Методика получения образцов эмали интактных зубов для экспериментального изучения возможностей эпр-дозиметрии в q-диапазоне

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены данные об использовании электронно-парамагнитного резонанса в Q-диапазоне для получения информативного сигнала от зубной эмали в качестве ЭПР-дозиметрии по зубной эмали. Для этой цели может быть использованы кристалл или пластина зубной эмали с сечением менее 1,5 x 2 мм.

Задача взятия проб зубной эмали с сечением менее 1,5 x 2 мм. без удаления зубов была успешно решена при лечении и протезировании пациентов. Затем необходимо было решить методические проблемы в отношении оптимальных условий регистрации и анализа спектров в Q-диапазоне. Кроме этого в работе была использована пластинка 1,4 мг зубной эмали из зубов ископаемого носорога с большим радиационным сигналом, который объяснялся природным фоновым облучением около 0,9 Гр за 1000 лет для контроля [1].

Известно, что твердые зубные ткани используются для определения радиационного облучения людей и животных методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Методика обработки и приготовления зубной эмали (ЗЭ) предполагает ряд трудоемких специальных операций по очистке эмали. Сначала зубная эмаль очищается от дентина механическим способом, затем подвергается химикофизической обработке для полного удаления остатков дентина и других тканей зуба, а также посторонних включений.

Известно, что зрелая эмаль зуба – это 98% кристаллических минералов, располагающихся по ходу призм и по твердости приближающаяся к алмазу, в своем составе содержит всего 2 % органического вещества. Толщина эмали у режущего края и на жевательной поверхности достигает 2 мм. Дентин зуба состоит на 70 % из минералов, 20 % органической матрицы и 10 % воды и значительно уступает по твердости эмали. Он составляет основную массу зуба и достигает в толщине 3 мм.

В процессе обсуждения путей улучшения качества и уменьшения количества опытного материала, по просьбе проф. Пивоварова С.П. (ИЯФ) нами была разработана методика прецизионного выпиливания зубной эмали. С появлением различных тонких алмазных боров и турбинных наконечников появилась возможность выпиливать кусочки эмали толщиной до 1 мм при препарировании зубов по клиническим показаниям под металлокерамические коронки без нанесения Q-диапазоне, зубная эмаль, ЭПР –дозиметрия.

травмы естественным зубам. Для предупреждения вопросов о глубине препарирования зубов, нужно указать, что для изготовления керамических и металлокерамических коронок в процессе обтачивания зубов врач вынужден убирать в некоторых участках до 2 мм твердых тканей зуба, включая эмаль и дентин.

Методика. После клинического и диагностического обследования пациента, получают диагностические модели верхней и нижней челюсти, на которых планируется изготовление той или иной конструкции протеза. Сопоставляя данные рентгенологического исследования по гистотопографии твердых тканей - эмали и дентина зуба и диагностической модели, намечается участок забора эмали. После этого проводится анестезия. Тонким шиловидным бором диаметром 0,12 мм делаются 2 вертикальных паза на расстоянии 2 мм глубиной 1 мм с вестибулярной поверхности по направлению к шейке зуба до уровня экватора. Затем этот же бор вертикально погружаем в эмаль зуба и отсекаем нужный участок. Необходимо отметить, что для выпиливания эмали использовались в основном жевательные зубы, которые менее подвержены воздействию УФ - облучения от солнечной радиации, в отличие от передних зубов.

Результаты исследования. ЭПР-дозиметрия по зубной эмали в X-диапазоне широко используется благодаря высокой чувствительности к радиации природного датчика дозы – эмали зубов людей и животных, что является простой и ясной физической основой метода, как и линейность роста ЭПР сигнала с дозой. Стабильность информации о поглощенной дозе обеспечивает возможность повторных контрольных измерений, что является преимуществом ЭПр [1, 2], по сравнению с другими методами физической дозиметрии.

Однако потребность в большом количестве зубной эмали (до 100 мг и более) для получения удовлетворительного отношения сигнал/шум можно отнести к ограничениям метода в Х-диапазоне. Для этого желательно извлечение мало поврежденных зубов. В регионах Казахстана, пострадавших от ядерных испытаний, из-за недостаточного уровня медицинского обслуживания состояние зубов значительной части населения снижает выход зубной эмали, пригодной для анализа, что обеспечивает интерес к дозиметрии в Q-диапазоне.

Для работы в Q-диапазоне необходимый объем образца для анализа снижается примерно в 7-10 раз. Такое количество зубной эмали можно получить во время лечения даже без удаления зубов пациента, что оправдано с медицинской точки зрения. Это безусловное преимущество Q-диапазона реализуется путем улучшения техники получения малых проб. Еще один положительный фактор - лучшее выделение информативного сигнала ЭПр и отсутствие нативного сигнала органической фракции, который является одним из сопутствующих и налагающихся с ним в суперпозиции в Х - диапазоне. Все это делает использование Q-диапазона привлекательным для ЭПР-дозиметрии по зубной эмали; однако существуют и технические проблемы.

Как известно, сигнал ЭПр от зубной эмали характеризуется анизотропией g-фактора, что приводит к угловой зависимости при амплитудных измерениях интенсивности сигнала. В Х-диапазоне обычно используется фракция 0,25 ÷ 1 мм порошка зубной эмали. При массе 100 мг и более значительное количество случайно расположенных кристаллических фрагментов зубной эмали практически устраняет зависимость сигнала ЭПр от ориентации образца в магните. При недостаточной массе порошка (~ 50 мг или менее) применяется запись ЭПр спектра с азимутальным усреднением. Для этого применяется автоматическая процедура с вращением ампулы на заданный угол с использованием гониометрического устройства, настройкой ВЧ моста и суммированием спектров [3].

