Трансмиссионная рентгеновская компьютерная томография в исследовании состава и структуры биоминералов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

1.1. Выводы.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКАНИРОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ТРАНСМИССИОННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ.

2.1. Схемы сканирования.

2.2. Моделирование сканирования.

2.3. Алгоритм свертки и обратной проекции.

2.4. Особенности реализации алгоритма свертки и обратной проекции.

2.4.1. Влияние выбора фильтрующей функции на точность восстановления изображения.

2.4.2. Реализация свертки в алгоритме свертки и обратной проекции.

2.5. Моделирование отказа датчика.

2.5.1. Экспериментальная часть.

2.5.2. Теоретическая часть.

2.6. Обсуждение результатов.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОМИНЕРАЛОВ.

3.1. Трансмиссионная рентгеновская компьютерная томография.

3.1.1. Обоснование методики.

3.1.2. Методика РКТ-исследований.

3.1.3. Влияние немоноэнергетичности рентгеновского излучения на томографическую плотность.

3.2. Рентгенофлуоресцентный анализ.

3.2.1. Основной принцип рентгенофлуоресцентного анализа.

3.2.2. Аппаратурное обеспечение РФ А.

3.2.3. Метод внешнего стандарта.

3.2.4. Подготовка образцов к РФА.

3.2.4.1. Приготовление эталонов.

3.2.4.2. Построение градуировочных графиков и их анализ.

3.2.4.3. Подготовка образцов биоминералов.

3.2.5. Определение содержания элементов в образце.

3.3. Рентгеновский микроанализ и растровая электронная микроскопия.

3.3.1. Количественный микроанализ.

3.3.2. Спектрометр РСМА с дисперсией по энергии.

3.3.3. Проведение анализа.

3.3.3.1. Приготовление образцов биоминералов для количественного анализа и используемые эталоны

3.3.3.2. Определении концентрации химических элементов в образцах.

3.3.4. Растровая электронная микроскопия: характеристика и подготовка образцов для исследования.

3.4. Качественный рентгенофазовый анализ биоминералов.

3.4.1. Геометрия съемки дифрактограмм и чувствительность анализа.

3.4.2. Приготовление препарата.

3.4.3. Методика идентификации кристаллических фаз.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОМИНЕРАЛОВ.

4.1. Результаты томографических исследований.

4.2. Результаты структурных исследований биоминералов.

4.3. Физическое обоснование зависимости ЛКО биоминералов от их состава и структуры.

4.3.1. Случай немоноэнергетического излучения.

4.3.2. Случай моноэнергетического излучения.

4.3.2.1. Метод двух точек.

4.3.2.1.1. Оптимизация измерения JTKO при наличии фона.

4.3.2.2. Метод «спутника».

4.3.2.3. Обсуждение результатов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ^ БИОМИНЕРАЛОВ ПО ТОМОГРАФИЧЕСКИМ И

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫМ ПРИЗНАКАМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КЛАССИФИКАЦИИ.

5.1. Методика кластерного анализа.

5.2. Кластерный анализ по структурным признакам.

5.3. Кластерный анализ по томографическим признакам.

5.4. Сопоставление результатов классификации по структурным и томографическим признакам.

5.5. Оптимизация классификации.

5.6. Методика дискриминантного анализа.

5.7. Дискриминантный анализ по томографическим признакам.

5.8. Устойчивость классификации.

5.8.1. Устойчивость классификации по структурным признакам

5.8.2. Устойчивость классификации по томографическим признакам.

5.9. Выводы.

Актуальность темы. Исследование состава и структуры вещества можно выполнить, используя целый комплекс физико-химических методов, предполагающих обычно разрушение материала образца для приготовления препарата. Однако, часто необходимо исследовать объекты, недоступные для непосредственного анализа. В частности, в медицине диагностика состава и структуры биоминералов в теле пациента имеет принципиальное значение для выбора оптимальной стратегии лечения.

