На правах рукописи
СВЕШНИКОВ
Антон Витальевич
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ МИКРОСОСУДИСТЫХ СЕТЕЙ
05.13.01 –
Системный анализ, управление и обработка
информации
14.00.02 –
Анатомия человека
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата медицинских наук
Смоленск - 2007
Диссертация выполнена на кафедре анатомии
человека
Смоленской государственной медицинской
академии
|
Научный руководитель: Научный консультант: |
доктор медицинских наук,
Глотов Владимир Александрович доктор технических наук, профессор Круглов Владимир Васильевич |
|
Официальные оппоненты: |
|
|
Ведущее учреждение: |
|
Защита диссертации состоится
С диссертацией можно ознакомиться
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного совета,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования
К микрососудистым сетям (МС) относятся сети, состоящие из микрососудов
с диаметром внутреннего просвета от 300 мкм до 2 мкм (плазматические капилляры,
диаметр внутреннего просвета которых меньше размеров форменных элементов
крови). По данным литературы от 40–50% (Lee J.S.,
2000) до 80% (Залманов А. С., 1966) всего объёма крови находится в
периферическом отделе кровеносной системы, общая длинна капилляров достигает
100 000 км, а их общая площадь 7300 м2 (Долго-Сабуров Б. А., 1961).
В МС модель поведения крови, сложной жидкой биологической ткани,
приближается к модели неньютоновской жидкости, для описания движения которой
справедливы более общие законы гидродинамики, которые до сих пор еще до конца
непонятны.
МС, как составная часть сердечно-сосудистой системы, являются одной из самых больших внутренних
коммуникационных систем организма. МС являются структурной основой,
определяющей конструкции структурно-функциональных единиц органов, например,
мышечного волокна, нефрона, печёночной дольки, легочного ацинуса и др. Существование
«бессосудистых» зон во всех органах и тканях определяет сегментарность их
строения (Одноралов Н. И., 1967). В эмбриональном периоде развития морфогенез,
дифференцировка органов и тканей, органогенез тесно связаны с ангиогенезом и невозможны
без последнего.
МС являются макро-микроскопическим сложно организованным
морфологическим субстратом в котором разыгрываются практически все известные
нормальные морфогенетические, гистофизиологические и патологические процессы.
Макрососудистые узлы (бифуркации и соустья) и
микрососудистые узлы (МУ) являются
областями локального нарушения кровотока, при этом создаются условия для атерогенгеза
(Deng X., King M., Guidoin R., 1993).
Атеросклеротические повреждения
найдены, прежде всего, в артериальных изгибах и бифуркациях (МУ). Нарушения
потока в этих анатомических образованиях играют главную роль в патогенезе.
Развитие опухолевого процесса определяется развитием МС в опухоли.
Одним из перспективных направлений лечения опухолей - подавление развития МС в опухолях.
МС претерпевают значительные изменения при
эндокринных расстройствах, причём существует возможность наблюдать эти изменения
in vivо, например, при
сахарном диабете.
В связи с этим, изучение закономерностей
микроангиоархитектоники в норме и патологии имеют большое значение для морфологических,
гистофизиологических, патогистологических, клинических и лабораторных
исследований, в том числе для ранней диагностики и повышения достоверности
диагностики в кардиологии, онкологии, эндокринологии и т.д.
Представления о МС как сосудистом дереве, т.е. системе трубок и
трубочек, соединенных между собой подобно древовидной структуре, доминировавшие
долгое время в науке, не в состоянии адекватно описать закономерности строения
МС и происходящие там процессы.
МС состоят из двух структурно-функциональных элементов - микрососудов – микроскопичекских трубок,
без вевей, расположенных между двумя соседними МУ (микрососудистых бифуркаций
или соустий).
Структура МУ (сосудистого тройника) существенно отличается от структуры
микрососуда (Шошенко К.А., Голубь А.С., Брод В.И., 1978, 1982; Глотов В.А., 1990-2002). В области МУ происходит
изменение режима течения крови, влияющее на величину сопротивления кровотоку
(Мамисашвили В. А. 1972; Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У., 1981).
Каждая генерация нового сосуда в процессе ангиогенеза в замкнутой
системе кровообращения порождает два новых МУ. Принято считать, что в большом
круге кровообращения число микрососудов 2х109, а число МУ - 1,3х109
(Глотов В. А., 2001, 2002).
Образование новых микрососудов, как в норме, так и при патологии,
изменяет конфигурацию МС. Изменения затрагивают все морфологические параметры
МС, к которым относятся: диаметр внутреннего просвета микрососудов (калибр),
углы между осями микрососудов в МУ, длина микрососудов, искривление микрососудов,
а также: толщина микрососудистой стенки, соотношение толщины стенки к диаметру
внутреннего просвета.
Плотность МС (количество микрососудов в единице объёма ткани или на
единице площади) показывает степень васкуляризации и имеет индивидуальную
специфику для каждого органа.
Для МУ существует четкая взаимосвязь между геометрическими параметрами
конфигурации: диаметрами внутреннего просвета микрососудов и углами между их
осями в МУ. Микроангиоархитектоника при патологических процессах, будет
отличаться от микроангиоархитектоники в норме. Изменения коснутся, прежде
всего, сосудистой плотности, искривления (извитости) микрососудов и строения
микрососудистой стенки.
Большая индивидуальная изменчивость МС затрудняет процесс изучения
этого морфологического субстрата. Существуют четкие закономерности строения,
которые поддаются математическому анализу. Известны работы (Roux W., 1878,1879;
Murray C.D., 1926; Krogh A.A.,1927; Thompson D'Arcy W., 1945; Cohn D.L.,
1954,1955; Kamiya A.M.D., 1972-2001; Zamir M., 1973-2001; Мамисашвили В.А.,
Бабунашвили М.К., Мчедлишвили Г.И., 1975; Шошенко К.А., Голубь А.С., 1982;
Глотов В. А., 1986-2002), в которых предприняты попытки найти математические
модели известных морфологических феноменов в конфигурации МС.
