Можливість використання лазерного поляриметричного аналізу гістологічних зрізів для виявлення змін у біотканині трупа людини після настання смерті. Використання в судово-медичній практиці лазерного поляриметричного аналізу гістологічних зрізів трупа.
При низкой оригинальности работы "Діагностика давності настання смерті методом лазерного поляриметричного моніторингу тканин людини", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Впродовж минулих десятиріч вітчизняними та закордонними вченими розроблено чимало методів діагностики посмертних дегенеративно-дистрофічних змін БТ, аналізу і обробки отриманих результатів для встановлення ДНС [1*-5*]. Перспективними в цьому напрямку є фізичні методи дослідження БТ з використанням методик кореляційної оптики, які, вивчаючи явища світлорозсіяння, дозволяють отримувати обєктивні дані динаміки посмертних змін досліджуваних тканин організму та більш точно визначати часовий проміжок, що пройшов із моменту настання смерті людини [6*]. Використання лазерів у біомедичній діагностиці зумовило розвиток іншого напрямку досліджень - лазерна поляриметрія БТ, яка спрямована на дослідження структури зображень БТ [7* - 10*]. Тому було б доцільним розробити нові підходи та засоби аналізу поляризації зображень БТ, ефективних для розвязання завдань визначення та моніторингу їх патологічних змін, повязаних із давністю настання смерті (ДНС). Дисертаційне дослідження є складовою комплексної науково-дослідницької роботи кафедри патологічної анатомії та судової медицини із кафедрою травматології, ортопедії та нейрохірургії Буковинського державного медичного університету ”Розробити фізичні та біомеханічні методи моделювання діагностики та лікування переломів кісток та їх наслідків” (№ державної реєстрації 01.05.U.002943 за шифром ІН.23.00.0001.05).
Список литературы
Основні наукові положення дисертації викладені в 15 наукових публікаціях (5 одноосібних), у т.ч. 6 статей опубліковано в журналах, рекомендованих ВАКОМ України (3 одноосібні); у співавторстві одержано два деклараційні патенти на винахід та посвідчення на раціоналізаторську пропозицію.
Структура та обсяг дисертації. Робота викладена на 146 сторінках компютерного друку, складається зі вступу, шести розділів, аналізу і узагальнення результатів досліджень, висновків, практичних рекомендацій, проілюстровані на 68 рис. та 43 таблицях, списку джерел літератури (всього 175 джерел). Бібліографічний опис джерел літератури викладений на 18 сторінках і містить 82 джерела кирилицею та 93 - на латиниці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі наведено огляд сучасної вітчизняної та закордонної літератури з питань судової медицини, щодо встановлення ДНС, тобто експертного встановлення із застосуванням обєктивних наукових доказів конкретного періоду часу, який пройшов із моменту смерті до моменту дослідження трупа. Зазначено, що найбільш обєктивним та перспективним для діагностики ДНС є фізичне моделювання в реальному та прискореному масштабі часу, а також математичне моделювання. За останні 15 - 20 років, завдяки створенню лазерів, широкого розповсюдження набули безконтактні методи діагностики структури біологічних тканин людини. Головна перевага таких методів полягає у баготовимірному характері інформації, що міститься в полі розсіяного лазерного випромінювання. Обґрунтована актуальність адаптації таких методів діагностики для завдань судової медицини, що потребують аналізу та моніторингу післясмертних змін морфологічної будови БТ людини.
Другий розділ містить відомості про використаний у роботі матеріал та застосовані методи дослідження.
Провівши аналіз (статистичну обробку) даних Чернівецького обласного бюро судовомедичної експертизи, встановлено, що судово-слідчими органами питання про давність настання смерті ставилось у 2002 році у 23,4% випадків не насильницької та у 24,5% - насильницької смерті, у 2003 році у 23,7% - не насильницької та у 25,2% - насильницької смерті, а у 2004 році у 23,8% - не насильницької та у 25,6% - насильницької смерті, що говорить про постійний та зростаючий інтерес з боку правоохоронних органів до питання діагностики ДНС. Беручи до уваги те, що розвиток післясмертних змін різних БТ тісно повязаний із їх структурною будовою, нами проведено вивчення особливостей лазерних поляризаційних зображень структурної будови різних БТ організму.
