Ранее нами был предложен метод объективной количественной оценки морфологии тканей, основанный на гармоническом анализе (преобразовании Фурье) изображений исследуемой ткани [1]. При преобразовании функции, изображающей пространственное распределение оптической плотности изображения в виде суммы бесконечного числа синусоид с частотами, кратными простым целым числам (гармоник), наличие в анализируемой функции периодичности проявляется появлением гармоник с соответствующими частотами, амплитуда которых отражает выраженность этой периодичности. Таким образом, гармонический анализ сигнала, представляющего собой «срез» изображения, позволяет установить наличие в изображении периодических структур, их выраженность и характерные размеры.

В настоящее время предложено большое количество методов оценки состояния костной ткани. Для определения минерализации in vivo широко используются рентгенологические [3] и радиоизотопные [7] методы. Биохимические маркеры также позволяют выявить даже незначительные изменения метаболизма костной ткани [8]. Однако эти методы малопригодны для обнаружения локальных изменений в скелете. Кроме того, рентгенологические и радиоизотопные методы предлагают воздействовать на исследуемые объекты ионизирующей радиацией, что в большинстве случаев нежелательно.

Гистологическое исследование препаратов предоставляет возможность изучать даже самые тонкие изменения морфологии кости точно в интересующей исследователя области.

Визуальный анализ изображений требует высокой квалификации исследователя и отличается субъективностью и трудностью стандартизации и формализации результатов. Применяемые в настоящее время компьютеризированные системы анализа гистологических и цитологических препаратов дороги и сложны. Предложенный метод отличается объективностью и легкостью количественной оценки определяемых характеристик. Кроме того, он не требует сложных и дорогих программ и специального оборудования, принципы его просты и понятны.

Цель исследования - определение влияния нормальной и повышенной жевательной нагрузки на структуру костной ткани нижней челюсти (НЧ) в области пародонта моляров у мини-свиней путем гистоморфометрического анализа микрофотографий с использованием гармонического анализа (преобразования Фурье).

Исследование проведено на 10 половозрелых мини-свиньях светлогорской породы в возрасте 20 мес. Для исследования были отобраны самцы 1 помета с постоянным прикусом. В опытной группе 5 животных получали рацион с добавлением грубых кормов, увеличивающий нагрузку на жевательный аппарат. Группу сравнения составляли 5 животных, находящихся на обычном лабораторном рационе. Животных распределяли по группам по таблице случайных чисел. Вывод животных из опыта и забор материала производился в сроки перед экспериментом (по 1 животному в каждой группе), через 3 и 6 мес (по 2 животных в каждой группе) после начала эксперимента.

После забоя из НЧ вырезали блоки костной ткани со 2-м моляром, которые обезвоживали в батарее спиртов 50, 60, 80, 90 и 100% по 48 ч; затем блоки обезжиривали в ацетоне и 50% растворе эпоксидной смолы ЭД-20 в ацетоне по 48 ч и заливали при вакуумировании в эту же эпоксидную смолу. Залитые в смолу блоки распиливали на пластины толщиной около 3-4 мм, одну из поверхностей которых шлифовали. На отшлифованную поверхность напыляли в вакууме тонкий электропроводящий слой углерода. Образцы анализировали методом ренгенофлюоресцентного анализа. Этот метод основан на исследовании спектра рентгеновского излучения, возникающего при облучении поверхности твердых тел в вакууме пучком электронов. Спектр излучения определяется химическим составом тонкого поверхностного слоя образца в месте попадания электронного пучка. Путем сканирования электронным пучком можно получить картину распределения интересующих химических элементов на поверхности исследуемого образца. Для пересчета значений яркости в абсолютное значение содержания элементов одновременно с исследуемыми блоками проводилось сканирование стандартных образцов известного состава.

Для каждого участка шлифа в области костных структур пародонта получали 3 изображения: обычная микрофотография в отраженных электронах, карта распределения кальция и карта распределения фосфора (рис. 1 и 2).

Для каждого зуба выполняли измерение содержания кальция и фосфора в костной ткани пародонта в проксимальном и дистальном участках на глубине 4 мм от верхнего края альвеолы и в области бифуркации корня, всего в 6 точках. Для каждой группы рассчитывали среднее значение содержания кальция и фосфора и их стандартное отклонение. Минерализацию костной ткани оценивали по средней яркости соответствующих микрофотографий (среднее содержание кальция и фосфора в единице объема костной ткани) и по яркости минерализованных участков (содержание кальция и фосфора в минерализованной части матрикса).

В матрицах цифровых значений яркости в тех же участках кости проводили одномерный гармонический анализ по [4, 5], обработку спектров для отделения полезного сигнала от шума - по [6].

Уже через 3 мес функционирования жевательного аппарата при повышенной жевательной нагрузке отмечены морфологические изменения структуры костной ткани, нарастающие к сроку 6 мес: ее уплотнение, уменьшение просвета с последующим исчезновением мелких костных каналов, приводящее к увеличению относительной доли площади костного матрикса по сравнению с таковой в неминерализованных структурах. На микрофотографиях рентгеноспектрального анализа также уже через 3 мес выявлялось увеличение содержания кальция и фосфора в костном матриксе, нарастающее к 6 мес (см. таблицу).

При гармоническом анализе изображений (рис. 3, см. на цв. вклейке)

Таким образом, исследование изображений шлифов кости с помощью преобразования Фурье согласуется с качественной морфологической оценкой этих же изображений. Следует отметить, что для гистоморфологического исследования по нашей методике не использовались дорогостоящие специализированные программы или трудоемкие ручные измерения. При этом полученные данные имели объективный и количественный характер.

В медицинской литературе имеются примеры использования преобразования Фурье для выявления периодичности в данных, представляющих временные ряды [2]. Гармонический анализ изображений был также с успехом применен для анализа рентгенограмм: между механическими свойствами костной ткани и амплитудами некоторых гармоник отмечены корреляции [9]. Кроме того, нами был обнаружен случай использования гармонического анализа в гистоморфометрии. Авторы также применили его для изучения характеристик костной ткани - анализ фрактальной размерности выявил существенные различия структуры интактной кости и кости в области заживающих переломов [10].