Amann A., Antus B., Baraldi E., Bikov A., Boots A.W., Bos L.D., Brinkman P., Bucca C., Carpagnano G.E., Corradi M., Cristescu S., de Jongste J.C., Dinh-Xuan A.T., Dompeling E., Fens N., Fowler S., Hohlfeld J.M., Holz O., Jöbsis Q., Van De Kant K., Knobel H.H., Kostikas K., Lehtimäki L., Lundberg J., Montuschi P., Van Muylem A., Pennazza G., Reinhold P., Ricciardolo F.L.M., Rosias P., Santonico M., van der Schee M.P., van Schooten F.J., Spanevello A., Tonia T., Vink T.J. A European Respiratory Society technical standard: exhaled biomarkers in lung disease. Eur Respir J. 2017; 49(4). doi: 10.1183/13993003.00965-2016.Shakeel P.M., Tolba A., Al-Makhadmeh Z., Jaber M.M. Automatic detection of lung cancer from biomedical data set using discrete AdaBoost optimized ensemble learning generalized neural networks. Neural Computing and Applications. 2020; 32: 777–90.Shakeel P.M., Tolba A., Al-Makhadmeh Z., Jaber M.M. Automatic detection of lung cancer from biomedical data set using discrete AdaBoost optimized ensemble learning generalized neural networks. Neural Computing and Applications. 2020; 32: 777–90.Becker M., Zaidi H. Imaging in head and neck squamous cell carcinoma: the potential role of PET/MRI. Br J Radiol. 2014; 87(1036). doi: 10.1259/bjr.20130677.Becker M., Zaidi H. Imaging in head and neck squamous cell carcinoma: the potential role of PET/MRI. Br J Radiol. 2014; 87(1036). doi: 10.1259/bjr.20130677.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.