Під час виконання дисертаційної роботи досліджено БТ від 100 осіб різної статі віком від 25 до 90 років, які померли на фоні повного здоровя від хронічної ішемічної хвороби серця (93 випадки) та ішемічної хвороби серця, яка ускладнилася гострою коронарною недостатністю (7 випадків); з яких було 40 експериментальних випадків із відомим часом настання смерті та 60 експертних випадків із невідомим часом настання смерті. При цьому для дослідження проводили забір таких БТ: шкіри з передньої стінки живота, поперечно-посмугованих мязів живота (прямі), серцевий мяз, тканину головного мозку, легень, печінки, нирок, селезінки та стінки товстої кишки. Забір проводився в приміщенні моргу Чернівецького обласного бюро судовомедичної експертизи з проміжками в 1год при температурі повітря 18-21ОС та вологості повітря 60-80%. Із вилучених БТ за допомогою заморожувального мікротома отримували нативні гістологічні зрізи БТ товщиною від 20 мкм до 60 мкм.
В якості методів експериментального дослідження часової динаміки після смертної зміни структури зображень гістологічних зрізів використовувалися методи лазерної поляриметрії БТ: поляриметричний аналіз, вимірювання поляризаційної матриці, статистичний аналіз інтенсивності зображення анізотропної складової БТ та автокореляційний метод порівняння координатних розподілів інтенсивності таких зображень.
Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням післясмертних змін поляризаційних зображень гістологічних зрізів біотканин трупа людини та їх обговоренню.
Експериментальні та експертні дослідження проводилися в оптичному розміщенні [10*], яке показане на рис. 1.
Рис. 1 Схема досліджень поляризаційних зображень гістологічних зрізів біологічних тканин
Оптична схема включає два канали - поляриметричний і мікроскопічний та містить такі елементи: джерело випромінювання - 1; дзеркала - 2, 3; коліматор - 4; поляризатор - 5, 6; світлоподільник - 7; джерело природнього світла - 8; конденсор - 9; гістологічний зріз БТ - 10; поляризатор-аналізатор - 11; проекційний мікрообєктів - 12; польову діафрагму - 13; конденсор - 14; CCD- камеру - 15.
Поляриметричний канал працює наступним чином: випромінювання Не-Ne за допомогою дзеркал (2, 3) спрямовується на вхід коліматора (4), який складається з двох мікрообєктивів та діафрагми. У результаті формується паралельний пучок, який проходить крізь поляризатор (5,6), що задає його стан поляризації. Таке поляризоване випромінювання проходить крізь гістологічний зріз БТ (10). За допомогою мікрообєктива (12), діафрагми (13) та конденсора зображення БТ проектується в площину CCD-камери (15). Аналіз станів поляризації зображення БТ здійснюється поляризатором-аналізатором (11).
Мікроскопічний канал складається з джерела природного світла (8), яке за допомогою конденсора (9) та світлоподільника (7) опромінює взірець БТ (10), мікроскопічне зображення якого спостерігається в площині CCD-камери (15).
Методика поляризаційних вимірів складалася в наступному. Обертанням аналізатора визначалися мінімальний (?min) і максимальний (?max) рівні інтенсивності, а також кут повороту поляризатора ?, якому відповідає мінімальний рівень інтенсивності (?min). Значення азимута і еліптичності поляризації ? у межах кожного пікселя CCD-камери визначалися за допомогою співвідношень ; .
Як обєкти дослідження використовувалися гістологічні зрізи дерми шкіри (ДШ) з геометричною товщиною 25 мкм.
Рис. 2 ілюструє часову динаміку зміни структури поляризаційного зображення дерми шкіри в результаті настання смерті.
Рис. 2 Поляризаційні зображення дерми шкіри для різних часових проміжків ДНС
Світлі ділянки таких зображень відповідають еліптично поляризованим коливанням лазерної хвилі, яка пройшла крізь колагенові структури дерми шкіри. Рівень просвітлення повязаний як із концентрацією колагенів, так і товщиною волокон. Видно, що з плином часу рівень просвітлення відповідних зображень дерми шкіри зменшується. Це вказує на деградацію оптичної анізотропії архітектоніки дерми шкіри в результаті її післясмертних змін. З іншого боку, починаючи з певного часу ДНС координатна структура поляризаційних мікроскопічних зображень практично не змінюється.
