Спосіб визначення середньостатистичного розміру та ступеня впорядкованості мінералізованих волокон кісткової тканини

МПК Є А6іИ 5/61 СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОСТАТИСТИЧНОГО РОЗМІРУ ТА СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАНОСТІ МІНЕРАЛІЗОВАНИХ ВОЛОКОН КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ Винахід відноситься до медицини, оптики розсіюючих середовищ, біофізики і може бути використаний у безконтактній неруйнівній діагностиці текстури кісткової тканини, що актуально при оцінці мІцностних характеристик кісток, а також в раньому клінічному визначенні проявів остеопорозу. Прототипом запропонованого способу є безконтактний оптичний метод діагностики текстури біотканин, який заснований на дифракційному аналізі мікроскопічного зображення гістологічних зрізів [1]. Тут за величиною кута першого дифракційного максимума визначають середній розмір орієнтованих структур біотканини. Недоліком способу є низька точність вимірювання кута дифракції, а також неможливість його застосування до статистичних світлорозсіюючих текстурованих тканин, де має місце як розподіл волокон за розмірами, так і за напрямками орієнтації. Задачею винаходу є розширення функціональних можливостей при визначенні ступеня впорядкованності мінералізованих волокон (в радіанах) із статистичним розкидом поперечних розмірів (в м ікрометрах) при одночасовому підвищенні точності вимірювань. Задача розв'язується за схемою, згідно якої використовують висококогерентне випромінювання, розміщують взірець між співвісно орієнтованими поляризатором і аналізатором, послідовно орієнтують текстуру взірця компланарно (Н) та ортогонально (V) їх осям пропускання, проектують когерентні мікрозображення взірця кісткової тканини в площину вимірювань, вимірюють для кожної орієнтації текстури взірця рівні інтенсивності когерентного об'єктного сигналу (*-HH>**W , відповідно), сканують поле за кутами в площині розсіяння, визначають кут розсіяння ^тах, при якому відношення ортогональних за орієнтаціями текстури когерентних об'єктних сигналів приймає екстремальне значення, за якими судять про середньостатистичний розмір та ступінь впорядкованості мінералізованих волокон кісткової тканини. Відповідність критерію "новизна" пропонуємому способу забезпечує використання висококогерентного випромінювання, розміщення взірця між співвісно орієнтованими поляризатором і аналізатором, послідовна орієнтація текстури взірця компланарно (Н) та ортогонально (V) їх осям пропускання, проектування когерентних мікрозображень взірця кісткової тканини в площину вимірювань, вимірювання для кожної орієнтації текстури взірця рівнів інтенсивності когерентного об'єктного сигналу (Інн'^кк, відповідно), сканування поля за кутами в площині розсіяння, визначення кута розсіяння , при якому відношення ортогональних за орієнтаціями текстури когерентних об'єктних сигналів приймає екстремальне значення, за якими судять про середньостатистичний розмір ( в мікрометрах) та ступінь впорядкованості (в радіанах) мінералізованих волокон кісткової тканини. Неочевидність розв'язку даної задачі випливає з того, що ні в одному із розглянутих нами аналогів запропонованого способу не зустрічається: проектування когерентних мікрозображень взірця кісткової тканини в площину вимірювань, вимірювання для кожної орієнтації текстури взірця рівнів інтенсивності когерентного об'єктного сигналу (IHHJW, ВІДПОВІДНО), сканування поля за кутами в площині розсіяння, визначення кута розсіяння , при якому відношення ортогональних за орієнтаціями текстури когерентних об'єктних сигналів приймає екстремальне значення, за якими судять про середньостатистичний розмір та ступень впорядкованості мінералізованих волокон кісткової тканини. "Винахідницький рівень" пропонуємого способу забезпечується новою сукупністю дій, яка веде до розширення функціональних можливостей та підвищення точності визначення середньостатистичного розміру мінералізованих пучків кісткової тканини та ступеня їх впорядкованості. Розглянемо основні теоретичні обгрунтування способа. Шар текстурованої кісткової тканини можна схематично уявити, як квазіперіодичну дифракційну гратку статистичного характеру. При проходженні когерентного поляризованого випромінювання крізь таку біоструктуру мають місце наступні ефекти: • дифракція когерентного випромінювання на квазівпорядкованих в площині взірця волокнах і формування дифракційних картин у вигляді системи локалізованих в просторі світлорозсіяння