Phase structure of kidney stones has been investigated by XRD with synchrotron radiations (SR) use. Carrying out of experiments on special modeled object "phantom". Diffraction pattern of 50 kidney stones was recorded. During a preventive examination, the allowed radiation dose for the internal was 5 mSv.
Одной из тенденций развития современной медицины является диагностика на возможно ранних стадиях развития болезни. При уролитиазе диагностика формы мочекаменной болезни основывается, как правило, на косвенных признаках. Знание формы мочекаменной болезни на ранних стадиях позволило бы существенно улучшить динамику лечения заболевания. Целью данного направления работ является создание метода установления формы мочекаменной болезни (МКБ) по результатам анализа уролита непосредственно в организме больного. Важным вопросом, возникшим при постановке экспериментов, был выбор объекта-фантома. Необходимо было подобрать материал, имеющий близкие к человеческому телу характеристики поглощения и рассеяния рентгеновского излучения. Для этого были взяты куски подкожного свиного жира общей массой ~ 3 кг и свиная почка. Ранее нами была показана возможность проведения рентгеновского дифракционного анализа с использованием сихротронного излучения (СИ) почечного камня, помещенного в объект-фантом [1]. В основу идеи положен известный факт, что число типов камней, которые образуются в организме человека, достаточно ограничено [2], и нет необходимости проводить детальный рентгенографический анализ минерала, а достаточно установить его принадлежность к определенному классу. В этом случае достаточно иметь отношение сигнал/шум на дифрактограмме ~10. Весной 2003 года нам удалось получить дифрактограмму удовлетворительного качества от почечного камня размером 5х3х3 мм полученного оперативным путем, помещенного в биологическую ткань свиньи с большим содержанием жира толщиной 16.5 см. Исследования проводились на станции дифракционных исследований при энергии квантов 33.7 кэВ [3], установленной на 4-ом канале синхротронного излучения накопителя ВЭПП-3 Синхротронного центра Института ядерной физики СО РАН, г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН). В качестве детектора использовались запоминающие экраны фирмы "Fuji" размером 124х124 мм. Запоминающие экраны представляют собой устройство, в котором состав на основе соединений фосфора, нанесенный на пластиковую подложку [4]. Экспозиция полученной дифрактограммы была около 8 часов, что, безусловно, слишком много для проведения рентгеновских исследований больных. Рентгеновская доза при этом была большой и выходила за рамки норм при медицинских обследованиях, однако нами отмечалось, что она может быть существенно снижена с появлением более эффективных детекторов рентгеновского излучения [5]. Следует отметить, что в наших исследованиях относительно небольшие дозы связаны в первую очередь с тем, что нами используется монохроматическое излучение, а не тормозное излучение рентгеновских трубок, где в суммарную дозу дает большой вклад "белый пучок". В 2004 году была проведена модернизация станции на 4-ом канале СИ существенно улучшившая ее характеристики. Принципиально важную роль сыграла установка 2-х координатного детектора MAR-345 фирмы MAR Research с запоминающим экраном [6]. После модернизации, в 2005 году, была проведена новая серия экспериментов с камнями различного минерального состава с целью оценки возможностей методики для анализа любого произвольно взятого уролита. Методика эксперимента В данной серии экспериментов была проанализирована коллекция камней из 50 образцов полученных как оперативным путем, так и после литотрипсии от больных Новосибирской области. При этом анализировался и отдельно камень и помещенный впоследствии в объект-фантом. Анализ проводился методом Дебая-Шерера. При этом детально анализировались не только дифракционные кольца, но также отдельные рефлексы на дифрактограммах, связанные с наличием текстуры и особенностью формирования кристаллитов в образцах. Последнее заслуживает особого внимания в нашем рассмотрении и будет детально рассмотрено ниже. Двухкоординатный детектор MAR-345 имеет следующие характеристики: область детектирования диаметром 345 мм, пространственное разрешение 100х100 мкм или 150х150мкм, время считывания накопленной информации не более 2 мин. Расстояние от образца до детектора 72-426 мм. Динамический диапазон 65000 градаций яркости. Схема эксперимента показана на рис.1.
Рис.1. Схема эксперимента: 1 – опорная плита станции 4-го канала синхротронного излучения накопителя ВЭПП-3 Синхротронного центра Института ядерной физики СО РАН; 2 – MAR-345; 3 – механизм перемещения образца; 4 – уролит; 5 – объект-фантом; 6 – детектор; 7 – ловушка прямого пучка.