Полученные теоретические результаты нуждаются в экспериментальной
проверке, которую традиционными морфологическими, гистологическими,
морфометрическими методами провести либо технически сложно, либо вообще
невозможно.
Методы ручной морфометрии, до сих пор применяющиеся в морфологии для
изучения микроангиоархитектоники, обладают рядом недостатков, основными из
которых являются низкая точность и большая трудоёмкость исследований (Автандилов Г. Г, 1973, 1980, 1990).
Высокий уровень развития современной вычислительной техники и
информационных технологий, достижения в области программного обеспечения, при
корректных методических подходах и соответствующем метрологическом обеспечении,
позволят провести необходимую теоретическую и экспериментальную проверку предложенных
математических моделей для конфигурации МС, а также объяснить и показать
существование ряда неочевидных феноменов в строении МС, например, феномена
энантиоморфизма МС у животных и человека, имеющих генетически детерминированный
билатеральный план построения тела.
Объектом исследования
являются МС – морфологический субстрат системы микроциркуляции или МЦР.
Предметом исследования
являются методы ручной морфометрии, методы выявления системы микроциркуляции и
методы математического моделирования строения микрососудистых сетей.
Границы исследования включали анализ литературных источников, связанных с темой исследования, приготовление препаратов МС, ручную морфометрию МС, разработку метода компьютерного анализа МС и принципов его применения.
Уровень развития современных информационных технологий позволяет оптимизировать морфометрические исследования, вывести их на иной качественный уровень, повысить их достоверность, а также исследовать феномены строения МС, которые другими методами исследовать просто невозможно.
Единицами наблюдения были
микрососуды, микрососудистые узлы (МУ) или микрососудистые бифуркации и
соустья.
Цель исследования: Повышение достоверности морфологических исследований МС различных органов и систем с использованием информационных технологий.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературные источники, посвящённые строению, методам выявления, математическому моделированию и программному обеспечению исследований МС.
2. Оценить достоверность и продуктивность методов ручной морфометрии, а также корректность применяемых методов выявления МС.
3. Разработать программный продукт, обеспечивающий достижение высокого уровня точности и достоверности морфометрических исследований МС.
Научная новизна исследования заключается в том, что впервые:
·
Обоснована роль
применения новых информационных технологий для исследования
микроангиоархитектоники МС различных органов и систем человека в норме и при патологии.
· Доказана высокая достоверность результатов полученных при помощи предлагаемого метода.
·
Разработана методология морфометрических исследований,
не требующая вложения значительных ресурсов, оптимизирующая весь исследовательский
процесс.
Научно-практическая значимость исследования состоит в том, что:
·
Компьютерный
анализ МС, позволяет значительно повысить точность морфометрических
исследований, что может быть использовано
для ранней диагностики, а также при гистологическом установлении достоверности
клинического диагноза в онкологии, телепатологии, эндокринологии и т.д.
·
Метод
компьютерного анализа позволяет упростить и повысить производительность исследования,
что делает его широко доступным для применения в лечебных и исследовательских
учреждениях.
·
Создание
компьютерных баз данных оцифрованных изображений МС позволяет хранить
информацию неограниченное время в удобном для обработки формате и облегчает доступ
к данным для их дальнейшей обработки, что позволяет наблюдать динамику изменений
при лечении и определять степень его эффективности.
Личный вклад соискателя. Проведен анализ существующих методик выявления МС, с
целью упростить и оптимизировать гистологические и морфометрические исследования,
повысить их достоверность. Разработаны подходы и принципы применения метода
компьютерного анализа МС. Разработано техническое задание для создания
программного комплекса морфометрических исследований МС. Осуществлено испытание
и тестирование экспериментального программного комплекса, устранены недостатки.
Апробация работы. Материалы исследования доложены и обсуждены на: 43-й научной студенческой конференции СГМИ (Смоленск, 1991); ХI съезде анатомов, гистологов и эмбриологов (Смоленск, 1992); Конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора И. С. Кудрина (Тверь, 1996); Научной конференции, посвященной 125-летию со дня рождения академика В. Н. Тонкова (С-Петербург, 1997);. Международной учебно-методической конференции (Иваново, 1997); Конференции молодых ученых России с международным участием «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины», посвященной 240-летию ММА им. И. М. Сеченова (Москва, 1998); 1-ом Российском научном форуме МедКомТех (Москва, 2003); Междисциплинарной конференции с международным участием “Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века для диагностики и лечения заболеваний человека” (“НБИТТ-21”) (Петрозаводск, 2003); VI специализированной выставке-семинаре «Компьютерные и телекоммуникационные технологии» (Смоленск, 2003); Конкурсе молодых учёных Смоленской области (Смоленск, 2003); II региональной научно-практической конференции молодых учёных Смоленской области «Молодёжь и наука XXI века» (Смоленск, 2003); III-ей Всероссийской школе-конференции с международным участием по физиологии кровообращения посвящённой 250-летию МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва, 2004); 32 конференции молодых учёных и 56 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 2004); на заседании проблемной комиссии Смоленской государственной медицинской академии (СГМА) по иммунологии, иммуноморфологии и иммунопатофизиологии (Смоленск, 2004).
Внедрение результатов исследования. Материалы исследования используется в учебном процессе на кафедре анатомии человека ГОУ ВПО СГМА, а также в работе лаборатории анатомии и архитектоники ГУ НИИ Мозга РАМН. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе, одна статья в журнале, из числа рекомендованных ВАК РФ.
Положения,
выносимые на защиту:
1. Высокий уровень достоверности результатов морфометрических исследований МС выполним на основе использования современных информационных технологий.
2. Достоверно различие между результатами, полученными методами ручной морфометрии МС и результатами компьютерного анализа МС достигнутых с использованием информационных технологий.
3. Большинство традиционных морфологических и гистологических методик выявления МС искажают реальные конфигурации МС и не применимы для достоверных количественных исследований МС и экстраполяции полученных результатов на реальные МС in vivo.
