Методы исследования физико-механических характеристик и структуры биоминеральных образований, формирующихся в организме человека

Петрухно, Елена Витальевна

Методы исследования физико-механических характеристик и структуры биоминеральных образований, формирующихся в организме человека тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Петрухно, Елена Витальевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы исследования физико-механических характеристик и структуры биоминеральных образований, формирующихся в организме человека»

Автореферат диссертации на тему "Методы исследования физико-механических характеристик и структуры биоминеральных образований, формирующихся в организме человека"

На правах рукописи

. ■ 1/ -'¿'г,

г'/**“ ’’ • ■' -У

005010030 /

Петрухно Елена Витальевна

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СТРУКТУРЫ БИОМИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 О О ИЗ

Барнаул - 2012

005010030

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Поляков Виктор Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор Шайдук Александр Михайлович доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Прокопьев Владимир Егорович

Ведущая организация:

Учреждение Российской Академии наук

Институт водных и экологических проблем Сибирского

отделения РАН

Защита состоится 27 февраля 2012 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.005.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049 г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет».

Автореферат разослан _____января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /,.■/' Д.Д. Рудер

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

В организме человека под действием различных причин формируются патологические биоминеральные образования. Основными и наиболее известными из них являются желчпые и мочевые камни, менее распространены слюнные камни, в последние годы все большее внимание уделяется простатным камням. Эти образования вызывают заболевания и различные патологические процессы. В силу этого важной задачей является разработка новых методов медицинской диагностики биоминеральных образований. Всё большее распространение получают новые методы лечения, позволяющие избежать хирургического вмешательства и основанные на дистанционном разрушении камней внешним механическим воздействием. Важное значение приобретает также профилактика повторного образования камней и реабилитация пациентов после лечения, основанные на знании закономерностей формирования патологических образований.

Разработка новых методов диагностики, лечения и профилактики требует исследования зависимости физико-механических свойств биоминеральных образований от их состава и структуры, поскольку именно эти зависимости определяют результаты как диагностики, так и внешнего воздействия. Такое исследование является весьма сложной задачей в связи с большим разнообразием строения изучаемых объектов и крайней неоднородностью их структуры. Указанные трудности вызывают необходимость создания новых экспериментальных методов и методик измерения, обеспечивающих получение необходимых физико-механических характеристик, а также привлечения новых методов обработки данных. Эта математическая обработка должна обеспечивать адекватный анализ получаемых физико-механических данных и выявлять закономерности поведения исследуемых камней. Таким образом, разработка новых экспериментальных методов и методик изучения физико-механических свойств, состава и структуры патологических биоминеральных образований, а также создание адекватных математических методов анализа, обработки и классификации получаемых экспериментальных данных является одной из актуальных задач современной экспериментальной физики.

Основной целью диссертационного исследования являлась разработка новых экспериментальных подходов к исследованию физико-механических свойств биоминеральных образований, формирующихся в организме человека, и методов математической обработки получаемых экспериментальных данных, обеспечивающих адекватное описание результатов измерений.

В качестве конкретных объектов исследований были выбраны почечные, желчные, слюнные и простатные камни различных составов и с разными морфологическими особенностями.

В соответствии со сформулированной целью в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка экспериментальных методов и реализующих эти методы методик измерения локальных прочностных характеристик биоминеральных агрегатов.

2. Разработка экспериментальных методик для исследования структуры и

элементного состава камней, учитывающих их высокую структурную неоднородность.

3. Выявление корреляционных зависимостей между измеряемыми физико-

механическими характеристиками, позволяющих повысить надежность прогнозирования поведения камней при внешнем механическом воздействии.

4. Разработка метода математической обработки результатов измерений,

обеспечивающего выявление закономерностей в зависимостях исследуемых свойств от состава и структуры и позволяющего прогнозировать поведение биоминеральных образований при внешнем воздействии.

Научная повизна. *

Впервые с единых позиций проведено комплексное исследование физикомеханических свойств и структуры основных видов патологических биоминеральных образований - желчных, почечных, слюнных и простатных камней: Предложены экспериментальные методики изучения микроструктуры камней, позволяющие выявить закономерности формирования их основных свойств. Разработан экспериментальный метод изучения физико-механических характеристик, заключающийся в проведении раздельных измерений для отдельных структурных элементов биоминеральных агрегатов.

Предложено и обосновано применение измерений микротвердости для описания локальных прочностных свойств почечных, желчных, слюнных и простатных камней. Установлены закономерности распределения химических элементов по отдельным структурным элементам камней разных видов. Впервые проведено экспериментальное исследование структуры, состава и физико-механических свойств такого вида биоминеральных образований, как простатные камни.

Предложены и апробированы методы математической обработки результатов измерений характеристик биоминеральных агрегатов, использующие проекционные методы многомерного анализа данных - метод главных компонент и метод проекций на латентные структуры. Проведенная математическая обработка дала возможность прогнозировать результат разрушения камней при механическом воздействии на основе данных рентгеновских измерений in vivo.

Практическая ценность.

Разработанные методы и предложенные методики могут быть применены для создания новых методов диагностики основных характеристик биоминеральных образований, формирующихся в организме человека. Полученные экспериментальные данные и выявленные корреляции между физико-механическими характеристиками, элементным составом и микроструктурой почечных, желчных, слюнных и простатных камней могут быть использованы для выявления особенностей формирования соответствующих патологических образований. Предложенные методы математической обработки результатов измерений могут быть использованы для прогнозирования поведения биоминеральных агрегатов при внешнем воздействии, в том числе на основе измерений in vivo, и для выбора оптимальных физических параметров при дистанционном разрушении камней.

Результаты работы внедрены в медицинских учреждениях и использованы при проведении ударно-волновой литотрипсии. Они использованы также при подготовке учебных дисциплин для студентов, специализирующихся по направлению «Медицинская физика».

Достоверность и обоснованность.

