Ближняя инфракрасная спектроскопия (БИКС) в анестезиологии. Показания

Обновлено: 24.09.2024


Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) является относительно новой методикой, которая может измерять изменения уровня гемоглобина в тканях мозга. Несмотря на то, что fNIRS имеет несколько недостатков (например, относительно низкое пространственное разрешение и возможность небольшого охвата глубоких структур мозга) по сравнению с другими функциональными методами нейровизуализации (например, функционального магнитного резонанса и позитронной эмиссионной томографии), fNIRS может быть рекомендован для клинического использования в психиатрии, поскольку оfNIRS может легко и неинвазивно измерять активность мозга в естественной позе. Аппаратура для fNIRS также небольшого размера и работают бесшумно и ее можно легко транспортировать почти повсеместно, включая отделения по уходу за психически больными. Исследования fNIRS показали, что пациенты с шизофренией имеют нарушенную активность и характерные формы волны в префронтальной коре при буквенной версии задания на вербальную беглость , и часть этих результатов была одобрена как одна из передовых медицинских технологий в качестве помощи для дифференциальная диагностики депрессивных симптомов со стороны в Японии в 2009 году. Более того, исследования показывают, что активность во фронтополярном префронтальном кортексе (frontopolar prefrontal cortex) ассоциируется с ее функциями при хронической шизофрении и является биомаркером эффективности лечения этого расстройства.

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) представляет собой функциональный инструмент визуализации головного мозга , который может измерять уровни изменения гемоглобина более чем на поверхности мозга легко и неинвазивно. Метод fNIRS был разработан в 1977 году и был применен для измерения уровня гемодинамической активности мозга через кожу головы. Выпуск коммерческих fNIRS машины , которые являются небольшими, подвижными, и работают бесшумно в течение последнего десятилетия (Figureпозволил расширить круг исследований fNIRS в области психиатрии. В 2012 году на эту тему было опубликовано более 100 исследований; среди них около 20 статей относятся к области психиатрии. Исследование fNIRS, посвященное шизофрении в настоящее время является самой популярной темой в применении fNIRS в области психиатрии.

Когда ближний инфракрасный свет испускается из зонда источника на человеческий скальп, он проходит и рассеивается через ткани мозга с относительно низким поглощением. Впоследствии часть этого света поглощается гемоглобином крови в небольших сосудах. Детектор, обычно расположенный на расстоянии 3 см от зонда источника у взрослых, может обнаруживать рассеянный ближний инфракрасный свет, отраженный поверхностью коры. fNIRS (ETG-4000, Hitachi Medical Corporation). Коммерческие машины FNIRS являются маленькими, подвижными и работают бесшумно, так что они просты в использовании в клинических условиях. Многоканальные машины fNIRS используют несколько источников и детекторов и способны измерять активность мозга между зондами.

fNIRS имеет следующие недостатки: (1) низкое пространственное разрешение (10-30 мм); (2) возможность проведения измерений только на поверхности коры; (3) неспособность измерять абсолютное значение гемоглобина (CW-тип); и (4) на полученные данные могут влиять факторы размера головы, мышцы, черепа и цереброспинальной жидкости в дополнение к гемодинамическим изменениям в коре. fNIRS имеет следующие преимущества: (1) неинвазивность, которая позволяет проводить повторные измерения даже у младенцев; (2) легкая настройка; (3) малый размер и переносимость; (4) высокое временное разрешение по сравнению с ФМРТ и ПЭТ. Помимо связанных с задачами определения изменений уровня гемоглобина, происходящих от активностей нейронов при нейрососудистой связи, сигналы fNIRS варьируют в зависимости от связанных с задачей изменений артериального давления и кожного кровотока, а также спонтанной активности мозга, связанной с сердечным ритмом, дыханием и физиологическими колебаниями.