дифракційних максимумів; • світлорозсіяння на оптичних неоднорідностях в товщі кісткової тканини і формування спекл картини; • поляризаційно-інтерференційного додавання амплітуд об'єктного поля лазерного випромінювання з наступним формуванням статистичної спеклдифракційної структури. Отже, якщо біотканина являє собою текстуровану структуру, то на фоні завад світлорозсіяння можна дифрактометричним чином виділити кут дифракції, який відповідає середньостатистичному розміру мінералізованих пучків кісткової тканини за наступним співвідношенням: = X arcs in (1) •2 2 JT,ldl де X - довжина хвилі лазерного мінералізованого волокна, т -функція L i випромінювання, 1 - розмір розподілу волокон текстурованої тканини за розмірами. Використання поляризованого, зондуючого взірець випромінювання, дозволяє одержати інформацію і про ступінь статистичної впорядкованості мінералізованих волокон текстури [2]: 2= Інн Інн +1 (2) Тут £ - ступінь впорядкованості мінералізованих волокон кісткової тканини, яка відповідає статистично переважній орієнтації текстури взірця. Запропонований спосіб пояснюється блок-схемою пристрою, який реалізує запропонований спосіб. Пристрій (фіг. ) вміщує наступні елементи: джерело випромінювання 1, коліматор 2, чвертьхвильова пластинка 3, поляризатор 4, обмєкт 5, проекційний об'єктив 6, польова діафрагма 7, аналізатор 8, крокові двигуни 9, 12, фотоелектроний помножувач 10, скануючий пристрій 11 та ЕОМ 13. Пристрій працює наступним чином. На вхід пристрою (фіг. ) поступає випромінювання одномодового лазера ЛГН-222 (джерело випромінювання 1). Коліматор 2, який складається з двох об'єктивів та діафрагми між ними, формує паралельний пучок, який проходить крізь чвертьхвильову пластинку 3, що формує циркулярно поляризовану хвилю, з якої аналізатор 4 виділяє плоскополяризований хвильовий фронт, який опромінює взірець кісткової тканини 5, текстура якої послідовно орієнтується колінеарно та ортогонально площині поляризації опромінюючого пучка і формуються відповідні когерентні зображення, які проектуються об'єктивом 6 в площину польової діафрагми 7, яка гоніометрично сканує когерентні зображення кісткової тканини, забезпечуючи реєстрацію крізь аналізатор 8 рівнів інтенсивності поляризованих когерентних об'єктних сигналів. Приклад виконання способу. Випромінювання гелій-неонового лазера ЛГН-222 (джерело 1) з довжиною хвилі 0,6328 мкм проходить крізь коліматор 2 , що складається з двох об'єктивів з фокальними відстанями 5 та 25 мм та діафрагми розміром 50 мкм, який формує паралельний пучок діаметром 10 мм. Слюдяна чвертьхвильова пластинка 3 товщиною 30 мкм формує право-циркулярно поляризовану хвилю, з якої плівковий аналізатор 4 виділяє плоско-поляризований хвильовий фронт. Сформований таким чином лазерний пучок опромінює гістологічний поперечний зріз кісткової тканини берцової кістки жінки 40 років. Проекцій об'єктив 6 з фокусною відстанню 9 мм проектує когерентне зображення зразка в площину польової діафрагми 7 розміром 10 мкм крізь плівковий поляризатораналізатор 8. Визначення рівнів інтенсивностей елементів аналізованого зображення здійснюється шляхом обертання аналізатора 8 кроковим двигуном ДШ 9 та реєстрацією інтенсивностей фотоприймачем ФЕП-112 10, який за допомогою крокового двигуна 12 пересувається в межах зображуваної ділянки зразка. Електронно-обчислювальна машина 13 статистично обробляє одержані результати. Таким чином, накопичується масив даних І нн > *FF та ^тах , які однозначно пов'язані із середньостатистичним розміром мінералізованих волокон кісткової тканин та ступенем їх впорядкованості. При реалізації даного способу розширюються функціональні можливості, які полягають в одночасному вимірюванні середньостатистичного розміру (в мікронах) мінералізованих волокон текстури кісткової тканини та ступеня їх впорядкованості (в радіанах), при цьому точність вимірювання на 1-2 порядки вища, ніж у прототипі. ЛІТЕРАТУРА І.В.Байер. Биофизика.-Изд. ИЛ.: М.,1982, С.418. 2.Подкамень Л.И., Гуминецкий С.Г. Матрица преобразования светового пучка, прошедшего слой ориентированых рассеивающих частиц.-Опт. и спектр.,1982,53,№6.С.1053-1058. СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОСТАТИСТИЧНОГО РОЗМІРУ ТА СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАНОСТІ МІНЕРАЛІЗОВАНИХ ВОЛОКОН КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ j ; \ f 5 Фіг. Автори: ; Пішак В.П. Кокощук Г.І. Ушенко О.Г. Архелюк О.Д. Ермоленко С.Б. Пішак О.В. Григоришин П.М. Бурковець Д.М.