CC BY
32
ФИЗИКА_____________________________________________________
ОДК 616.62 : 548.23 089.615 В.В. Поляков, Г.Г. Устинов,
А.В. Фефелов, Г.А. Приймак, Е.В. Петрухно Исследование прочностных свойств слюнных камней
Введение
В организме человека формируются различные виды органо-минеральных агрегатов, являющихся причиной патологий, в том числе тяжелых. К таким агрегатам относятся мочевые, желчные, простатные и слюнные камни. Традиционные способы лечения заключались прежде всего в прямом хирургическом вмешательстве. Не всегда удовлетворительные результаты после операций способствовали развитию альтернативных способов лечения, основанных на современных физических методах. Эффективность применения таких методов во многом зависит от механических и прочностных свойств конкрементов, которые, в свою очередь, определяются их составом и структурой [1—6].
К числу наименее исследованных биомине-ральных образований относят слюнные камни, возникающие в слюнных железах и протоках человека. В последние годы внимание к ним резко возросло как в связи с развитием передовых методов диагностики, прежде всего ультразвуковой, которая позволяет выявить слюнные камни у значительного числа пациентов, так и в связи с ростом таких заболеваний под влиянием различных внешних факторов. В то же время до сих пор не установлены особенности структуры слюнных камней, не изучены прочностные свойства и их поведение при внешнем воздействии. Это делает исследование структуры и прочностных свойств актуальной задачей. Одним из эффективных подходов к ее решению является привлечение методов физики твердого тела, позволяющих изучить влияние структуры на разрушение и поведение при механическом воздействии. К таким методам относится измерение микротвердости. Эффективность испытаний на микротвердость для диагностики слюнных камней обусловлена тем, что с их помощью для небольших по размеру и неоднородных объектов удается оценить локальную прочность отдельных структурных составляющих.
Целью настоящей работы является исследование зависимости микротвердости от структуры и морфологичеких параметров образующихся в организме человека слюнных камней.
Расположение конкрементов в области больших слюнных желез было известно еще со времен Гиппократа. П. Лазаревич в 1930 г. впервые ввел термин «слюнно-каменная болезнь», так как считал, что процесс образования камней в слюнных железах является заболеванием [7]. Конкременты чаще образуются в поднижнечелюст-ной железе и реже — в околоушной. Образование слюнного камня в малых слюнных железах встречается редко. Существует ряд предположений!) причинах и механизме образования слюнного камня. Можно полагать, что в механизме его образования значительную роль играют микроор>| ганизмы, под влиянием которых нарушается физико-химическая структура стенки протока,! отторгаются клеточные элементы, образующие! ядро, инкрустирующееся известковыми солями,, выпадающими из слюны. В то же время микроорганизмы не являются единственной причиной! формирования камня и для его образования необходимы дополнительные факторы [8]. Так, у пациентов наблюдается повышенное содержа-, ние кальция в плазме крови, т.е. в патогенезе заболевания важную роль играет нарушение минерального обмена в организме.
В своем составе слюнные камни имеют органические и минеральные вещества. В них присутствуют такие минеральные компоненты, как фосфат, карбонат кальция и фосфат магнезии,а органическая основа камня в виде протеинов со-1 ставляет 25-30%. Форма слюнных камней может! быть различной. Камни, располагающиеся в области железы, как правило, округлые, нередки имеют неровную поверхность, иногда коралло видную. Конкременты главного протока слюнно! железы в большинстве случаев продолговатые Цвет камней желтоватый, иногда с сероватыи оттенком. На распиле или шлифе удается обнаружить слоистое строение. Иногда в центре камня находится инородное тело, вокруг которой происходит отложение солей. На поверхнося конкрементов могут наблюдаться желобки или каналы, по которым происходит отток слюны.Не всегда масса слюнного камня зависит от его величины, так как плотность камней различи Множественные камни обычно мелкие, одиноч ные крупнее [9].
Экспериментальный метод
Предлагавшийся метод включал в себя последовательное исследование морфологических, структурных и прочностных характеристик слюнных камней. Объектом исследования были шлифы, подготовка которых проводилась по специально разработанной методике, включавшей распиливание камня по диаметру, шлифование, полирование и закрепление в эпоксидной смоле. Структура шлифа анализировалась путем выявления таких структурных единиц, как ядро, оболочка, переходные слои с последующим измерением их параметров.
Величина микротвердости НУ измерялась согласно методике, рассмотренной в работах [10, 11]. При испытаниях в образец вдавливали алмазный наконечник, имевший форму четырехгранной пирамиды, а затем с помощью микроскопа измеряли диагонали отпечатка, оставшегося после снятия нагрузки. В связи с малым размером камней особое значение приобретало выполнение методических требований к испытаниям. Эти требования заключались в следующем (см. рис. 1):
1) расстояние Ь от края образца до отпечатка должно быть больше, чем среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей, т.е. Ь >2с;
2) расстояние с! между соседними отпечатками должно быть не менее двух длин диагоналей отпечатка, т.е. с! >2с;
3) толщина образца И должна быть больше толщины отпечатка не менее чем в 10 раз, т.е. Ь> 1 Ос.
~.......