Експериментально встановлено, що архітектоніка (колагенова сітка) ДШ володіє виразною здатністю до перетворення станів і типів поляризації лазерного випромінювання. Діапазон зміни станів поляризації складає D 0 = 00 - 900; Db0 = 00 - 900.
Результати цього аналізу наведено в таблиці 1, яка містить статистично достовірні показники (середнє та дисперсію розподілів (D 0, Db0).
Таблиця 1
Часова залежність діапазону зміни середнього і дисперсії розподілів значень азимутів і еліптичностей поляризації зображень дерми шкіри
ДНС, год 1 4 8 12 16
510 30420 20350 1,50280 20210 10
180 10150 1,40120 1,2090 1,1070 1,30
20 24 30 36 42 48
180 1,30140 2,1100 2070 1050 0,7020 0,80
50 0,90
Згідно з наведеними статистичними даними встановлено ефективність поляриметричного аналізу мікроскопічних зображень БТ у вивченні ДНС у межах від 4 год до 48 год.
На рис. 3 показані часові залежності зміни поляризаційних параметрів D 0 (крива 1), Db0 (крива 2) зображень дерми шкіри.
Рис. 3 Часова динаміка післясмертних змін поляризаційної структури зображень дерми шкіри
Аналогічні результати дослідження посмертної динаміки зміни поляризаційної структури мікроскопічних зображень одержано для гістологічних зрізів інших структурованих БТ (тканина міокарда та поперечно-посмугованого мяза); тканин паренхіматозних органів (селезінка, печінка, стінка товстої кишки, нирка, легені) і мозку.
Якісна динаміка таких змін (на прикладі тканини печінки) наведена на серії поляризаційних зображень на рис. 4.
Рис. 4 Часова динаміка поляризаційної деградації архітектоніки печінки: а) - 1 год, б) - 6 год, в) - 15 год.
Рис. 5 Часова динаміка післясмертних змін поляризаційних зображень тканини печінки
У результаті проведених поляриметричних досліджень лазерних зображень структурованих та паренхіматозних тканин обґрунтована можливість використання в якості критерія ДНС часової деградації оптичної анізотропії архітектоніки в наслідок трупних змін.
У четвертому розділі досліджено можливості визначення ДНС шляхом часового моніторингу зміни координатних розподілів величин четвертого елементу матриці Джонса, що характеризує величину фазових зсувів, які вносить речовина БТ у поляризацію лазерного пучка. На рис. 6 наведена серія двовимірних розподілів такого елементу та гістограм їх значень, одержаних для різних значень ДНС (а) - 1 год; б) - 24 год; в) - 48 год).
Рис. 6 Координатна (а, б, в) і статистична (г, д, е) структура фазового елементу матриці Джонса тканини міокарда
Аналіз одержаних результатів виявив ефективність встановлення ДНС на ширшому інтервалі значень ніж у випадку аналізу статистики розподілів азимутів та еліптичностей поляризації зображень БТ. Час стабілізації зміни координатних розподілів фазового елемента матриці Джонса практично на 50% більший і складає величину приблизно 70 годин.
У пятому розділі роботи визначалися статистичні моменти третього ( ) і четвертого ( ) порядків розподілів інтенсивності зображень поляризаційно візуалізованої архітектоніки БТ.
Встановлено, що часова динаміка спостереження за посмертними зображеннями архітектоніки БТ всіх органів супроводжуються зменшенням загального рівня статистичних моментів 3-го і 4-го порядків у 3 - 4 рази.
Проведені дослідження статистики 3 го - 4-го порядків двовимірних розподілів інтенсивностей поляризаційних зображень групи структурованих та паренхіматозних БТ показали, що часові діапазони та точність визначення ДНС шляхом визначення асиметрії ( ) та ексцесу ( ) інтенсивностей у цілому відповідають чутливості поляризаційних методів аналізу розподілів азимутів та еліптичностей поляризації лазерних зображень біологічних тканини.
