ПРОГРАММНО-ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МИНЕРАЛИЗАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ У ЖИВОТНЫХ
PROGRAM-DIGITAL METHOD OF EVALUATING QUALITY OF BONE TISSUE MINERALISATION IN ANIMALS

Изобретение относится к ветеринарии и предназначено для определения качества минерализации костной ткани у животных при лечении больных и выполнении научно-исследовательских работ.
В настоящее время все больше приходится сталкиваться с нарушениями формирования скелета собак, особенно у щенков крупных и гигантских пород. В основном это связано с нарушением минерального обмена и отложением кальция и фосфора в костной ткани, что влечет за собой развитие патологий остеогенеза. Под качеством костной ткани понимают степень насыщения ее минеральными солями (в первую очередь кальция и фосфора).
Известен программно-цифровой способ определения степени сращения переломов костей, включающий сканирование рентгенограммы при помощи сканера и определение разницы оптической плотности места перелома и кортикального слоя места перелома (патент № 2255656). Данный способ применяют для оценки качества сращения костных отломков, что определяется по степени минерализации костной мозоли.
Недостатком данного способа является возможность применения его только при переломах костей, при этом не оценивается качество минерализации костяка в целом.
Прототипом предлагаемого изобретения является методическое руководство «Остеопороз» авторов Л.Б.Лазебник, С.Б.Маличенко (1997 г.). Способ включает ультразвуковую денситометрию и определение показателей величины минеральной плотности костной ткани (МПКТ).
Недостатками такого способа являются: необходимость специального дорогостоящего ультразвукового оборудования; необходимость неподвижности пациента в период обследования в течение 7-10 минут, что трудновыполнимо для животных.
Технической задачей изобретения является упрощение выполнения операций.
Техническая задача достигается программно-цифровым способом оценки качества минерализации костной ткани у животных, включающим определение величины минеральной плотности костной ткани (МПКТ), в котором согласно изобретению проводят компьютерную обработку отсканированной рентгенограммы исследуемого участка костной системы на эталонной рентгенограмме здорового животного и на рентгенограмме обследуемого животного, на каждой из которых выделяют зоны интереса: «участок зоны роста», «участок кортикального слоя», «участок губчатого вещества», в каждой зоне интереса определяют оптическую плотность, по которой рассчитывают коэффициент минерализации костной ткани обследуемого животного, по которому, в свою очередь, рассчитывают коэффициент окостенения обследуемого животного и при значениях коэффициента окостенения 0,95 и более выявляют полную минерализацию, при значениях 0,95-0,75 - среднюю степень минерализации, а при 0,75 и менее - низкую степень минерализации.
Техническая задача достигается тем, что коэффициент минерализации в каждой зоне интереса рассчитывают по формуле
где γ - коэффициент минерализации зоны интереса обследуемого животного;
0
P0
Х, X - яркость участка мягких тканей здоровых животных и обследуемых соответственно в непосредственной близости от зон интереса;
1
P1
X, X - яркость участка зон интереса здоровых и обследуемых животных соответственно.
Техническая задача достигается тем, что коэффициент окостенения определяют по формуле
где λ - коэффициент окостенения обследуемого животного;
γа, γb, γс - коэффициенты минерализации зон интереса: «участка зоны роста», «участка губчатого вещества», «участка кортикального слоя» обследуемого животного.
Отличием изобретения от прототипа является то, что проводят компьютерную обработку отсканированной рентгенограммы исследуемого участка костной системы на эталонной рентгенограмме здорового животного и на рентгенограмме обследуемого животного, на каждой из которых выделяют зоны интереса: «участок зоны роста», «участок кортикального слоя», «участок губчатого вещества», в каждой зоне интереса определяют оптическую плотность, по которой рассчитывают коэффициент минерализации костной ткани обследуемого животного, по которому, в свою очередь, рассчитывают коэффициент окостенения обследуемого животного и при значениях коэффициента окостенения 0,95 и более выявляют полную минерализацию, при значениях 0,95 - 0,75 - среднюю степень минерализации, а при 0,75 и менее - низкую степень минерализации.
Отличием изобретения от прототипа является то, что коэффициент минерализации в каждой зоне интереса рассчитывают по формуле
где γ - коэффициент минерализации зоны интереса обследуемого животного;
0
P0
Х, X - яркость участка мягких тканей здоровых животных и обследуемых соответственно в непосредственной близости от зон интереса;
1
P1
X, X - яркость участка зон интереса здоровых и обследуемых животных соответственно.
Отличием изобретения от прототипа является то, что коэффициент окостенения определяют по формуле
где λ - коэффициент окостенения обследуемого животного;
γа, γb, γс - коэффициенты минерализации зон интереса: «участка зоны роста», «участка губчатого вещества», «участка кортикального слоя» обследуемого животного.
