CC BY
67
Раздел I.
БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. ФИЗИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА
УДК 620.71.5
ПОЛИПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СТРУКТУР В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
В.Е. КУЛИКОВ*, В.Н. КИДАЛОВ*, Е.Ю.МЕДНИКОВА*,
А.А. ХАДАРЦЕВ**
Настоящая работа посвящена рассмотрению основных возможностей авторских оптико-электронных систем из разряда систем технического зрения, направленных на распознавание образа микрообъекта и его идентификацию в зависимости от состава, цвета, спектральных характеристик, гистограмм и др. В исследовательских и диагностических целях в области биологии, медицины. археологии, тезиографии и петрографии, различных областей материаловедения за основу взято полиполяризационное цветное изображение исследуемого объекта, присущее только ему (конфигурация частиц, абрис, цвет, интенсивность, спектральные характеристики, гистограммы и т.д.). Основное достоинство этого метода микроскопии -бесконтактность и неинвазивность, исключающее разрушение объектов исследования. Обсуждаются особенности использования оптико-электронных систем отечественного происхождения. Ключевые слова: оптико-электронные системы
Неинвазивные и неразрушающие исследования различных природных объектов с помощью микроскопии часто связаны с изучением неокрашенных, в ряде случаев подвижных или динамично изменяющихся объектов [8,10]. Возникает необходимость улучшить частотно-контрастную характеристику (ЧКХ) микроскопа с целью получения более четкой информации об объекте, но у микроскопов существуют пределы увеличения и разрешающей способности, независимо от применения фазовоконтрастного метода, светлого поля с изменением числовой апертуры конденсора, модификации метода фазового контраста (VAREL-contrast), рельефного фазового контраста (Relief Phase Contrast - RPC) c пропусканием света через кольцо или его сегмент, контраста Гоффмана (Hoffman-contrast) и его аналога -интегрально-модуляционного контраста (IMC), дифференциально-интерференционного контраста (DIC-contrast), с модификацией Plas-DIC. В этих методах применяются поляризующие элементы - поляризатор и анализатор, призма Волостона, модуляторы светового потока в виде острого угла, расположенной горизонтально либо под углом щели. Использование подвижного ВАРЕЛ-элемента позволяет при движении объекта освещать его то с одной, то с другой стороны, создавая эффект косого освещения и получать плоское изображение темного поля. Эти методы позволяют ликвидировать гало-эффект, свойственный обычному фазовому контрасту [1], но ЧКХ практически не изменяется (теория Аббе). Назвитие исследовательских оптико-электронных систем (ОЭС) на основе микроскопов открывает новые возможности оценки клеток и тканей различных биообъектов, процессов кристаллизации биологических жидкостей (БЖ) в препаратах-подложках, анализа живых и различных (искусственным или естественным путем законсервированных) тканей биообъектов, структур археологического, геологического происхождения, а также объектов древней и современной живописи и др. [6,7].
Один из способов повышения ЧКХ нативных, не подвергавшихся обработке объектов исследования, нуждается в реализации ряда условий. Первое из них - наличие препарата с зернами не более 30 мкм, второе - применение полиполяризационного узла вне ОЭС, третье - применение аподизационных приспособлений, позволяющих перераспределять энергию в пятне оптической системы, а все вышеперечисленные способы повышения контраста есть ее частные случаи. Поскольку в ОЭС используется параксиальный (почти осевой) ход лучей, это сводит аберрации оптической системы практически к нулю. Полиполяри-
* Санкт-Петербург
**
Тульский государственный университет
зационный метод исследования получил своё название из-за большого количества поляризованных частиц и мутных структур, одновременно находящихся в поле зрения ОЭС и независимых друг от друга (в отличие от поляризационного метода при работе с клетками и тканями биообъектов и со шлифами объектов неживой природы). При исследовании шлифов используется расчетный ход лучей в микроскопе, что ограничивает исследования только оптическими характеристиками, а в полиполяризации т. н. расчетное излучение микроскопа является вредным, «забивающим» всю полезную информацию, которое и устраняется. В связи с этим оптическая схема имеет существенное отличие от схемы микроскопа, но в специальной, предназначенной для микроскопии системе технического зрения (СТЗ) - оба этих метода занимают разные ниши и дополняют друг друга.