Решение задачи исследования состава и структуры биоминералов без разрушения может быть рассмотрено на основе возможностей трансмиссионной рентгеновской компьютерной томографии (ТРКТ), позволяющей получить распределение относительного линейного коэффициента ослабления (JIKO) объекта исследования, усредненное по тонкому слою. Следует отметить, что в медицинском томографе величина JIKO образца определяется при некоторой эффективной энергии, значение которой строго не задано и варьируется в зависимости от многих факторов. Далее эта величина обозначается как томографическая плотность.

Таким образом, поскольку стандартные методы исследования биоминералов не позволяют исследовать образцы без их разрушения, а предложенные классификации, основанные на выделении ведущего признака, не достаточно полно отражают существующего многообразия биоминералов, то актуальной является задача разработки метода исследования состава и структуры биоминералов без разрушения и классификации исследуемых образцов на основе методов многомерного статистического анализа и распознавания образов.

Несмотря на то, что математический аппарат и физические принципы ТРКТ хорошо известны, однако при исследовании биоминералов необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на достоверность полученных результатов. В частности существенен размер объектов исследования, совокупность артефактов, возникающих при исследовании биоминералов, вариабельность характеристик биоминералов в зависимости от свойств среды окружающей образец. Необходимо также учесть, что количественный анализ в томографии при решении задач, аналогичных поставленной, ранее практически не использовался. Поэтому возникает потребность в моделировании сканирования и восстановления изображения в ТРКТ, позволяющем не только выявить причины возникновения артефактов в полученных изображениях, но и обосновать ряд положений, существенных для разработки метода исследования состава и структуры биоминералов по данным ТРКТ без разрушения.

Таким образом, в данной работе сочетание компьютерного моделирования сканирования и восстановления изображения в ТРКТ, методов рентгеноспектрального и рентгеноструктурного исследований, многомерного статистического анализа и распознавания образов является необходимой методической основой решения поставленной задачи исследования состава и структуры объектов, непосредственно недоступных для анализа. Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка метода анализа состава и структуры биоминералов без разрушения для их идентификации и классификации. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи.

1. Разработка модели сканирования и восстановления изображения в ТРКТ и ее компьютерной реализации.

2. Экспериментальные исследования состава и структуры биоминералов.

3. Установление калибровочных зависимостей томографической плотности образцов-эталонов от абсолютных значений их JIKO для различных томографов.

4. Разработка методик экспериментального и теоретического определения JIKO биоминералов при моноэнергетическом излучении и с ужесточением спектра рентгеновского излучения.

5. Классификация биоминералов по их структурнофазовым и томографическим характеристикам, выявление информативнозначимых характеристик и проверка устойчивости полученной классификации методом статистического моделирования.

Объект исследования. В качестве объекта исследования были выбраны биоминералы почечных камней. Такой выбор обусловлен в первую очередь тем, что мочевые конкременты по своему составу и структуре многокомпонентны и неоднородны. Во-вторых, мочекаменная болезнь в настоящее время является распространенным заболеванием, а размеры почечных камней позволяют их использовать в качестве объектов томографических исследований. В связи с этим главная задача медицинской диагностики - оценить состав и структуру биоминерала без разрушения непосредственно в организме с целью выработки оптимальной стратегии лечения.

Методы исследования. Экспериментальные исследования состава и структуры биоминералов проводились методами рентгеновской томографии, рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) в сочетании с растровой электронной микроскопией (РЭМ) и рентгенодифракционного спектрального анализа (РСА). Идентификация и классификация биоминералов проводились методами кластерного и дискриминантного анализа, выявление информативнозначимых признаков для классификации -методами распознавания образов, определение устойчивости полученной классификации - методом статистического моделирования.

Научной новизной диссертационной работы является:

- разработка метода анализа состава и структуры биоминералов на основе данных распределения томографической плотности биоминералов в единицах Хаунсфилда по их объему;

- определение калибровочных зависимостей томографической плотности от линейного коэффициента ослабления рентгеновского излучения для томографов типа СТ МАХ 640 и TOMOSCAN CX\Q;

- разработка методик расчета JIKO биоминералов на основе ужесточения спектра рентгеновского излучения и измерения JIKO биоминералов на моноэнергетическом излучении;

- классификация биоминералов на основе их структурнофазовых и томографических характеристик.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод анализа состава и структуры биоминералов, недоступных для непосредственного исследования, по данным ТРКТ.