Достоверность полученных результатов достигается корректностью постановки решаемых задач, применением современных методов исследования (электронной микроскопии, рентгеновского микроанализа), большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью, корректным использованием математических методов обработки и анализа данных, а также сопоставлением с результатами других авторов.

На защиту выносятся: _

1. Предложенный экспериментальный метод исследования биоминеральных образований, заключающийся в измерении микротвердости для отдельных областей, позволяющий выявить определяющую роль структурных элементов для анализа поведения камней в условиях внешнего воздействия.

2. Предложенные экспериментальные методики исследования микроструктуры и распределений элементного состава по шлифам камней, позволяющие установить особенности структуры и состава различных видов биоминеральных агрегатов.

зависимостей физико-механических свойств от структуры и дающий возможность прогнозировать разрушение биоминеральных образований на основе рентгеновских данных.

Апробация работы

Региональная научно-практическая конференции урологов Сибири (г. Бийск, 2004 г.), «ВНКСФ - 13» (г. Ростов-на Дону, Таганрог, 2007 г.), «ВНКСФ - 15» (г. Кемерово, Томск, 2009 г.), III Евразийский конгресс «Медицинская физика - 2010» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации

Содержание диссертации изложено в 16 публикациях, в том числе в 4 публикациях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 120 страниц, 65 рисунков, 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает 110 наименований.

Содержание работы

Во введении отражены актуальность, цель и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость результатов, дана краткая характеристика работы.

В первой главе «Структура и физико-механические свойства биоминеральных образований» рассмотрены основные виды биоминеральных образований. Представлены существующие на сегодняшний день методы исследования состава и структуры, а также физико-механических характеристик различных видов камней.

К биоминеральным относятся образования, состоящие из минеральных и органических веществ, возникшие в живом организме при его участии или в результате замещения отмершего органического вещества минеральным. Эти образования весьма разнообразны и имеют много различий, в то же время их объединяет ряд общих закономерностей формирования и развития.

К наиболее распространенным видам патологических биоминеральньк образований относят: камни мочевыводящей системы, желчные камни, камни

предстательной железы и слюнные камни. Каждый из этих видов можно рассматривать как отдельную группу, в которой есть своя классификация. Камни мочевыводящей системы по химическому составу обычно подразделяют на уратные, оксалатные, фосфатные и другие. Эти камни имеют достаточно разнообразный внешний вид, пример такого камня приведен на рис. 1а.

Для желчных камней таких четких классификационных критериев, определяющих принадлежность к тому или иному виду, не имеется, часто используется классификация по морфологическому типу - гранулированные, слоистые, аморфнослоистые, шлакоподобные камни и т.д. (рис. 16). Слюнные камни имеют более однородное слоистое строение (рис. 1в). Близки по морфологическим признакам к мочевым камням простатные камни (рис. 1г).

л?

I I I I I I

О 10 20 30 40 50

¿, НМ б

Рис. 1. Биоминеральные образования.

а - мочевой камень, б - желчные камни, в - слюнной камень, г - простатные камни.

Специфика состава биоминеральных образований, проявляющаяся в большом разнообразии химических элементов и соединений, образующие отдельные области этих агрегатов, а также особенности структуры, связанные с ее крайней неоднородностью, выдвигает повышенные требования к физическим методам исследования. Кроме этого, особое значение приобретают методы статистической обработки получаемых результатов, которые должны позволите в большом объеме опытных данных выявить латентные закономерности. Анализируемые в данной главе методы исследований разделены на такие группы, как изучение структуры, элементного и фазового состава камней, механических, прочностных и физических свойств камней. Нужно отметить, что если для таких камней, как мочевые и желчные, методы исследования состава, структуры и основных свойств достаточно апробированы, то слюнные камни изучены слабее, а простатные практически не изучены. В разделе отмечается важность комплексного исследования основных групп камней с единых позиций.

В заключительном разделе главы содержится постановка задачи исследования.

Во второй главе «Исследование структуры и состава желчных, мочевых, слюнных и простатных камней» рассмотрены методы изучения строения и состава биоминеральных образований.

Для описания макро- и мезоскопического строения изучаемых объектов использовалась оптическая микроскопия, которая включала в себя последовательное исследование морфологических и структурных характеристик камней различного происхождения. При проведении анализа структуры использовались шлифы, подготовка которых проводилась по специально разработанной методике, позволявшей сохранить целостность внутренних областей камня.

Отличительной чертой камней являлись текстуро-структурные особенности, которые определяются генезисом агрегатов. У ряда биоминеральных образований наблюдалось периодическое строение, что являлось отражением биологических

ритмических процессов при формировании камня. По виду шлифов можно выделить основные виды структуры: радиально-лучистую (сферолитовое строение),

концентрически-зональную, призматически-слоистую, однородную и некоторые другие. Типичные виды исследованных шлифов для камней разных видов приведени и? рис. 2 - 5.

В результате оптических исследований были выделены макро- и мезоскопические особенности строения. Было предложено выделять при анализе структуры такие основные структурные элементы, как ядра, вокруг которых происходило формирование камней, внешняя область и оболочка, концентрические слои и лучи для камней с периодическим строением, поры и аморфные включения для камней с преимущественно однородным и изотропным строением (рис. 2 - 5).

а б

Рис. 2. Шлифы желчных камней, а - сферолитовое строение, б - зональное строение.

Л IPf • •. Wi • t

'¿V IV It//

а б

Рис. 4. Шлифы слюнных камней, а - с несколькими ядрами, б - с одним ядром.

Рис. 3. Шлифы мочевых камней, а - с однородным строением, б - с зональным строением.

! и

Рис. 5. Шлифы простатных камней со сферолитовым строением.

