СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ АМОРФНОЙ ФАЗЫ МИНЕРАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ КОСТНОГО МАТРИКСА
METHOD FOR ASSESSING FUNCTIONAL STATE OF AMORPHOUS PHASE OF MINERAL COMPONENT OF BONE MATRIX

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано при патоморфологической диагностике нарушений процесса минерализации по костным биоптатам.
Минералы в аморфной фазе обнаружены во внутренней пластинке остеонов (Crofts R., Воусе Т., Bloebaum R.Aging changes in osteon mineralization in the human femoral neck. Bone, Volume 15, Issue 2, Pages 147-152) и в матриксе перилакунарной кости (Baud, С.А. M.D.; Boivin, G. H.D. Effects of Hormones on Osteocyte Function and Perilacunar Wall Structure Clinical Orthopaedics & Related Research: October 1978 - V. 136 - P 270-281). Авторы полагали, что это результат остецитарного остеолиза, хотя существует мнение, что жидкое агрегатное состояние аморфной фазы минералов является стадией нормально протекающего процесса минерализации кости (Olszta M J, Douglas E P, Gower L В Scanning electron microscopic analysis of the mineralization of type I collagen via a polymer-induced liquid-precursor process. Tissue Int.- 2003.-72.- 5.-P. 583-591). В специальной литературе информации о возможности оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного матрикса мы не встретили.
Известен способ визуализации костных структур, содержащих аморфные минералы, окраской по Массону-трихром срезов частично декальцинированной кости с последующим колориметрическим анализом полноцветных цифровых изображений микропрепаратов (RU 2429475 С1), однако способ не адаптирован для оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного матрикса.
Задачей изобретения является разработка способа, обеспечивающего возможность оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного матрикса
Указанная задача решается тем, что в способе оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного матрикса, включающем визуализацию и выделение содержащих аморфные минералы структур путем колориметрического анализа и сегментации полноцветных цифровых изображений микропрепаратов окрашенных по Массону-трихром срезов частично декальцинированной кости с сохранением результатов в таблице, где каждому пикселу изображения соответствует одна строка, в ячейках которой содержится информация о координатах пиксела в площади изображения по осям Х и У и о его цвете в виде значений интенсивности светового потока по каналам RGB, в качестве оценочного критерия используют гистограмму распределения значений I-фактора - разности между интенсивностями светового потока по каналам R и В, причем унимодальное распределение со сдвигом вправо рассматривают как свидетельство подготовки к кристаллизации, со сдвигом влево - как признак подготовки к деминерализации, а близкое к нормальному - как депозит аморфных минералов в качестве резерва, при би- и полимодальных распределениях говорят о разнонаправленности функционального предназначения аморфных минералов в той или иной структуре кости.
Способ поясняется описанием, примером практического использования, таблицами и иллюстративным материалом, на котором изображено:
Фиг.1. Полноцветное цифровое изображение среза компактного вещества корковой пластинки большеберцовой кости, об. - 40х, окраска - по Массону. а -пронумерованы остеоны (ост) и вставочные пластинки (вп). 6 - визуализированы структуры, содержащие аморфные минералы.
Фиг.2. Гистограммы распределения I-фактора, характерные для подготовки к кристаллизации, и изображения содержащих аморфные минералы структур: костных лакун зрелого остеона (а) и перилакунарных участков наружной пластинки остеона в конце процесса вторичной минерализации (б).
Фиг.3. Гистограмма распределения I-фактора, характерная для подготовки к деминерализации, и изображение содержащих аморфные минералы вставочных пластинок.
Фиг.4. Гистограммы распределения I-фактора, характерные для резервных депозитов аморфных минералов, и изображения содержащих преципитаты аморфных минералов перилакунарных структур: вставочных пластинок (а) и пластинок остеона (б).
Фиг.5. Полимодальное распределение I-факгора аморфных минералов во внутренней пластинке остеона.
Фиг.6. Гистограммы распределения I-фактора аморфных минералов в лакунах остеоцитов и перилакунарной кости остеонов.
Фиг.7. Гистограммы распределения I-фактора аморфных минералов в лакунах остеоцитов и перилакунарной кости вставочных пластинок.
Фиг.8. Гистограммы распределения I-фактора аморфных минералов во внутренних пластинках остеонов.
Способ осуществляют следующим образом.
B
R
G
R
B
С целью оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного матрикса срезы частично (до готовности к микротомированию - булавочная проба) декальцинированной кости окрашивают по Массону-трихром в прописи с анилиновым синим и при большом увеличении светооптического микроскопа (объективы 40х-60х) оцифровывают полноцветные изображения диагностически значимых костных структур,сохраняя их с расширением *.bmp.В изображениях визуализируют структуры, содержащие аморфные минералы, выделяя пикселы, цвет которых описывается неравенством I>I>I. Результат сохраняют в памяти компьютера в графической (фиг.1, б) и табличной (таблица 1) формах, причем в таблице каждому пикселу отводится одна строка, в ячейках которой регистрируют координаты пиксела в площади изображения по осям Х, У и цветовые характеристики в виде значений интенсивности светового потока по каналам RGB, а также дополнительно рассчитанный I-фактор как разность |I-I|.
