CC BY
11
э
DOI: 10.31146/1682-8658-ecg-167-7-47-51
Идентификация желчных конкрементов холестеринового типа методом рентгеновской микротомографии
Сайфутдинов Р. Г. 1, Кривоносов Ю.С.2, Асадчиков В. Е.2, Бузмаков А. В.2, Пантюшов В. В.3, Сайфутдинов Р. Р. 1 4
1 КГМА — филиал ФГБОУ ДПО РМАНПО Минздрава России, 420012 г. Казань, ул. Бутлерова, д. 36, Россия
2 ИК РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Ленинский проспект, д. 59, 119333, г. Москва, Россия
3 Городская клиническая больница № 1 им. Н. И. Пирогова, 117049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 8, Россия
4 ОАО ГКБ № 12, 420036, Республика Татарстан, г. Казань, Россия
Identification of cholesterol type gallstones by X-ray microtomography technique
R. G. Saifutdinov 1, Yu. S. Krivonosov 2, V. E. Asadchikov 2, A. V. Buzmakov 2, V. V. Pantyushov 3, R. R. Saifutdinov 1 4
1 KSMA — Branch Campus of the FSBEI FPE RMACPE MOH, 36 Butlerova street, 420012 Kazan, Russia.
2 IC RAS, FSRC «Crystallography and Photonics» RAS, Leninskiy Prospekt 59, 119333, Moscow, Russia
3 City clinical hospital № 1 named after N. I. Pirogov, 8 Leninsky prospect, 117049 Moscow, Russia.
4 City clinical hospital № 12, 420036, 7 Lechebnaja street, Kazan city, Russia
Для цитирования: Сайфутдинов Р. Г., Кривоносов Ю.С., Асадчиков В. Е., Бузмаков А. В., Пантюшов В. В., Сайфутдинов Р. Р. Идентификация желчных конкрементов холестеринового типа методом рентгеновской микротомографии. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2019;167(7): 47-51. DOI: 10.31146/1682-8658-ecg-167-7-47-51
For citation: Saifutdinov R. G., Krivonosov Yu. S., Asadchikov V. E., Buzmakov A. V., Pantyushov V. V., Saifutdinov R. R. Identification of cholesterol type gallstones by X-ray microtomography technique. Experimental and Clinical Gastroenterology. 2019;167(7): 47-51. (In Russ.) DOI: 10.31146/1682-8658-ecg-167-7-47-51
Сайфутдинов Рафик Галимзянович, заведующий кафедры госпитальной и поликлинической терапии, профессор, д.м.н.
Кривоносов Юрий Станиславович, научный сотрудник, к.ф.- м.н.
Асадчиков Виктор Евгеньевич, заведующий лаборатории, профессор, г.н.с., д.ф.- м.н.
Бузмаков Алексей Владимирович, старший научный сотрудник, к.ф.- м.н.
Пантюшов Владимир Васильевич, врач-хирург
Сайфутдинов Ринат Рафикович, доцент кафедры госпитальной и поликлинической терапии; заведующий терапевтическим отделением, к.м.н.
Rafic G. Saifutdinov, Head of the chair of hospital and polyclinic therapy, Professor, Doctor of Medical Sciences Yuri S. Krivonosov, research officer, candidate of physico-mathematical sciences
Viktor E. Asadchikov, head of laboratory, professor, chief researcher, doctor of physico-mathematical sciences; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3602-7582; SCOPUS ID: 7004211938
Alexey V. Buzmakov, senior research officer, candidate of physico-mathematical sciences; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0539-5606; SCOPUS ID: 8624310500 Vladimir V. Pantyushov, Doctor-surgeon
Rinat R. Saifutdinov, Аassociate professor of the chair of hospital and polyclinic therapy, manager of therapeutic office, candidate of medical sciences
И Corresponding author: Сайфутдинов Рафик Галимзянович Rafic G. Saifutdinov
rgsbancorp@mail.ru
Резюме
Цель исследования. Идентификация холестеринового конкремента желчного пузыря методом рентгеновской моноэнергетической микротомографии при измерениях образца т^ю в полностью просушенном состоянии, а также в воде.
