3-Dimensionale Reconstructies
advertisement
Microscopische technieken: 3D-reconstructies Prof. Dominique Adriaens 1 3-Dimensionale Reconstructies • Overzicht – Nut van 3D reconstructies – Reconstructie-methodes • Manuele reconstructies – Data acquisitie • Invasieve methode – histologische coupereeksen – ‘Sollas’-techniek • Non-invasieve methode – orthogonale reconstructie – schuine grafische reconstructie • Computergestuurde reconstructies – contour-methode – polygon mesh-methode – voxel-methode – NURBS – CT-scanning – MRI-scanning – Ultrasound – PET-scanning – Software – Toepassingsmogelijkheden • type-materiaal • fysische modellen • modellering 2 Nut van 3D reconstructies • Morfologisch onderzoek vereist dikwijls een microscopische studie • Detailstudie is mogelijk via 2D coupes • Ruimtelijke visualisatie van structuren via 3D reconstructie • Laat niet-invasieve studie van inwendige structuren toe Coupe door snuit van katvis 3 Data Acquisitie 4 Data Acquisitie • Invasieve methodes – histologische coupereeksen • voordelen – zéér gedetailleerd » zéér dun (ultradun: 0.06 µm) » alle weefsels » breed spectrum aan vergrotingen » fysiologische processen bestudeerbaar (crytomie) • nadelen – vervorming/beschadiging » fixatie en bewaring » inbedding » snijden » monteren – coupes niet gealigneerd – speciale microtomen » dun, semidun, ultradun » cryotomie 5 Data Acquisitie • Invasieve methodes – Sollas-techniek • voordelen – bruikbaar voor fossielen – studie van inwendige structuren mogelijk • nadelen – enkel gefossiliseerde structuren – afslijpen van ‘coupes’ – fossielen herleid tot stof 6 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Computer Tomography • X-stralen-bron – roteert rond object – object roteert rond • X-stralen-coupes – reconstructie op basis van X-beelden 7 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Computer Tomography • voordelen – snelheid – hoge resolutie » high resolution CT: tot 2 µm ! – visualisatie van levende én dode structuren » ook fossielen – coupes gealigneerd – berekenen van doorsnedes in andere richtingen • nadelen – visualiseerbare structuren beperkt » gemineraliseerde structuren » holtes » zachte structuren enkel bij grote organismen – beperkte scansessies voor levende objecten » nefaste impact van X-stralen (bvb. scannen van abdomen: dosis 500x hoger dan voor Xfoto) 8 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Magnetic Resonance Imaging • principe – detectie van spintoestand van waterstofatoomkernen in watermoleculen in opgewekt magnetisch veld • magnetisch veld – draait niet rond object – spinttoestand omgezet in grijswaarden – reconstructie van MRI-’coupe’ 9 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Magnetic Resonance Imaging • voordelen – – – – – minder schadelijk dan CT zachte organen beter visualiseerbaar coupes gealigneerd berekenen van doorsnedes in andere richtingen visualisatie van fysiologische processen » functional MRI • nadelen – resolutie lager dan CT (200 µm) – zéér duur – beenderen worden slecht gevisualiseerd amygdala aktief bij zien van angstaanjagende gezichten 10 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – functional Magnetic Resonance Imaging • principe – detectie van verplaatsing van Fe-atomen in hemoglobine van bloed – steunt op haemodynamische respons » activatie van hersenzone verbruik van O2 » fysiologische respons méér bloed naar die zone • toepassing – studie van fysiologische werking van hersenen » visualisatie van denkprocessen – topografische lokalisatie » via grafische 3D-reconstructies 11 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Ultrasound • principe – productie van hoogfrequent geluid » 3.5 tot 7.0 megahertz – detectie van weerkaatst geluid » “echografie” • voordelen – snel – minder schadelijk dan CT – visualisatie van bewegingen » bvb. Doppler-sonografie • nadelen – weinig resolutie 12 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Positron Emission Tomography • principe – detectie van hoogfrequente fotonen » fotonen ontstaan door botsing positron en electron » positronen afgegeven door radioaktieve stoffen – omzetting van fotonwaarden in grijswaarden – reconstructie van PET-’coupe’ 13 Data Acquisitie • Non-invasieve methodes – Positron Emission Tomography • voordelen – visualisatie van tumoren – visualisatie van denkprocessen • nadelen – vereist injectie met radio-actieve bestanddelen – lage resolutie – vereist snel verloop » korte halveringstijd van radio-aktieve stoffen normale