Для выявления особенностей формирования отдельных структурных элементов камней был использован метод растровой электронной микроскопии. В этом методе проводится детектирование сигналов, создаваемых потоком вторичных электронов, и получаются микрофотографии выделенных участков поверхности с наглядным изображением ее топографии и высоким разрешением. Подробные исследования микроструктуры были проведены на примере желчных камней. Разработанная методика электронно-микроскопического исследования заключалась в изучении микроструктуры изломов камней, для чего на свежие изломы наносились реплики. Типичные микрофотографии изломов желчных камней разных видов, полученные на растровом электронном микроскопе TESLA BS300, приведены на рис. 6а - 66. Анализ микрофотографий показал, в частности, что все многообразие состава и структуры ядер желчных камней можно свести к трем видам: один вид состоял из аморфного вещества, другой - из холестерина и волокнистых структур, третий - из аморфного пигмента и небольшого количества кристаллов холестерина. Результаты исследований показали, что существует значимое отличие в структуре ядер и промежуточных частей. Это

свидетельствует о необходимости раздельного учета различных структурных элементов при изучении свойств камней.

V Г

л ' > Ч ä'V‘ Ш.-

.. .v*;. t "■л..1

"'Л . г - . " ’

"\ ;* •; \‘/ ..

Рис. б. Электронная микроскопия желчных камней, а - излом камня смешанного типа, х 2000, б - излом пигментного камня, х 500, в - ядро холестеринового камня, х 5000, г - ядро холестеринового камня, х 5000.

Принципиальное значение для прогнозирования поведения камней при внешних воздействиях имеет элементный состав соединений. Особенностью состава является большой разброс в значениях концентраций химических элементов при переходе от одного структурного элемента к другому. Это делает важной задачей разработку новых методов исследования элементного состава - не интегрального значения концентраций химических элементов в камне в целом, как исследовалось до настоящего времени, а установление распределения этих элементов по объему. Для решения такой задачи была привлечена растровая электронная микроскопия, обеспечившая проведение микроанализа в небольших областях шлифов на заранее выделенных участках структурных элементов. Физическая сущность микроанализа заключается в генерировании потоком первичных электронов характеристического рентгеновского излучения, по спектру которого выявляются элементный состав и концентрации химических элементов в малом объеме образца, облученного узким электронным пучком. Непосредственные измерения осуществлялись на растровом электронном микроскопе Phillips SEM 515, при этом погрешность в определении концентраций химических элементов не превышала 6%, пространственное разрешение микроанализа составляло 1,0x1,0x5,0 мкм.

Для проведения исследований образцы подготавливались по специально разработанной методике: камни предварительно закреплялись в эпоксидной смоле, затем из них изготавливались плоские шлифы и вырезались фрагменты размером не более 20x20x20 мм с плоской поверхностью. Измерения проводились вдоль наиболее информативной секущей шлифа, пересекавшей ядро камня, его отдельные структурные элементы и приграничные области. Результаты измерений представлялись в виде зависимостей относительных массовых, концентраций химических элементов С от расстояния вдоль секущей на фрагменте камня.

Типичные результаты измерений на примере желчного и мочевого камней приведены на рис. 7 и рис. 8. Эти рисунки показывают, что зависимости концентраций от расстояния позволяют выделить существенные различиях в элементном составе отдельных областей одного и того же камня. Так, в случае приведенного на рис. 7 желчного камня концентрация углерода в ядре ниже, чем в окружающих слоях, почти в два раза, а концентрация кальция - значительно выше. Это обусловлено качественными различиями состава исходной неоднородности, вокруг которой образуется камень, и последующих слоев. Для мочевого камня (рис. 8) ситуация противоположная. Таким образом, предложенный метод исследования элементного состава может быть использован для анализа формирования структуры и свойств патологических биоминеральных образований.

Рис. 7. Распределение концентраций химических элементов в желчном камне, а: 1 - углерод, 2- кальций, 3 - кислород, 4 - алюминий, 5 - кремний, 6 - сера, 7 - хлор;

б - шлиф камня.

Рис. 8. Распределение концентраций химических элементов в мочевом камне, а: 1 - углерод, 2- кальций, 3 - кислород, 4 - натрий, 5 - хлор, 6 - кальций, 7 - сера;

б - шлиф камня.

В третьей главе «Физико-механические характеристики камней» рассмотрены экспериментальные методы изучения ряда физико-механических характеристик биоминеральных образований.

Разрушение камней при механическом воздействии определяется особенностями их строения. Проведенные в работе эксперименты с разрушением мочевых и желчных камней со сферолитовой и зональной структурой показали, что образование осколков происходит по наиболее ослабленным прослойкам - краям сферических зон или радиальным лучам. Таким образом, для описания и прогнозирования разрушения необходимо знать локальные прочностные характеристики отдельных структурных элементов.

В диссертационной работе предложен метод исследования прочностных свойств и разрушения камней, заключающийся в измерении распределения микротвердости шлифов вдоль наиболее информативных секущих. Величина микротвердости HV, характеризующая малые участки и тонкие слои образцов, определялась по методу Виккерса. Число твердости по Виккерсу является условной единицей и определяется по формуле

2-Psin а /2 с2 ’

где Р — нагрузка, а - угол между противоположными гранями вдавливаемой в поверхность пирамиды при вершине, равный 136°; с - среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки. Размер отпечатка подбирался достаточно малым для того, чтобы располагаться в пределах одного структурного элемента, поэтому значения с изменялись в интервале 0,01...0,1 мм. Это обеспечивало возможность провести от 10 до 100 измерений на одном шлифе. Специально разработанная методика подготовки поверхностных слоев образцов, а также задаваемая нагрузка (находившаяся в пределах от 0,002Н), обеспечивали корректность и достаточную точность измерений.

Результаты измерений представлялись в виде зависимостей значений микротвердости HV от относительного расстояния d/D, где d—расстояние от поверхности камня до точки измерения вдоль секущей, D—диаметр камня в направлении сечения. Такое представление позволяло выявлять общие закономерности в поведении микротвердости камней разного размера.