Одновременные измерения с помощью fNIRS и импульсной допплеровской сонографии или с помощью fNIRS с разными расстояниями зонда, например, мелкие (5 мм) и глубокие (30 мм) позволяют различать сигналы fNIRS от коры головного мозга и от других мозговых тканей. Исследование, основанное на fNIRS с различными расстояниями зонда и лазерной доплеровской велосиметрией, показало, что гемоглобин изменяется от коры во время VFT, может содержать только 6% данных fNIRS в PFC и что большинство изменений сигнала могут возникать из-за изменений в кровотоке кожи. Около 50% сигналов fNIRS соответствовали компоненту сигнала fNIRS в глубоком слое, главным образом измеренным в коре, во время решения нескольких когнитивных задач, включая VFT. Исследование одновременного измерения с применением допплеровского расходомера с использованием fMRI, fNIRS и lase показало, что префронтальные сигналы fNIRS в значительной степени коррелированы с сигналами уровня оксигенации крови (BOLD) в сером веществе, а не в мягких тканях или лазерными допплеровскими сигналами. Предыдущие исследования показали , что отношение изменения сигнала fNIRS в коре головного мозга варьирует от 6 до 60%, причем изменение рассматривались как обусловленные различиями в измерительных приборах, методах оценки, и исследований определенных областей мозга.

Функциональная ближне-инфракрасная спектроскопия

Использование fNIR в качестве функционального метода визуализации основывается на принципе нейрососудистой связи, также известном как реакция гемодинамики или зависимости от уровня кислорода (BOLD). Этот принцип также является ядром методов МРТ. Посредством нейро-сосудистой связи активность нейронов связана с изменениями локализованного мозгового кровотока. fNIR и fMRI чувствительны к аналогичным физиологическим изменениям и часто являются сравнительными методами. Исследования, связанные с fMRI и fNIR, показывают аналогичные результаты при решении когнитивных задач. fNIR имеет несколько преимуществ в отношении стоимости и переносимости по сравнению с fMRI, но не может использоваться для измерения активности коры головного мозга более чем на 4 см из-за ограничений в мощности излучателя света и имеет более ограниченное пространственное разрешение. fNIR включает в себя использование диффузной оптической томографии (DOT / NIRDOT) для функциональных целей. Мультиплексирование каналов fNIRS позволяет использовать 2D топографические функциональные карты активности мозга (например, с HitachiETG-4000 или Artinis Oxymon) при использовании нескольких расстояний между эмиттерами, которые могут применяться для построения 3D- томографических карт.

Существует четыре современных метода спектроскопии fNIR.

Непрерывная волна (CW) fNIR использует источники света, излучающие свет с постоянной частотой и амплитудой. Изменения интенсивности света могут быть связаны с изменениями относительных концентраций гемоглобина через модифицированный закон Бира-Ламберта (mBLL).

В системах с частотной областью (FD) источники NIR-лазера обеспечивают амплитудно-модулированную синусоиду на частотах около ста мегагерц (100 МГц). Изменения амплитуды и фазы обратного рассеяния обеспечивают прямое измерение коэффициентов поглощения и рассеяния ткани, что устраняет необходимость в информации о длине траектории фотона; по коэффициентам рассеяния и поглощения определяются изменения концентрации гемодинамических параметров. Из-за необходимости модулированных лазеров и фазовых измерений системы частотной области являются более технически сложными, чем непрерывные волновые системы. Однако эти системы способны обеспечить абсолютные концентрации окси-Hb и дезокси-Hb.

В спектроскопии с временным разрешением вводится короткий импульс NIR с длительностью импульса, обычно порядка пикосекунд . При измерениях времени пролета длина траектории фотонов может быть непосредственно обнаружена путем деления разрешенного времени на скорость света. Из-за необходимости высокоскоростного обнаружения и высокоскоростных эмиттеров методы с временным разрешением являются наиболее дорогостоящим и технически сложным методом. Информация о гемодинамических изменениях может быть обнаружена в профиле затухания и времени обратного рассеянного сигнала.

В системах пространственно-разрешенной спектроскопии (SRS) используются локализованные градиенты при ослаблении света для определения абсолютных соотношений окси-Hb и дезокси-Hb. Используя пространственное измерение, системы SRS не требуют знания длины траектории фотонов для проведения этого расчета, однако измеренные концентрации окси-Hb и дезокси-Hb относятся к неизвестному коэффициенту рассеяния в средах. Этот метод наиболее часто используется в церебральных оксиметрических системах, которые имеют индекс кислотной оксигенации (TOI) или индекс насыщения тканей (TSI).

Функциональная ближнеинфракрасная спектроскопия ( fNIR или fNIRS ) - это использование инфракрасной спектроскопии (NIRS) для функционального нейровизуализации . Используя fNIR, активность мозга измеряется гемодинамическими ответами, связанными с активностью нейронов.

fNIR - неинвазивный метод визуализации, включающий количественную оценку концентрации хромофора,которая проводится на основе измерения ослабления света ближнего инфракрасного (NIR) или временного или фазового изменения.