2.Модель сканирования и восстановления изображения в ТРКТ и ее программная реализация с помощью алгоритма свертки и обратной проекции (АСОП) для параллельной схемы сканирования. Подтверждение адекватности модели путем моделирования отказа группы датчиков.

3. Методики расчета JIKO биоминералов в зависимости от их состава и структуры на основе последовательного учета ужесточения спектра рентгеновского излучения и измерения JIKO биоминералов при использовании моноэнергетического излучения.

4. Калибровочные зависимости томографической плотности образцов-эталонов от абсолютных значений их JIKO, позволяющие сопоставлять результаты томографических исследований и расчетов JIKO биоминералов.

5. Классификация биоминералов по рентгеноструктурным и томографическим признакам.

6. Доказательство устойчивости классификации биоминералов по рентгеноструктурным и томографическим признакам к вариациям основной компоненты на основе метода статистического моделирования.

Научная и практическая значимость работы. Одним из основных результатов диссертационной работы является разработка метода анализа структурного состава биоминералов почечных камней на основе неразрушающих методов трансмиссионной рентгеновской компьютерной томографии.

Разработанный метод позволяет находить оптимальные решения при мочекаменной болезни: конкремент растворяется лекарственными средствами, дробится с помощью дистанционной ударно-волновой литотрипсии (ДУВЛ) или извлекается хирургическим путем.

Результаты, полученные на основе предложенного метода, позволяют повысить эффективность ДУВЛ и тем самым снизить ее негативные факторы.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на: 52-м, 53-м и 54-м Международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (г. Москва, 2002-2004гг.); пленуме правления российского общества урологов (г. Москва, 2003г.); Международном форуме «Аналитика и аналитики» (г. Воронеж, 2003г.); Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые -2003» (г. Москва, 2003); второй летней студенческой школе «Познань-2003» (Польша, г. Познань, 2003г.).

Результаты, полученные в диссертационной работе, прошли апробацию в ОКБ г. Воронежа, где каждому типу биоминералов по разработанной классификации были поставлены в соответствие параметры дистанционной ударно-волновой литотрипсии.

Публикации и вклад автора. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце диссертации, лично автору принадлежит: [3, 6, 12, 35, 36, 37] - томографические исследования состава и структуры биоминералов, классификация и идентификация биоминералов по результатам томографических и рентгеноструктурных исследований; [13, 48] - статистический анализ функций распределения томографической плотности биоминералов; [25, 48, 57] -моделирование сканирования и восстановление изображения в ТРКТ, построение компьютерной и математической модели отказа датчиков в ТРКТ; [10] - оценка влияния немоноэнергетичности рентгеновского излучения на результаты томографических исследований биоминералов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, пяти приложений и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, иллюстрирована 61 рисунком. Библиографический раздел включает 84 наименования.

5.9. Выводы

1. Проведен кластерный анализ биоминералов по томографическим и рентгеноструктурным признакам методами одиночной связи, средней связи, полной связи и методом Уорда, позволивший выделить устойчивые группы биоминералов по томографическим и рентгеноструктурным признакам.

2. Проведена оптимизация классификации биоминералов путем выделения информативно значимых, линейно независимых структурных и томографических признаков методом К внутригрупповых средних и путем дискретного разложения матриц исходных признаков по системе ортогональных функций (дискретное разложение Карунена-Лоэва).

3. Получены дискриминирующие функции для каждого класса биоминералов в результате проведения дискриминантного анализа по томографическим признакам.

