способ моделирования повреждающего действия ионизирующего излучения на твердые ткани зуба человека

Формула изобретения

Способ моделирования повреждающего действия ионизирующего излучения на твердые ткани зуба человека, отличающийся тем, что снижение механических свойств дентина зубов, облученных в терапевтических дозах в условиях in vitro, определяют на фантоме челюстно-лицевой области, представляющем собой тканеэквивалентный гетерогенный антропоморфный фантом ротовой полости человека с ячейками для размещения удаленных зубов человека, где в качестве заменителей ткани для создания фантома используют следующие материалы: свиные кости и смесь имитации мягкой ткани, состоящую из 100 вес. ч. парафина, 29,06 вес. ч. окиси магния (MgO) и 0,94 вес. ч. углекислого кальция, контроль доз осуществляют с использованием фотографической пленки и термолюминесцентной дозиметрии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к стоматологии, онкологии и радиологии, и может быть использовано для улучшения качества стоматологической помощи пациентам со злокачественными новообразованиями области головы и шеи после проведения лучевой терапии.

Сложное топографо-анатомическое строение челюстно-лицевой области, интимная близость структур с различной радиочувствительностью, небольшая разница между терапевтической и повреждающей дозами, трудность определения размера дозы предполагают весьма высокий риск лучевых реакций и повреждений [3, 9, 10]. Распространенность лучевого кариеса приближается к 100%, однако, не установлено, что является причиной его возникновения: прямое воздействие радиации или длительное опосредованное воздействие неблагоприятных факторов, возникающих в полости рта после облучения [2]. Зуб, представляющий собой сформированный минерализованный орган, считается радиорезистентным. В связи с этим в таблице толерантных доз отсутствуют данные о сформированном зубе [3, 7]. Определение дозовой нагрузки на ткани организма в медицинской практике для конкретного пациента представляет определенную сложность [8, 9]. Определение размера дозы, которую получает зуб, и ее влияние на механические свойства и структуру тканей зуба позволит адаптировать существующие методы стоматологического лечения для данного контингента пациентов [2].

Известен способ определения распределение глубинной дозы в теле больного на основе топографического среза с помощью вычислительных методов, в частности компьютерной программы ROCS [6, 8, 9]. Результат представлен в виде карты изодоз, которые описывают распределение мощности дозы в пучке излучения, характерном для данной конструкции радиационной головки. Недостатки способа: реализуется только на основе достаточно мощной компьютерной техники и не всегда адекватны реальной ситуации.

Известен способ экспериментального определения реального распределения энергии излучения внутри пациента в виде однородного водного дозиметрического фантома с последующим исследованием механических свойств облученных зубов. Водный фантом представляет собой сосуд различной конструкции прямоугольной или цилиндрической формы из плексигласа, гетинакса или других тканеэквивалентных материалов, заполненный водой или другой жидкостью. В сосуд помещаются удаленные зубы и подвергаются облучению в терапевтических дозах. Далее дентин облученных зубов подвергается механическим испытаниям [11, 14].

Известен способ экспериментального определения реального распределения энергии излучения внутри пациента в виде однородного пластинчатого фантома, состоящего из пластин парафина или плексигласа размером 30×30×5. Зубы помещали внутрь пластикового контейнера, заполненного водой на 0,5 см выше зубов, для обеспечения гомогенности полученной дозы [13, 15].

Недостатки известных способов: пластинчатые и водные фантомы не моделируют геометрической формы облучаемого тела, применяются только для определения дозных полей без учета рассеянного излучения. Однородные фантомы не позволяют получить достаточно точных данных о распределении дозных полей в конкретном объекте, а вводить поправки на неоднородность человеческого тела сложно.

