Научная статья на тему 'Применение микрофокусной рентгенографии в разграничении ископаемых представителей рода Hоmо с архаической и современной морфологией'

Применение микрофокусной рентгенографии в разграничении ископаемых представителей рода Hоmо с архаической и современной морфологией Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
133
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Биотехносфера
ВАК
Область наук
Ключевые слова
АРХАИЧЕСКАЯ И СОВРЕМЕННАЯ МОРФОЛОГИЯ / ARCHAIC AND MODERN MORPHOLOGY / ИСКОПАЕМЫЙ ЧЕЛОВЕК / FOSSIL MAN / МИКРОФОКУСНАЯ РЕНТГЕНОГРАФИЯ / MICROFOCUS X-RAY / НЕАНДЕРТАЛЕЦ / NEANDERTHAL / HOMO SAPIENS / ТРУБЧАТЫЕ КОСТИ КИСТИ / MANUAL TUBULAR BONES

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Медникова Мария Борисовна, Потрахов Николай Николаевич, Бессонов Виктор Борисович

Микрофокусная рентгенография — перспективный метод оценки патологических и деструктивных процессов костной ткани, позволяющий выявить мелкие и малоконтрастные детали с увеличением и высоким качеством изображения. В данной работе этот метод использован для изучения внутренней структуры небольших трубчатых костей (в основном фаланг кисти) у некоторых очень ценных ископаемых находок — представителей рода Homo эпохи среднего плейстоцена и верхнего палеолита, а также у современных людей. В дополнение к общим анатомическим критериям обнаружены четкие различия между «архаическими» и «современными» образцами по степени формирования трабекулярной системы и минеральной насыщенности костной ткани. Хотя мужчина со стоянки Сунгирь эпохи верхнего палеолита демонстрирует заметные костные изменения, являющиеся следствием физических нагрузок, он остается целиком «анатомически современным». Метод микрофокусной рентгенографии может быть рекомендован для простого распознавания останков представителей «архаической морфологии» среди фрагментарных и сильно разрушенных ископаемых останков.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Медникова Мария Борисовна, Потрахов Николай Николаевич, Бессонов Виктор Борисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Experience of application of a microfocus X-ray a in differentiation of fossil representatives of sort Nomo with archaic and modern morphology

Microfocus X-ray is a perspective approach to evaluation of bone condition in pathological and destructive processes, which helps to describe small and low-contrasting details of images with magnification and in good quality. We used the method to study inner structure of small tubular bones (mainly, manual phalanges) from some very valuable fossil finds, representatives of Middle Pleistocene, Upper Palaeolithic and living Homo. In addition to common anatomical criteria, we discovered clear differences between “archaic” and “modern” samples in degree of trabecular system development and mineral density. The method of microfocus X ray can be proposed for simple recognizing of “archaic morphology bearers” in fragmentary and strongly destroyed fossil remains.

Текст научной работы на тему «Применение микрофокусной рентгенографии в разграничении ископаемых представителей рода Hоmо с архаической и современной морфологией»

УДК 615.849; 572.08

Медникова М. Б., д-р ист. наук, ведущий научный сотрудник Институт археологии РАН, Потрахов Н. Н., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой ЭПУ, Бессонов В. Б., ассистент кафедры ЭПУ,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)»

Применение микрофокусной рентгенографии в разграничении ископаемых представителей рода Hоmо с архаической и современной морфологией

Ключевые слова: архаическая и современная морфология, ископаемый человек, микрофокусная рентгенография, неандерталец, Homo sapiens, трубчатые кости кисти.

Keywords: archaic and modern morphology, fossil man, microfocus X-ray, Neanderthal, Homo sapiens, manual tubular bones.

Микрофокусная рентгенография — перспективный метод оценки патологических и деструктивных процессов костной ткани, позволяющий выявить мелкие и малоконтрастные детали с увеличением и высоким качеством изображения. В данной работе этот метод использован для изучения внутренней структуры небольших трубчатых костей (в основном фаланг кисти) у некоторых очень ценных ископаемых находок — представителей рода Homo эпохи среднего плейстоцена и верхнего палеолита, а также у современных людей. В дополнение к общим анатомическим критериям обнаружены четкие различия между «архаическими» и «современными» образцами по степени формирования трабеку-лярной системы и минеральной насыщенности костной ткани. Хотя мужчина со стоянки Сун-гирь эпохи верхнего палеолита демонстрирует заметные костные изменения, являющиеся следствием физических нагрузок, он остается целиком «анатомически современным». Метод микрофокусной рентгенографии может быть рекомендован для простого распознавания останков представителей «архаической морфологии» среди фрагментарных и сильно разрушенных ископаемых останков.