Нами использовалось специальное приспособление, имеющее 3 степени свободы, позволяющее уменьшить эффект дифракции света, размывающий тонкие детали изображений [3].
Объект и методы исследований. Изучались препараты крови здоровых и больных животных и человека, ископаемые образцы тканей биообъектов, включая окаменелости, образцы строительных материалов из строений прошлых веков, строительных растворов и красителей использовавшихся мастерами древности. Всего проведена оценка более 1300 различных образцов. Детали методов, используемых для приготовления препаратов и их оценки, отражены в прежних публикациях [8,9,10]. В СТЗ ~90% информации поступает через орган зрения (мозг) исследователя, поэтому ОЭС можно считать основным, но далеко не достаточным элементом этих систем. Оптическая электронная установка (ОЭУ) с включением ОЭС входит в СТЗ, представляющую собой комплекс оптико-физико-технических приборов, связанных с персональным компьютером, имеющим необходимое программное обеспечение. Используемая в настоящей работе система надежно предостерегала от ошибок, возможных при каком-либо одном исследовании, «вырванном» из концепции СТЗ, где одно исследование контролируется другим. ОЭУ разработана группой авторов, один из которых (Куликов В.Е.) обладает патентами на применявшуюся в работе ОЭУ [3-6].
Разработанная система отличается от систем, применяющих стандартные микроскопы. Основные отличия: введены аподиза-ционные диафрагмы, узел «анализатор-поляризатор» выведен из ОЭУ системы, используются мелкозернистые препараты с размером зерна <30 мкм, что превращает микрообъект во вторичный источник излучения, совпадающий с предметной плоскостью системы. Настоящая система обладает плавным изменением увеличений, а размеры микрообъекта измеряются оптическим эталонным микрометром. Эти отличия повышают оптические качества изображений на 20-40%, уменьшают зависимость исследователя от технических свойств ОЭУ и сводят «человеческий фактор» к минимуму. Достигаемое увеличение может превышать увеличение обычного оптического микроскопа в несколько раз.
Результаты. Обычные способы микроскопии с помощью вышеописанной СТЗ в нашем случае дополнены полиполяриза-ционным оптико-физико-техническим исследованием и идентифицированием исследуемых препаратов с эталонными образцами. Использование методики полиполяризации проверено на разных объектах и позволило получить новую, ранее недоступную микроскопистам информацию. Внимание ученых разных специальностей привлекает процесс кристаллизации БЖ. Обсуждаемый метод позволил выявить неоднордность формирования в тезиограммах (ТЗГ) крови кристаллитов 1-4; порядка (рис. 1/1-2 на 2-й стр. обложки), гетерогенность в световой картине сохранных и лизирующихся эритроцитов (рис. 1/3 на 2-й стр. обложки).
Полиполяризационный метод исследования позволил также проводить дифференцирование самых мелких клеточных элемен-
тов крови - тромбоцитов. В клинико-диагностических целях нередко подсчитывается тромбоцитограмма, в которой учитываются лишь форма и общие размеры тромбоцитов. Полиполяризация предоставила возможность дифференцировать в этих клеточных элементах площади гиаломера и гиалоплазмы. Это иллюстрируют результаты оценки состояния и сохранности тромбоцитов донорского тромбоконцентрата, проведенные методом классической поляризации (верхнее изображение с ув. х900 на рис. 1/4 на 2-й стр. обложки) и полиполяризации.
В динамике формирования ТЗГ БЖ значение имеют: адсорбционный процесс, определяющий рост кристаллов, и диффузионный процесс (молекулярная диффузия, режимы естественной и /или/ вынужденной конвекции), обеспечивающий массоперенос к растущему кристаллу, сопровождающийся рассеянием теплоты кристаллизации. Исследования ТЗГ-препаратов крови и других БЖ в проходящем свете методом полиполяризации дополняли друг друга, а с помощью последнего удалось детализировать характер кристаллообразования, который оказался интенсивнее в краевой части ТЗГ (рис.1 и 2 на 2-й стр. обложки).
