Transcript Non-invasieve methode
Microscopische technieken: 3D-reconstructies
Prof. Dominique Adriaens
1
3-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
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 X foto) 8
Data Acquisitie
•
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’ 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 » fysiologische respons verbruik van O 2 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 radio aktieve 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
nadelen
– zéér arbeidsintensief – beperkt tot 4 zichten » dorsaal » lateraal (L & R) » ventraal – ander zicht = herbeginnen – grafisch beperkt Coupe 32
Y
x y
X
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 » digitiseertablet
microscoop met tekenspiegel
•
alignatie
– via referentie – via superponeren
digitiseertablet coupe 123 [C] close [P] Point [RET] erase monitor 3D beeld computer
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 •
alignatie
– via referentie – via superponeren
microscoop met digitale camera Coupe door snuit van katvis computer Coupe door snuit van katvis 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 = 3 e 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 •
polygon mesh-methode
– Surfdriver – Amira •
voxel-methode
– Amira •
NURBS-methode
– Rhino3D – Maya –
3D-animaties
– Amira – Maya – StudioMax 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