HV, Н/мм1

,----1---,-------1—, oJ- - -•- -■

О 5 10 15 20 ® e.J М о,в (1,8 1

d, мм Л/Ъ

а б

Рис. 9. Микротвердость желчного камня, а - шлиф мочевого камня, б - зависимость микротвердости от относительного расстояния вдоль секущих: 1 - АА, 2 -ВВ, 3 - СС.

На рис. 9 - 12 в качестве примера приведены зависимости микротвердости от относительного расстояния для представителей камней разных видов. На микрофотографиях шлифов (рис. 9а - рис. 12а) указаны секущие, вдоль которых проводились измерения. На рис. 96 представлены результаты для желчного камня с отчетливым разделением области ядра и окружающих слоев. На рис. 106 изображены аналогичные данные для одного из мочевых камней. На рис. 116 приведена микротвердость для слюнного камня, образовавшегося в результате срастания нескольких камней с разными ядрами; на рисунке отчетливо наблюдаются высокие значения НВ для области ядер. Рис. 126 представляет результаты измерения микротвердости для простатного камня.

I—1—I—I—1 О 5 10 15 20

<1, мм

Рис. 10. Микротвердость мочевого камня, а - шлиф мочевого камня, б - зависимость микротвердости от относительного расстояния вдоль секущей.

НУ.Н/мм3 НУ.Н/ММ*

Рис. 11. Микротвердость слюнного камня, а - шлиф мочевого камня, б - зависимости микротвердости от относительного расстояния вдоль секущих АА, ВВ, СС, 00 соответственно.

У і 14 т 1 JI чг Í

02 0,4 б 0,6 0,8 1

d/D

Рис. 12. Микротвердость простатного камня, а -шлиф мочевого камня, б - зависимость микротвердости от относительного расстояния вдоль секущих: 1 - АА, 2 -ВВ, 3 - СС.

Чувствительность метода измерений микротвердости, а также его практическую значимость иллюстрирует проведенный в работе анализ медикаментозного воздействия на простатные камни. Клинические испытания показали улучшение состояния пациентов после воздействия на простатные камни препаратов на основе рапы. Исследование результатов медикаментозного воздействия проводилось путем измерений микротвердости для двух групп камней - подвергавшихся и не подвергавшихся действию препарата, с последующим расчетом средних по областям ядра и внешних слоев значений НВ. Результаты измерений, приведенные на рис. 13, показали, что форма и размер образований сохранялись, при этом действие препарата вызывало снижение твердости внешних областей камней, что, по-видимому, и обуславливало положительный клинический эффект.

НУ. Нмм:

юоот.............................................. :

Ядро

1 2 Оболочка

Рис. 13. Среднее значение микротвердости простатных камней.

1 - до медикаментозного воздействия, 2 - после воздействия.

Особое значение имеют измерения характеристик биоминеральных образований непосредственно в организме человека (in vivo). Наиболее информативным методом исследования и диагностики в этом случае является рентгеновская компьютерная томография. Возможности современной компьютерной томографии позволяют получать

томографические сканы камней, размеры которых превышают несколько миллиметров. В настоящей работе для анализа физико-механических свойств использовались значения рентгеновской томографической плотности, полученные in vivo для мочевых камней на томографе Lightspeed-16. Типичное изображение мочевого камня, снятое с рентгеновского томографа, с выделением секущей, вдоль которой проводились количественные измерения, приведено на рис. 14а. Данные измерений обрабатывались и представлялись в виде гистограмм, описывавших зависимость рентгеновской томографической плотности I в условных единицах по шкале Хаусфилда от расстояния до точки измерения вдоль заданной секущей. Гистограмма, полученная для мочевого камня, изображенного на рис. 14а, приведена на рис. 146. Из рис. 146 следует, что гистограмма имеет достаточно сложный вид, который определяется как химическим составом камня, так и его строением - плотностью, пористостью, наличие микротрещин и тд. Другими словами, можно предположить, что значения рентгеновской томографической плотности должны коррелировать с прочностными свойствами камней и их поведением при внешнем воздействии.

Для проверки данного предположения мочевые камни, исследованные in vivo, после хирургического извлечения подвергались испытаниям на микротвердость по изложенной выше методике. Результаты совместных измерений рентгеновской томографической плотности и микротвердости обрабатывались с помощью регрессионного анализа. Коэффициенты корреляции г рассчитывались как

Cov(x.y) г ------

V.XVy ’

где сгх (гу-среднеквадратичное отклонение, Cov(x,y)~ коэффициент ковариации:

ММ

Рис. 14. Рентгеновская томографическая плотность мочевого камня, а - томограмма мочевого камня с указанным направлением измерений; б - гистограмма зависимости рентгеновской томографической плотности от расстояния вдоль

выделенной секущей.

|]Г (х,-хХу,~у) 1 n _ _

Cov(x,y) = - x)(yi -у) >

п(п - 1) П

I ни

250(1 2000 1500 1000 500

О 2 4 6 8 10 12 (),

здесь п - число измерений; х,, у, - измеренные значения соответствующих величин; х, у - их средние значения. Результаты расчетов показали высокое значение коэффициента корреляции (г - 0,95), полученная корреляционная кривая изображена на рис. 15.

950

900

850

300

750

700

600

1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900

I, ЕС

Рис. 15. Корреляционная зависимость между микротвердостью и томографической плотностью для мочевого камня.

В четвертой главе «Применение методов многомерного анализа для математической обработки экспериментальных данных» предложен метод математической обработки результатов комплексных измерений, основанный на привлечении проекционных методов многомерного анализа данных. Такой подход позволяет использовать максимально возможное число исходных признаков, описывающих различные характеристики исследуемых объектов, и дает возможность выявить латентные (скрытые) закономерности в больших объемах экспериментальных данных.