Інтервал ефективного визначення ДНС зростає до 50% у порівнянні з поляриметричним моніторингом посмертних змін у зображеннях гістологічних зрізів БТ трупа людини. Поряд із цим похибка у визначенні ДНС зростає до 15 - 25%.
Шостий розділ роботи містить результати дослідження можливостей встановлення ДНС шляхом використання кореляційного аналізу координатних розподілів інтенсивностей лазерних зображень БТ трупа людини.
Як обєкти дослідження використовувалися структуровані БТ. Такий вибір БТ зумовлений тим, що інтервал визначення їх ДНС є найбільшим і складає понад 100 год.
На рис. 7 наведені автокореляційні функції поляризаційного зображення архітектоніки тканини міокарда, одержані для наступних значень ДНС: а) - 1 год; б) - 10 год.
а б
Рис. 7 Автокореляційні функції зображень тканини міокарда
У результаті кореляційних досліджень мікроскопічних зображень посмертних змін біологічних тканин встановлено, що ДНС виявляється зменшенням півширини ( ), величини ( ) та кількості локальних екстремумів автокореляційних функцій (рис. 8а та рис. 8б відповідно).
Статистично усереднені значення параметрів ( ) автокореляційних функцій для різних значень ДНС наведені в таблиці 4.
Таблиця 2
Часова динаміка зміни структури автокореляційної функції зображення тканини серцевого мяза (96 зразків) та точність визначення ДНС
, мкм 65 0.2751 0.2542 0.17
, в.о.0.91 0.110.67 0.140.49 0.13
,год.51015
,год.0.50.61
, мкм 31 0.1621 0.2112 0.19
, в.о.0.31 0.090.23 0.080.12 0.07
,год.202530
,год.1.21.31.6
Встановлено, що урахування кореляційної структури поляризаційних зображень тканини серцевого мяза та дерми шкіри для різних значень ДНС дозволяє вдвічі зменшити величину похибки визначення ДНС у порівнянні з поляризаційним аналізом аналогічних зображень. При цьому величина на 10 - 20% менша, ніж у випадку кореляційного аналізу зображень зазначених тканин.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі пропонується та обґрунтовується новий підхід у вирішенні актуального завдання - встановлення сукупності диференційних критеріїв для обєктивного визначення ДНС за комплексом поляризаційних, матричних, статистичних та кореляційних параметрів лазерних зображень БТ різної морфологічної будови.
1. Виявлено, що часова динаміка зміни морфологічної структури БТ у післясмертному періоді супроводжується динамічними закономірностями зміни структури їх поляризаційних зображень, що є підґрунтям для встановлення ДНС.
2. При використанні показників поляризації лазерних зображень БТ часовий діапазон виявлення ДНС, зумовлений особливостями післясмертних змін останніх, коливається від 1 - 4 год для тканини мозку, до 1 - 48 год для мязової тканини.
3. Встановлено, що матричний метод дослідження оптичної анізотропії речовини БТ, незалежно від її типу, дозволяє розширити часові інтервали визначення ДНС.
4. Комплексне застосування сукупності поляризаційного, матричного, статистичного та кореляційного методів аналізу зображень гістологічних зрізів БТ дозволяє залежно від їх виду визначати ДНС у термін до 11-115 год, при похибці 1-1,5 год.
5. Досліджена сукупність методів лазерного аналізу поляризаційних зображень БТ є базою для диференціації визначення ДНС шляхом вибіркового аналізу різних типів тканин, а саме: для “довготривалої” діагностики потребує поляриметрії струкутрованих БТ (мязова тканина, дерма шкіри), а “короткотривалої” - одну, дві тканини паренхіматозних органів або мозку.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО НАУКОВОГО І ПРАКТИЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЗДОБУТИХ РЕЗУЛЬТАТІВ
Для дослідження часової динаміки зміни статистичної, матричної та кореляційної структури поляризаційних зображень гістологічних зрізів БТ різних типів, з метою визначення ДНС, необхідно: 1.Під час проведення розтину вилучити шматочки таких тканин тіла померлого: шкіра людини (передня черевна стінка), мязова тканина (серцевий мяз, прямий мяз живота), печінка, селезінка, нирка, товста кишка, легенева тканина, головний мозок (далі БТ).