Материалы и методы. В качестве объекта исследования взят холестериновый камень желчного пузыря. Измерения выполнены на лабораторном рентгеновском микротомографе с пространственным разрешением 9 мкм и энергией
зондирующего излучения 17.5 кэВ. На основе экспериментальных данных произведена математическая реконструкция исследуемого объекта, по восстановленным изображениям рассчитаны распределения, а также средние значения линейного коэффициента поглощения конкремента.
Результаты. По результатам микротомографических измерений холестеринового конкремента, находящегося в воде, продемонстрировано совпадение экспериментально полученного среднего линейного коэффициента поглощения образца с его расчетом на основе табличных данных для чистого холестерина. Это показывает принципиальную возможность прижизненной идентификации холестериновых камней томографическим методом.
Ключевые слова: желчнокаменная болезнь, холелитиаз, конкременты желчного пузыря, рентгеновская микротомография
Summary
The aim. The purpose of the study is the identification of cholesterol type gallstone using monoenergetic X-ray microto-mography (in vitro) for the sample in a completely dried state as well as in water.
Materials and methods. Cholesterol type gallstone was taken as an object of study. The measurements were performed on a laboratory X-ray microtomograph with a spatial resolution of 9 pm and a probing radiation energy of 17.5 keV. On the basis of experimental data the mathematical reconstruction of the investigated object is made. Distributions and average values of the linear attenuation coefficient of the gallstone were calculated from the reconstructed images.
Results. Based on the results of microtomographic measurements of cholesterol gallstone in the water, the well agreement of the experimentally obtained average linear attenuation coefficient of the sample with its calculation on the basis of tabular data for pure cholesterol is demonstrated. This shows the principal possibility of lifetime identification of cholesterol type gallstones by X-ray tomography.
Keywords: gallbladder diseases, cholelithiasis, gallbladder stones, X-ray microtomography
Введение
Желчнокаменная болезнь (ЖКБ) - многофакторная патология желудочно-кишечного тракта, характеризующаяся формированием патологических органоминеральных агрегатов из желчи по причине нарушения ее коллоидной стабильности. Неуклонный рост данной патологии в современном обществе среди различных групп населения подтверждает урбанизированный характер этиологических факторов. Именно гиподинамия, нарушение пищевого поведения, диет, прием современных высококалорийных продуктов питания, а также ожирение, нарушения водного и солевого баланса в организме, возраст безусловно являются основными предрасполагающими факторами заболевания [1-8]. Нельзя не отметить массовое распространение в молодой группе населения заболеваний желудочно-кишечного тракта: гастро-дуодениты, энтероколиты, дискинезии желчного пузыря и желчевыводящих путей, дисбактериозы, токсические поражения печени и поджелудочной железы, а также дисгормональные нарушения у женщин, эпидемиология которых в крупных городах пересекает 90% рубеж и стремится к 100%, ввиду их хронического течения, с годами становятся звеньями в патологическом круге желчнокаменной болезни. На сегодняшний день ЖКБ является одной из самых распространенных патологий желудочно-кишечного тракта, требующей хирургического лечения [1, 9]. Несмотря на то, что задачи диагностики и лечения ЖКБ успешно решаются в современной медицине, именно прогноз о распространении заболевания на фоне дальнейшей
тенденции к урбанизации новых стран и регионов в мире, является причиной интереса к дальнейшему изучению этиологии, патогенеза, поиска новых решений в профилактике и разработкам новых методов лечения ЖКБ.
Реальной альтернативой хирургическому лечению ЖКБ являются консервативные пероральные и контактные литолитические методы [10-12], для практического применения которых должен быть решен вопрос «прижизненной» диагностики фазового и химического состава желчных камней. Несмотря на многочисленные попытки определения состава конкрементов с помощью рентгеновской компьютерной томографии [13-15], можно констатировать тот факт, что в настоящее время не существует методики \n-vivo определения фазового состава желчных камней. Это является одной из причин, по которой доля пациентов, к которым на практике применяются литолитические методы лечения ЖКБ, по известным нам данным, не превышает 30% [16]. При этом исследования состава желчных камней в европейской популяции показывают, что доля конкрементов, в которых холестерин является основным компонентом, составляет более 90% от общего количества [17]. К данной многочисленной группе пациентов, вероятно, может быть применена литолитическая терапия для лечения ЖКБ, поскольку именно холестериновые камни поддаются растворению.