На фиг.1 изображена схема отсканированной рентгенограммы исследуемого участка костной системы (дистальный фрагмент бедренной кости), на котором обозначены зоны интереса и участки мягких тканей в непосредственной близости от исследуемых участков зон интереса. На фиг.2 изображены рентгенограммы левой бедренной кости с выделенными участками зон роста и мягких тканей а) здорового и б) обследуемого животного. На фиг.3 изображены рентгенограммы левой бедренной кости с выделенными участками кортикального слоя и мягких тканей а) здорового и б) обследуемого животного. На фиг.4 изображены рентгенограммы левой бедренной кости с выделенными участками губчатого вещества и мягких тканей а) здорового и б) обследуемого животного.
На фиг.1 показано:
1 - зона роста бедренной кости;
2 - кортикальный слой бедренной кости;
3 - губчатое вещество бедренной кости;
4 - зона интереса «исследуемый участок кортикального слоя бедренной кости»;
5 - участок мягких тканей в непосредственной близости от зоны интереса «исследуемого участка кортикального слоя бедренной кости»;
6 - зона интереса «исследуемый участок губчатого вещества бедренной кости»;
7 - участок мягких тканей в непосредственной близости от зоны интереса «исследуемого участка губчатого вещества бедренной кости»
8 - зона интереса «исследуемый участок зоны роста бедренной кости»;
9 - участок мягких тканей в непосредственной близости от зоны интереса «исследуемого участка зоны роста бедренной кости».
Способ осуществляют следующим образом. Для исследований нами была выбрана левая бедренная кость в области нижней трети диафиза, так как в этом участке наиболее интенсивный минеральный обмен, отражающий качество минерализации всей костной системы. Для каждой возрастной и весовой категории животных, в частности собак, определяют эталонные рентгенограммы левой бедренной кости здоровых животных, которые оцифровывают методом сканирования, определяют показатели оптической плотности по предложенному способу, например при помощи функции Histogram программы Adobe Photoshop, и используют их в дальнейшей работе для определения минерализации костной ткани и степени окостенения костяка обследуемого животного. Яркость изображения на рентгенограмме зависит от плотности тканей, через которые проходил рентгеновский луч. При оцифровке изображение рентгенограммы разбивается на множество малых элементов - пикселей. Яркость каждого пиксела может иметь один из 256 уровней, причем «0» соответствует абсолютно черному цвету, а «255» - абсолютно белому. Для измерения яркости участков рентгенограммы используют функцию Histogram известной программы обработки фотоизображений Adobe Photoshop.Функция Histogram для выделенного участка изображения строит гистограмму - график зависимости количества пикселей определенной яркости от величины этой яркости. Кроме того, эта функция вычисляет среднюю яркость участка, среднеквадратичное отклонение яркости и другие параметры. Используют параметры средней яркости для описания отдельных участков изображения.
Рассчитывают коэффициенты минерализации обследуемого животного γа, γb, γс в каждой зоне интереса, где γа - коэффициент минерализации «участка зоны роста», γb - коэффициент минерализации «участка кортикального слоя», γс - коэффициент минерализации «участка губчатого вещества», по формуле
следующим образом.
На оцифрованной рентгенограмме бедренной кости в области нижней трети диафиза определяют оптическую плотность зоны интереса, а именно «участка зоны роста» кости (фиг.1, 2) при помощи следующих величин (где «А» подставляют в формулу для расчета коэффициента минерализации зоны интереса обследуемого животного вместо значения «X»):
0
A - яркость «участка мягких тканей здоровых животных в
непосредственной близости от зоны роста» 9;
1
A - яркость «участка зоны роста» 8 здоровых животных;
р0
А - яркость «участка мягких тканей обследуемых животных в
непосредственной близости от зоны роста» 9;
p1
A - яркость «участка зоны роста» 8 обследуемых животных.
Вычисляют коэффициент минерализации «участка зоны роста» 1 кости обследуемых животных (γa):
На оцифрованной рентгенограмме бедренной кости в области нижней трети диафиза определяют оптическую плотность зоны интереса, а именно «участка кортикального слоя» кости (фиг.1, 3) при помощи следующих величин (где «В» подставляют в формулу для расчета коэффициента минерализации зоны интереса обследуемого животного вместо значения «X»):
0
В - яркость «участка мягких тканей здоровых животных в непосредственной близости от кортикального слоя» 5;
1
B - яркость «участка кортикального слоя» 4 здоровых животных;
р0
В - яркость «участка мягких тканей обследуемых животных в непосредственной близости от кортикального слоя» 5;
p1
B - яркость «участка кортикального слоя» 4 обследуемых животных.
