Гармонический анализ изображений в оценке морфологических изменений в костной ткани челюстей мини-свиней при нормальной и повышенной функциональной нагрузке

Авторы:

Гусева И.Е.,

Житков М.Ю.,

Логинова Н.К.,

Мохов А.В.

Журнал: Стоматология. 2014;93(5):9-12.

DOI:

Прочитано: 2573 раза

Скачать PDF

Резюме

Для изучение влияния жевательных нагрузок на микроструктуру костной ткани челюстей мини-свиней использован гармонический анализ изображений шлифов кости в отраженных электронах и в форме карт распределения кальция и фосфора, полученных методом рентгенофлюоресценции. Установлено, что при увеличении жевательной нагрузки, кроме выявленного методом рентгенофлюоресценции повышения общего содержания минеральных элементов в матриксе кости, в спектре изображений наблюдается увеличение доли низкочастотных гармоник, указывающее на уменьшение структурной неоднородности костной ткани в процессе минерализации.

Ключевые слова

преобразование Фурье
гармонический анализ
гистоморфометрия
костная ткань

Дата публикации: 17.02.2020

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).

Материал и методы

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).

Рис. 1. Микрофотографии шлифа костной ткани НЧ мини-свиньи в области зуба с нормальной жевательной нагрузкой; нормальные плотность костной ткани и содержание фосфора и кальция в матриксе. Здесь и на рис. 2: 1 - электронная микрофотография; 2 - распределение кальция; 3 - распределение фосфора.

Рис. 2. Микрофотографии шлифа костной ткани НЧ мини-свиньи в области зуба через 6 мес функционирования при повышенной жевательной нагрузке. Структура костной ткани уплотнена, при сохранении крупных костных каналов значительная часть мелких исчезла; в матриксе содержание кальция и фосфора увеличено, а их распределение стало более однородным, чем в группе сравнения.

Для подготовки изображений (поворот, выделение интересующих участков, обрезка) использовали программу Adobe Photoshop 4.0. Выбранный участок изображения преобразовывали в матрицу цифровых значений яркости по специальной программе, составленной нами с помощью среды программирования Borland Delphi 5.0. Математическую обработку матриц цифровых значений яркости и статистический анализ результатов производили с помощью программы Microsoft Excel 5.0.

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].

Результаты и обсуждение

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).

За счет уменьшения доли неминерализованных структур общая минерализация возрастала в большей степени, чем минерализация матрикса.

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

Рис. 3. Спектры преобразования Фурье для карт распределения кальция в костной ткани мини-свиней в группе сравнения и в сроки 3 и 6 мес в основной группе. Утолщенной линией показан расчетный уровень шумового сигнала.

выявляются 2 области с повышенными амплитудами. 1-я соответствует гармоникам (№ от 1 до 50), соответствующим периодам колебаний в диапазоне 250-300 мкм, и присутствует на всех образцах. Во 2-й области (№75-100), соответствующей периодам 10-50 мкм, амплитуды значимо превосходят значение шумов только в единичных случаях в группе сравнения. Значимых различий между спектрами оптических изображений и карт распределения кальция и фосфора не выявлено. Очевидно, это связано с тем, что минерализованные и неминерализованные структуры кости хорошо дифференцируются по внешнему виду и потому все 3 типа изображений несут примерно одну информацию. В группе сравнения форма спектра практически не меняется за все время наблюдения, тогда как в основной группе отмечается увеличение амплитуд низкочастотных составляющих сигнала, что соответствует увеличению числа морфологических структур с характерными размерами 250-300 мкм. Это показывает, что минерализация костной ткани при повышенных жевательных нагрузках имеет диффузный и равномерный характер. Исходная неоднородность минерализации при этом сглаживается, а число и контрастность малоразмерных структур уменьшается. Как было нами установлено ранее, при сниженной механической нагрузке возрастает неоднородность структуры костной ткани, в ней наблюдается мелкоочаговая деструкция [1]. Таким образом, деструкция кости и ее формирование имеют не взаимно обратный характер, а протекают по качественно различным сценариям.

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].