/ Ч “ 1 \
о
Рис. 1. Схема измерения микротвердости камня вдоль секущей 1 - поверхность шлифа, 2 - отпечатки, полученные после снятия нагрузки, 3 - секущая, О - диаметр камня в месте сечения, Ь — толщина образца,
Ь - расстояние от края до отпечатка, с1 — расстояние между отпечатками
Величина нагрузки при испытаниях была выбрана 100 г с учетом того, чтобы при размере камней от 2 до 50 мм имелась возможность делать от 10 до 100 измерений на одном шлифе.
Специфической особенностью измерений являлся большой разброс получаемых значений микротвердости НУ, обусловленный неоднородностью камней. Суммарная погрешность определялась двумя вкладами - погрешностью метода измерений (приборной погрешностью) и погрешностью, обусловленной неоднородностью камней (случайной погрешностью). Величина приборной погрешности определялась в конечном счете точностью измерений размеров отпечатка и не превышала нескольких процентов. Вклад случайной погрешности в суммарную при определении значений микротвердости, средних по секущей, по камню или группе камней являлся преобладающим и почти на порядок превышал погрешность метода. Для его уменьшения использовалась статистическая обработка по большому числу измерений.
Полученные результаты представлялись в виде зависимостей значений микротвердости НУ от относительного расстояния (1/0, где с! - расстояние от поверхности камня до точки измерения вдоль проходящей через центральную часть камня секущей, Б - диаметр камня в месте сечения. Такое представление позволяло выявлять общие закономерности в изменении микротвердости камней одного происхождения, но разного размера.
Изучавшиеся слюнные камни имели резко асимметричную форму, связанную с особенностями их формирования в слюнных железах. Анализ шлифов, приведенный для трех типичных случаев на рисунках 2-4, свидетельствует об относительно однородном строении большей части поверхности шлифа с отчетливо выраженным ядром, соответствовавшим расположению зародыша камня. На рисунках 2-4 приведены результаты измерений для различных секущих (поперечных сечений и продольных).
Как видно из рисунка 2, для большей части шлифа микротвердость изменяется в достаточно узком интервале от 100 до 200Н/мм2, в то же время область ядра (обозначенная как I) выделяется существенно большим значением НУ, достигающим НУ=1300~1400Н/ммг. Соответствующие точки создают пик на зависимости НУ -с1/ О для кривых АА и ВВ (продольные секущие), а также СС и Б Б (поперечные секущие, проходящие через ядро). Для участков секущих ЕЕ и ЕЕ,
Результаты измерений
<1, мм
^------------------------------------1__________________________________I_________________
О 10 20 30
а
Рис. 3. Микротвердость слюнного камня. Микрофотография шлифа (а); зависимости микротвердости от относительного расстояния вдоль секущих АА (б); ВВ (в), ОБ (г); СС (д)
Полученные результаты для прочностных свойств слюнных камней должны учитываться при разработке способов лечения слюнно-каменной болезни. Так, высокая однородность в распределении микротвердости должна вызывать существенные трудности в применении методов ультразвукового дробления. Эта однородность затрудняет разрушение камня на отдельные фрагменты, происходящее по участкам с низкой твердостью, располагающимся на границах более плотных областей.
Заключеиие
Разработанная методика исследования прочностных свойств, основанная на измерении микротвердости, оказалась достаточно эффективной и позволила описать механические свойства слюнных камней различного вида. Впервые проведенные измерения микротвердости свидетельствует о высокой однородности прочностных свойств и больших значениях твердости. Полученные результаты могут быть использованы для анализа эволюции биоминеральных агрегатов в процессе их роста, а также для разработки новых методов их лечения.
Литература
1. Устинов Г.Г. Механические свойства желчных камней / Г.Г. Устинов, В.В. Поляков, А.В. Шарак, Н.А. Титаренко // Актуальные вопросы клинической медицины : мат. конф., посвящ. 50-летию гос. муни-цип. учреждения здравоохранения «Городская больница №5». Барнаул, 2001.
2. Степанов В.Н. Влияние физико-химических свойств и структуры мочевых камней на результаты дистанционной ударно-волновой литотрипсии / В.Н. Степанов, В.М. Перельман, В.Г. Истратов, З.А. Кадыров // Урология и нефрология. 1994. №1.
3. Трапезникова М.Ф. ДУВЛ при некоторых формах мочекаменной болезни / М.Ф. Трапезникова, В.Н. Степанов // Урология и нефрология. 1995. №1.
4. Поляков В.В. Исследование прочностных свойств желчных камней / В.В. Поляков, Г.Г. Устинов, Н.А. Титаренко // Медицинская физика. 2001. №11.
5. Поляков В.В. Исследование прочностных свойств уролитов / В.В. Поляков, А.И. Неймарк, Н.А. Титаренко // Медицинская физика. 2001. №10.
6. Газаматов А.В. Особенности диагностики и лечения камней предстательной железы / А.В. Газаматов, А.И. Неймарк, В.В. Поляков, Н.А. Титаренко // Урология. 2004. №4.
7. Клементов А.В. Болезни слюнных желез. Л., 1975.
8. Солнцев А.М. Заболевание слюнных желез / А.М. Солнцев, B.C. Колесов, Н.А. Колесова. Киев, 1991.
9. Ромачева И.Ф. Заболевания и повреждения слюнных желез / И.Ф, Ромачева, Н.А. Юдин, В.В. Афанасьев. М., 1987.
10. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М., 1983.
11. Поляков В.В. Исследование прочностных свойств желчных камней / В.В. Поляков, Г.Г. Устинов, Н.Г. Титаренко // Вестник АНЦ САН ВШ. 2000. №3.
