Диссертация (1144795), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Возникающие градиенты порождают как медленный диффузионный перенос вещества и энергии, так и более активные гидродинамические потоки (Popov Y.O., 2003), Тарасевич Ю.Ю., 2003). Многообразие процессов, протекающих в высыхающих каплях истинных и коллоидных растворов (Ozawa K., 2005) взвесей и суспензий, затрудняет их количественное экспериментальное изучение и разработку математических моделей течений и процессов отложения растворенных веществ.В связи с этим, для изучения физико-химических процессов, происходящих в БЖ, мы использовали искусственные жидкости, включающие всебя отдельные компоненты, входящие в состав биологических жидкостей.Для изучения течений в высыхающих каплях мы также применяли взвесинаночастиц,перемещениекоторыхвпроцесседегидратациикаплипозволяют более чётко фиксировать формирующиеся потоки.Морфологический анализ биологических жидкостей (сыворотка крови,лимфа, желчь, желудочный сок, моча, панкреатический сок, ликвор, слеза,синовиальная жидкость и др.) показал, что в норме в капле биологической8жидкости, которая при испарении преобразуется в твердую фазу фиксируются определенные структуры с соответствующими качественными и количественными параметрами.

При патологических состояниях наблюдаются значительные нарушения данного порядка, выражающиеся в потере биожидкостью способности формировать физиологические структуры. В результатеструктуры приобретают новые признаки, которые рассматриваются как патологические. Значимые для диагностики структуры устанавливаются путёмсравнительного анализа фаций биологических жидкостей здоровых людей ипациентов с различными видами патологии. Статистически достоверные различия выявленных особенностей в структурах фаций позволяет относить этиособенности к маркерам той или иной патологии.К настоящему времени при оценке изображений фаций биологическихжидкостей применялся, главным образом, визуальный анализ - микроскопияпри различных увеличениях, освещении белым или поляризованным светом,а также с использованием темного поля.

Существующие методы обработкирастровых изображений, которые описаны в классических работах (ГонзалесР., 2006; Прэтт У., 1982; Родионова Н.В., 2014; Морозова Т.В., 2012; ХоангФ.Н., 2012) содержат лишь общие алгоритмы, результат работы которых независит от специфики обрабатываемых изображений. В связи с чем решениезадач объективной диагностики требует создания методов количественнойоценки растровых фрагментов текстур фаций с учетом их особенностей, атакже - методов обработки данных, способствующих автоматизированнойподдержке исследований, основанных на дегидратации биологическихжидкостей.Функциональная морфология биологических жидкостей раскрываетширокие перспективы для формирования новой концепции оценки состоянияорганизма человека и возможностей его коррекции. Вместе с тем, исследования физико-химических механизмов, происходящих в биологических жидкостях в процессе их перевода в твёрдую фазу при клиновидной дегидратации,остаются малоизученными, что затрудняет не только общее понимание мето-9дических приёмов, используемых в диагностических целях, но и саму трактовку формирующихся маркёров в отношении их связи с патологическимипроцессами.Цельизадачи.Цельнастоящегоисследования–датьэкспериментальное и теоретическое обоснование основных механизмовструктуризации биологических жидкостей при переходе в твёрдую фазу впроцессе клиновидной дегидратации, установить характер структурныхизменений твёрдой фазы биологических жидкостей при патологии, создатьалгоритмы автоматизированного анализа, для выявления в структурномпортрете твердой фазы биологических жидкостей морфологических маркеров патологических состояний и степени тяжести их течения.Для достижения цели были поставлены следующие задачи:1)изучить динамику структуризации биологических жидкостей приклиновидной дегидратации, дать анализ комплекса процессов, которые витоге дегидратации формируют фацию;2)создать математическую модель транспортного распределениярастворенных органических и минеральных компонент и формирования концентрационных зон при клиновидной дегидратации биологических жидкостей для описания процессов структурной (системной и локальной) организации фации от начальных этапов испарения до полной потери свободнойводы;3)с помощью модельных растворов с различными сочетаниямибелковых и солевых компонент, провести исследования процессов формирования структуры фации и периодичности образования ее элементов, а такжезависимости характера структуризации фации от параметров исходной геометрии капли и её изменений в процессе клиновидной дегидратации биологических жидкостей;4)определить, как формируются морфологические структуры в фа-циях модельных жидкостей, раскрыть детали их образования при клиновид-10ной дегидратации для понимания механизмов формирования структур твердой фазы в процессе испарения естественных биологических жидкостей;5)разработать способ количественной оценки структур фаций био-логических жидкостей, с помощью статистического анализа изображения иустановить оптимальные наборы признаков, характерных для здоровых людей и больных с патологией разной степени тяжести;6)керныхсоздать комплекс алгоритмов автоматизированного анализа марструктурклассификатордляфацийбиологическиханалоговойжидкостейидентификацииисоставитьмаркеровихразличныхпатологических состояний организма человека.Научная новизна.