4. Разработанный программный продукт не имеет аналогов, оптимизирует морфометрические исследования МС, на порядок повышает достоверность полученных данных. Может широко использоваться в клинической и исследовательской практике.
Объем
и структура диссертации: Диссертация
изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора
литературы, трех глав собственных исследований, заключения, выводов и
практических рекомендаций, списка литературы, включающего ххх отечественных и yyy зарубежных источников, приложений. Работа
иллюстрирована 6 таблицами и 41 рисунком.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, объект, предмет, единицы и границы исследования, научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор литературы по проблемам
ангиогенеза, ангиоархитектоники и гемодинамики в микрососудистых сетях, как
основном звене микроциркуляции.
Особое внимание уделено системному анализу разработок
в области математического моделирования ангиоархитектоники, систематизация
всего разнообразия математических моделей, предложенных в работах: Roux W.,
1878, 1879; Murray C. D., 1926; Krogh A. A., 1927; Thompson D'Arcy W., 1945;
Cohn D. L., 1954, 1955; Kamiya A. M. D., 1972-2001; Zamir M., 1973-2001;
Мамисашвили В. А., Бабунашвили М. К., Мчедлишвили Г. И., 1975; Шошенко К. А.,
Голубь А. С., 1982; Глотов В. А., 1986-2002.
Подвергнуты анализу основные
программно-аппаратные комплексы и программные пакеты, применяющиеся для
исследования микроангиоархитектоники.
Во второй главе описаны материалы и методы исследования. Для исследования использовались пленчатые препараты МС 28 человеческих
плодов, погибших в результате самопроизвольных выкидышей или гистеротомии по
социальным показаниям, ТКД 100¸280 мм (кожа, надкостница длинных трубчатых костей, суставная
капсула, твердая мозговая оболочка, париетальная плевра, перикард, париетальная
брюшина, брыжейка тонкой кишки и др.). Препараты изготовлялись ориентированными:
маркировка включала в себя номер плода, место получение препарата, ткань и
указание правой или левой стороны.
Методы исследования. Спустя 10 часов после выкидыша и констатации смерти,
плод погружался в ванночку с водой, нагретой до температуры 360 C, где
выдерживался в течение одного часа для разогрева. Затем у плода препарировалась
грудная клетка, и обнажалось сердце. Через левый желудочек в аорту, а затем
через правый желудочек в легочную артерию вводилась инъекционная игла с оливой
на конце и фиксировалась там лигатурой.
При помощи 20 милилитрового
шприца производилась наливка сосудистой системы плода раствором туши
приготовленной по Шпаннеру: чёрная чертёжная тушь разводится в соотношении 1:3
раствором Рингера, 6-кратно фильтруется и 2 раза центрифугируется по 15 минут
при частоте вращения центрифуги 3000 об/ мин. Качество и достаточность наливки
определялись по усиливающимуся почернению кожи и внутренних органов плода. После
окончания наливки на аорту, лёгочную артерию, верхнюю и нижнюю полые вены накладывались
лигатуры. Плод фиксировался в слабом растворе формалина 1:9 по Блюму в течении 14 суток. После окончания фиксации
плод промывался в холодной проточной воде в течении 5 часов.
Препаровка проводилась
макроскопическим способом на препаровальном столике. Дальнейшая обработка
проводилась по следующей схеме: промывка в проточной воде, дегидратация в
батарее спиртов, просветление в растворе карбол-ксилола, заключение в канадский
бальзам.
Микроскопирование
микрососудистых сетей проводилось при помощи микроскопов МБИ-6, МБС-1;
Покадровый анализ микрососудистых сетей из кинофильмов проводился при помощи аппарата для чтения микрофильмов «Микрофот» типа 5ПО-1;
Микрофотографирование
микрососудистых сетей указанных выше плёнчатых морфологических образований
осуществлялось при помощи микрофотонасадки МФН-12 и фотокамер «ФЭД-2» и «Зоркий-4»;
устройства МБУ-4 - Переходное кольцо - ПЗФ - «Зенит-Е»[1],
сконструированного на основе приставки для зеркальных фотоаппаратов (ПЗФ); стереоснимки
(стереопары) изготовлялись при помощи системы МБС-1-Переходное - кольцо - ПЗФ -
«Зенит - Е» и рассматривались при помощи стереоскопа[2].
Методы микроскопических измерений и морфометрического анализа. Измерения диаметров микрососудов проводились при помощи винтового окулярного микрометра МОВ-1-15Х, в качестве объект-микрометра использовалась сетка камеры Горяева.
Измерения углов между осями
микрососудов проводились при помощи способа прямого измерения угла,
образующегося при ветвлении между двумя сосудами, и устройства для его реализации[3],
сконструированного на основе винтового окулярного микрометра МОВ-1-15х.
Изучение ориентации осей
симметрии в области микрососудистой бифуркации или микрососудистого узла
проводилось при помощи микрограмметрической оптико-механической приставки к
микроскопу[4] на основе микрограмметрического анализа трёхмерного
пространства макро-микроскопических и гистологических препаратов[5].
Планирование эксперимента,
метрологическая и статистическая обработка результатов морфометрии
осуществлялась методами, изложенными в практических руководствах по биометрии.
В третьей
главе проведен
анализ методов ручной морфометрии на примере математической модели строения МС,
предложенной Глотовым В. А.
Глотовым В. А. (1995, 2002)
предложена универсальная динамическая математическая модель для конфигурации
МУ, являющаяся более общей моделью МУ, частным случаем которой является модели,
предложенные ранее C. D. Murray (1925, 1926)
и W. Roux (1878), позволяющая прогнозировать существование множества неочевидных
морфофункциональных феноменов в конструкции и функционировании МУ и МС.
Экспериментальная проверка предложенной модели сопряжена с целым рядом
технических проблем, связанных с техникой измерения конфигурационных параметров
МУ (колоссальная трудоемкость и высокая погрешность измерений) и математической
обработкой результатов этих измерений (отсутствие адаптированных стандартных методик).