Если в поле зрения микроскопа или ОЭС использовался расчетный ход лучей, то в препаратах с не пропускающими проходящий свет микрообъектами, как правило (рис. 3/1 на 2-й стр. обложки), наблюдалась черно-белая картина (кроме шлифов). В отраженном свете исследования часто не были возможными, например, из-за кальцийсодержащих соединений на поверхности образца (рис. 3/2 на 2-й стр. обложки) При исследовании же на ОЭУ структура исследуемого образца (рис. 3/3 на 2-й стр. обложки) хорошо визуализировалась.
В отраженном свете белое вещество имело гладкую волнообразную однородную поверхность, что характерно для наплывов, образованных в исследуемых образцах растворов. Они могли формироваться посредством проникновения в них по капиллярам водных растворов кальцийсодержащих минералов. Черными вкраплениями могут быть вещества с углеродом, например, сажа.
Полиполяризационный метод позволил обнаружить различия в поляризационной картине зеленой краски, используемой при создании или реставрации картин разными живописцами (рис. 4 на 2-й стр. обложки). При исследовании минералов в используемой запатентованной системе формировалось их поли-поляризационное цветное изображение. Основное достоинство этого метода - бесконтактность (неинвазивность) исследования, позволило наблюдать в поле зрения объектива сотни микрообъектов. Удалось преодолеть петрографический тупик при работе со шлифами, которые при их расположении в проходящем свете микроскопа не нарушают классический ход лучей. Это вносит фоновую засветку образца, а так как поверхности шлифа всегда представляют собой плоско-параллельную пластинку, то исследования могли сводиться лишь к замеру оптических характеристик минерала: углов преломления и отражения, показателя поглощения, двулучепреломления, неоднородности и т. п., что ограничивало исследования известной оптической областью.
Исследование археологических и геологических образцов позволило выявить существенные различия микроскопии общепринятым и полиполяризационным методом. При исследовании объектов не биологического происхождения с включениями биологического материала полиполяризация позволила выявлять соотношение органической и неорганической составляющих, а в последней - идентифицировать конкретное химическое вещество. При анализе строительного раствора определялось присутствие карбоната кальция, как наполнителя оксида кальция, некар-бонизированной извести и гипса (рис. 5, 6 на 3-й стр. обложки). Гранулометрический анализ нерастворимого остатка позволил выявить образцы, где содержание гипса невелико. Его удалось обнаружить в нерастворимом остатке только полиполяризацион-ным методом. В ходе комплексных исследований получена новая, ранее неизвестная, объективная информация, требующая дополнительных исследований. С помощью компьютерных программ удалось регистрировать отличие спектральных характеристик полиполяризционного изображения от данных классических измерений, а при использовании гистограмм - повысить уровень надежности исследований идентичности объектов.
СТЗ применяются во всех основных направлениях науки и техники, но в биологии использовалась недостаточно. Основная идея метода состояла в получении качественно новой информации об исследуемом объекте путем устранения паразитного (фонового) излучения, которое в классической микроскопии
считается основным и подлежит геометрическому и аберрационному учету в общей, оптической схеме микроскопа. В данных исследованиях впервые объединены в один комплекс несколько оптико-физико-технических решений и приборов.
Комплексные исследования позволили контролировать и исправлять ошибки или подтверждать правильность выводов каждого частного исследования. Весь технологический процесс сводится к использованию разработанной СТЗ, где базовым являлся модифицированный визуальный метод. Разработанный и использованный нами новый полиполяризационный метод исследования - с помощью патентованной СТЗ имеет перспективы использования в анализе живых и переживающих клеток, регулярных структур БЖ, в оценке сохранности длительно хранящихся препаратов крови и тканей [8, 10], в определении сохранности и степени деградации тканей вымерших животных и других биообъектов, для идентификации их видовой принадлежности [9], а также при анализе строительных материалов и растворов, красителей (как современных, так и применявшихся в прежние века). Нами осуществлен анализ этих растворов на присутствие карбоната кальция, оксида кальция, некарбонизированной извести, глины и гипса. Все материалы исследовались без предварительной обработки - в неизмененном виде, а также после добавления воды, когда проводился гранулометрический анализ нерастворимого осадка. Показано, что при определении гипса в образцах, где его содержание было невелико, гипс удалось обнаружить в нерастворимом остатке полиполяризационным методом. На основании вышеизложенного можно сделать заключение о перспективности применения в будущем этого способа в различных областях биологии, медицины, геологии, археологии, и др. науках. Учитывая, что полиполяризационное изображение зависит от особенностей текстуры жидкокристаллических молекул и других структур живого, от кристаллических решеток минералов, предлагаемую технологию полиполяризации можно отнести к области регистрации естественных природных нанотехнологий.