Технический результат заявляемого способа заключается в повышении точности корреляции дозы, полученной зубом при терапевтическом облучении опухолей челюстно-лицевой области, и изменением механических свойств дентина зуба. Точность определения прямого повреждающего действия ионизирующей радиации на дентин по сравнению с известными на сегодняшний день способами-аналогами увеличивается с использованием фантома челюстно-лицевой области оригинальной конструкции. Способ определения прямого повреждающего действия ионизирующего излучения на твердые ткани зуба у пациентов после лучевой терапией опухолей челюстно-лицевой области дает количественную оценку степени повреждения дентина зуба ионизирующим излучением в терапевтических дозах и условия его выполнения соответствуют условиям клинического облучения зубов в терапевтических дозах у онкологических пациентов. Предложенный способ позволяет моделировать различные клинические ситуации локализации опухоли в челюстно-лицевой области и количественно подтверждать степень влияния ионизирующего облучения на прочность определенного интересующего зуба. На основании полученных результатов целесообразно при проведении стоматологического лечения пропорционально снижать механическую нагрузку на дентин зуба с целью снижения риска перелома корня на фоне ослабления структуры дентина.

Предлагается способ моделирования повреждающего действия ионизирующего излучения на твердые ткани зуба человека, отличающийся тем, что снижение механических свойств дентина зубов, облученных в терапевтических дозах в условиях in vitro, определяют на фантоме челюстно-лицевой области, представляющем собой тканеэквивалентный гетерогенный антропоморфный фантом ротовой полости человека с ячейками для размещения удаленных зубов человека, где в качестве заменителей ткани для создания фантома используют следующие материалы: свиные кости и смесь имитации мягкой ткани, состоящую из 100 весовых частей парафина, 29,06 частей окиси магния (MgO) и 0,94 частей углекислого кальция, контроль доз осуществляют с использованием фотографической пленки и термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД).

На Фиг.1 представлен рентгено-топографический срез фантома челюстно-лицевой области, где: 1 - отверстия для зубов; 2 - парафин, имитирующий мягкие ткани; 3 - кость.

На Фиг.2 приведено распределение поглощенной дозы в фантоме. Пунктирными линиями указаны изодозные кривые. Дозы указаны в процентах.

На Фиг.3 приведена схема распила зуба для приготовления образцов для испытания на сжатие.

На Фиг.4 приведены деформационные кривые коронкового дентина: кривая 1 - интактный дентин; кривая 2 - облученный дентин, 70 Гр in vivo; кривая 3 - облученный дентин, 70 Гр in vitro; кривая 4 - облученный дентин, 90 Гр in vitro; кривая 5 - облученный дентин, 110 Гр in vitro.

На Фиг.5 приведена зависимость предела прочности коронкового дентина от поглощенной дозы.

Способ реализуется следующим образом.

1 этап. Для имитации постлучевого повреждения in vitro был разработан тканеэквивалентный гетерогенный антропоморфный фантом ротовой полости человека с ячейками для размещения удаленных зубов человека. В качестве заменителей ткани для создания фантома были использованы следующие материалы: свиные кости и смесь имитации мягкой ткани, состоящую из 100 весовых частей парафина, 29,06 частей окиси магния (MgO) и 0,94 частей углекислого кальция. Заменители ткани человека выбирались исходя из того, что для данного вида излучения и определенной энергии эти материалы должны поглощать и рассеивать излучение так же и в такой же степени, как и облучаемые ткани. Свиные кости в данном фантоме имитировали кости нижней челюсти человека, парафинсодержащая смесь - мышечные ткани и кожные покровы. В свиных костях были сделаны отверстия для зубов, таким образом, чтобы вставленные в эти отверстия зубы имитировали анатомическое расположение зубов в человеческой челюсти.

2 этап. Проведено КТ - сканирование фантома и дозиметрический расчет с помощью компьютерной программы ROCS с моделированием клинической ситуации рак языка (Фиг.1). Программа ROCS позволяет определить необходимое для облучения расстояние от источника излучения до пациента, а также позволяет устанавливать проекции пучков таким образом, чтобы создать рациональное распределение поглощенной энергии в облучаемом теле с преимущественной концентрацией ее в патологическом очаге.

3 этап. Свежеудаленные по медицинским показаниям зубы помещаются в ячейки на фантоме, далее однократно облучаются в дозах 70, 90 и 110 Гр на аппарате для дистанционной гамма-терапии АГАТ-Р-1 с расстоянием 75 см до источника питания. В клинических условиях курсовая доза при лечении опухолей челюстно-лицевой области составляет 70 Гр, разовая доза 2 Гр.