Для получения статистически
достоверных результатов при определении только одного параметра приходится
выполнять до 100 очень трудоемких измерений. Полученные данные анализировались
при помощи известных моделей, после чего делались выводы о достоверности моделей.
Первоначально для
оптимизации исследования нами была разработана специальная программа на языке
"Бейсик-3А-TDM" для использования на микро-ЭВМ "Электроника
Д3-28", которая предусматривала три основных раздела:
I.Управление
программой:
· Справка;
· Блок управления
подпрограммами.
II.
Статистические блоки:
· Статистика при малом числе
измерений;
· Статистика для большого
числа измерений;
· Оценка варианты при помощи
критерия Романовского.
III.
Блоки базы данных:
·
Обработка
параметров бифуркации;
·
Моделирование
микрососудистого кольца.
Блок обработки информации использовался вначале, для определения цены деления окулярного микрометра, а затем для статистической обработки конкретных морфологических параметров микрососудистых сетей (табл. 1).
Таблица 1
Протокол
компьютерной обработки при помощи разработанной
программы
результатов исследования окулярного микрометра
с
помощью камеры Горяева при увеличении объектива 8Х
|
№ |
Х1 |
Х ср. |
s |
s |
|
1 |
0,500 |
0,512 |
-0,012 |
144 |
|
2 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
3 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
4 |
0,520 |
0,512 |
+0,008 |
64 |
|
5 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
6 |
0,508 |
0,512 |
-0,004 |
16 |
|
7 |
0,520 |
0,512 |
+0,008 |
64 |
|
8 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
9 |
0,520 |
0,512 |
+0,008 |
64 |
|
10 |
0,500 |
0,512 |
-0,012 |
144 |
|
11 |
0,505 |
0,512 |
-0,007 |
49 |
|
12 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
13 |
0,515 |
0,512 |
+0,003 |
9 |
|
14 |
0,512 |
0,512 |
0 |
0 |
|
15 |
0,509 |
0,512 |
-0,003 |
9 |
|
16 |
0,515 |
0,512 |
+0,003 |
9 |
|
17 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
18 |
0,515 |
0,512 |
+0,003 |
9 |
|
19 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
20 |
0,507 |
0,512 |
-0,005 |
25 |
|
21 |
0,513 |
0,512 |
+0,001 |
1 |
|
22 |
0,518 |
0,512 |
+0,005 |
25 |
|
23 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
24 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
25 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
26 |
0,516 |
0,512 |
+0,004 |
16 |
|
27 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
28 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
29 |
0,511 |
0,512 |
-0,001 |
1 |
|
30 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
31 |
0,511 |
0,512 |
-0,001 |
1 |
|
32 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
33 |
0,511 |
0,512 |
-0,001 |
1 |
|
34 |
0,512 |
0,512 |
0 |
0 |
|
35 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
36 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
37 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
38 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
39 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
|
40 |
0,510 |
0,512 |
-0,002 |
4 |
Рис. 1.
Схема индексации
микрососудов и углов в МУ: j1 лежит между микрососудами с
d1
и d2,
j2 - между микрососудами с d2 и d3, j3 - между микрососудами с d3 и d1 (рис. 1).
При помощи разработанной программы нами изучались как отдельные МУ, так и микрососудистые кольца - совокупность связанных между собой микрососудистых узлов, которые функционируют как единые микрососудистые модули (Козлов В. И., 1975).
Величины диаметров
внутреннего просвета микрососудов и углов между их осями в соответствии с
математической моделью В. А. Глотова (1992) связаны с параметрами коэффициента
динамической вязкости крови в этих микрососудах (h). Поскольку невозможно узнать
реальные показатели динамической вязкости в неживых, окрашенных и фиксированных
препаратах, то h1 в d1 первого МУ задавалось
равной некоторому произвольному значению N условных единиц. Было
предположено, что при расчетном определении коэффициента динамической вязкости
в микрососудах микрососудистого кольца оптимальной конфигурации, состоящего из
4-х узлов (рис. 2), от узла к узлу по ходу или против хода часовой стрелки
(направление обсчета задается произвольно) должен получиться в микрососуде
первого узла исходный коэффициент динамической вязкости N
условных единиц. В 1991 году было проведено первое компьютерное исследование
закономерностей распределения коэффициента динамической вязкости крови в
микрососудах от МУ к МУ в микрососудистом кольце.
На фрагменте микрососудистых
сетей париетальной плевры человеческого плода было выбрано реальное
микрососудистое кольцо из четырёх МУ, параметры которых были проанализированы
при помощи разработанной нами программы.
Рис. 2
Микрососудистое кольцо из
4-х МУ
При моделировании движения
крови по микрососудистому кольцу удалось показать, что величина параметра
динамической вязкости крови непостоянна по длине микрососуда на участке между
двумя МУ кольца, что свидетельствует о диссипации через сосудистую стенку
энергии движущейся крови при прохождении этого участка.
Измерения начинались с верхнего МУ кольца. Обозначение d1 получал сосуд, по которому мы попадаем в следующий МУ, двигаясь по кольцу по часовой стрелке.
Далее приводится фрагмент
этого исследования и результаты их компьютерного анализа. Измерения диаметров
сосудов и углов между ними проводились по 15 раз, что делало исследование статистически
достоверным. Далее программа вычисляла среднее арифметическое значение, среднее
квадратическое отклонение, границы доверительного интервала, относительную
погрешность измерения и суммарную относительная погрешность. Результаты
выводились в виде таблицы (табл. 2).