Функциональная инфракрасная спектроскопия (fNIRS) в исследовании расстройств пищевого поведения

В отличие от других методов нейровизуализации, таких как позитронно - эмисионная томография ( PET, ПЭТ) и функциональная МРТ ( fMRI) функциональная инфракрасная спектроскопия (fNIRS) не требует того, чтобы пациенты находились в положении лежа на спине и не ограничивает позу больного ( строгая неподвижность головы), что позволяет решать широкий спектр экспериментальных задач, подходящих для исследования расстройств пищевого поведения. Кроме того, fNIRS использует сравнительно недорогую аппаратуру (с временем выборки в порядке мс и пространственным разрешением до около 1 см). С другой стороны, хотя ЭЭГ является полезным электрофизиологическим методом, его очень низкое пространственное разрешение затрудняет точное определение активированных областей мозга, ограничивая его применение конкретными исследовательскими вопросами, связанными с расстройствами пищевого поведения. В последнее время для решения этой проблемы ЭЭГ успешно сочетается с функциональной МРТ (fMRI) , чтобы преодолеть пространственные ограничения ЭЭГ.

Использования функциональной инфракрасной спектроскопии (fNIRS ) и ЭЭГ (EEG ), по - видимому, обещают большие перспективы для исследований, связанных с вкусовыми функциями головного мозга, которые требуют когнитивной амктивации при приеме пищи или напитков. Принципы, преимущества и ограничения изображений, полученных с помощью fNIRS или оптической топографии или ближней инфракрасной области (NIR) были обобщены в последних обзорах ( Hoshi, 2011 ; Cutini et al., 2012 ; Ferrari and Quaresima, 2012 ; Scholkmann et al., 2014 ). fNIRS - это неинвазивная технология нейровизуализации на основе исследования сосудов, измеряющая концентрацию оксигенированного гемоглобина (O 2 Hb) и дезоксигенированного гемоглобина (HHb) в кровеносных сосудах (кортикальной микроциркуляции). fNIRS по своей сути исследует нейрососудистую связь, чтобы обнаружить изменения в нейронной активности, которые отражены изменениями оксигенации крови в активированной области коры (то есть увеличение O 2Hb и уменьшение HHb). В отличие от сигнала BOLD fMRI, который выявляется с помощью парамагнитных свойств HHb, сигнал fNIRS основан на изменениях внутреннего оптического поглощения как HHb, так и O 2 Hb ( Steinbrink et al., 2006 ). Системы fNIRS различаются по сложности от двух каналов до массивов «всей-головы» (несколько десятков каналов).

Методы обработки данных / анализа позволяют проводить топографическую оценку региональных изменений коры головного мозга в реальном времени. Однако, относительно низкое пространственное разрешение fNIRS затрудняет точное определение активированных областей коры. Кроме того, измерения fNIRS, ограниченные поверхностью коры, не могут исследовать области первичного и вторичного вкуса, которые расположены глубоко внутри мозга. Таким образом, более глубокие области мозга, такие как вентральный стриатум и гипоталамус, которые являются ключевыми для исследований пищевого поведения , могут быть изучены только с помощью МРТ ( MRI) и / или ПЭТ (PET) .

Использование fNIRS в контексте исследований пищевых стимулов / потребления и расстройств пищевого поведения представляет собой относительно новое направление, о чем свидетельствует ограниченное число публикаций: около 40 за последние 10 лет. Результаты, полученные с помощью fNIRS в основном включают: 1) более слабую фронтальную активацию коры при различных когнитивных состояниях / стимулах у пациентов с расстройствами пищевого поведения и 2) различные формы активации лобной и височной коры при разных условиях / стимулах (то есть пищевой вкус, пищевые компоненты запаха, прием пищи / пищевых компонентов и изображения пищи) у здоровых людей. Однако, до настоящего времени , с помощью fNIRS исследовали несколько форм расстройств пищевого поведения и только одно исследование сообщило о ответах префронтальной коры (PFC) на зрительные стимулы у пациентов с нервной анорексией (AN) ( Nagamitsu et al., 2010). Оценка степени, при которой атрофия коры и перфузия скальпа может повлиять на чувствительность fNIRS, необходима для оценки полезности этого метода, как инструмент исследования у пациентов с тяжелой нервной анорексией.