Ранее нами уже были проведены исследования желчных камней методом рентгеновской моноэнергетической микротомографии. В работе [18]
было установлено, что измеренные в томографических экспериментах линейные коэффициенты поглощения холестериновых конкрементов совпадают с их расчетом на основе табличных данных для чистого холестерина, и таким образом, было показано, что по томографическим данным можно отличать чисто холестериновые конкременты от конкрементов другого фазового состава. Однако
в проведенных исследованиях участвовали только полностью просушенные желчные камни, что отличается от условий, когда конкремент находится в живом организме. В настоящей работе были упрощенно смоделированы условия, в которых конкремент находится в желчном пузыре. Для этого желчный камень погружался в воду в процессе измерений.
Материалы и методы
Для исследований был взят конкремент желчного пузыря, в составе которого ранее методом порошковой дифракции [18] была обнаружена только холестериновая фаза. Было проведено два томографических эксперимента. В первом - желчный камень измерялся в просушенном состоянии, во втором - он фиксировался в эппендорфе с водой, как показано на фотографии, рис. 2а.
Томографические измерения проводились на лабораторном рентгеновском микротомографе, разработанном в ФНИЦ «Кристаллографиия и фотоника» РАН. Источником излучения являлась стандартная рентгеновская трубка с характеристической линией Мо-Ка (энергия 17.5 кэВ), выделяемой
кристаллом-монохроматором. Излучение регистрировалось ССЭ-детектором Х1МЕА шЯауП с размером пикселя 9x9 мкм и полем зрения 36x24 мм. Была использована схема сканирования в параллельном пучке, в которой рентгеновский источник и детектор оставались неподвижны в процессе эксперимента, а образец вращался на гониометрическом устройстве. В каждом эксперименте снималось 400 проекций с шагом 0.5 градуса, обработка томографических данных проводилась алгебраическим методом реконструкции. Использование монохроматического зондирующего пучка позволило получить истинные значения линейного коэффициента поглощения при реконструкции.
Результаты исследований
Для анализа фазового состава объекта, по восстановленным изображениям рассчитывались гистограммы распределения линейного коэффициента поглощения. Отметим, что в случае, когда томографические данные получены от гомогенного объекта, либо его гомогенной части, гистограмма распределения линейного коэффициента поглощения всегда одновершинная и подчиняется нормальному закону. По этой причине полученные мультимодальные распределения аппроксимировались суммой гауссовых функций, каждая из которых, по нашему мнению, должна соответствовать своей фазе в составе образца или области характерной плотности в пределах одной фазы, и может характеризоваться средним значением линейного коэффициента поглощения -, рассчитанным для соответствующей кривой аппроксимации.
0,010-,
Сравнение полученных таким образом средних значений линейного коэффициента поглощения - с расчетом на основе табличных данных для исследуемого материала позволяет идентифицировать фазовый состав образца.
На рис. 1б изображено сечение томографической реконструкции просушенного желчного камня и построенная по нему двумодальная гистограмма распределения значений - (рис. 1а, кривая 1). Два максимума на кривой 1 (рис. 1а) соответствуют значениям коэффициента поглощения для воксе-лей фона и вокселей объекта на реконструированном изображении. Там же даны кривые гауссовой аппроксимации (рис. 1а, кривые 2 и 3).Среднее значение линейного коэффициента поглощения -, полученное при аппроксимации (кривая 3 рис. 1а) гистограммы сухого желчного камня, составило
0,1
0,05 s
0,002 -
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Ц, мм1
0,03
Рисунок 1.
а) - кривая 1 - распределение значений линейного коэффициента поглощения построенное по реконструированному изображению желчного камня; кривые 2,
3 - аппроксимация кривой 1 гауссовыми функциями;
б) - сечение реконструированного изображения желчного камня.