4. Оценена устойчивость полученной классификации биоминералов по структурным и томографическим признакам методом статистического моделирования. h

1. Agapov В. L. Medico-Diagnostical Approaches to Urolithiasis / B.L. Agapov, N.N. Bezraydin, V.V. Kuzmenko et al. // Ecological Congress International Jonznal. 1997. - v. 1,№3, 1997. P. 59-61.

2. Oatley C. W. Scanning Electron Microscopy in advances in Electronics and Electron Physics / C.W. Oatley, W.C. Nixon, R.F. Pease ed. L. Marton. -Academic, New York, 1965. P. 181 -247.

3. Vakhtel V.M. X-ray computerized tomography study of bioinorganic composition characteristics. / V.M.Vakhtel, A.G.Babenko, N.A.Nagibina,

4. A.A.Tonn // International Workshop "MPERP-04". Many-particle effects in radiation physics. — Belgorod, 2004. P. 51.

5. Агапов Б.Л. Комплексный анализ камней почек. / Б.Л.Агапов, Л.В.Антипова, Н.Н.Безрядин, В.М.Вахтель, А.В.Кузьменко,

6. B.В.Кузьменко, Н.А.Нагибина // Международный форум «Аналитика и аналитики», Воронеж, 2-6 июня 2003 г.: каталог рефератов и статей. -Воронеж, 2003. С. 397.

7. Агатов Б.Л. Особенности строения камней почек. / Б.Л.Агатов, Л.В.Антипова, Н.Н.Безрядин, В.М.Вахтель, А.В.Кузьменко, В.В.Кузьменко, Н.А.Нагибина // Химия и химическая технология. -2004. -Т.47, №1. С. 96-102.

8. Алексахин С.В. Прикладной статистический анализ / С.В. Алексахин,

9. A.В. Балдин, А.Б. Николаев и др. М.: Финансы и статистика, 2001.

10. Афонин В. П. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ горных пород и минералов / В.П. Афонин, Т.Н. Гуничева Новосибирск: Наука, 1977.-256 с.

11. Бабенко А.Г. Фактор немоноэнергетичности рентгеновского излучения в томографии биоминералов. / А.Г.Бабенко, В.М.Вахтель, Н.А.Нагибина,

12. B.И.Двуреченский // 54 международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Белгород, 22-25 июня 2004 г.: тез. докл. — Белгород, 2004. С. 301.

13. Бахтиаров А. В. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ в геологии и геохимии / А.В. Бахтиаров-Л.: Недра, 1985. 144 с.

14. Безрядин Н.Н. Метод рентгеновской томографии исследования характеристик биоминералов. / Н.Н.Безрядин, В.М.Вахтель,

15. B.В.Кузьменко, А.В.Кузьменко, Н.А.Нагибина // Вестник ВГУ. 2003. -№2.-С. 13-19.

16. Блохин А. М. Методы рентгеноспектральных исследований / A.M. Блохин — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.-388 с.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель М.: Высшая школа, 1998.

18. Голованова О.А. Влияние химического состава питьевой воды на микроэлементный состав почечных камней. / О.А. Голованова, П.А. Качесова // Химия и химическая технология. — 2002. т. 45, вып. 2. - С. 136-139.

19. Голованова О.А. Комплексное изучение почечных камней / О.А.

20. Голованова // Химия и химическая технология. 2004. - т. 47, вып. 1. —1. C. 3-12.

21. Голованова О.А. Морфологические особенности почечных камней пациентов Омского региона / О.А. Голованова, П.А. Пятанова, Е.В. Россеева // Химия и химическая технология. 2002. - т. 45, вып. 2. - С. 109-112.

22. Голованова О.А. Определение условий формирования малорастворимых соединений уролитов / О.А. Голованова, П.А. Пятанова, Е.В. Красногородова // Химия и химическая технология. 2003. - т. 46, вып. 2. - С. 94-97.

23. Голованова О.А. Спектральный анализ микроэлементного состава почечных камней. // О.А. Голованова, П.А. Пятанова, Н.Н. Струнина и др. // Журнал прикладной спектроскопии. 2003. - т.70, №3. — С. 4321. U 43424