Ближняя инфракрасная спектроскопия (БИКС) в анестезиологии. Показания

Проведено исследование показателей инфракрасной спектроскопии крови у пациентов, получающих лечебно-консультативную помощь врача-психиатра. Выявлены достоверные отличия по всем каналам спектра между пациентами, получающими лечебно-консультативную помощь и здоровыми лицами. Установлена высокая корреляционная связь между показателями инфракрасной спектроскопии и наличием невроза (r=0,72) и астенического состояния (r=0,84). Инфракрасный спектр крови после получения комплексного лечения изменялся практически по всем каналам. Показано, что исследование инфракрасного спектра крови у пациентов с психическими расстройствами, получающими лечебно-консультативную помощь, может быть использовано для оценки эффективности проводимой терапии.

1. Гордецов А.С. Инфракрасная спектроскопия биологических жидкостей и тканей // Современные технологии в медицине. - 2010. - № 1. - С. 84-98.

2. Гурович, И.Я. Динамика показателей деятельности психиатрической службы России (1994-1999 гг.) [Текст] / И.Я. Гурович, В.Б. Голланд, Н.М. Зайченко. - М., 2000. - 505 с.

3. Гурович, И.Я. Предисловие [Текст] / И.Я. Гурович, О.Г. Ньюфельдт // Современные тенденции развития и новые формы психиатрической помощи / под ред. И.Я. Гуровича, О.Г. Ньюфельдта. - М.: Медпрактика. - М, 2007. - С. 19-26.

4. Гурович, И.Я. Психическое здоровье населения и психиатрическая помощь в России [Текст] / И.Я. Гурович // Социал. и клинич. психиатрия. - 2001. - Т. 11, № 1. - С. 9-15.

5. Зиньковский А.К., Каргаполов А.В., Зиньковский К.А. Роль фосфолипидов при психических расстройствах // 3-я Междунар. конф. «Биологические основы индивидуальной чувствительности к психотропным средствам». - Суздаль, 2001. - С. 65.

7. Зиньковский К.А. Клинико-патохимические, иммунологические изменения и их терапевтическая коррекция у больных эпилепсией: Дис. канд. мед.наук. - М., 2004. - 143 с.

8. Зубарева Г.М. Анализ состояния биологических систем с помощью инфракрасной спектрометрии: Автореф. дис. д-ра биол. наук. - М., 2005. - 34 с.

Цель исследования выявить особенности показателей инфракрасного спектра крови у пациентов, получающих лечебно-консультативную помощь врача-психиатра, в зависимости от их патопсихических характеристик.

Материалы и методы исследования

Проведено обследование и лечение 32 пациентов группы лечебно-консультативной помощи, которые были направлены с амбулаторного приема врачом-психиатром ГБУЗ ОКПНД г.Тверидля лечения в условиях круглосуточного стационара. В группе обследованных было 14 мужчин (43,8 %) и 18 женщин (56,2 %) в возрасте от 20 до 58 лет (средний возраст 38,6±5,2). Основными диагнозами при направлении в стационар были: расстройства личности у 21 пациента (65,6 %), органическое заболевание головного мозга различного генеза у 6 пациентов (18,8 %), расстройства настроения (аффективные расстройства) у 5 больных (15,6 %).Контрольную группу составили 34 человека, не имеющих психических расстройств, не отличающихся по возрасту и полу от основной группы.

В работе использованы следующие методы исследования: экспресс-диагностика невроза по К. Хеку и Х. Хессу, шкала астенического состояния (ШАС), инфракрасная спектроскопия крови. Для проведения ИК-спектрометрии использовался разработанный совместно с сотрудниками НИИ-2 МО РФ аппаратно-программный комплекс, представляющий собой девятизональный спектроанализатор. Положение и число исследуемых диапазонов выбрано, исходя из особенностей спектров поглощения воды и фундаментальных органических компонентов крови. Цикл девяти измерений не превышал 1 секунды. Спектральная область действия прибора составляла от 3500 см-1 до 960 см-1, объем исследуемого материала 0,02 мл. С помощью интерференционных фильтров выделялись следующие диапазоны: 3500 - 3200, 3085 - 2832, 2120 - 1880, 1710 - 1610, 1600 - 1535, 1543 - 1425, 1430 - 1210, 1127 - 1057, 1067 - 930 см-1. Спектрометр сертифицирован как новый тип измерителя (сертификат № 5745 от 20.11.98 г.), который позволяет регистрировать показатели пропускания ИК-излучения после их многократного определения в девяти широких диапазонах в слоях жидкости толщиной 15 мк. Кюветы, в которых проводили анализы, изготовлены из сплава хлористо-бромистого и йодисто-бромистого талия (KRS). Для сравнения состояний исследуемых систем в качестве эталона были взяты предварительно определенные значения показателей пропускания (ПП) ИК-излучения сыворотки плазмы крови здоровых подростков. Первичную обработку сигнала с аппаратно-программного комплекса «ИКАР» и аппаратных данных проводили специализированным программным обеспечением, разработанным для этих целей на базе операционной системы WindowsХР в вычислительной среде системы MATLAB 6.5 фирмы MathWorksInc (лицензия №146229).Проводилось изучение показателей спектроскопии крови в зависимости от патопсихологических характеристик пациентов.