Сущностью проекционных методов является замена исходных данных и геометрической проекцией на подпространство, которое ориентируют таким образом, чтобы выявить только вариацию данных, обусловленную рассматриваемой задачей. И методе главных компонент для оптимизации подпространства используется следующий принцип. Первый вектор, определяющий ориентацию подпространства, направлен вдоль наибольшей вариации данных в исходном пространстве (первая главная компонента), второй вектор перпендикулярен первому и ориентирован вдоль следующего по значению направления вариации данных (вторая главная компонента) и т.д. В случае необходимости установить зависимости между исходными данными и информативными характеристиками объектов предпочтительным является метод проекций на латентные структуры. В нем при оптимизации факторного подпространства учитывается не только вариация данных X, но и вариация переменных У, значения которых необходимо предсказывать. В обоих методах используется представление результатов в виде так называемых графиков счетов, которые показывают расположение проекций исследуемых объектов на пространство главных компонент, при этом близость точек на графике означает сходство соответствующих свойств объекта.

Для использования метода главных компонент было предложено проводить подготовку исходных данных путем усреднения результатов измерений по основным структурным элементам камней. В качестве таких элементов выбирались области ядер,

вокруг которых происходило формирование агрегатов, промежуточные сдои и оболочки камней. Полученный набор значений представлялся в виде матрицы исходных данных X, имевшей размерность п х/?, где п- число структурных элементов исследованных камней, р — число переменных. Такими переменными являлись усредненные значения относительных концентраций С химических элементов и микротвердостей ЯК Непосредственные вычисления проводились с помощью пакета программ ипзсгатЫег, предоставленного правообладателем. Результаты расчетов представлялись в виде графика счетов по первой РС1 и второй РС2 главным компонентам. Каждая точка на этих графиках соответствовала набору физико-механических характеристик для одного из структурных элементов какого-либо из исследованных камней.

Для апробации метода главных компонент было проведено сопоставление экспериментальных данных, полученных для камней всех исследованных групп. Полученные графики счетов приведены на рис. 16 для первой РС1 и второй РС2 главных компонент. На ряс. 16 наблюдается распределение точек внутри компактных областей, соответствующих камням определенного вида. Частично перекрывающееся расположение точек, относящихся к желчным и мочевым камням, отражает, по-видимому, определенную близость измерявшихся характеристик этих образований.

30 — и □ - 1

°о а « и в □ о и

0 — □ « 0-2

- ж Д-3

'30 —1 ^ГУ~4

- 1 А V

-Б0 —

- А Д

-90 — РС1

-200 -100 0 100 200 300 400

Рис. 16. График счетов для физико-механических характеристик желчных, мочевых, слюнных и почечных камней.

1 — желчные, 2 — мочевые, 3 — слюнные, 4 — простатные камни, белые точки - область ядер, черные точки - промежуточные зоны.

Предложенный метод позволяет провести непосредственное сопоставление данных, относящихся к конкретным структурным элементам. Такой анализ был проведен на примере желчных и почечных камней. На рис. 17 приведены результаты расчетов для желчных камней. Из рисунка видно, что точки, относящиеся к промежуточным зонам, образуют относительно компактную область в пространстве первых главных компонент, в то же время ядра камней представлены точками, распределенными по всему графику. Такое расположение точек на графике счетов свидетельствует о том, что происхождение исходных органо-минеральных сгустков, вокруг которых формировались камни, было различным, что и вызвало различия в признаках, характеризующих соответствующие области. В то же время зоны, образовывавшиеся вокруг ядер при росте камней, подчинялись общим закономерностям формирования и имели более близкие характеристики.

Рис. 17. График счетов для желчных камней.

1 - область ядер, 2 - промежуточные зоны.

В третьей главе на примере мочевых камней была установлена корреляция между рентгеновской томографической плотностью и микротвердостью, характеризовавшей механические свойства отдельных областей биоминеральных агрегатов. Эта корреляция свидетельствовала о том, что полученные in vivo рентгеновские данные могут быть использованы для прогнозирования деформационного поведения и разрушения камней при внешнем механическом воздействии. В диссертационной работе на примере мочевых камней предложена и апробирована математическая обработка экспериментальных рентгеновских данных, дающая возможность прогнозировать результат такого воздействия при ударно-волновой литотрипсии.

Для обработки использовался метод проекций на латентные структуры, в котором считались известными как дескрипторы (распределения рентгеновской плотности), так и отклики (результаты разрушения камней при литотрипсии). В качестве матрицы признаков X использовались распределения рентгеновской томографической плотности в мочевых камнях. Эта матрица имела размерность п*р, где п - число образцов, р - число переменных, в качестве которых использовались значения рентгеновской плотности. Матрица откликов Y строилась следующим образом: в качестве откликов использовались результаты, полученные при ударно-волновой литотрипсии, а также измерявшиеся геометрические размеры камней.

Полученный график счетов, приведенный на рис. 18, выявил значительное влияние на результат разрушения такой характеристики, как размер камня. В связи с этим обстоятельством для адекватной интерпретации рентгеновских данных все камни были разбиты на три группы с близкими значениями размеров. Для того, чтобы подтвердить решающую роль размера, используемый метод был применен отдельно для каждой группы камней. На рис. 19 представлен график счетов для камней с размером 17 ... 30 мм. Разделение точек на компактные области, соответствовавшие разрушенным и неразрушенным камням, свидетельствует о возможности прогнозирования результатов внешнего механического воздействия.

Рис. 18. График счетов для почечных камней.

Размеры камней: 1 -17 ... 30 мм, 2 - 8 ... 16 мм, 3 - 5 ... 7 мм, белые точки - разрушенные камни, черные точки - неразрушенные камни.

и -|

Рис. 19. График счетов для камней с размером 17 ... 30 мм.

1 - разрушенные камни, 2 - неразрушенные камни.

Предложенный метод математической обработки данных рентгеновских измерений и полученные на его основе результаты были внедрены в медицинскую практику в Алтайской краевой клинической больнице, где они использовались для подбора оптимальных физических параметров импульсного ударно-волнового воздействия на мочевые камни.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по работе.