Рассчитывают коэффициент минерализации «участка кортикального слоя» 2 кости обследуемых животных (γb):
На оцифрованной рентгенограмме бедренной кости в области нижней трети диафиза определяют оптическую плотность зоны интереса, а именно «участка губчатого вещества» кости (фиг.1, 4) при помощи следующих величин (где «С» подставляют в формулу для расчета коэффициента минерализации зоны интереса обследуемого животного вместо значения «X»):
0
С - яркость участка мягких тканей здоровых животных в непосредственной близости от губчатого вещества кости 7;
1
C - яркость участка губчатого вещества кости 6 здоровых животных;
р0
С - яркость мягких тканей обследуемых животных в непосредственной близости от губчатого вещества кости 7;
p1
C - яркость участка губчатого вещества кости 6 обследуемых животных.
Рассчитывают коэффициент минерализации «участка губчатого вещества» 3 кости обследуемых животных (γс):
Коэффициент окостенения (λ) обследуемых животных определяют по формуле
Исходя из вышеизложенного, мы предлагаем следующую классификацию костяка животных по степени минерализации (табл.1):
Таблица 1
Классификация качества костной ткани животных
Степень минерализации костяка
Коэффициент окостенения
Полная минерализация
0,95<
Средняя степень минерализации
0,95-0,75
Низкая степень минерализации
0,75>
Данный подход позволяет надежно определить степень минерализации костной ткани животных независимо от яркости и контраста рентгеновского изображения. При этом обязательным является условие, согласно которому все рентгеновские снимки исследуемой костной ткани должны быть выполнены на одной и той же конечности в одинаковой проекции.
Предложенный способ проиллюстрирован на следующем клиническом примере: собака, кобель, мастино-неопалитано, 4 месяца, поступил на обследование с диагнозом «Рахит». Рентгенологическое исследование проводили до начала лечения, а затем через каждые 30 суток в течение трех месяцев до клинического выздоровления (табл.2).
Таблица 2
Степень минерализации и коэффициент окостенения обследуемого животного
Коэффициент минерализации
различных зон
Коэффициент окостенения
Сроки исследования
Зона роста (γа)
Кортикальный слой (γb)
Губчатое вещество (γс)
До лечения
0,16
0,09
0,16
0,14
30-е сутки
0,33
0,54
0,42
0,43
60-е сутки
0,52
0,60
0,51
0,54
90-е сутки
0,74
0,81
0,77
0,77
120-е сутки
0,95
0,97
0,94
0,95
Из табл.2 видно, что до лечения коэффициент минерализации различных зон бедренной кости был очень маленький, соответственно и степень минерализации костяка данного животного согласно предложенной нами классификации была низкая. За период лечения с течением времени костная ткань насыщалась минеральными веществами, коэффициент минерализации различных зон кости возрастал, и, как следствие, коэффициент окостенения к 120-м суткам лечения составил 0,95, что согласно предложенной классификации свидетельствует о полной минерализации костяка.
Пример 1. Собака, кобель, САО, 5 месяцев, «Рекс».
Получили рентгенологический снимок бедренной кости. Отсканировали рентгенограмму и провели компьютерную обработку исследуемого участка костной системы на эталонной рентгенограмме здорового животного и на рентгенограмме собаки «Рекс». На обоих рентгенограммах выделили зоны интереса: «участок зоны роста», «участок кортикального слоя», «участок губчатого вещества», в каждой из которых определяли оптическую плотность, по которой рассчитали коэффициент минерализации согласно формуле п.2 формулы изобретения. Коэффициент минерализации «зоны роста» равен 0,47, «кортикального слоя» 0,50, «губчатого вещества» 0,49. По полученным коэффициентам минерализации указанных зон рассчитали коэффициент окостенения согласно формуле п.3 формулы изобретения. Коэффициент окостенения равен 0,49, при этом выявляли низкую степень минерализации, так как значение данного коэффициента менее 0,75.
Пример 2. Собака, сука, РПГ, 3 мес, «Джада».
Исследования проводили, как в примере 1. Выявили, что коэффициент минерализации «зоны роста» равен 0,83, «кортикального слоя» 0,80, «губчатого вещества» 0,81. По полученным коэффициентам минерализации указанных зон рассчитали коэффициент окостенения согласно формуле п.3 формулы изобретения. Коэффициент окостенения равен 0,81, при этом выявляли среднюю степень минерализации, так как значение данного коэффициента менее 0,95, но более 0,75.
Пример 3. Собака, сука, б/п, 4 мес, «Дима».
Исследования проводили, как в примере 1. Выявили, что коэффициент минерализации «зоны роста» равен 0,99, «кортикального слоя» 0,98, «губчатого вещества» 0,97. По полученным коэффициентам минерализации указанных зон рассчитали коэффициент окостенения согласно формуле п.3 формулы изобретения. Коэффициент окостенения равен 0,98, при этом выявляли полную минерализацию, так как значение данного коэффициента более 0,95.
Таким образом, предложенный программно-цифровой способ оценки качества минерализации костной ткани животных позволяет исключить специальное дорогостоящее денситометрическое оборудование, а также необходимость длительной неподвижности обследуемого животного из процесса оценки качества минерализации костяка животного.