Литература
1. Егорова О.Е. // Лабораторная диагностика, 2005, № 2. С. 30-32.
2. Жданова О.Б. Тезиокристаллоскопический «паттерн» биологических жидкостей у людей и животных в норме и при паразитозах / Мартусе-вич А. К., Жданова О. Б. // Тез. докл. V научн. конф. Института физиологии Коми НЦ УрО РАН «Физиология человека и животных: от эксперимента к клинической практике». Сыктывкар, 2006. С. 148-151.
3. Игнатьев В.Н., Куликов В.Е. Способ организации оптикоэлектронного канала для исследования прозрачных и мутных сред // Патент на изобретение № 2198415, 2000.
4. Игнатьев В.Н., Куликов В.Е. Оптикоэлектронный прибор // Свидетельство на полезную модель № 17086 . 2000.
5. Игнатьев В.Н., Куликов В.Е. Оптикоэлектронный прибор для исследования прозрачных и мутных оптических сред и комплекс аппаратуры для его работы // Свидетельство на полезную модель. № 17087. 2000 .
6. Куликов В.Е., Липатов А.А., Медникова Е.Ю., Носов Е.Н. Оптикоэлектронный прибор для определения кальцийсодержащих компонентов строительных растворов, приоритет от 11.04.2007 г.) Патент на полезную модель № 78945. 2008 ..
7. Шумкин В.Я., Носов Е.Н., Медникова Е.Ю., Кидалов В.Н., Куликов В. Е. «Оптикоэлектронный бесконтактный способ исследования минералов и органических структур» Заявка на патент № 2009113092, приоритет от 07.04.2009 г.
8. Кидалов В. Н., Хадарцев А.А., Якушина Г.Н. Тезиографические исследования крови и их практические возможности // ВНМТ. 2004. Т. XI, №1-2. С. 23-25.
9. Кидалов В.Н.. Лысак В.Ф., Бубнов В.А. Видовые особенности те-зиограммы сыворотки крови человека и лабораторных животных // Проблемы донозологической гигиенической диагностики: Матер. науч. конф. 23-25 мая 1989. Л.: АН СССР - Наука. 1989. С. 76-77.
10. Кидалов В.Н.. Хадарцев А.А. Тезиография крови и биологических жидкостей / Под ред. А.А. Хадарцева. Тула: Тул. полиграфист, 2009. 244 с.
11. Яхно Т.А., Седова О.А., Санин А.Г., Пелющенко А.С. // Ж. технической физики, 2003, Т. 73. Вып. 4. С. 23-27.
POLYPOLARIZATION METHOD FOR THE STUDY OF FINE-GRAINED STRUCTURES IN BIOLOGY, MEDICINE, ARCHEOLOGY AND MATERIAL SCIENCE OPTO-VISION SYSTEMS
V.E. KULIKOV, V.N. KIDALOV, E.Y. MEDNIKOVA, A.A. KHADARTSEV
Sankt-Peterburg; Tula State University
This work considers the possibility of opto-electronic systems from the category of machine vision systems designed to recognize the image of a microscopic object and its identification as a function of composition, color, spectral characteristics, histograms, etc. For e research and diagnostic purposes in area biology and medicine. archeology, in the description of crystals and petrography, different areas of materials science as the basis it was taken polypolarization color image of the object, with its own characteristics (configuration of particles, outline, color, intensity, spectral characteristics, gistogramms, etc.). The main advantage of this method: it is microscopy - contactless and noninvasive, precluding the destruction or modification of the objects of research. Methodical features of opto-electronic system of domestic origin are discussed.
Key words: opto-electronic systems