Введение

Эволюционная антропология — область естественно-научных исследований, наука, изучающая процесс становления человечества. В последние годы она переживает бурный расцвет. Этому способствуют сенсационные палеонтологические находки археологов и новые методы исследования ископаемых костей. Следует особо подчеркнуть, что глубокая древность и фрагментарность таких материалов требуют самого бережного отношения, выдвигая на первый план методики недеструктивного анализа. Таким методом уже стала цифровая микрофокусная рентгенография — новейший способ оценки состояния костной ткани при патологических и деструктивных процессах, позволяющий исследовать мелкие и малоконтрастные детали изображения костных элементов при значительном увеличении объекта. Инновационные разработки специалистов кафедры электронных приборов и устройств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по созданию цифрового аналога микрофокусной рентгенографии с размером фокусного пятна менее 100 мкм [1] нашли успешное клиническое применение, а сегодня могут быть использованы для детального изучения останков древних и ископаемых людей.

Первый в мировой практике опыт применения микрофокусной рентгенографии к палеоантропо-

логическим объектам был предпринят нами в 2008 году [2, 3]. Тогда на примере представителей различных археологических культур эпохи бронзы была продемонстрирована эффективность микрофокусной рентгеносъемки при диагностике травм, онкологических заболеваний и гормональных нарушений [4]. Этот же метод был успешно применен при описании особенностей морфологического строения фрагмента черепной крышки возрастом около 29 тыс. лет и при диагностике заболеваний неандертальца из Киик-Кобы [5].

Морфология костей скелета — важный источник для изучения ископаемых представителей рода Homo. Существует достаточно большой набор признаков, позволяющих различать анатомически современных людей и носителей так называемой архаической анатомии, то есть человека умелого, питекантропа или неандертальца.

Например, известно, что неандертальская специфика проявляется в сочетании большой, за некоторым исключением, внутренней массивности диа-физов трубчатых костей и крупных сочленовных поверхностей. Несмотря на большую территориальную и хронологическую изменчивость, посткраниальные признаки у представителей питекантропов также распознаются достаточно хорошо, в частности, на рентгене видны особенности: медуллярный стеноз (сужение пространства костно-мозгового канала) и утолщение боковых стенок некоторых трубчатых костей. Природа большинства таких признаков остается невыясненной, в том числе на микроструктурном уровне. Тщательное описание морфологических проявлений с помощью микрофокусной рентгенографии может стать ценным инструментом для выявления среди редких и фрагментарных палеонтологических материалов останков ископаемых людей с несовременными особенностями.

Наше исследование посвящено сравнительному описанию некоторых мелких трубчатых костей кисти в группах ископаемых людей, предположительно относящихся к разным биологическим видам (неандертальцев и кроманьонцев) и у ныне живущих людей.

Материалы и метод исследования

Объектом исследования послужили медиальные (средние) фаланги кисти ископаемых и современных людей. Контрольными образцами служили снимки костей мужчин 20 и 30 лет. Ископаемый представитель современной анатомии — мужчина старше 40 лет, живший около 30 тысяч лет назад на стоянке Сунгирь (совр. г. Владимир). Ископаемые представители архаической анатомии — неандертальцы (два взрослых индивидуума разного пола, их косточки были обнаружены в пещере им. академика Окладникова в Горном Алтае, они жили более 40 тысяч лет назад), а также неандерталец зрелого возраста из пещеры Киик-Коба в Крыму.

Микрофокусная рентгенография выполнена на базе СПбГЭТУ. При исследовании косточки ископаемого Homo sapiens со стоянки Сунгирь использована передвижная рентгенодиагностическая установка ПРДУ-02, совместная разработка кафедры электронных приборов и устройств и предприятия ЗАО «Элтех-Мед». Режим съемки: напряжение на трубке — 25 кВ, ток трубки — 30 мкА, время экспозиции — 10 с.

Кости алтайских неандертальцев снимались на микрофокусный аппарат типа ПРДУ в различных режимах (80 кВ, 120 мкА, 2 с; 28 кВ, 145 мкА, 12 с; 60 кВ, 100 мкА, 3 с), неандертальца из Киик-Кобы — напряжение 75-85 кВ, время экспонирования — 6 с. Приемником изображения служил экран с фотостимулируемым люминофором размером 21x30 см.