Таблица 1
1
В
C
D
E
F
G
H
1
Z
У
R
G
в
|I<sub>R</sub>-I<sub>B</sub>|
Опис.статистика для:|I<sub>R</sub>-I<sub>B</sub>|
2
0
0
150
131
247
-97
Среднее
-49,39
3
1
0
153
126
245
-92
Дисперсия
1022,67
4
2
0
159
128
246
-87
Ср. кв. отклонение
31,98
5
3
0
158
127
243
-85
Мода
-21
6
4
0
168
139
251
-83
Медиана
-45
7
5
0
170
134
246
-76
Мин.значение
-159
8
6
0
189
134
250
-61
Макс.значение
-1
9
7
0
204
132
253
-49
Коэф.эксцесса
-0,62
10
8
0
193
<sup>:</sup> 142
249
-56
Счет
278955 пике
11
9
0
<sup>:</sup> 194
143
249
-55
R
B
* Первые 10 строк табличной формы графического файла, представленного в фиг.1,б, и описательная статистика для выборки |I-I|.
В полученных для диагностически значимых костных структур выборках значений I-фактора рассчитывают параметры описательной статистики и анализируют гистограммы распределения. Унимодальное распределение со сдвигом вправо (Фиг.2) рассматривают как свидетельство подготовки к кристаллизации, со сдвигом влево (Фиг.3)
- как признак подготовки к деминерализации, а близкое к нормальному (Фиг.4) - как депозит преципитата аморфных минералов в качестве резерва. При би- и полимодальных распределениях (Фиг.5) говорят о разнонаправленности функционального предназначения аморфных минералов в той или иной структуре кости.
Пример практического использования.
B
R
G
R
B
В поступившем на исследование полноцветном (RGB-модель цветового пространства) цифровом изображении поля зрения (объектив - 40х) поперечного гистологического среза компактного вещества корковой пластинки большеберцовой кости, окрашенного трехцветным методом по Массону в прописи с анилиновым синим, пронумеровали остеоны и вставочные пластинки (фиг.1,а) и визуализировали структуры, содержащие аморфные минералы, для чего провели колориметрическую сегментацию. оставив в изображении только те пикселы, в цвете которых интенсивность по синему каналу доминирует над красным, а последний - над зеленым (I>I>I - это цвет костных структур, содержащих аморфные минералы). Остальные пикселы закрасили фоновым (черным) цветом. Результат этой манипуляции сохранили в памяти компьютера в графической (фиг.1,б) и табличной (таблица 1) формах. В таблице каждому пикселу отведена одна строка, в ячейках которой зарегистрированы координаты пиксела в площади изображения по осям X, У и цветовые характеристики в виде значений интенсивности светового потока по каналам RGB, а также дополнительно рассчитанный I-фактор как разность |I-I|. Все значения I-фактора, как следует из параметров описательной статистики, находятся в интервале от 0 до -160, что мы учитывали при построении гистограмм распределения.
Графическая форма файла, представленная на фиг.1,б, позволила определить вставочные пластинки и остеоны как подлежащие анализу диагностически значимые костные структуры, содержащие аморфные минералы. В составе остеонов раздельно исследованы внутренние пластинки и лакуны остеоцитов с прилежащими участками костного матрикса. В изображении на фиг.1,б выбрано и проанализировано 14 вставочных пластинок и 14 остеонов с их вставочными пластинками и лакунами остеоцитов.
В группе лакун 13 (92,86%) гистограмм распределения I-фактора характеризуются выраженным сдвигом вправо (фиг.6), что свидетельствует об активной подготовке и непосредственном участии аморфных минералов в процессе кристаллизации. Только в одном случае имело место близкое к нормальному распределение (остеон 13, фиг.4,б), свидетельствующее о накоплении резерва аморфных минералов в составе матрикса перилакунарной кости.
В группе вставочных пластинок (фиг.7) анализ гистограмм распределения I-фактора выявил признаки накопления преципитата аморфных минералов в качестве резерва в 7 наблюдениях, а в остальных - подготовки к деминерализации.
В то же время в группе внутренних пластинок остеонов формы гистограмм распределения I-фактора аморфных минералов (фиг.8) оказались наиболее разнообразными, отражая доминировавшие в том или ином случае функции. Так, полимодальность распределения во внутренней пластинке остеона 2 (фиг.5) свидетельствует как минимум о пяти отправлениях: обмен минералами с кровью в сосудах гаверсова канала (два левые пика и хвост гистограммы), резерв аморфных минералов для обеспечения функций поддержания минерального гомеостаза (левый из средних пиков) и вторичной минерализации остеона (правый из средних пиков), а также подготовка к кристаллизации (правые пик и хвост гистограммы) и непосредственное в ней участие (правый, прилежащий к 0 столбец гистограммы). Таких внутренних пластинок в анализируемом случае 8 из 14 (57,14%), в остальных выражена функция резервного депозита аморфных минералов.
Применение предлагаемого способа в подразделениях РНЦ "ВТО" показало, что он обеспечивает возможность количественной оценки функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного магрикса в диагностически значимых структурах костного биоптата за счет применения информационных технологий для анализа полученных традиционными методами стандартных пагогистологических препаратов. Объективная количественная характеристика функционального состояния аморфной фазы минеральной компоненты костного магрикса служит предпосылкой для диагностики, а при проведении повторных исследований с определенными временными интервалами - и для наблюдения за динамикой патологического процесса.