hersenen Alzheimer-hersenen 14 Reconstructie-methodes 15 Reconstructie-methodes • Manuele reconstructie – orthogonale reconstructie • principe – = 2D reconstructie – uitzetten van maximale afstanden van structuren » constructie van assenstelsel » meest laterale/mediale punt » meest dorsale/ventrale punt • voordelen – goedkoop – goede kennis object Y Coupe 32 • nadelen – zéér arbeidsintensief – beperkt tot 4 zichten » dorsaal » lateraal (L & R) » ventraal – ander zicht = herbeginnen – grafisch beperkt X x y 16 Reconstructie-methodes • Manuele reconstructie – schuine grafische reconstructie • principe – = 3D reconstructie – roteren op basis van referentieroosters » OXYZ - earth bound frame » O’X’Y’Z’ - fish bound frame • voordelen – goedkoop – goede kennis object • nadelen – zéér arbeidsintensief – grafisch beperkt – géén correctie voor rotatie 17 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – contour-methode • verzamelen van contourdata – tekenen » microscoop en tekenspiegel – digitaliseren microscoop » digitiseertablet met tekenspiegel • alignatie – via referentie – via superponeren coupe 123 [C] close [P] Point [RET] erase digitiseertablet monitor computer 3D beeld 18 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – contour-methode • reconstructie – hidden line removal – correctie voor rotatie • voordelen – snel – correct • nadelen – grafisch beperkt – vereist » digitiseertablet » scanner » digitaal fototoestel 19 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – contour-methode • manueel grafische verfijning • computergestuurde grafische verfijning 20 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – polygon mesh-methode • verzamelen van contour-data – tekenen » via tekenspiegel » scannen » (auto)-tracen – digitale fotografie » rechtstreeks » (auto)-tracen Coupe door snuit van katvis Coupe door snuit van katvis • alignatie – via referentie – via superponeren microscoop met digitale camera computer monitor tracen van contouren 21 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – polygon mesh-methode • principe – verbinden van opeenvolgende contouren » via netwerk van polygonen » creëren van ‘surface’ – hidden line removal – rendering • voordelen – snel – grafisch fijner • nadelen – vereist » digitiseertablet » scanner » digitaal fototoestel 22 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – polygon mesh-methode katvis-embryo 23 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – voxel-methode • principe – steunt op 3D-pixels of volume-pixels » “voxels” » dikte coupe = 3e dimensie – reconstructie » aaneengesloten voxels – input » CT-doorsneden » MRI-doorsneden 24 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – voxel-methode • voordelen – grafisch zéér goed – relatief snel – laat constructie van andere doorsneden toe » dwars » sagittaal » horizontaal » schuin • nadelen – CT/MRI-beelden nodig » dus beperkingen in discriminatie van structuren – dure software nodig 25 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – NURBS • principe – steunt op Non-Uniform Rational B-Splines » mathematische manier om 3D-vormen voor te stellen – via compositie van eenvoudige vormen » NURBS-curves » NURBS-opervlakken » NURBS-volle vormen 26 Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie – NURBS • voordelen – grafisch zéér goed – manipulatie mogelijk » laat eliminatie van vervormingen toe » modellering • nadelen – vereist wat manueel werk » bepalen van contouren » exporteren van contouren » genereren van NURBS – niet alle reconstructies zijn hertekenbaar 27 Software 28 Software • Enkele voorbeelden van software-pakketen – 3D-reconstructies • contour-methode – PC3D – Amira – 3D-animaties – Amira – Maya – StudioMax • polygon mesh-methode – Surfdriver – Amira • voxel-methode – Amira • NURBS-methode – Rhino3D – Maya 29 Toepassingsmogelijkheden F 30 Toepassingsmogelijkheden • Studie van type-materiaal 31 Toepassingsmogelijkheden • Fysische modellen – Stereolithografie • principe – output van 3D-data naar laser » laser wordt gericht in 3 dimensies – polymerisatie van hars » onder invloed van laser • toepassingen – industrie – medische wereld » oefenen van operaties » maken van protheses – biologische wereld » studie van fysisch model © DigiMorph.Org 32 Toepassingsmogelijkheden • Modellering – mathematische modellering van beweeglijke elementen • principe – manueel bewegen van elementen » in digitale omgeving – berekenen van biomechanische variabelen » bvb. draaimoment F 33