Основные результаты и выводы

В диссертационной работе впервые с единых позиций проведено комплексное экспериментальное исследование физико-механических свойств основных видов патологических биоминеральных образований: желчных, мочевых, слюнных и

простатных камней. По специально разработанным экспериментальным методикам были проведены исследования микроструктуры, включающие оптическую и электронную микроскопию, осуществлены измерения микротвердости, характеризующие локальные

прочностные свойства, изучены экспериментальные распределения рентгеновской плотности и элементного состава. Дня анализа экспериментальных данных, отличающихся большим разбросом в связи с неоднородным строением камней, был предложен метод математической обработки, основанный на применении аппарата многомерного анализа данных.

Полученные результаты позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Предложены экспериментальные методы исследования строения и элементного

состава различных видов биоминеральных агрегатов, позволившие выявить особенности микроструктуры и распределения элементного состава в мочевых, желчных, слюнных и простатных камнях. .

2. Предложен и апробирован метод исследования локальных прочностных свойств камней, основанный на измерениях распределений микротвердости по шлифу камня.

3. Экспериментально установлено, что для интерпретации физико-механических свойств биоминеральных агрегатов и анализа их поведения при внешнем воздействии необходимо проведение измерений для отдельных структурных элементов камней.

4. На основе предложенных экспериментальных методик впервые проведено исследование структуры и свойств простатных камней.

5. Предложены методы математической обработки результатов измерений физикомеханических характеристик биоминеральных агрегатов, основанные на применении проекционных методов многомерного анализа данных.

6. На основе предложенных методов математической обработки выявлены зависимости между значениями микротвердостей и концентраций химических элементов и типом структурных элементов исследованных камней.

7. Установлена корреляция между рентгеновской плотностью биоминеральных образований, измерявшейся in vivo, и прочностными свойствами, обеспечивающая возможность прогнозирования разрушения камней при механическом воздействии.

Список публикаций по теме диссертации

1. Поляков В.В., Устинов Г.Г., Петрухно Е.В. Исследование состава и структуры желчных камней с помощью растровой электронной микроскопии // Медицинская физика. 2010. № 4 (48). С .71- 78.

2. Поляков В.В., Устинов Г.Г., Петрухно Е.В. Применение многомерного анализа данных к исследованию физико-механических характеристик биоминеральных образований // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. №12. С.37-41.

3. Поляков В.В., Неймарк А.И., Коротких П.Г., Петрухно Е.В. Применение рентгеновской томографии для прогнозирования поведения почечных камней при дистанционном механическом воздействии //Известия АлтГУ. 2008. JY» 3. С. 80-85.

4. Устинов Г.Г., Неймарк А.И., Поляков В.В., Петрухно Е.В. Исследование элементного состава различных видов биоминеральных образований в организме человека // Известия АлтГУ. 2009. JV» 3, С. 57-63.

5. Поляков В.В., Фефелов A.B., Петрухно Е.В. Исследование прочностных свойств слюнных камней // Известия АлтГУ. 2005. № 1. С. 136-141.

6. Неймарк А.И., Поляков В.В., Газаматов A.B., Приймак Г,А., Петрухно Е.В. Исследование прочностных свойств простатных камней // Матер, науч.-практ. конф. урологов Сибири. Бийск, 2004. С. 11-12.

7. Газаматов A.B., Приймак Г.А., Петрухно Е.В. Исследование механических свойств простатных камней // Сб. “Физика, радиофизика - новое поколение в науке”. Выпуск 4. Издательство АлтГУ, Барнаул, 2004. С. 126 - 129.

8. Приймак Г.А., Петрухно Е.В. Исследование прочностных свойств простатных камней // Матер, науч.-практ. конф. «Молодежь - Барнаулу». Барнаул, 2004. С. 306.

Петрухно Е.В.. Поляков В.В., Неймарк А.И., Газаматов A.B. Метод исследования простатных камней// Матер. II Евразийского конгресса «Медицинская физика - 2005» М ■ Изд-во МГУ, 2005. С. 368. ' "

*. Поляков В.В., Устинов Г.ГПетрухно Е.В., Фефелов A.B. Исследование структуры

и механических свойств слюнных камней // Матер. II Евразийского конгресса «Медицинская физика - 2005». М.: Изд-во МГУ, 2005. С. 369.

. Петрухно Е.В. Исследование механических свойств биоминералышх образований

в организме человека // Матер. Всерос. конф. «ВНКСФ - 13», Ростов-на -Лону Таганоог 2007. F ’

. Неймарк А.И., Поляков В.В., Коротких П.Г., Петрухно Е.В. Роль структуры

уролигов в прогнозировании результатов дистанционной лиготриисии // Сб. «Актуальные вопросы клинической медицины», Барнаул, 2008, С. 72-76.

. Петрухно Е.В. Применение рентгеновских томографических данных к

прогнозированию разрушения почечных камней // Матер. Всерос. конф «ВНКСФ - ¡5», Кемерово, Томск: Изд-во Екатеринбург, 2009. ’

Устинов Г.Г., Поляков В.В., Петрухно Е.В. Исследование структуры желчных камней с помощью электронной сканирующей микроскопии // Вестник CAII ВШ 2009 №

9. С. 102-107. ' *

Петрухно Е.В., Поляков В.В., Устинов Г.Г. Применение электронной сканирующей микроскопии для изучения структуры желчных камней И Матер. III Евразийского конгресса «Медицинская физика - 2010». Т. 4. М.: Изд-во МГУ, 2010. С. 152-153.

Петрухно Е.В., Поляков В.В., Устинов Г.Г. Исследование элементного состава желчных и слюнных камней // Матер. III Евразийского конгресса «Медицинская физика -2010». Т. 4. М.: Изд-во МГУ, 2010. С. 154-156.

