В статье обсуждаются результаты лабораторных исследований минерального фофтава и морфологии слюнных камней человека, извлеченных при оперативном вмешательстве, методами рентгеновской микротомографии (которую можно назвать «виртуальная гистология») и рентгенодифракционного фазового анализа. Слюнные камни были исследованы нами именно как биоминералы, по методикам и методами, применяемыми к исследованию минерального вещества.
Ключевые слова: слюнные камни, биоминеральные образования, рентгеновская томография, рентгенодифракционный фазовый анализ, минеральный состав, морфология, гидроксилкарбонатапатит, вевеллит.
The results of human salivary stones mineral composition and morphology investigation by X-ray microtomography and X-ray powder diffraction analysis are presented. We studied the salivary stones taken at surgery by the mineralogical methods and methodics.
Keywords: salivary stones, biominerals X-ray tomography, X-ray powder diffraction analysis, mineral composition, morphology, hydroxylcarbonateapatite, wivelite.
В число патогенных биоминеральных образований человеческого организма входят слюнные камни, вызывая слюннокаменную болезнь (sialolithiasis), сопровождающуюся болью и требуя оперативного вмешательства [4–6]. Как правило, они локализуются в поднижнечелюстной железе и ее выводном протоке, в подъязычной и околоушной железах встречаются весьма редко. Вопросы причины, условий и механизмов образования слюнных камней неоднократно рассматривались в литературе, например [6], однако до сих пор нет единой точки зрения на патогенез этого процесса. Часть исследователей связывает их появление с воспалительным процессом, другие — считают результатом переотложения известковых солей слюны, и, как следствие, изменение тканей слюной железы и протока с последующим их воспалением.
С целью изучения фазового минерального состава и морфологии методом рентгеновской микротомографии (РТ), позволяющим изучать внутренний объем объекта без разрушения (Рис. 1, 2), нами предпринято исследование 4-х слюнных камней, полученных от разных пациентов. Анализ выполнен не с помощью медицинского томографа (КТ, типичное рабочее напряжение рентгеновской трубки 25 кV), а микротомографе промышленного образца, предназначенном для исследования неорганических объектов, поэтому рабочее напряжение рентгеновской трубки — и, соответственно, проникающая способность рентгеновского излучения значительно выше, 100–150 кV и более. Метод порошковой дифрактометрии (РФА) позволяет диагностировать кристаллические минеральные фазы, он использован для межметодного контроля данных. Результаты РТ сопоставлялись с данным РФА. Анализы выполнялись по утвержденным научно-методическим документам Научных советов по аналитическим методам и методам минералогических исследований, разработанным для изучения минерального вещества [1].
Рис. 1. Общий вид слюнных камней.
Экспериментальные исследования слюнных камней проведены на отечественном рентгеновском микротомографе ВТ-50–1 «Геотом» («Проминтро», Россия), изготовленном на базе промышленного томографа специально для исследования минеральных объектов. Прибор соответствует требованиям российских регламентирующих документов по аппаратуре неразрушающего контроля [2] и международному стандарту ASTM E1441–11. Условия съемки томограмм: микрофокусный рентгеновский источник РЕИС-150М, рабочее напряжение рентгеновской трубки U=100 кV, ток накала I=2,9 А; блок детекторов 8 измерительных каналов со сцинтилляторами CsJ(Na), веерная геометрия при сканировании, шаг сканирования 3 мкм, рабочее поле съемки до 15 мм в диаметре, перемещение по высоте до 7 см; использовался Al–образец сравнения. Предел пространственного разрешения 5 мкм для линейных неоднородностей. Чувствительность к изменению величины линейного коэффициента ослабления рентгеновских лучей (ЛКО) — 1 %. Следует подчеркнуть, что именно микрофокусные рентгеновские источники обладают существенным преимуществом, поскольку лучше передают мелкие детали изображения, чем рентгеновские снимки, полученные контактным способом, в т. ч. структуру костной ткани [2, 7].