Для установления статистических различий использовались методы параметрической и непараметрической статистики при использовании специализированной компьютерной программы на базе «Microsoft Excel» и «Statistica 6.1.478».

Результаты исследования и их обсуждение

При анализе работы врача-психиатра одного из участков ГБУЗ ОКПНД г. Твери было установлено, что число больных, обратившихся за помощью к врачу-психиатру в течение последних 11 лет (в период с 2001 по 2011 гг), увеличилось в 1,5 раза (р<0,05). При этом количество больных, обратившихся за лечебно-консультативной помощью (ЛКП), возросло в 1,6 раза (р<0,05) (с 405 в 2001 году до 659 в 2011), а в группе диспансерного наблюдения - в 1,4 раза.

Число больных, которым оказывается лечебно-консультативная помощь, в настоящее время имеет тенденцию к преобладанию над количеством пациентов, попадающих под диспансерное наблюдение. Подобные тенденции характерны практически для всех регионов РФ. По данным И.Я. Гуровича (2007) под диспансерным наблюдением больные оказываются в 5,0 раз реже, чем в группе лечебно-консультативной помощи. Рост данного показателя коррелирует с увеличением выявленных больных с непсихотическими психическими расстройствами [2, 3, 4].

В 2011 году количество пациентов, получающих ЛКП, было в 1,3 раза больше, чем находящихся на диспансерном наблюдении. Основную группу больных, получавших ЛКП, составили мужчины в возрасте от 21 до 40 лет - более половины обратившихся (61,3 %). Среди больных наибольший удельный вес имеют пациенты, имеющие органические, включая симптоматические, психические расстройства (от 36,1 % в 2001 году до 38,2 % в 2011) и пациенты с расстройством зрелой личности и поведения у взрослых (36,3 % в 2001 году до 33,2 % в 2011).

При проведении экспресс-диагностики невроза по К.Хеку и Х. Хессу неврозоподобное состояние было отмечено у 25 пациентов (78,1 %) группы ЛКП. При использовании шкалы астенического состояния умеренная астения была выявлена у 12 пациентов (37,5 %), выраженная - у 9 (28,1 %).

При проведении инфракрасной спектроскопии у обследованных лиц выявлены достоверные отличия по всем каналам спектра между пациентами лечебно-консультативной помощи и здоровыми лицами (табл. 1).

Показатели инфракрасной спектроскопии у пациентов группы ЛКП и здоровых лиц (M±m).

В статье отражено применение метода инфракрасной спектроскопии при ранней диагностике кариеса. Проведено собственное исследование параметров инфракрасных спектров ротовой жидкости в норме и при кариесе. Представлены данные собственного исследования ротовой жидкости. Установлено, что при кариесе в дентине уменьшается содержание фосфатов и увеличивается содержание карбонатов, ухудшается структура гидроксиапатита, уменьшается концентрации ионов кальция и фосфора. Установлено снижение белковой составляющей дентина по сравнению с фосфатами и карбонатами. Подчеркнуто значение применения данного метода для диагностики кариеса. Сделан вывод о целесообразности применения метода инфракрасной спектроскопии при ранней диагностике кариеса в дентине у пациентов группы сравнения.

1. Гордецов А.С. Инфракрасная спектроскопия биологических жидкостей и тканей // Современные технологии в медицине. - 2010. - №1. - С. 84-98.