Таблица № 2
|
Бифуркация №1 |
|||||
|
D1 дел |
D2 . дел |
D3 .дел |
j1 0 |
j2 0 |
j3 0 |
|
152 |
87 |
135 |
113 |
78 |
169 |
|
154 |
94 |
132 |
111 |
80 |
169 |
|
152 |
90 |
130 |
114 |
80 |
166 |
|
150 |
92 |
135 |
113 |
81 |
166 |
|
152 |
97 |
133 |
111 |
80 |
168 |
|
152 |
97 |
133 |
111 |
83 |
166 |
|
148 |
98 |
132 |
110 |
81 |
169 |
|
148 |
92 |
132 |
109 |
83 |
168 |
|
151 |
98 |
132 |
110 |
83 |
167 |
|
153 |
97 |
134 |
110 |
83 |
167 |
|
152 |
94 |
133 |
111 |
81 |
168 |
|
149 |
96 |
134 |
105 |
85 |
170 |
|
154 |
99 |
134 |
109 |
80 |
171 |
|
151 |
97 |
134 |
110 |
82 |
168 |
|
152 |
100 |
129 |
111 |
81 |
168 |
|
Среднее арифметическое
значение ряда |
|||||
|
151.33 |
95.2 |
132.8 |
110.53 |
81.4 |
168 |
|
Среднеквадратическое
отклонение |
|||||
|
1.81 |
3.51 |
1.64 |
2.03 |
1.7 |
1.41 |
|
Границы доверительного
интервала Es при доверительной вероятности
Ps =0.95,ts =2.14 (Распределение
Стьюдента) |
|||||
|
1 |
1.94 |
0.91 |
1.12 |
0.94 |
0.78 |
|
Относительная погрешность
измерений |
|||||
|
0.01 |
0.02 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0 |
|
Окончательные значения,
мкм |
|
||||
|
77.48 |
48.74 |
67.99 |
|
||
|
Суммарная относительная
погрешность |
|
||||
|
0.02 |
0.03 |
0.02 |
|
||
Таблица № 3
|
Бифуркация №2 |
|||||
|
D1 дел |
D2 . дел |
D3
.дел |
j1 0 |
j2 0 |
j3 0 |
|
98 |
100 |
78 |
149 |
118 |
103 |
|
94 |
100 |
79 |
149 |
111 |
100 |
|
100 |
100 |
82 |
154 |
107 |
99 |
|
92 |
99 |
79 |
152 |
115 |
93 |
|
96 |
98 |
77 |
152 |
111 |
98 |
|
95 |
98 |
78 |
150 |
110 |
100 |
|
93 |
103 |
80 |
153 |
108 |
99 |
|
97 |
102 |
80 |
151 |
111 |
98 |
|
92 |
98 |
80 |
151 |
110 |
99 |
|
95 |
97 |
79 |
152 |
110 |
99 |
|
92 |
96 |
78 |
153 |
109 |
97 |
|
94 |
97 |
78 |
151 |
111 |
98 |
|
96 |
96 |
79 |
152 |
100 |
98 |
|
96 |
100 |
76 |
152 |
109 |
99 |
|
96 |
99 |
79 |
153 |
110 |
97 |
|
Среднее арифметическое
значение ряда |
|||||
|
95.07 |
98.87 |
78.8 |
151.6 |
110 |
98.47 |
|
Среднеквадратическое
отклонение |
|||||
|
2.24 |
1.96 |
1.38 |
1.4 |
3.72 |
2.03 |
|
Границы доверительного
интервала Es при доверительной вероятности
Ps =0.95,ts =2.14 (Распределение
Стьюдента) |
|||||
|
1.24 |
1.08 |
0.76 |
0.77 |
2.06 |
1.12 |
|
Относительная погрешность
измерений |
|||||
|
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.02 |
0.01 |
|
Окончательные значения,
мкм |
|
||||
|
48.67 |
50.62 |
40.34 |
|
||
|
Суммарная относительная
погрешность |
|
||||
|
0.02 |
0.02 |
0.02 |
|
||
Таблица № 4
Бифуркация№3
|
|||||
|
D1 ,дел |
D2 ,дел |
D3 ,дел |
j1 ,0 |
j2,0 |
j3,0 |
|
87 |
64 |
76 |
96 |
135 |
129 |
|
81 |
76 |
77 |
99 |
137 |
124 |
|
80 |
71 |
75 |
101 |
134 |
125 |
|
81 |
68 |
71 |
102 |
131 |
127 |
|
81 |
73 |
77 |
101 |
132 |
127 |
|
82 |
72 |
70 |
100 |
132 |
127 |
|
82 |
74 |
71 |
99 |
135 |
126 |
|
80 |
74 |
77 |
100 |
133 |
127 |
|
85 |
74 |
76 |
99 |
135 |
126 |
|
75 |
73 |
73 |
99 |
135 |
126 |
|
86 |
73 |
74 |
101 |
133 |
126 |
|
80 |
75 |
73 |
99 |
137 |
124 |
|
79 |
71 |
73 |
97 |
136 |
127 |
|
79 |
73 |
74 |
100 |
133 |
127 |
|
81 |
71 |
76 |
100 |
132 |
128 |
|
Среднее арифметическое
значение ряда |
|||||
|
81.27 |
72.13 |
74.2 |
99.53 |
134 |
126.4 |
|
Среднеквадратическое
отклонение |
|||||
|
2.89 |
2.87 |
2.26 |
1.5 |
1.83 |
1.31 |
|
Границы доверительного
интервала Еs при доверительной вероятности
Рs=0.95,t s=2.14(Распределение
Стьюдента) |
|||||
|
1.6 |
1.59 |
1.25 |
0.83 |
1.01 |
0.72 |
|
Относительная погрешность
измерений |
|||||
|
0.02 |
0.02 |
0.02 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
|
Окончательные значения,
мкм |
|
||||
|
41.61 |
36.93 |
37.99 |
|
||
|
Суммарная относительная
погрешность |
|
||||
|
0.03 |
0.03 |
0.03 |
|
||
Таблица № 5[6]
Бифуркация №4
|
|||||
|
D1 дел |
D2 . дел |
D3 .дел |
j1 0 |
j2 0 |
j3 0 |
|
64 |
133 |
92 |
144 |
160 |
56 |
|
63 |
131 |
92 |
135 |
167 |
58 |
|
64 |
130 |
91 |
139 |
165 |
56 |
|
62 |
132 |
91 |
137 |
167 |
56 |
|
64 |
130 |
98 |
140 |
164 |
56 |
|
69 |
129 |
90 |
139 |
166 |
55 |
|
71 |
127 |
92 |
140 |
166 |
54 |
|
70 |
129 |
90 |
142 |
162 |
56 |
|
63 |
127 |
91 |
139 |
162 |
59 |
|
64 |
127 |
91 |
141 |
166 |
53 |
|
60 |
126 |
90 |
134 |
175 |
51 |
|
65 |
130 |
92 |
140 |
163 |
57 |
|
65 |
125 |
93 |
138 |
167 |
55 |
|
68 |
126 |
94 |
139 |
167 |
54 |
|
63 |
126 |
98 |
141 |
163 |
56 |
|
Среднее арифметическое
значение ряда |
|||||
|
65 |
128.53 |
92.33 |
139.2 |
165.33 |
55.47 |
|
Среднеквадратическое
отклонение |
|||||
|
3.01 |
2.36 |
2.47 |
2.45 |
3.36 |
1.89 |
|
Границы доверительного
интервала Es при доверительной вероятности
Ps =0.95,ts =2.14 (Распределение
Стьюдента) |
|||||
|
1.66 |
1.3 |
1.36 |
1.35 |
1.86 |
1.04 |
|
Относительная погрешность
измерений |
|||||
|
0.03 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.02 |
|
Окончательные значения,
мкм |
|
||||
|
33.28 |
65.8 |
47.27 |
|
||
|
Суммарная относительная