Figure 1.
а) - Curve 1 - the distribution of values of linear attenuation coefficient ц calculated by the reconstructed image of a gallstone; Curves 2, 3 -approximation of curve 1 by Gaussian functions; б) - the reconstructed cross-section image of the gallstone.
Рисунок 2.
а) - фотография желчного камня, зафиксированного в эппендорфе с водой;
б) - кривая 1 - распределение значений линейного коэффициента поглощения, построенное по реконструированному изображению желчного камня; кривые 2, 3 - аппроксимация кривой 1 гауссовыми функциями;
в) - сечение реконструированного изображения желчного камня, находящегося
в эппендорфе с водой.
Figure 2.
а) - picture of gallstone placed in eppendorf with water;
б) - Curve 1 - the distribution of values of linear attenuation coefficient ц calculated by the reconstructed image
of a gallstone; Curves 2, 3 -approximation of curve 1 by Gaussian functions; в) - the reconstructed cross-section image of the gallstone placed in eppendorf with water.
1*
J :
л А
5 mm
. 0,014n 4
0,02 0,04 0,
0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 Ц, мм1
0.057 мм1, что практически совпадает с расчетом на основе табличных данных для чистого холестерина (С27Ы460, р = 0.061 мм1).
На рис. 2а представлена фотография холестеринового конкремента, зафиксированного в эппендорфе с водой для проведения томографического эксперимента. Сечение реконструированного изображения представлено на рис. 2в. Следует отметить, что внутри исследуемого конкремента обнаружены многочисленные пустоты различных размеров, которые можно наблюдать на рис. 1б. При фиксации желчного конкремента в воде произошло заполнение этих пустот, что хорошо видно на реконструированном изображении рис. 2в. Таким образом при анализе
данных реконструкции мы должны идентифицировать и конкремент и воду. Для этого на реконструированном изображении была выделена область данных (см. рис. 2в), по которым построена гистограмма распределения линейного коэффициента поглощения р (рис. 2б, кривая 1). Там же представлены результаты аппроксимации функциями гаусса (рис. 2б, кривые 2 и 3). Полученные в результате аппроксимации средние значения линейных коэффициентов поглощения - составили 0.065 мм-1для холестеринового конкремента и 0.103 мм-1для воды, что также согласуется с их расчетом на основе табличных данных (С27Ы460 холестерин р = 0.061 мм1; Ы20 вода р = 0.11 мм1).
Обсуждение результатов
Методом рентгеновской моноэнергетической микротомографии были проведены измерения холестеринового желчного конкремента, находящегося в полностью просушенном состоянии и в воде. В обоих случаях были установлены средние значения линейного коэффициентов поглощения -, которые составили 0.057 мм-1 для просушенного конкремента и 0.065 мм-1 в случае, когда конкремент находился в воде. Полученные значения - практически совпадают с расчетом на основе табличных данных для чистого холестерина (С27Ы460, р = 0.061 мм1), но отли-
где р. - это линейный коэффициент поглощения материала с объемной долей V. относительно объема вокселя. Тогда, используя выражение (1) и считая, что мелкоразмерные поры расположены равномерно в объеме конкремента, получаем значение пористости внутри каждого вокселя равное 8.6%. Данное значение пористости полностью объясняет различия в найденных линейных коэффициентах поглощения - холестеринового конкремента для случаев измерения на воздухе и в воде. Отметим, что экспериментально установленное значение - для воды, также оказалось близко к расчету на основе табличных данных.