4 этап. Произведено определение распределения поглощенной дозы в фантоме с помощью термолюминесцентных детекторов и фотографических пленок, также подтверждена однородность пучка излучения аппарата АГАТ-Р. Для проведения измерений поглощенной дозы с помощью ТЛД использовалась дозиметрическая термолюминесцентная установка ДВГ-02ТМ. Исследование распределения поглощенной дозы в фантоме проводилось для того, чтобы подтвердить правильность расчета программой ROCS поглощенной дозы, а также для того, чтобы увидеть какова истинная поглощенная зубами доза, при таких условиях облучения (Фиг.2). Результаты представлены в таблице 1. При данных условиях доза облучения боковой группы зубов составляет около 100% от дозы, которая приходится на патологический очаг.

Таблица 1
Распределение поглощенной дозы в фантоме
Группа детекторов	Доза, рассчитанная программой, Гр	Доза, найденная по изодозным кривым, Гр	Доза, измеренная ТЛД, Гр
1	0,520	0,525	0,499
2	0,535	0,513	0,532
3	0,535	0,525	0,540
4	0,515	0,500	0,489

5 этап. Для исследования эффектов, происходящих в дентине при лучевой терапии челюстно-лицевой области, проводились испытания с помощью машины Shimadzu AG-50kN-XD путем вычисления предела прочности на сжатие при скорости сжатия 0,1 мм в секунду. Для приготовления образцов для механических испытаний зубы распиливали тонкими алмазными фрезами с водяным охлаждением на шесть равных частей, перпендикулярно длинной оси зуба, удаляли эмаль (Фиг.3). Полученные срезы зубов стандартизируются вручную по форме, размеру, а также по ориентации дентинных канальцев, поскольку механические свойства зависят от их направления. Подготовленные образцы представляют собой дентинные параллелепипеды размером 2×2×2 мм. Результаты измерений обрабатывали при помощи пакета "Trapezium-X".

6 этап. Сравнение полученных результатов механических свойств облученного дентина с интактным. Типичные деформационные кривые, полученные при сжатии коронкового дентина, для всех групп образцов, приведены на Фиг.4. Испытания останавливали, когда на кривых возникал излом, что соответствовало зарождению трещины - начала разрушения образца. На всех кривых можно выделить три участка. Первый участок начинается из начала координат и заканчивается ~ =2%. Нелинейный характер этого участка объясняется не совершенством образцов. На начальном этапе испытаний происходит неполное касание поверхности образца пуансоном, что приводит к большой разнице между условными и истинными напряжениями. Второй участок хорошо апроксимируется прямой и заканчивается при деформации =11-17%. По углу наклона этого участка рассчитывался модуль Юнга (Е), а предельное напряжение на данном участке определялся как предел пропорциональности ( _пц). Третий участок был нелинейным и заканчивался при деформации =22-28%. Максимальное напряжение на этом участке соответствовало перегибу на графике и определялось, как предел прочности ( _в). Измерения линейных размеров образцов до и после испытания позволяют заключить, что на первом и втором участке кривой образцы деформируются в режиме упругости ( _упр), а на третьем участке в режиме пластичности ( _пласт). Результаты механических испытаний приведены в таблице 1. При дозах облучения, являющимися курсовыми при лучевой терапии (70 Гр), не обнаружено снижение прочностных свойствах дентина облученного in vitro по сравнению с дентином контрольной группы. При увеличении дозы облучения наблюдается уменьшение предела прочности дентина и его способности к упругой деформации (Фиг.5). Механические свойства дентина определяются в основном органическим компонентом, который в большей степени повреждается ионизирующим излучением (Inoue et al., 2003; Miguez et al., 2004), поэтому в связи с увеличением дозы прочность дентина снижается. Денатурация органического матрикса вследствие радиолизиса уменьшает внутреннюю стабильность дентина, поскольку он состоит из коллагеновых волокон.