погрешность |
|
||||
|
0.04 |
0.02 |
0.02 |
|
||
Проведенное исследование показало большую трудоёмкость и неэффективность существующих в морфометрии методов исследования. В условиях быстрого развития вычислительной техники была предпринята попытка сформулировать основные принципы компьютерного анализа, как современного, точного и эффективного метода исследования, который ранее в силу недостаточной разработки, не использовался при морфометрических исследованиях микрососудистых сетей и на этой основе разработать новый современный метод компьютерного анализа МС, пригодный как для исследования фиксированных макро-микроскопических и гистологических объектов, так и витальных функционирующих МС.
До настоящего времени:
· Не проводилась количественная оценка изменений происходящих с системой микроциркуляции post mortem.
· Интерполяция данных, полученных при изучении посмертных препаратов на прижизненное строение.
· Не существует единого подхода к способу выявления МС и определения искажений при использовании того или иного метода.
·
Методы ручной
морфометрии, используемые в морфологии, не позволяют определять ряд
геометрических параметров изучаемых объектов с достаточностью точностью (например,
углов между микрососудами в МУ).
Изучение закономерностей микроангиоархитектоники в норме и патологии имеет большое значение для морфологических, патогистологических, клинических и лабораторных исследований, в том числе для ранней диагностики, и гистологической верификации клинического диагноза в кардиологии, онкологии и т.д. Морфометрические исследования проводимые в данной области заключаются в измерении изучаемого объекта (например, диаметра микрососудов) при помощи окулярного микрометра. Необходимо производить большое количество измерений для получения достоверных результатов. Часто при биомикроскопии диаметры и углы между микрососудами измеряют по фотографиямри помощи обычной школьной линейки, транспортира и циркуля, при этом имеет место большая погрешность измерений, что снижает достоверность результатов, приводит большим временным затратам на единичное измерение, что сильно ограничевает возможностями ручной морфометрии. При исследовании микроангиоархитектоники с помощью методов ручной морфометрии существует весомый фактор субъективности, влияющий на полученные результаты (погрешность составляет часто более 10-15%). Традиционными мофометрическими методами, используемыми при исследования МС, невозможно проверить адекватность уже разработанных математических моделей МС, а также изучать ряд неочевидных феноменов, как, например, энантиоморфизм МС.
В макрососудистом русле кровь по своим физическим свойствам приближается к ньютоновским жидкостям, динамическая вязкость которых постоянна и не зависит от напряжения сдвига. В микрососудистом русле, кровь ведет себя как неньютоновские жидкости, динамическая вязкость которых непостоянна и сложным образом зависит от напряжения сдвига.
В четвёртой главе изложены основные принципы метода компьютерного анализа МС. Компьютерный анализ электронных изображений МС, позволяет получить максимум информации из изображения, обработать большое количество данных, повысить точность и производительность морфометрических исследований. Метод позволяет расширить диапазон морфологических исследований, повысить их точность и производительность, оптимизировать методики выявления МС.
Принципы компьютерного анализа МС были положены в основу оригинального технического задания на разработку программно-аппаратного комплекса для морфологических исследований.
Программный комплекс должен
выполнять следующие функции:
·
Автоматический
вывод черно-белого изображения на экран и ввод в базу данных.
·
Для
отмеченного оператором МУ автоматически вычислять величины диаметров микрососудов
d1,d2,d3, углов j1, j2, j3.
·
Автоматически
производить разметку МУ для определения углов j1, j2, j3, иметь возможность
корректировать разметку по желанию оператора.
·
Вычислять
расстояние между двумя отмеченными точками по прямой.
·
Вычислять
расстояние между двумя отмеченными МУ по руслу сосуда методом кусочно-линейной
аппроксимации, после установления числа линейных отрезков оператором.
·
Выполнять
функцию двукратного увеличения части изображения.
·
В
ходе действий оператора выводить промежуточные результаты на информационном
табло в реальном масштабе времени.
·
Погрешность
измерений на введенном изображении не должна превышать 1,5%.
·
Изображение
(поле зрения) может содержать до 50 узлов.
·
Анализируется
диаметр микрососудов от 2 мкм до 300 мкм.
Программа должна
функционировать в среде Windows (начиная с 3.1), позволять
работать с буфером обмена. Результаты должны автоматически записываться в базу
данных. Исходное чёрно-белое изображение может быть оцифровано при помощи
сканера либо цифровой фотокамеры. Увеличение микроскопа 200х или 400х.