Результаты

При рассмотрении контрольных изображений медиальных фаланг третьего луча у молодых мужчин 20 и 30 лет (рис. 1) наблюдается картина, типичная для современных людей, принадлежащих к соответствующей возрастной категории, не отягощенных патологическими проявлениями и связанных в своей повседневной деятельности с тяжелым физическим трудом. На снимках хорошо видны боковые стенки диафиза, четко отграничиваемые от обширного пространства костно-мозгового канала. Трабекулярная система сформирована в метафизар-ных частях, у тридцатилетнего мужчины трабеку-лы несколько более крупные, при этом слегка более разреженные. В принципе, картина у современных людей очень сходна.

Представитель верхнепалеолитического населения — мужчина 40-50 лет со стоянки Сунгирь 1 (рис. 2). Патологических изменений на медиальной фаланге его правой руки не наблюдается. На снимке

а)

Рис. 1

Контрольные изображения медиальных фаланг третьего луча кисти современных мужчин: а — 20 лет; б — 30 лет

биотехносфера

№ 4(28)/2013

а)

а)

в)

О

Рис. 2

Правая медиальная фаланга третьего луча кроманьонца со стоянки Сунгирь 1: а — снимок в передне-задней проекции; б — снимок в боковой проекции; в — вертикальный снимок

Рис. 3

Медиальная фаланга третьего или четвертого луча кисти у неандертальца из пещеры им. Окладникова: а — снимок в передне-задней проекции; б — снимок в боковой проекции; в — вертикальный снимок

можно проследить очертания боковых стенок, но от области медуллярного канала они отграничиваются не столь отчетливо, как на рентгенограммах ныне живущих молодых людей. Практически все внутреннее пространство трубчатой кости занимают трабекулы, достигающие развития, не типичного для большинства наших современников. На снимке в боковой проекции мы видим ориентацию подобных трабекул в верхней части диафиза и достаточно утолщенные переднюю и заднюю стенки. Снимок, сделанный в вертикальной проекции, демонстрирует относительную «транспарентность» канала костного мозга. Многие описанные выше особенности строения связаны не только с более старшим возрастом сунгирского человека, но и с чрезвычайно интенсивной физической нагрузкой, которую не берут на себя современные люди. Например, целый комплекс внешних морфологических особенностей говорит о том, что сунгирец активно занимался изготовлением каменных орудий труда, скорее всего, он был умелым охотником [7]. Оче-

видно, выявленная нами рентгеновская картина строения медиальной фаланги кисти сунгирского человека может быть связана с понятием «рабочей гипертрофии костной ткани», предложенным известным советским анатомом [6].

Изображение медиальной фаланги третьего луча у неандертальца из пещеры им. Окладникова отличается большим своеобразием (рис. 3). Первоначально складывалось впечатление, что массивность этой ископаемой косточки повлияла на качество изображения. Съемка в разных режимах подтвердила, что микрофокусная рентгенография выявила реально существующие структуры. Как можно видеть, на снимке в передне-задней проекции боковые стенки диафиза не имеют прямых, четкий очертаний. Та область, которая должна быть заполнена костным мозгом, насыщена трабекуляр-ными структурами. Это хорошо видно на снимках в боковой и вертикальной проекциях. Обращает на себя внимание чрезвычайно высокая плотность костного вещества, проявляющаяся в виде высвет-

Лучевая диагностика, лучевая терапия

а)

Рис. 4

Медиальная фаланга второго луча у неандертальца из пещеры им. Окладникова: а — снимок в передне-задней проекции; б — снимок в боковой проекции; в — вертикальный снимок

Рис. 5

Левая медиальная фаланга четвертого луча у неандертальца из грота Киик-Коба

ленных участков изображения по типу склеротических изменений, а также большая массивность и разреженность трабекул. Эта картина заметно отличается от наблюдавшейся у представителей анатомически современного человека, в том числе у мужчины эпохи верхнего палеолита.

Указанные особенности могли носить индивидуальный характер, но в еще более акцентированном виде они присутствуют у другого неандертальца из той же пещеры им. Окладникова (рис. 4).

Ранее нами были получены микрофокусные снимки останков неандертальца из географически удаленной популяции с территории Крыма (рис. 5). Рентгеноструктурные детали видны не столь отчетливо, но все же можно констатировать, что морфологические особенности вполне соответствуют тем, что выявлены для других «архаических» людей.

Нам представляется, что дальнейшие исследования в этой области позволят более полно объяснить механизм формирования выявленных различий между современными и архаическими людьми. Очевидно, данная достаточно сложная и трудоемкая задача не может иметь немедленного разрешения. Тем не менее выявленные большие различия соответствуют ранее известным данным о давно произошедшем расхождении предков современной и неандертальской форм (порядка 400 тысяч лет назад), о предположительно другом метаболизме и уровне механического стресса у неандертальцев.