Подписано в печать 17.01.2012. Формат 60x84 ’Л6.

Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ I -

Типография Алтайского государственного университета 656049, г. Барнаул, ул. Димитрова, 66

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Петрухно, Елена Витальевна, Барнаул

61 12-1/696

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

На правах рукописи

Петрухно Елена Витальевна

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СТРУКТУРЫ БИОМИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В ОРГАНИЗМЕ

ЧЕЛОВЕКА

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор В.В. Поляков

Барнаул - 2012

Содержание

Введение..................................................................................................................4

Глава 1. Структура и физико-механические свойства биоминеральных образований..........................................................................................................10

1.1. Классификация и строение биоминеральных образований, формирующихся в организме человека...........................................................10

1.2. Методы исследования состава, структуры и физико-механических

свойств биоминеральных образований............................................................19

1.3 Постановка задачи.........................................................................................25

Глава 2. Исследование структуры и состава желчных, мочевых, слюнных и простатных камней...........................................................................................28

2.1. Применение оптической микроскопии к анализу строения камней... 28

2.2. Применение электронной микроскопии к изучению микроструктуры биоминеральных агрегатов................................................................................36

2.3. Исследование элементного состава на основе рентгеноспектрального

микроанализа........................................................................................................42

Глава 3. Физико-механические характеристики камней..............................55

3.1. Исследование микротвердости шлифов патологических биоминеральных образований...........................................................................55

3.2. Применение метода компьютерной рентгеновской томографии к изучению свойств камней....................................................................................77

3.3. Корреляционные зависимости между физико-механическими

характеристиками биоминеральных образований.........................................87

Глава 4. Применение методов многомерного анализа для математической обработки экспериментальных данных.............................91

4.1. Проекционные методы многомерного анализа данных в применимости к исследованию свойств биоминеральных образований... 91

4.2. Применение метода главных компонент к анализу микротвердости и элементного состава............................................................................................95

4.3. Применение метода проекции на латентные структуры к анализу

рентгеновских данных и разрушения камней..............................................100

Заключение.........................................................................................................107

Список литературы...................................... ......................................................109

Введение

В организме человека под действием различных причин формируются патологические биоминеральные образования. Основными и наиболее известными из них являются желчные и мочевые камни, менее распространены слюнные камни, в последние годы все большее внимание уделяется простатным камням. Эти образования вызывают заболевания и различные патологические процессы. В силу этого важной задачей является разработка новых методов медицинской диагностики биоминеральных образований. Всё большее распространение получают новые методы лечения, позволяющие избежать хирургического вмешательства и основанные на дистанционном разрушении камней внешним механическим воздействием. Важное значение приобретает также профилактика повторного образования камней и реабилитация пациентов после лечения, основанные на знании закономерностей формирования патологических образований.

изучения физико-механических свойств, состава и структуры патологических биоминеральных образований, а также создание адекватных математических методов анализа, обработки и классификации получаемых экспериментальных данных является одной из актуальных задач современной экспериментальной физики.

В соответствии со сформулированной целью в работе были поставлены следующие задачи:

2. Разработка экспериментальных методик для исследования структуры и элементного состава камней, учитывающих их высокую структурную неоднородность.

3. Выявление корреляционных зависимостей между измеряемыми физико-механическими характеристиками, позволяющих повысить надежность прогнозирования поведения камней при внешнем механическом воздействии.

4. Разработка метода математической обработки результатов измерений, обеспечивающего выявление закономерностей в зависимостях исследуемых свойств от состава и структуры и

'! 5

позволяющего прогнозировать поведение биоминеральных образований при внешнем воздействии.

Научная новизна.

Впервые с единых позиций проведено комплексное исследование физико-механических свойств и структуры основных видов патологических биоминеральных образований - желчных, почечных, слюнных и простатных камней: Предложены экспериментальные методики изучения микроструктуры камней, позволяющие выявить закономерности формирования их основных свойств. Разработан экспериментальный метод изучения физико-механических характеристик, заключающийся в проведении раздельных измерений для отдельных структурных элементов биоминеральных агрегатов.

Предложено и обосновано применение измерений микротвердости для описания локальных прочностных свойств почечных, желчных, слюнных и простатных камней. Установлены закономерности распределения химических элементов по отдельным структурным элементам камней разных видов. Впёрвые проведено экспериментальное исследование структуры, состава и физико-механических свойств такого вида биоминеральных образований, как простатные камни.

Предложены и апробированы методы математической обработки результатов измерений характеристик биоминеральных агрегатов, использующие проекционные методы многомерного анализа данных -метод главных компонент и метод проекций на латентные структуры. Проведенная математическая обработка дала возможность прогнозировать результат разрушения камней при механическом воздействии на основе данных рентгеновских измерений in vivo.

Практическая ценность.

Разработанные методы и предложенные методики могут быть применены для создания новых методов диагностики основных

характеристик биоминеральных образований, формирующихся в организме человека. Полученные экспериментальные данные и выявленные корреляции между физико-механическими

характеристиками, элементным составом и микроструктурой почечных, желчных, слюнных и простатных камней могут быть использованы для выявления особенностей формирования соответствующих паталогических образований. Предложенные методы математической обработки результатов измерений могут быть использованы для прогнозирования поведения биоминеральных агрегатов при внешнем воздействии, в том числе на основе измерений in vivo, и для выбора оптимальных физических параметров при дистанционном разрушении камней.

Результаты работы внедрены в медицинских учреждениях и использованы при проведении угарно-волновой литотрипсии. Они использованы также при подготовке учебных дисциплин для студентов, специализирующихся по направлению «Медицинская физика».

Достоверность и обоснованность.

На защиту выносятся: 1. Предложенный экспериментальный метод исследования биоминеральных образований, ' заключающийся в измерении микротвердости для отдельных ; областей, позволяющий выявить

определяющую роль структурных элементов для анализа поведения камней в условиях внешнего воздействия.