2. Ипполитов Ю.А. Исследования методом ИК-спектромикроскопии с использованием синхротронного излучения интактных и пораженных кариозным процессом эмали и дентина человеческого зуба / Ю.А. Ипполитов, А.Н. Лукин, П.В Середин. II Вестник новых медицинских технологий. - 2012. - Т. XIX, № 2. - С. 343-346.

3. Киселева Д.В., Адамович Н.Н., Вотяков С.Л., Мандра Ю.В. Особенности микроэлементного состава зубных тканей человека по данным ИСП масс спектрометрии с лазерной абляцией / Ежегодник - 2012. Труды института геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН. Вып. 160. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН. 2013. С. 334-337.

4. Лидман Г.Ю. Лазерно-индуцированная флюоресценция и рентгенспектральный анализ кариозного процесса твердых тканей зуба / Г.Ю. Лидман, П.М. Ларионов, C.B. Савченко, Е.Л. Лушникова, A.M. Оришич, И.А. Рожин, А.Н. Малов, H.A. Маслов, А.Т. Титов, И.Г. Косицина // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины -2010.-том 148. -№3.- С. 350-353.

5. Павлова Т.В., Бавыкина Т.Ю. Сравнительная оценка минерального состава и ультрамикроструктуры тканей зуба в норме и при кариесе // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - № 12 - С. 15-18.

6. Пешкова Э.К., Павлова Т.В. Морфофункциональные аспекты кариозного процесса // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 2 . - стр. 73-76.

7. Середин П.В. Исследования интактной, а также пораженной кариозным процессом эмали человеческого зуба методом ИК-спектромикроскопии с использованием синхронного излучения / П.В. Середин, А.Н. Лукин, Ю.А. Ипполитов // Научные ведомости БелГУ. - 2011. - № 1. - С. 23-27.

8. Beniash E, Simmer JP, Margolis HC. (2005). The effect of recombinant mouse amelogenins on the formation and organization of hydroxyapatite crystals in vitro. J Struct Biol 149:182-190.

9. Krutchkoff, D.J.; Rowe, N.H., Mark, H.B., JR: Infrared Internal Reflection Spectroscopy of Human Enamel Surface, Arch Oral Biol 16:161-175, 1971.

Кариес зубов является узловой проблемой стоматологии, весьма интересной в теоретическом и исключительно важной в практическом отношении. В экспериментальной и клинической медицине возрос интерес к новым методам диагностики, лечения и профилактики различных заболеваний, что, в частности, обусловлено появлением многочисленных электронных приборов, позволяющих проводить качественное и количественное исследование биологических жидкостей и тканей на уровне нанотехнологий, сделавших возможным выявление механизмов молекулярных превращений, которые вызывают патологические изменения в организме человека. Одним из наиболее перспективных является метод инфракрасной спектроскопии.

Инфракрасная спектроскопия (ИКС) - раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающей спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК-области. Метод ИК-спектроскопии позволяет осуществлять раннюю диагностику кариеса у пациентов. Этот метод может быть использован в стоматологической практике для исследования состояния ротовой жидкости с целью выявления кариеса, как на начальных, так и на поздних стадиях развития, объективизации диагноза, планирования объема стоматологического вмешательства и последующей оценки эффективности лечения. Нормальное функционирование эмали поддерживается за счет динамического равновесия деминерализации и реминерализации. При возникновении условий для нарушения этого равновесия происходит превалирование процесса деминерализации [1, 4, 10]. Согласно современным представлениям о причинах возникновения и развития кариозного процесса, именно деминерализация эмали лежит в его основе [5, 6, 7, 8]. Однако, наряду с процессами вымывания минеральных веществ из очага поражения, происходит и их поступление из ротовой жидкости. Установлено также, что выход минеральных веществ и их поступление в эмаль способствуют поддержанию постоянства состава эмали [8].

При изучении кариозного процесса в аспекте механизма его возникновения, первостепенное значение имеет информация о строении эмали зуба, поскольку в большей степени эмаль определяет устойчивость зуба к кариесу [9]. Строение дентина и цемента во многом сходно, так как эти ткани имеют одно онтогенетическое происхождение. Статистически достоверных различий между процессами, происходящими при кариесе в дентине и цементе зуба, не выявлено [12]. Это позволяет нам рассматривать процессы, происходящие в дентине и цементе зуба при кариесе в одной группе.