Заключение

Применение микрофокусной рентгенографии позволило впервые описать уникальную картину внутреннего строения мелких трубчатых костей у ископаемых людей, представляющих линию эволюционного развития, параллельную современному

человеку. По результатам нашей работы микрофокусный источник рентгеновского излучения может быть использован для идентификации среди ископаемых останков представителей архаической морфологии — неандертальцев, в том числе в тех случаях, когда сохранность не позволяет произвести определение по внешним критериям.

Авторы приносят глубокую благодарность за возможность исследовать уникальные материалы из пещеры им. Окладникова академику Анатолию Пантелеевичу Деревянко; кандидату исторических наук Татьяне Сергеевне Балуевой — за разрешение исследовать кости скелета Сунгирь 1, кандидату исторических наук Валерию Ивановичу Хартановичу — за возможность исследовать материал из Киик-Кобы.

| Литература |

1. Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. СПб.: ООО «Техно-медиа»; Элмор, 2007. 181 с.

2. Buzhilova A., Mednikova M., Dobrovolskaya M. et al. Microfocus Х-ray used in the analysis of skeletal lesions // Abstracts of 17th Paleopathological Association Meeting "Diseases in the Past". Copenhagen, Denmark, 25-27th August, 2008. Copenhagen, 2008. P. 28.

3. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б. и др. Применение микрофокусной рентгенографии при диагностике заболеваний древнего человека // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 152-162.

4. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б. Микрофокусная рентгенография в современных палеопатологических исследованиях // Вестник Московского университета. Сер. XXIII. Антропология. 2009. № 2. С. 65-74.

биотехносфера

№ 4(28)/2013

5. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б.

и др. Взрослый неандерталец из Киик-Кобы: анализ патологий методом микрофокусной рентгенографии // Актуальные направления антропологии: Сборник, посвящ. 80-летию акад. РАН Т. И. Алексеевой / Отв. ред. А. П. Бужилова, М. В. Добровольская, М. Б. Медникова. М.: Институт археологии РАН, 2008. С. 40-48.

6. Привес М. Г. Некоторые итоги исследования труда и физических упражнений на строение аппарата движения человека // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1959. Т. 36, № 5. С. 7-18.

7. Homo sungirensis. Верхнепалеолитический человек: экологические и эволюционные аспекты исследования / Отв. ред. Т. И. Алексеева, Н. О. Бадер. М.: Научный мир, 2000. 469 p.

УДК 621.317, 681.2.08

Быстров Ю. А., д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель кафедры электронных приборов и устройств,

Кострин Д. К., ассистент,

Перес Васкес Н. О., канд. техн. наук, инженер,

Ухов А. А., канд. техн. наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)».

Производственный контроль медицинских рентгенодиагностических трубок серии БД-150

Ключевые слова: волстрон, медицинская рентгеновская трубка, микроамперметр, ток утечки. Keywords: volstron, medical X-ray tube, microampermeter, leakage current.

Рассмотрены проблемы, возникающие при контроле анодного тока во время тренировки и испытаний медицинских рентгеновских трубок БД-150. Показана возможность передачи аналогового значения измеренного анодного тока на пульт оператора с помощью волстрона. Подтверждена возможность компенсации нелинейности передаточной характеристики волстрона с применением оптической отрицательной обратной связи. Обоснована необходимость разработки микроамперметра с цифровой передачей значения анодного тока.

Введение

Современная медицина практически невозможна без использования рентгеновской аппаратуры. Рентгенодиагностика незаменима на любом этапе лечения внутренних органов человека. Между тем неправильное использование рентгеновской аппаратуры может привести к нежелательным последствиям для биологических тканей, например ввиду

превышения дозы облучения. Однако подобные проблемы могут возникнуть даже в случае исправной аппаратуры и корректных управляющих параметров, если источник излучения (рентгеновская трубка, РТ) имеет даже минимальные отклонения от паспортных параметров. Таким образом, выявление некондиционных РТ на этапе производства позволяет гарантировать безопасную эксплуатацию рентгенодиагностической аппаратуры.

Многие годы для измерения токов и напряжений в испытательных технологических установках при производстве РТ используются стрелочные измерительные приборы, однако, такой способ измерений возможен только при статических испытаниях. Как правило, измерительные приборы находятся внутри испытательной камеры, где они подвергаются воздействию сильного электромагнитного поля и рентгеновского излучения. Установка необходимого значения тока и/или его измерение сопряжены с определенными трудностями, так как оператору приходится наблюдать показания приборов на значительном удалении от них через защитное окно из свинцового стекла (рис. 1).

При испытаниях РТ контролю подлежат как токи утечки в несколько микроампер, так и ра-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.