чаются от него симметрично в большую и меньшую стороны. Мы считаем, чтоданное различие коэффициентов поглощения можно объяснить наличием мелких пор с размерами меньше, чем размер вокселя (9x9x9 мкм), которые были заполнены в первом случае воздухом, а во втором водой. Для каждого вокселя линейный коэффициент поглощения, восстанавливаемый при реконструкции, может быть записан в виде суммы линейных коэффициентов поглощения материалов, входящих в его объем с соответствующей объемной долей, следующим образом:
(1)
Полученные результаты позволяют утверждать, что с помощью моноэнергетической рентгеновской микротомографии возможно идентифицировать как холестериновые желчные конкременты, находящиеся в высушенном состоянии, так и находящиеся в воде. Идентификация холестеринового конкремента т-уИто при различном контрасте его материала относительно окружающей среды показывает принципиальную возможность решения задачи прижизненной дифференциальной диагностики холестеринового холелитиаза от его других форм с помощью рентгеновской томографии.
р = Е"=, р V
Литература | References
1. Novacek G. Gender and gallstone disease. Wien Med Wochenschr. 2006;156:527-533.
2. Everhart JE, Khare M, HillM, Maurer KR. Prevalence and ethnic differences in gallbladder disease in the United States. Gastroenterology. 1999;117:632-639.
3. Völzke H, Baumeister SE, Alte D et al. Independent risk factors for gallstone formation in a region with high cholelithiasis prevalence. Digestion. 2005;71:97-105.
4. Qin J, Han TQ, Fei J at al. Risk factors of familial gallstone disease: study of 135 pedigrees. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2005;85:1966-1969.
5. Abu-Eshy SA, Mahfouz AA, Badr A at al. Prevalence and risk factors of gallstone disease in a high altitude Saudi population. East Mediterr Health J. 2007;13:794-802.
6. Stuart GS, Tang JH, Heartwell SF, Westhoff CL. A high cholecystectomy rate in a cohort of Mexican American women who are postpartum at the time of oral contraceptive pill initiation. Contraception. 2007;76:357-359.
7. Cirillo DJ, Wallace RB, Rodabough RJ et al. Effect of estrogen therapy on gallbladder disease. JAMA. 2005;293:330-339.
8. Zimmer V, Lammert F. Genetics in liver disease: new concepts. Curr Opin Gastroenterol. 2011;27:231-239.
9. Sun H, Tang H, Jiang S et al. Gender and metabolic differences of gallstone diseases. World J Gastroenterol. 2009;15:1886-1891.
10. Barbara L. A comparative study of chenodeoxycholic acid and ursodeoxycholic acid as choledterol gallstone dissolving agents. MTP Press, Lancaster, UK. 1983, pp. 367-370.
11. Roda E., Liva S., Ferrara F. et al. The UDCA dosage deficit: a fate shared with CDCA. Eur J Gastroenterol Hepatol. 2002, Mar; 14(3), pp. 213-6.
12. Bouchifr I.A.D. Non-surgical treatment of gall stones: many contenders but who will win the crown? Gut. 1988;29:137-142.
13. R.L. Baron; C. A. Rohrmann; S. P. Lee et al. CT evaluation of gallstones in vitro: correlation with chemical analysis. American journal of roentgenology. 1988, Vol.151, pp.1123-1127.
14. R.F. Walters, K. A. Hood, D. Gleeson at al. Combination therapy with oral ursodeoxycholic and chenodeoxycholic acids: pretreatment computed tomography of the gall bladder improves gall stone dissolution efficacy. Gut, 1992, 33, 375-380.
15. MyungHwanKim, SungKooLee, SungGyuLee.Computed Tomographic Analysis of Gallbladder Stones: Correlation with Chemical Composition and In Vitro Shock-wave Lithotripsy. Korean J Intern Med. 1991 Jan; 6(1): 1-7.
16. Ilychenko A. A. Gallstone disease. Lechashchiy Vrach. 2004;4:27-33.
17. Clemens Schafmayerl, Jürgen Hartleb2, Jürgen Tepel at al. Predictors of gallstone composition in 1025 symptomatic gallstones from Northern Germany. BMC Gastroenterology. 2006, 6:36.
18. V.E. Asadchikov, A. V. Buzmakov, I. G. Dyachkova et al. Results from X-Ray Microtomography Studies of Gallbladder Stones. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019, Vol. 83, No. 2, pp. 134-139.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части проведения томографических изменений и интерпретации результатов, томографическая реконструкция проводилась при поддержке гранта РФФИ 18-29-26028