Решена важная научная проблема – даноэкспериментально-теоретическоеорганизациибиологическихобоснованиежидкостейпримеханизмовсистемнойфизиологическихипатологических состояниях организма человека. Впервые показана общностьосновных процессов фазового перехода биологических жидкостей и модельных белково-солевых растворов, установлено, что эти процессы могут бытьописаны в рамках гидродинамики вязкой жидкости.Представлен математический аппарат для описания формирования фации биологических жидкостей, с учетом диффузии, конвекции и адгезии, которые заметно влияют на процесс пространственного перераспределениякомпонент биологических жидкостей при дегидратации, и, следовательно,позволяют точнее описать механизмы формирования системообразующихструктур фации.Дано модельное описание движения границы между жидкой и твёрдойфазами от периферии к центру капли в процессе клиновидной дегидратации.Это позволило описать процесс формирования кольцевых зон и определитьпричины относительного уменьшения концентрации белка в жидкой части,испаряющейся капли, а также установить различие между этими процессамив биологических жидкостях здоровых и больных людей.11Определен характер процессов дегидратации разных видов биологических жидкостей (с фиксированным и с переменным краевым углом), что может быть использовано для дифференциального анализа структуры биологических жидкостей здоровых людей и имеющих патологические отклонения.На базе известных и разработанных нами новых алгоритмов созданасистема автоматизированного анализа текстур растровых изображений и методы обработки данных, обеспечивающих количественную оценку результатов исследования структуры твердой фазы биологической жидкости.

Даннаясистема позволяет определять параметры текстуры растрового изображениядля решения задач их классификации и сравнительного анализа. При этом:показана высокая сложность механизмов клиновидной дегидратации; установлено значение основных компонент биологических жидкостей, влияющихна специфику структуры фации; выявлены управляемые и неуправляемыеусловия построения фации; показаны возможности использования заданныхусловий дегидратации биологических жидкостей, в зависимости от необходимости поиска маркёров определённых патологических состояний.По результатам исследования получены 4 патента на изобретения.Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные результаты экспериментально-теоретических исследований показывают высокую сложность динамики структурно-функциональных взаимодействий продуктов метаболизма в биологических жидкостях, специфические особенности которых отражают состояние организма. Эти результаты являются дополнительным доказательством правомочности применения метода клиновидной дегидратации в клинической диагностике.Показано, что метод клиновидной дегидратации может быть применёндля анализа динамики текстурных преобразований на промежуточных этапахвысыхания капли биологических жидкостей, что позволяет получать данные,дополняющие диагностическую информацию структур твердой фазы биологических жидкостей.12Разработанный метод автоматизированного анализа фации даёт возможность: снизить субъективную составляющую при определении маркерных структур; значительно сократить время исследования морфологическихпоказателей биологических жидкостей в процессе диагностики различныхпатологических состояний организма человека; оперативно накапливать статистические данные исследования изображений для ретроспективной оценкии прогноза дальнейшего течения патологических процессов.Предложенный набор алгоритмов явился основой для разработкипрограммно-аналитического комплекса для исследования структуры фацийбиологических жидкостей.

Данный комплекс может быть применён при массовыхпрофилактическихобследованияхнаселения,онпозволяетстандартизовать исследования фаций биологических жидкостей и получатьунифицированные результаты независимо от квалификации исследователя.Это даёт значительный экономический эффект, повышает результативностьпрофилактических мероприятий и способствует созданию единой системымониторинга показателей здоровья населения.Разработанный метод текстурной сегментации растровых изображенийможет быть применен для решения соответствующих задач не только в биологии и медицине, но и в иных предметных областях (геология, картография,материаловедение и др.).Методология и методы исследования.

Методологической основойданной диссертационной работы явился комплексный подход в изученииестественного и смоделированного процесса перехода биологических жидкостей в твердую фазу. Решение поставленных задач потребовалоиспользование имеющихся и разработки новых подходов и методов вследующих направлениях: методы перевода жидкостей в твёрдую фазу (метод клиновидной дегидратации), морфологический анализ (микроскопия вбелом и поляризованном свете, фазово-контрастная микроскопия), медикобиологическая морфометрия, методы обработки цифровых изображений иодномерных сигналов, методы анализа и распознавание изображений. Обра-13ботка цифровых изображений и статистический анализ полученныхрезультатов проводились с использованием программы Mathematica версия11.1 (Wolfram Research).Основные положения диссертации, выносимые на защиту:1)исследование процессов структурообразования при клиновиднойдегидратации модельных растворов (аналогов естественных биологическихжидкостей с различными сочетаниями белковых и солевых компонент) позволили более точно описать динамику различных течений в капле, формирующих структуру фации и показать, что кольцевые концентрационные зоныфации образуются стадийно по мере степени дегидратации;2) использование модельных растворов с различными сочетаниямибелковых и солевых компонент даёт возможность более детально исследовать процессы формирования структуры фации и периодичность образованияее структурных элементов, а также зависимость характера структуризациифации от параметров исходной геометрии капли и её изменений в процессеклиновидной дегидратации биологических жидкостей;3) создана математическая модель описывающая формирование структуры фаций биологических жидкостей при клиновидной дегидратации отначальных этапов испарения до полной потери свободной воды, что даетвозможность проанализировать общую картину движения фазового фронта,транспортное распределение белково-солевых компонент, формированиекольцевых концентрационных зон капли в условиях различного соотношенияконцентраций белок/соль;4) количественные оценки фаций биологических жидкостей, полученные с помощью статистического анализа изображения текстур, позволяютустановить оптимальные наборы признаков, характерных для здоровыхлюдей и больных с патологией разной степени тяжести;5) гармоничный порядок трещин, характерный для фаций сывороткикрови здоровых людей, при патологических состояниях приобретает хаотич-14ноерасположение,приэтомстепеньнарушениягармоничностирасположения трещин соответствует тяжести патологии;6) создана система автоматизированного анализа маркерных структурфаций биологических жидкостей и их классификация, что даёт возможностьприменения компьютерной идентификации маркеров различных патологических состояний организма человека.Степень достоверности.

Характеристики

Список файлов диссертации