На основании этого
технического задания в рамках проекта РФФИ №96-04-50991 «Клеточная и тканевая
инженерия эндотелия (формирование в культуре эндотелия in vivo функциоинрующих
саморазвивающихся капиллярных сетей)» при участии автора был разработан
программный комплекс и испытан автором в различных режимах.
Функциональные возможности разработанного программного комплекса:
·
Работа
в среде Windows и его приложениях, на IBM - совместимых компьютерах с
процессором 80486 и выше, ОЗУ не менее 8 MB, при разрешении экрана
1024х768 и не менее 256 градаций серого цвета.
· Ввод изображений полученных тремя разными методами (при помощи сканера, видеокамеры, цифровой камеры).
·
Вывод
изображения на экран и в базу данных.
·
Анализ
изображения, его коррекция и фильтрация.
·
Возможность
масштабирования изображения при помощи объект-микрометра или камеры Горяева.
·
В
ходе действий оператора - выведение промежуточных результатов на информационное
табло в реальном масштабе времени.
·
Для
отмеченного оператором узла - определение диаметров сосудов и углов между ними.
· Классифицирование объекта исследования и его идентификация при повторном измерении, даже в случае поворота микропрепарата, на некоторый угол.
·
Вычисление
расстояния между двумя отмеченными узлами по прямой в абсолютных числах.
·
Вычисление
расстояния между двумя отмеченными узлами по руслу сосуда методом
кусочно-линейной аппроксимации после установления числа линейных отрезков оператором
в абсолютных числах.
· Ввод окончательных данных в базу данных.
·
Выполнение
функции двукратного увеличения части изображения.
· Статистическая обработка данных без привлечения внешнего программного обеспечения.
· Погрешности измерения (не более 1,5%).
Вторая часть программного комплекса предназначена для сбора, хранения, просмотра и обработки информации о конфигурации микрососудистых узлов и разбита на две реляционных базы данных:
1. База данных параметров микрососудистых узлов, включающая в себя;
1.1 . Основную таблицу Info, содержащую всю введённую информацию об узлах.
1.2 . Таблицу снимков Cards, включающую в себя фотографии сети сосудов до фильтрации и после.
1.3 . Таблицу графических моделей узлов Mod.
2. База данных (таблица) классов Temp.
Программный комплекс позволяет проводить обработку (в том числе и статистическую) полученной информации, моделировать морфологические процессы, формировать отчеты в диссертационном формате.
В пятой главе проанализированы методики выявления МС, для максимально эффективного использования метода компьютерного анализа. Было установлено, что:
· Посмертные изменения МС таковы, что необходимо делать известные поправки на данные, полученные в результате морфометрии. Традиционные методики выявления МС ведут к еще более колоссальным искажением их архитектоники, а полученные данные невозможно экстраполировать на прижизненное строение МС.
· Объекты или вещества, выявляемые многими методиками, могут находиться не только в просвете сосуда, но и внутриклеточно или вне микрососуда, так что остается открытым вопрос, что собственно выявляется (сосудистая стенка, просвет, щёлочная фосфатаза, транспорт белка и т.п.).
· Терминология морфометрических исследований МС ещё не достаточно разработана: калибр, просвет, диаметр, искривление или или извитость (извилистость).
Метод компьютерного анализа позволяет анализировать оцифрованные покадровые изображения видеоряда, прижизненной съёмки микроциркуляции, что, по всей видимости, является наиболее достоверным представлением об архитектоники МС.
Выводы
1.
Установлено,
что изучение закономерностей строения МС (основного звена микроциркуляции)
ограниченно возможностями ручной морфометрии, методы которой не могут
достоверно ответить на многие вопросы, в том числе соответствия существующих
математических моделей строения реальной микроангиоархитектонике.
2.
Установлено,
что субъективные методы ручной морфометрии, применяемые для исследования
микрососудистых сетей, не позволяют достигать высокой точности измерений, а
также увеличивают время, затраченное на исследовательский процесс.
3.
Установлено,
что существующие программные комплексы не соответствуют полностью целям,
поставленным перед исследователями микроангиоархитектоники, соответственно
возможности их применения весьма ограничены.
4.
Использование
метода компьютерного анализа значительно уменьшает элемент субъективности,
присущий общепринятым методам морфометрии.
5.
Известные
математические модели архитектоники МС, поддаются адекватной проверке методом
компьютерного анализа, позволяющего обрабатывать и хранить большие массивы
цифровых данных и использовать для проверки совпадения реальной структуры МС с
результатами моделирования.
6.
Разработаны
основные принципы компьютерного анализа МС, на основе которых создан
экспериментальный программный комплекс компьютерного анализа. Программный
комплекс прошёл испытания при обработке электронных изображений МС.
7.
Установлено,
что для метода компьютерного анализа наиболее оптимальным, является выявление
внутреннего просвета микрососудов.
Практические рекомендации
Программный комплекс может быть применен в морфологических, гистофизиологических, патогистологических и клинических исследованиях микроциркуляции.
Доступность метода и предлагаемого программного продукта, удобность интерфейса позволяют широко использовать его в научных и клинических лабораториях, оснащенных вычислительной техникой.
Используя
возможности программного комплекса можно проводить количественные исследования
закономерностей строения МС в норме и патологии в различных органах и системах
человеческого организма. Изменения сосудистого рисунка, возможно, наблюдать in vivo, например, исследуя МС a. centralis retinae при сахарном диабете.
Существуют
предпосылки для создания отечественного высокоэффективного программного
продукта компьютерного анализа МС, при условии комплексного подхода для решения
этой проблемы, с привлечением, морфологов, программистов, математиков - специалистов
по анализу изображений.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1.
Компьютерный
анализ микрососудистых бифуркаций (Соавт. Пастернак В. А.). 43-я научная
студенческая конференция СГМИ (г.Смоленск. 18-19 апреля 1991 г.) -
Смоленск, 1991, - с.1.
2.
Применение
персонального компьютера при изучении курса анатомии человека. (Соавт. Тейкина
Т. Б., Пастернак В. А.). Тез. докладов
ХI съезда анатомов, гистологов и эмбриологов.
(г. Смоленск, 16-18 сентября 1992 г.) - Полтава, 1992. - С. 241.
3.
Компьютерный
анализ микрососудистого узла. (Соавт. Глотов В. А.). //Структурно-функциональная организация органов и тканей в
норме, патологии и эксперименте. Материалы
конференции, посвященной 90-летию
со дня
рождения профессора И. С. Кудрина. - Тверь: РИО ТГМА, 1996. - С. 42.
4.
Проявления
энантиоморфизма в "макро-микроскопической области видения
(по В. П. Воробьеву) морфологических образований
человеческого тела. (Соавт.
Глотов В. А.). //Функциональная
анатомия сосудистой системы. Материалы
научной конференции, посвященной
125-летию со дня рождения академика
В. Н.
Тонкова. Под ред. проф. И. В. Гайворонского.- С-Петербург, 1997. С.
136-138.
5.
Явление энантиоморфизма на
макро-микроскопическом уровне
изучения биологических объектов. //Актуальные вопросы современной биологии и
медицины. Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 2. Под ред. проф. В. Н.
Костюченкова, проф. В. А.
Правдивцева - Смоленск: Изд-во
СГМА, 1997 - С. 121-122.
6.
Проблемы
компьютерного анализа как метода изучения микрососудистого русла. (Соавт.
Глотов В. А.). //Актуальные вопросы
педиатрии (К 30-летию педиатрического факультета Смоленской государственной
медицинской академии). Сборник научных трудов под ред. проф.
Л. В. Козловой. - Смоленск: Изд-во СГМА, 1997. - С. 82-83.
7.
Зеркальная
симметрия на макро-микроскопическом уровне исследования биологических
объектов. /Материалы конференции молодых ученых России с международным участием
«Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины», посвященной 240-летию
ММА им. И. М. Сеченова. - М.: ММА, 1998.- С. 24-25.
8.
Программный
комплекс для анализа микрососудистых сетей. (Соавт. Глотов В. А.,
Малашенкова И. В., Машевский Ю. В., Юшков С. В.). /Материалы 1-го
Российского научного форума МедКомТех 2003. - М.: Изд-во РАМН, «МОРАГ-Экспо».,
2003. - С. 250.
9.
Компьютерный
анализ микрососудистых сетей. (Соавт. Глотов В. А., Малашенкова И. В., Машевский Ю. В., Панкратова Е. А.,
Смередчук Т. М., Юшков С. В.). //Компьютерные и телекоммуникационные
технологии. Сборник трудов VI специализированной выставки-семинара
под ред. Макаренковой И. Н. - Смоленск: Изд-во администрации Смоленской области,
2003. - С. 42-45.
10.
Опыт
совместной работы специалистов в области морфологии и вычислительной техники.
/Мат. II региональной научно-практической конференции молодых учёных Смоленской
области «Молодёжь и наука XXI века». –Смоленск, 2003. –С.
89-91.
11.
Проблема
получения саморазвивающихся и функциониру-ющих эндотелиальных капиллярных сетей
in vitro, пути её решения,
перспективы полу-чения, конструирования и культивирования тканеподоб-ных
образований с заданными биологическими свойствами. (Соавт. Глотов В. А., Жилкин
В. В., Коваленко Н. Н., Мартынов В. Ф., Махнач М. М., Машевский Ю. В., Фёдоров
Г. Н., Хадарцев А. А., Юшков С. В.). // Мат. Междисциплинарной (медицина,
биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика
…) конф. с международным участием “Новые биокибернетические и телемедицинские
технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека”
(“НБИТТ-21”). –Петрозаводск, 2003. –С. 37.
12.
Компьютерный
анализ микрососудистых сетей. // Сб. мат. конкурса молодых учёных смоленской
области. – Смоленск, 2003. –С. 97-100.
13.
Проблема
компьютерного анализа микрососудистых сетей: история, современное состояние,
перспективы. // Сб. тез. 32 конференции молодых учёных и 56 научной конференции
СГМА. –Смоленск, 2004. –С. 49.
14.
К
вопросу о моделировании сосудистых сетей. // Сб. науч. тр., посвященный
80-летию Степанова П. Ф. – Смоленск,
2004. –С. 180-186.
15.
Компьютерный
анализ проявлений симметрии в конструкции микрососудистых сетей. (Соавт. Глотов
В. А.). // Тез. докл. Третьей Всероссийской
с международным участием щколы-конференции по физиологии кровообращения
посвящённая 250-летию МГУ им. М. В. Ломоносова. –М., 2004. –С. 15.
16.
Компьютерный
анализ микрососудистых сетей, как новый метод изучения микроциркуляторного русла.
// Альманах «Ретиноиды» Вып. № 1 «Бабухинские чтения в Орле», 2005. –
С.51.
17.
Компьютерная обработка и анализ изображения,
полученного при световой микроскопии. Мат. V международной конференции
по функциональной нейроморфомологии «Колосовские чтения-2006». – Морфология. №
2. –С. 86-86.
Список статей,
опубликованных
в журналах рекомендованных ВАК
1.
Компьютерная
обработка и анализ изображения, полученного при световой микроскопии. Мат. V
международной конференции по функциональной нейроморфомологии «Колосовские
чтения-2006». – Морфология. № 2. –С. 86-86.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
МЦР –
микроциркуляторное русло.
МС – микрососудистые сети.
МУ – микрососудистый узел.
, 
, 
- диаметры микрососудов в МУ.
, 
, 
- углы разветвления
между микрососудами в МУ.
– коэффициент
динамической вязкости крови.
Кафедра анатомии человека
Смоленская государственная медицинская
академия
Поступил в редакцию 20.03.2007.