3. Метод математической обработки результатов измерений, основанный на применении проекционных методов многомерного анализа данных, позволяющий провести адекватный анализ зависимостей физико-механических свойств от структуры и дающий возможность прогнозировать разрушение биоминеральных образований на основе рентгеновских данных.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: II Евразийский конгресс «Медицинская физика - 2005» (г. Москва, 2005 г.); Региональная научно-практическая конференция «Молодежь-Барнаулу» (г. Барнаул, 2004 г.), Региональная научно-практическая конференции урологов Сибири (г. Бийск, 2004 г.), «ВНКСФ - 13» (г. Ростов-на Дону, Таганрог, 2007 г.), «ВНКСФ - 15» (г. Кемерово, Томск, 2009 г.), III Евразийский конгресс «Медицинская физика - 2010» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации

Содержание диссертации изложено в 16 публикациях, в том числе в 4 публикациях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Автор выражает искреннюю благодарность Заслуженному врачу РФ, профессору, доктору медицинских наук, заведующему кафедрой урологии Алтайского государственного медицинского университета А.И. Неймарку за предоставленные для исследований мочевые и простатные камни и Заслуженному врачу РФ, доктору медицинских наук, профессору Алтайского государственного медицинского университета Г.Г. Устинову за предоставленные желчные и слюнные камни, а также ценные обсуждения практических аспектов диссертации.

Глава 1. Структура и физико-механические свойства биоминеральных образований

1.1. Классификация и строение биоминеральных образований, формирующихся в организме человека

Для разработки комплекса методов, обеспечивающих изучение физико-механических свойств, структуры и состава биоминеральных образований, необходимо предварительно провести классификацию этих образований по их происхождению, составу и другим значимым признакам.

К биоминеральным образованиям будем относить соединения, состоящие из минеральных и органических веществ, возникшие в организме человека при его участии или в результате замещения отмершего органического вещества минеральным. Формирование таких образований происходит в процессе метаболизма в организмах, а также при преобразовании отмершего органического вещества[1 - 7]

Следует отметить, что основной особенностью данных соединений является то, что они представляют из себя агрегаты, в которых имеются как минеральная, так и органическая составляющие, причем между ними существует тесная взаимосвязь. К настоящему времени выявлена доминирующая роль органического вещества в появлении минеральной составляющей [8 - 11]. Минеральные составляющие в органоминеральных агрегатах, как правило, имеют кристаллическое строение. При этом каждый минеральный участок сложен из более мелких кристаллитов, которые, как и весь кристалл, обволакиваются оболочкой из органической матрицы. Именно органическая матрица определяет центры зарождения будущих кристаллитов и способствует их росту. Рассмотрение органоминеральных образований показало, что

рост кристаллов периодически прерывается. Многократное повторение этого процесса может придавать формирующемуся органоминеральному агрегату периодическое концентрически-зональное строение [12, 13].

Текстуро-структурные особенности биоминеральных образований различны и определяются, прежде всего, генезисом агрегата. Периодичность в строении позволяет выделить следующие наиболее важные виды структуры: радиально-лучистую, концентрически-зональную, призматически-слоистую и некоторые другие [14 - 18]. Представляется оправданным с точки зрения описания структуры выделение в агрегатах областей, обладающих сходными структурой и составом. Такие области будем далее называть структурными элементами камней. В соответствии с таким строением в качестве основных структурных элементов могут выступать: одно или несколько ядер (центральных областей, вокруг которых происходило формирование камня); окружающие ядра концентрические слои; радиально исходящие из центральных областей прослойки, внешние области (оболочки) камня; поры (пустоты) и т.д.

Органоминеральные агрегаты характеризуются значительным разнообразием состава. Соотношения между содержанием минеральной и органической компонент для различных видов камней изменяются в весьма широких пределах [19, 20]. Кроме того, элементный и фазовый состав для камней одного и того ¡же вида также может быть весьма различен, что существенно затрудняет установление общих закономерностей.

Камни могут различаться также по морфологическим признакам, их форма весьма разнообразна и определяется условиями формирования. Размер камней обычно заключается в интервале от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Наиболее распространенная классификация биоминеральных образований основывается на их происхождении. В соответствии с этим к видам биоминеральных образований относят:

- камни мочевыводящей системы (мочевые камни);

- желчные камни;

- камни предстательной железы (простатные камни);

- слюнные камни.

Кроме того, каждый из этих видов патологических биоминеральных образований можно рассматривать как отдельную группу, внутри которой есть своя классификация [21-23].

1. Камни мочевыводящей системы принято подразделять по химическому составу на три основные группы: ураты, оксалаты, фосфаты, при этом весьма распространены камни смешанного состава. Ураты состоят из солей мочевой кислоты - натриевой, кальциевой, калиевой, магнезиальной. Оксалаты состоят из солей щавелевой кислоты в виде кристаллов щавелекислого кальция.. Фосфаты формируются из солей фосфорной кислоты, чаще всего солей кальция и калия).

Мочевые камни имеют достаточно разнообразную форму [24 - 26]. В качестве иллюстрации на рис. 1.1 -1.4 приведены сделанные нами фотографии исследовавшихся в настоящей работе мочевых камней, имеющих различные морфологические признаки. Наиболее часто встречаются камни овальной формы (рис. 1.1), типичными являются также коралловидные камни (рис. 1.2), а также конкременты, чей вид соответствует условиям формирования в почечной лоханке и являющ как бы «слепками» почечныз почечных ходов (рис 1.3). Отметим, что мочевые камни могут быть также образованы в результате осаждения кристаллов на инородное тело, примером служит камень, изображенный на рис. 1.4, образовавшийся на нитке, оставленной после операции.

2. В случае желчных камней до настоящего времени нет четких и общепринятых классификационных критериев, определяющих их принадлежность к тому или иному виду [27, 28]. Представляется наиболее предпочтительной их подразделение по основн