Таблица 2
Механические характеристики дентина
тип	Е, ГПа	пц, МПа	в, МПа	упр, %	пласт, %	, %
интактные	3.67±0.38	398±16	538±19	15.3±1.3	8.6±1.5	23.5±0.9
70 Гр, in vitro	3.09±1.26	416±40	551±36	15.8±3.5	6.4±2.4	22.2±4.4
90 Гр, in vitro	3.46±1.07	340±46	481±51	12.5±3.3	9.8±2.4	22.3±3.8
110 Гр, in vitro	3.00±0.75	306±33	445±49	11.3±3.3	18.3±3.5	28.0±4.2

Способ определения прямого повреждающего действия ионизирующего излучения на твердые ткани зуба у пациентов после лучевой терапией опухолей челюстно-лицевой области дает количественную оценку степени повреждения дентина зуба ионизирующим излучением в терапевтических дозах и условия его выполнения соответствуют условиям клинического облучения зубов в терапевтических дозах у онкологических пациентов. Предложенный способ позволяет моделировать различные клинические ситуации локализации опухоли в челюстно-лицевой области и количественно подтверждать степень влияния ионизирующего облучения на прочность определенного интересующего зуба. На основании полученных результатов целесообразно при проведении стоматологического лечения пропорционально снижать механическую нагрузку на дентин зуба с целью снижения риска перелома корня на фоне ослабления структуры дентина.

Список литературы

1. Барер Г.М. Морфологические изменения в пульпе, дентине и цементе облученных «интактных» зубов. / Барер Г.М., Комнова З.Д. // Стоматология. - 1984. - № 3.

2. Боровский Е.В. Влияние дозы и локализации облучения на состояние твердых тканей зуба. / Боровский Е.В., Сегень И.Т. // Стоматология. - 1973. - № 2.

3. Воробьёв Ю.И. Лучевая терапия злокачественных опухолей челюстно-лицевой области и стоматологические проблемы. // Российский стоматологический журнал. - 2006. - № 5.

4. Заменители тканей в радиационной дозиметрии и измерение. Доклад МКРЕ: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 272 с.: ил.

5. Иванов В. И. Курс дозиметрии: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 400 с., ил.

6. Косых Н.Э. Виртуальные информационные модели в задачах радиологии / Н.Э.Косых, С.З.Савин, В.Д.Линденбратен // Радиология - практика - 2004 - № 2. - С.36-38.

7. Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 296., ил.

8. Пустоваров В.А. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Дозиметрия ионизирующих излучений». Екатеринбург, 2008.

9. Ставицкий Р.В. Аспекты клинической дозиметрии / Под ред. Ставицкого Р.В. // М.: МНПИ. 2000. 388 с.

10. Al-Nawas В Using ultrasound transmission velocity analyses the mechanical properties of the teeth after in vitro, in situ and in vivo irradiation. / Al-Nawas B., Grotz K., Rose E., Duschner H., Kann P., Wagner W. // Clin Oral Investig. 2000. - № 4. - P. 234-235.

11. Bodrumlu E. Can Radiotherapy Affect the Apical Sealing Ability of Resin-Based Root Canal Sealers? / E.Bodrumlu, A.Avsar, A.D.Meydan and N.Tuloglu. // J Am Dent Assoc, Vol. 140, № 3, 326-330.

12. Brauer D.S. Effect of sterilization by gamma radiation on nano-mechanical properties of teeth. / Brauer D.S., Saeki K., Hilton S.F., Marshall G.М., Marshall S.J. // Dent Mater. - 2008. - № 8.

13. Gernhardt C.R. Tensile bond strengths of four different dentin adhesives on irradiated and non-irradiated human dentin in vitro. / Gernhardt C.R., Kielbassa A.M., Hahn P., Schaller H.G. // Journal of Oral Rehabilitation, 2001, 28; 814±820.

14. Kielbassa A.M. Effect of demineralization and remineralization on microhardness of irradiated dentin. / Kielbassa A.M., Munz I., Bruggmoser G., Schulte-Mönting J. // J Clin Dent. 2002; 13(3): 104-10.

15. Scares C.J. Effect of Gamma Irradiation on Ultimate Tensile Strength of Enamel and Dentin / C.J.Soаres, C.G.Castrol, N.A.Neival, P.V.Soares, P.C.F.Santos-Filho, L.Z.Naves, P.N.R.Pereira // J Dent Res 89(2): 159-164, 2010.