По данным РТ установлено 4–5 диапазонов значений ЛКО (Рис. 2), два относятся к органической фазе (холестеролового ряда — возможны холестерол-ацетат, холестерол- каприлат, холестерол-стеарат), 3–4 –гидроксилатапатит, вивенит и кальцит разной плотности, что вероятно, связано с разной степенью упорядоченности структуры, гидраьтрованности и содержания органической компоненты.
Зубной камень имеет не просто слоистое, а колломорфное, гроздевидное, ажурное строение; не одну, а несколько областей начала роста, и очевидно, формировался в токе слюнной жидкости, омываемым ею во взвешенном состоянии. Рост органической и минеральной происходил совместно, на что указывает их тонкое взаимопрорастание. Установлена микропористость, до 10 %, размер пор 20–30 мкм.
А Б В
Рис. 2. Слюнной камень (18 х 12 мм), вверху, слева направо: фото, ренттгенограмма и размещение в рабочей зоне при съемке томограммы; внизу рентгенотомография: А — рентгенограмма, Б –томограмма; В — выделение фаз по «TomAnalysis» и Г — гистограмма % соотношения; серое — поры, голубое — органическая фаза — холестерин, зеленое — гидроксилапатит, сиреневое — вивелит, оранжевое и красное — кальцит.
Минеральный состава кальцинатов методом РФА (аналитик А. В. Иоспа) установлен на рентгеновском дифрактометре X'Pert PRO (Philips, Голландия). Условия съемки рентгенограмм: монохроматизированное Cu K излучение, U = 50 kV, I = 40 mA, скорость записи 2 град/мин, внутренний стандарт — кремний (Si). Ограничения метода связаны с невозможностью диагностики рентгеноаморфных фаз, порогом обнаружения 0,5–1 мас. %, размер минеральных кристаллитов — не меньше 0,1 мкм.
Диагностированы: органическая фаза, холестерин, и три минеральных фазы: гидроксил апатит, вивелит, и, мало, кальцит (Рис. 3). Гидроксилапатит недостаточно хорошо окристаллизован, о чем свидетельствует уширение его дифракционных пиков. Не исключается также присутствие рентгеноаморфной фазы и минерала группы апатита — гидроксилэллестандита (следы). Сопоставление диагностических линий на дифрактограммах (Рис. 4) показало сходство фазового состава всех исследованных слюнных камней.
Рис. 3. Рентгенограмма слюнного камня, аналитические отражения указаны цветными линиями.
Рис. 4. Сопоставление рентгенограмм слюнных камней.
Выводы. В результате проведенных исследований визуализирована внутренняя неоднородность, установлены морфология и минеральный состав слюнных камней — гидроксилапатит, вивелит, кальцит.
Научный руководитель: профессор, д.м.н. Абдусаламов М. Р.; аналитики: к.г.-м.н. Якушина О. А. и Иоспа А. В.
Литература:
- Нормативно-методическая документация по аналитическим, минералогическим и технологическим исследованиям // Справочник. Издание третье, дополненное / М.: Федеральный научно-методический центр (ФНМЦ) лабораторных исследований и сертификации минерального сырья «ВИМС», 2008. — 152 с.; дополнения 2012 г. М.: «ВИМС», 2012. — 18 с.
- Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / Под ред. проф. В. В. Клюева — 2-е изд. с доп., М.: Машиностроение, 2003. Т. 1. — 656 с.
- Бельская Л. В., Голованова О. А. Исследование минерального состава слюнных камней человека // Вестник ОНЗ РАН, 2011. — Т. 3. — NZ6013, doi:10.2205/2011NZ000143,
- Денисов А. В. Слюнные железы. Слюна. М.: Изд-во РАМН, 2003. — 132 с.
- Рабухина Н. А., Чупрынина Н. М. Рентгенодиагностика заболеваний челюстно-лицевой области. М.: Медицина, 1991. 368 с.
- Якушина О. А., Ожогина Е. Г., Хозяинов М. С. Рентгеновская микротомография — неразрушающий метод структурного и фазового анализа / Мир измерений, 2003. № 10. — С. 12–17.
- X-ray computed tomography (Rewiew). Kalender W. // Phys. Med. Biol., 2006. N 51. R 29–43.