Зрелая эмаль зубов состоит из минеральной (95%), органической (1,2%) составляющих и воды (3,8%). Минеральную основу эмали составляют кристаллы апатитов. Кроме гидроксиапатита (75%), в эмали содержатся карбонапатит (19%), хлорапатит (4,4%), фторапатит (0.66%). В составе химических неорганических соединений кальций составляет 37%, а фосфор - 17% [3]. Состав апатитов минерализованных тканей как в норме, так и при патологии может колебаться в весьма значительных пределах. Оптимальный состав гидроксиапатита соответствует формуле Ca10(PO4)6(OH)2 с молярным отношением Ca/P равным 1,67 [5, 6]. В природе встречаются гидроксиапатиты с этим соотношением от 1,33 до 2,0. Это является следствием наличия вакантных мест в кристалле гидроксиапатита и способностью к замещению атомов и ионов внутри кристалла при потере или поступлении ионов извне. Именно эта особенность определяет вариабельность строения кристалла гидроксиапатита. Дентин, по своему объему и массе, составляет основу зуба. Основу неорганического вещества составляет гидроксиапатит (60-66%), фторапатит (1%), карбонат магния (3-4%), карбонат кальция (3%) и в небольшом количестве фторид кальция [2]. Изучая химический состав зубов методом спектрографического анализа, многие авторы обнаружили в зубах человека ряд микроэлементов: Ni, Ti, Со, Sr, Pb, Al, Zn, Cu, Mn, Mg и другие [2, 5, 6, 7, 8]. Химический состав зубных тканей зависит от состояния обменных процессов в организме и тесно связан с теми биохимическими реакциями, которые в нем происходят [7].

При кариесе в стадии белого пятна общее содержание белковых компонентов органического матрикса эмали увеличивается почти в два раза. Повышение содержания белка происходит за счет увеличения фракции растворимого белка и высокомолекулярных пептидов [6]. В пигментированном пятне общее содержание белка остаётся на том же уровне, но уменьшается количество водорастворимого белка, фракция свободных аминокислот увеличивается в восемь раз по сравнению с интактной эмалью и в 2,5 раза выше, чем в белом кариозном пятне. Неорганический фосфор снижен в белом кариозном пятне на 73%; содержание углеводов в органическом веществе по сравнению с интактной эмалью возрастает в 12 раз, содержание липидов снижается [6]. В поверхности эмали белого кариозного пятна содержится в 2-3 раза больше фтора, чем в других участках кариозной эмали. В кариозной эмали определяется меньшее количество азота, чем в белке интактной эмали, большее число аминокислот и в большем количестве. По данным [8, 9] содержание кальция в эмали при кариесе снижается в 4 раза и достигает 10,52%, при норме - 42,21 %, фосфора в 2 раза с 20% до 10%.

При кариесе изменения дентина начинаются с нарушения структурной целостности вследствие деминерализации его минеральной составляющей, дезинтеграции и последующего разрушения органической матрицы. Значительно увеличивается доля органической составляющей (на 40%), и уменьшается доля минерального компонента (до 53%) [5, 6]. В свою очередь, в зубах, пораженных кариесом, на видимо неизмененных участках эмали и дентина значительных изменений химического состава не происходит [5, 6, 7, 8]. Пусковым механизмом формирования кариозной полости является деминерализация эмали, выражающаяся в изменениях структуры кристалла гидроксиапатита. Апатиты эмали характеризуются наличием включений - карбонатных групп и ряда химических элементов в следовых количествах (натрия, магния, калия, хлорида, цинка, фторида); кроме того, в решетке кристалла нередко сохраняются вакантные места. Вакансии и включения и существенно изменяют плотность кристалла биологического апатита и влияют на его растворимость. Выход ионов из апатита в окружающую среду начинается при снижении до критического уровня в ней количества свободных ионов, составляющих апатиты. Растворяясь, апатит распадается на отдельные ионы; при постепенном снижении рН раньше других растворяются апатиты, содержащие карбонаты, магний, натрий и цитраты, позже - апатиты с фторидами. Катионный состав тканей подвергается постоянным изменениям в ходе жизнедеятельности зуба, в связи со способностью кристаллов гидроксиапатита к изоморфным и гетероморфным изменениям. Кроме того, нельзя исключать и возрастные изменения, происходящие в зубе, накопление одних веществ и потеря других [3].