В качестве объекта-фантома была взята биологическая ткань свиньи толщиной ~ 20 см с большим содержанием жира. Образец помещался на входе исходного пучка, дифрагированный пучок проходил через объект-фантом. Для предотвращения перегрузки от прямого пучка центр детектора закрывался специальной ловушкой. Время накопления одной дифрактограммы было 5 мин. При этом расчетная эффективная доза составила 5 мЗв. Результаты и обсуждение На рис.2 представлены исходные экспериментальные дифрактограммы уролита уеввелита.
Рис.2. Дифракционная картина от почечного камня уевеллита: уролит в объекте-фантоме (слева); уролит (справа).
Для удобства рассмотрения полученных данных от исходного камня и камня в объекте-фантоме на одном рисунке экспериментальные дифрактограммы совмещены. Правая часть экспериментальной дифрактограммы от уролита, левая от уролита, помещенного в объект фантом. Широкое галло темного цвета в центре соответствует дифракции от жировой ткани. Дифрактограмма от уролита представлена набором четко выраженных полос, которые проявляются также и при съемке объекта-фантома. По характеру колец можно утверждать, что образец представляет собой плотное однородное образование. На рис.3 приведены проинтегрированные экспериментальные и теоретическая дифрактограммы. Видно, что все особенности уролита проявляются на дифрактограмме от объекта-фантома и хорошо описываются табличными данными. Надежная идентификация камня не составляет особых трудностей.
Рис.3 Сравнение интегральных дифрактограмм уевеллита (верхняя) и уролита в обьекте-фантоме (средняя) с табличной дифрактограммой (нижняя).
Рис.4. Дифракционная картина от почечного камня, состоящего из струвита и гидроксилапатита: уролит в объекте-фантоме (слева); уролит (справа).
На рис.4 представлены экспериментальные дифрактограммы от уролита, состоящего из струвита и гидроксилапатита. В отличие от предыдущей картины уевеллита на данной дифракционные кольца выражены менее ярко. Наряду с кольцами на дифракционной картине видны рефлексы, которые соответствуют отражениям от отдельных кристаллитов. Из этого наблюдения можно сделать вывод, что уролит не является плотным однородным монолитом, и часть исследованного образца состоит из отдельных микрокристаллитов. Заметим, что данный вид биоминералов встречается достаточно редко [2], однако, проблем с его идентификацией также не возникло. Основные особенности уролита четко проявляются на интегрированной дифрактограмме от объекта-фантома, в том числе и малоинтенсивный дублет в малых углах, попадающий на широкое галло от жировой ткани (рис.5).
Рис.5. Сравнение интегральных дифрактограмм уролита (верхняя) и уролита в обьекте-фантоме (средняя) с табличными дифрактограммами (нижняя).
Все уролиты, переданные нам для исследований, предварительно не идентифицировались. Тем не менее, были получены удовлетворительного качества дифрактограммы от всех 50 образцов, как от исходных, так и в составе объекта-фантома. Заключение Приведенные данные показывают, что анализ минерального состава уролитов непосредственно в организме больного in vivo возможен и вполне реален. За 2 года, прошедшие после первых попыток провести такой анализ, уровень развития экспериментальной техники позволил приблизить время анализа и лучевую нагрузку к нормам, соответствующим существующим медицинским методикам. Хочется надеяться, что предлагаемый метод также будет реализован в медицинской практике.
1. .Анчаров А.И. Низовский А.И., Вичканов А.Н. // Попытка рентгенофазового анализа состава мочевого камня in vivo с использованием синхротронного излучения (СИ). Минералогия техногенеза-2003 Миасс: Имин Уро РАН, 2003 С.143-148.
2. Голованова О.Н., Пятанова П.А., Пальчик Н.А., Столповская В.Н., Григорьева Т.Н., Низовский А.И., Шкуратов С.С. Фазовый и элементный состав и распространенность мочевых камней у пациентов в Новосибирской и Омской областях // Химия в интересах устойчивого развития 11 (2003) с,593-600.
3. Ancharov A.I., Manakov A.Y., Mezentsev N.A., Tolochko B.P., Sheromov M.A., V.M. Tsukanov V.M. New station at the 4th beamline of the VEPP-3 storage ring // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.470 (2001), 1-2, P.80-83.
4. Анчаров А.И., Григорьева Т.Ф., Никитенко С.Г., Шарафутдинов М.Р. Рентгенографическое и EXAFS-спектроскопическое изучение реакций в диффузионно-твердеющих сплавах на основе системы Cu-Ga // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2002,№ 7, C.25-28.
5. Ancharov A.I., Nizovskii A.I., Gridnev S.A., Feofilov I.V., Vichkanov A.N. An attempt of in vivo X-ray diffraction analysis of kidney stones with the use of synchrotron radiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.543/1 (2005), P.302-305.
6. In vivo X-ray Diffraction Analysis of Cystic Calculus // International Union of Cristallography. Newsletter V.12 N4 2004 P.13-14.