1 Microscopische technieken: 3D-reconstructies Prof. Dominique Adriaens

1

Microscopische technieken:Microscopische technieken:3D-reconstructies3D-reconstructies

Prof. Dominique Adriaens

2

3-Dimensionale Reconstructies3-Dimensionale Reconstructies

• Overzicht

– Nut van 3D reconstructies

– Data acquisitie

• Invasieve methode

– histologische coupereeksen

– ‘Sollas’-techniek

• Non-invasieve methode

– CT-scanning

– MRI-scanning

– Ultrasound

– PET-scanning

– Reconstructie-methodes• Manuele reconstructies

– orthogonale reconstructie

– schuine grafische reconstructie

• Computergestuurde reconstructies– contour-methode

– polygon mesh-methode

– voxel-methode

– NURBS

– Software

– Toepassingsmogelijkheden• type-materiaal

• fysische modellen

• modellering

3

Nut van 3D reconstructiesNut 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

4

Data AcquisitieData Acquisitie

5


• 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

6


• Invasieve methodes– Sollas-techniek

• voordelen– bruikbaar voor fossielen

– studie van inwendige structuren mogelijk

• nadelen– enkel gefossiliseerde structuren

– afslijpen van ‘coupes’

– fossielen herleid tot stof

7


• Non-invasieve methodes– Computer Tomography

• X-stralen-bron– roteert rond object

– object roteert rond

• X-stralen-coupes– reconstructie op basis van X-beelden

8


• 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 X-foto)

9


• Non-invasieve methodes

– Magnetic Resonance Imaging• principe

– detectie van spintoestand van waterstof-

atoomkernen in watermoleculen in

opgewekt magnetisch veld

• magnetisch veld

– draait niet rond object

– spinttoestand omgezet in grijswaarden

– reconstructie van MRI-’coupe’

10


• 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

11


• 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

12


• 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

13


• Non-invasieve methodes

– Positron Emission Tomography• principe

– detectie van hoogfrequente fotonen

» fotonen ontstaan door botsing

positron en electron

» positronen afgegeven door radio-

aktieve stoffen

– omzetting van fotonwaarden in

grijswaarden

– reconstructie van PET-’coupe’

14


• 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

15

Reconstructie-methodesReconstructie-methodes

16


• 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

• nadelen– zéér arbeidsintensief– beperkt tot 4 zichten

» dorsaal» lateraal (L & R)» ventraal

– ander zicht = herbeginnen– grafisch beperkt X

Y

xy

Coupe 32

17


• 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

18


• Computergestuurde reconstructie– contour-methode

• verzamelen van contourdata– tekenen

» microscoop en tekenspiegel

– digitaliseren

» digitiseertablet

• alignatie– via referentie

– via superponeren

[C] close [P] Point [RET] erase

coupe 123

microscoopmet tekenspiegel

digitiseertablet monitor computer

3D beeld

19


• Computergestuurde reconstructie– contour-methode

• reconstructie– hidden line removal

– correctie voor rotatie

• voordelen– snel

– correct

• nadelen– grafisch beperkt

– vereist

» digitiseertablet

» scanner

» digitaal fototoestel

20

Reconstructie-methodesReconstructie-methodes• Computergestuurde reconstructie

– contour-methode• manueel grafische verfijning • computergestuurde grafische

verfijning

21


• Computergestuurde reconstructie– polygon mesh-methode

• verzamelen van contour-data– tekenen

» via tekenspiegel

» scannen

» (auto)-tracen

– digitale fotografie

» rechtstreeks

» (auto)-tracen

• alignatie– via referentie

– via superponeren

mic rosc oopmet dig itale c amera

monitorc omputer

trac en van c ontouren

Co upe d oor snu it van katv is

C o u p e d o o r sn u it v a n k a tv is

22


• 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

23


• Computergestuurde reconstructie– polygon mesh-methode katvis-embryo

24


• 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

25


• 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

26


• 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

27


• 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

28

SoftwareSoftware

29

SoftwareSoftware

• Enkele voorbeelden van software-pakketen

– 3D-reconstructies• contour-methode

– PC3D

– Amira

• polygon mesh-methode

– Surfdriver

– Amira

• voxel-methode

– Amira

• NURBS-methode

– Rhino3D

– Maya

– 3D-animaties– Amira

– Maya

– StudioMax

30

ToepassingsmogelijkhedenToepassingsmogelijkheden

FF

31


• Studie van type-materiaal

32


• 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

33


• Modellering– mathematische modellering van beweeglijke elementen

• principe– manueel bewegen van elementen

» in digitale omgeving

– berekenen van biomechanische variabelen

» bvb. draaimoment

FF

Documents

1 Microscopische technieken: 3D-reconstructies Prof. Dominique Adriaens