2. З вилучених зразків БТ за допомогою заморожувального мікротома виготовити нативні гістологічні зрізи БТ товщиною від 20 мкм до 60 мкм.
3. Отримані гістологічні зрізи БТ з невідомою ДНС розміщують в оптичній схемі та реєструють за допомогою CCD - камери сукупність її поляризаційних зображень.
4. Шляхом подальшої математичної обробки на ЕОМ проводять наступні дослідження отриманих даних: - визначають імовірні розподіли азимутів, еліптичностей поляризації лазерних коливань та їх інтенсивності;
- обчислюють максимальні значення I max (to) та дисперсію DI (to). Тут то - час початку проведення дослідів;
- починаючи з часу то, визначають часову динаміку зміни I max (t більше то), дельта I (t більше то) та встановлюють час То ”стабілізації” їх значень;
- на вертикальній осі I max відкладають відповідно до табличних даних значення I max (t=о), попередньо визначене для зразків тканини даного органа;
- екстраполюють (проводять дотичну) залежність I max (t) на інтервалі часу дельта t = То- то до перетину з горизонтальною прямою, проведеною з точки I max (to).
- з точки перетину Х опускають перпендикуляр на часову вісь і визначають час тх, який і є ДНС.
7. Пішак В.П., Ушенко О.Г., Бачинський В.Т., Ванчуляк О.Я., Бурковець Д.М., Ушенко Ю.О. Спосіб кореляційно-оптичної ідентифікації тупих предметів у судовомедичній травматології // Винахідництво та раціоналізаторство в Буковинській державній медичній академії 2000-2002. Чернівці: Медакадемія, 2002. С. 60.
8. Пішак В.П., Ушенко О.Г., Бачинський В.Т., Ванчуляк О.Я., Бурковець Д.М., Ушенко Ю.О. Спосіб коваріаційної ідентифікації тупих предметів у судовомедичній травматології // Винахідництво та раціоналізаторство в Буковинській державній медичній академії 2000-2002. Чернівці: Мед академія, 2002. С. 61.
9. Ванчуляк О.Я., Ушенко О.Г., Бачинський В.Т. Поляризаційно-кореляційний аналіз динаміки зміни мікроструктури мязової тканини // Клінічна та експериментальна патологія. 2002. Т.1, №1. С. 69-74.
10. Ванчуляк О.Я. Застосування лазерного поляриметричного аналізу в діагностиці змін структури кісткової тканини // Буковинський медичний вісник. 2004. Т.8, №1. С. 167-170.
11. Ванчуляк О.Я. Поляризаційна візуалізація та аналіз пошкоджень архітектоніки біотканин // Український судово-медичний вісник. 2004. - №1. С. 36-38.
12. Ванчуляк О.Я., Ушенко О.Г., Беженар І.Л. Застосування поляризаційного методу для аналізу пошкоджень біотканин // Буковинський медичний вісник. 2004. Т.8, №3-4. С. 300-301.
13. Ванчуляк О.Я. Метод поляризаційної візуалізації та статистичної обробки лазерних зображень архітектоніки паренхіматозних біотканин у діагностиці часу настання смерті // Клінічна та експериментальна патологія. 2005. Т.4, №2. С. 105-110.
14. Ванчуляк О.Я. Статистика 1-4 порядків розподілу інтенсивностей зображень архітектоніки паренхіматозних біотканин у діагностиці часу настання смерті // Матеріали 86-ї підсумкової конференції науковців Буковинського державного медичного університету „Актуальні питання клінічної та експериментальної медицини” (Чернівці, 2005р.). Чернівці: Медуніверситет, 2005. С. 92-97.
15. Ванчуляк О.Я. Поляриметрія зображень мяких біотканин у моніторингу їх посмертних змін // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції судових медиків та криміналістів, присвяченої 200-річчю кафедри судової медицини та основ права Харківського державного медичного університету „ Актуальні питання та перспективи розвитку судової медицини та криміналістики ” (Харків, 2005р.). Х.: Гриф, 2005. С. 126.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
