Введение к работе
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 биомиперальных 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:
-
Разработка экспериментальных методов и реализующих эти методы методик измерения локальных прочностных характеристик биоминеральных агрегатов.
-
Разработка экспериментальных методик для исследования структуры и элементного состава камней, учитывающих их высокую структурную неоднородность.
-
Выявление корреляционных зависимостей между измеряемыми физико-механическими характеристиками, позволяющих повысить надежность прогнозирования поведения камней при внешнем механическом воздействии.
-
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 повіпна.
Впервые с единых позиций проведено комплексное исследование физико-механических свойств и струкгуры 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 биоминеральньгх 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 оптиматьньгх 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:
-
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.
-
Предложенные экспериментальные методики исследования микроструктуры и распределений элементного состава по шлифам камней, позволяющие установить особенности структуры и состава различных видов биоминеральных агрегатов.
-
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
Похожие диссертации на Методы исследования физико-механических характеристик и структуры биоминеральных образований, формирующихся в организме человека