При работе в Q-диапазоне можно поместить в рабочий объем лишь несколько гранул стандартной рабочей фракции, что недостаточно для усреднения. Фракция более мелкоразмерная не годится, так как радиационный сигнал в ней становится ненаблюдаемым. Вращение ампулы с образцом заметно изменяет частоту, а также настройку резонатора, что затрудняет суммирование соответствующих спектров ЭПр.

В данной работе предлагается использовать зубную эмаль в форме пластины, отрезанной от зубов. В этом случае при вращении образца в магнитном поле можно выбрать ориентацию, соответствующую максимальной амплитуде, поэтому нет необходимости в усреднении полученных спектров. Для этой цели могут быть использованы кристалл или пластина зубной эмали сечением менее 1,5 x 2 мм.

Задача взятия пробы зубной эмали без удаления зубов была успешно решена в работе, выполненной в клинике проф. М.А.Темирбаева (Алматы). Во время лечения и протезирования у пациентов потребовалось высверлить (выбрать) часть эмали, из которой были взяты пробы зубной эмали; две из них показаны на рис. 1. Ясно, что они представляют собой достаточно большие образцы для использования в Q-диапазоне.

Увеличенное изображение образцов зубной эмали от не экстрагированных зубов пациентов показано на рисунке 1 с наложенной линейкой (шкалой) в миллиметрах.

Далее необходимо было решить методические проблемы в отношении оптимальных условий регистрации и анализа спектров в Q-диапазонеДля этой задачи более подходящим объектом является зубная эмаль от зубов с интенсивным исходным радиационным сигналом. Этому требованию могли бы удовлетворять ископаемые зубы, в которых накоплена значительная концентрация парамагнитных центров. Таким образом, в работе была использована пластинка 1,4 мг зубной эмали из зубов ископаемого носорога с большим радиационным сигналом, который объяснялся природным фоновым облучением около 0,9 Гр за 1000 лет [1]. Полученные данные проиллюстрированы рисунком 2, на котором представлен стек типичных спектров кристаллических образцов зубной эмали.

Спектры ЭПр регистрировались в цилиндрическом резонаторе при комнатной температуре при нескольких ориентациях, достигаемых путем вращения образца в магнитном поле спектрометра вручную на равные углы. Условия регистрации читаются в верхней части стека спектров, приведенного на рисунке 2.

Благодаря большой чувствительности метода и накопленной в образце дозе отношение радиационный сигнал/шум достигает 300. Нативный сигнал в спектрах на рис. 2 не наблюдается, как и в X-диапазоне, из-за большой величины радиационного сигнала.

Спектры зубной эмали имеют более разрешенную форму, чем в спектрах X-диапазона, описанных в работе [4]. Интервал между минимумами производной анизотропного радиационного EPR-сигнала в Q-диапазоне увеличился, и появился дополнительный сигнал, который не наблюдается в X-диапазоне. В [4] было обнаружено, что этот узкий ЭПр - сигнал также имеет радиационную природу, но связан с другой

спин-системой с более низкой радиационной чувствительностью.

Форма производной радиационного сигнала и первого интеграла, как видно на представленных спектрах, сильно зависит от ориентации кристалла в магнитном поле. Вот почему их интенсивность не может использоваться как мера радиационного сигнала.

Значение второго интеграла в спектре ЭПр практически не зависит от ориентации образца зубной эмали: площади 5 спектров, представленных на рис. 2, отличаются не более чем на ± 6%. Вклад узкого сигнала в общую площадь пренебрежимо мал.

Основные результаты, полученные при изучении спектров зубной эмали при регистрации в Q-диапазоне для целей ЭПр-дозиметрии, были обсуждены на международной конференции NATO Advanced Research Workshop 2002 г. и опубликованы [5]. Показано, что технические операции балансировки ВЧ-моста, закрепления образца в ампуле, помещения ее в резонатор и способы очистки резонатора в Q-диапазоне более сложны и трудоемки. Однако существенных принципиальных ограничений для ЭПр -дозиметрии зубной эмали без извлечения зубов в настоящее время мы не видим.

Таким образом, в работе выполнено экспериментальное изучение возможностей ЭПр-дозиметрии по эмали зубов в Q-диапазоне, развита методика отбора проб ЗЭ. Найдено практическое решение ряда вопросов ЭПР-дозиметрии в Q-диапазоне для интактных зубов, т.е. не подвергнутых искусственному дополнительному облучению, что особенно важно в случае малых объемов опытного материала зубной эмали.

 

REFERENCES

  1. M. Ikeya. “Applications of ESR: Dating, Dosimetry and Microscopy”, World. Sci., Singapoor, 1993, 499 p.
  2. A. Romanyukha and D.Schauer. EPR dose reconstruction in teeth: Fundamentals, applications, problems. “EPR in the 21 CENTURY. Basics and Applications to material, life and Earth Sciences”, Elsewier, 2002, pp. 603-612.
  3. Haskell, E.H., Hayes, R.B., Kenner, G.H., Sholom, S., Chumak, V. EPR technique and space biodosimetry. Rad. Res. V.148, 1997, pp.51-59.
  4. M. Jonas and R. Grun. Q-band ESR studies of Fossil Tooth Enamel: Implications for Spectrum Deconvolution and Dating. Radiation Measurements, V.27, 1997, #1, pp.49-58.
  5. S.Pivovarov, A.Rukhin, T.Seredavina, L.Peterson, Yu.Gorelkinskii, M.Temirbayev. Experimental study of EPR in Q-band capabilities for tooth enamel dosimetry on intact dens. Nuclear science and its application. Proc. 2nd Eurasian Conference. V3. “Environmental Protection against Radioactive Pollution”. – Almaty-2003. – PP.432 -435.
Год: 2017
Город: Алматы
Категория: Медицина