Анализ имеющихся данных обнажает необходимость поиска других веществ, определяющих строение тканей зуба в норме и при патологии. Согласно знаниям об особенностях химического строения кристалла гидроксиапатита, именно анионы играют значительную роль в поддержании строения и функции всего кристалла. Так как именно они определяют форму, заряд, полярность кристалла, что опосредованно свидетельствует о кариесрезистентности кристалла. Таким образом, для диагностики ранних форм кариеса основное значение несет изменение отношений концентраций анионов между собой и определение их качественного и количественного соотношения. ИКС позволяет с меньшей затратой усилий и времени достичь достоверных результатов, что несомненно будет способствовать улучшению степени диагностики, возможности диагностировать ранние изменения в предклиническом периоде с тем, чтобы минимизировать последствия для организма. Известно, что наблюдение за содержанием анионов более информативно, так как может быть зафиксировано на современных приборах - спектрофотометрах, а катионы в рамановском и инфракрасном спектрах не отображаются и не поглощаются, следовательно, изменение их концентраций не может помешать наблюдениям за анионами.

На спектрах фиксируются колебания структурных молекулярных и ионных единиц неорганической составляющей - карбонат-гидроксиапатита, таких как фосфат-, карбонат- и гидрофосфат-ионы, а также многочисленные колебания, связанные с протеиновой матрицей. ИКС позволяет также зафиксировать качественные и количественные изменения концентраций белковой составляющей тканей. В настоящее время спектрофотометрические методы (инфракрасная спектрометрия, рамановская спектроскопия) являются основными в изучении структуры и дефектообразования органоминеральных соединений, к которым относятся ткани зуба. Кроме того, простота подготовки проб и сниженные требования к образцу тканей делают метод ИКС перспективным в данной области. Нами было принято решение исследовать ткани зуба на предмет изменения соотношения минеральной и органической составляющей в норме и при патологии. Это позволило выбрать три основных параметра для оценки изменения тканей зуба: отношение полос поглощения карбонатов к фосфатам, карбонатов к органической матрице, фосфатов к органической матрице. Относительное изменение этих параметров будет свидетельствовать об изменениях, происходящих в тканях зуба.

Цель исследования: изучить применение инфракрасной спекроскопии для ранней диагностики кариеса.

Материалы и методы исследования. Материалом исследования послужили 40 удаленных человеческих зубов. Материал был получен после экстракции зубов по ортодонтическим и ортопедическим показаниям. Материал был разделен на группы: контрольная группа - интактные зубы (20 зубов), группа исследования - зубы, пораженные кариесом дентина (20 зубов). После экстракции зубы обрабатывались в проточной воде, очищались от налета, высушивались фильтровальной бумагой. После этого приготавливался порошок из тканей зуба посредством послойного распила турбинным наконечником с водяным охлаждением. Материал собирался в чашки Петри, высушивался естественным образом. Из каждого зуба изготавливалось два образца твердых тканей: эмаль и дентин. После этого в ступке приготавливалась мелкодисперсная смесь из порошка и вазелинового масла до необходимой концентрации. Исследование проводили с помощью метода ИК-спектроскопии биологических тканей и жидкостей (2). Также исследованию подвергалась ротовая жидкость. Были сформированы две группы: группа контроля - группа пациентов с интактными зубными рядами (20 человек), группа сравнения - пациенты с различными формами кариеса зубов (20 человек) (диагноз был установлен клинически). Забор материала проводили путем сбора нестимулированной слюны в пробирку в количестве 2-3 мл утром натощак. Для исследования ротовую жидкость высушивали в течение двух дней при комнатной температуре. Образец готовили в виде суспензии в вазелиновом масле. Регистрацию спектров поглощения производили на спектрофотометре «Carl Zeiss Jena SPECORD IR-75»(Германия), в диапазоне волновых чисел 1700-400 см -1 . В качестве расчётных ИК-спектроскопических величин найдены 3 параметра (П1 (1070/1017), П2 (1070/1665), П3 (1017/1665)), являющиеся частными от деления высот пиков аналитических полос поглощения фосфатов, карбонатов и белков исследуемых материалов друг на друга [3, 8]. Полученные данные были обработаны на IBM PC/AT с помощью пакетов прикладных программ Statistica 6.0 (Windows XP) и Microsoft Excel с использованием методов одномерной статистики.

Результаты исследования В ходе исследования рассчитаны параметры ИК-спектров ротовой жидкости пациентов группы контроля и группы сравнения. Результаты представлены в таблице 1.

Читайте также: