Rekonstruering af histologiske skiver til 3-D-billeder

På trods af fremskridt inden for 3D-billeddannelse såsom MR og CT, forskere er stadig afhængige af at skære en prøve i 2-D sektioner for at få den mest detaljerede information. Ved at bruge disse oplysninger, de forsøger derefter at rekonstruere et 3-D billede af prøven. Forskere fra Nara Institut for Videnskab og Teknologi rapporterer om en ny algoritme, der kan udføre denne opgave til mindre omkostninger og højere robusthed end standardmetoder.

Japanske videnskabsmænd rapporterer i Mønster genkendelse en ny metode til at konstruere 3-D-modeller ud fra 2-D-billeder. Tilgangen, som involverer ikke-stiv registrering med en blanding af stive transformationer, overvinder flere af begrænsningerne i de nuværende metoder. Forskerne validerer deres metode ved at anvende den på Kyoto Collection of Human Embryos and Fetuses, den største samling af menneskelige embryoner i verden, med over 45, 000 eksemplarer.

MR- og CT-scanninger er standardteknikker til at tage 3D-billeder af kroppen. Disse modaliteter kan spore med hidtil uset præcision placeringen af ​​en skade eller slagtilfælde. De kan endda afsløre de mikroskopiske proteinaflejringer, der ses i hjernepatologier som Alzheimers sygdom. Imidlertid, for den bedste opløsning, videnskabsmænd er stadig afhængige af skiver af prøven, hvorfor der tages kræft og andre biopsier. Når den ønskede information er opnået, videnskabsmænd bruger algoritmer, der kan sammensætte 2-D-skiverne for at genskabe et simuleret 3-D-billede. På denne måde de kan rekonstruere et helt organ eller endda en organisme.

At stable skiver sammen for at skabe et 3D-billede svarer til at sætte en kage sammen, efter at den er blevet skåret. Ja, den generelle form er der, men kniven vil få visse skiver til at knække, så den rekonstruerede kage aldrig ser så smuk ud som originalen. Selvom dette måske ikke forstyrrer festen af ​​fem-årige, der ønsker at forkæle, den gruppe af kirurger, der leder efter den præcise placering af en tumor, er sværere at formilde.

Faktisk, prøven kan gennemgå en række ændringer, når den er klargjort til sektionering. "Sektioneringsprocessen strækker sig, bøjer og river vævet i stykker. Farvningsprocessen varierer mellem prøverne. Og fikseringsprocessen forårsager vævsdestruktion, " forklarer Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Nara, Japan, Lektor Takuya Funatomi, der ledede projektet.

Grundlæggende der er tre udfordringer, der dukker op med 3D-rekonstruktionen. Først er ikke-stiv deformation, hvor placeringen og orienteringen af ​​forskellige punkter i det originale eksemplar er ændret. For det andet er vævsdiskontinuitet, hvor der kan opstå huller i rekonstruktionen, hvis registreringen mislykkes. Endelig, der er en skalaændring, hvor dele af rekonstruktionen er ude af proportioner med deres reelle størrelse på grund af ikke-rigid registrering.

For hvert af disse problemer, Funatomi og hans forskerhold foreslog en løsning, der, når de blev kombineret, resulterede i en rekonstruktion, der minimerer alle tre faktorer ved at bruge mindre beregningsomkostninger end standardmetoder.

"Først, vi repræsenterer ikke-stiv deformation ved hjælp af et lille antal kontrolpunkter ved at blande stive transformationer, " siger Funatomi. Det lille antal kontrolpunkter kan estimeres robust mod farvningsvariationen.

"Så vælger vi målbillederne i henhold til de ikke-stive registreringsresultater og anvender skalajustering, " fortsætter han.

Den nye metode fokuserer hovedsageligt på en række serielle snitbilleder af menneskelige embryoner fra Kyoto Collection of Human Embryos and Fetuses og kunne rekonstruere 3-D embryoner med ekstraordinær succes.

Især der er ingen MR- eller CT-scanninger af prøverne, hvilket betyder, at ingen 3-D-modeller kunne bruges som reference for 3-D-rekonstruktionen. Yderligere, stor variation i vævsskade og farvning komplicerede rekonstruktionen.

"Vores metode kunne beskrive kompleks deformation med et mindre antal kontrolpunkter og var robust over for en variation af farvning, " siger Funatomi.