Alat generasi berikutnya memberikan tampilan baru di dalam gambar biomedis 3D yang kompleks

Pandangan Cutaway Interaktif Mengungkap Dinamika Tersembunyi dalam Gambar Okt Mengembangkan Hati Tikus Embrionik, Menawarkan Wawasan Baru yang dapat menyebabkan perawatan untuk cacat bawaan dan kerusakan jantung.

Para peneliti telah mengembangkan alat perangkat lunak baru yang menyediakan kemampuan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk melihat di dalam gambar 3D. Pandangan cutaway yang interaktif dan dinamis memungkinkan mereka untuk menganalisis dinamika pengembangan jantung mouse embrionik yang belum pernah dilihat menggunakan gambar tomografi koherensi optik (OCT).

“Pemahaman yang lebih baik tentang pengembangan jantung dapat membantu menginformasikan strategi klinis baru dalam mengelola penyakit jantung bawaan, yang merupakan jenis cacat lahir yang paling umum,” kata pemimpin tim peneliti Shang Wang dari Stevens Institute of Technology. “Wawasan seperti itu juga merupakan dasar untuk merancang strategi inovatif untuk meregenerasi jaringan jantung setelah kerusakan akibat serangan jantung, meningkatkan fungsi jantung.”

Dalam jurnal grup penerbitan Optica Biomedis Optics Expresspara peneliti menggambarkan alat perangkat lunak sumber terbuka baru mereka yang disebut Clipping Spline. Ini adalah alat yang ramah pengguna untuk memvisualisasikan struktur yang kompleks, seperti struktur tubular yang melengkung dalam 3D, dalam tampilan cutaway tunggal.

“Pencitraan 3D sudah memainkan peran penting dalam biomedis, tetapi masih ada lagi yang bisa kita pelajari jika kita mempertimbangkan aspek temporal – yaitu, sebagai gambar 4D,” kata anggota tim peneliti Andre Faubert, rekan peneliti di laboratorium Shang Wang. “Meskipun kami menunjukkan kliping spline dengan data OCT 4D, ini dapat digunakan untuk gambar volumetrik dari modalitas pencitraan apa pun, untuk penelitian biologis dan aplikasi kedokteran klinis.”

Memvisualisasikan struktur 3D yang kompleks

Para peneliti mengembangkan kliping spline ketika mereka bekerja dengan gambar 4D OCT untuk mempelajari pengembangan jantung tikus embrionik selama tahap perulangan jantung. Pada tahap ini, tabung jantung membungkuk dan memutar, membentuk bentuk yang berbelit -belit dengan perubahan dramatis dalam struktur dan pola aliran darah.

“Tahap looping adalah tahap vital pengembangan jantung dan bertanggung jawab atas berbagai cacat bawaan,” kata Wang. “Sedikit yang diketahui tentang dinamika dan proses yang terjadi selama tahap ini; Meskipun dapat dicitrakan, hanya ada alat terbatas yang tersedia untuk memvisualisasikan dan menganalisisnya. ”

Untuk mengisi kesenjangan teknologi ini, para peneliti mengembangkan alat perangkat lunak baru yang melakukan kliping volume, cara komputasi untuk menghapus voxel tertentu dalam gambar 3D untuk mengekspos struktur minat di dalamnya. Kliping volume adalah perangkat lunak yang setara dengan menggunakan pisau untuk memotong objek yang solid untuk melihat apa yang ada di dalamnya. Namun, melaksanakan kliping volume untuk struktur kompleks dalam tampilan cutaway tunggal menantang dan membutuhkan dengan hati -hati mendefinisikan batas antara voxel untuk disimpan dan yang harus dihapus.

Saat ini, pendekatan yang paling umum untuk kliping volume adalah menggunakan bidang kliping, yang beroperasi seperti potongan pisau lurus. Namun, geometri planar sederhana mereka mencegah penciptaan permukaan cekung, membatasi kemampuan mereka untuk sepenuhnya menampilkan struktur yang rumit dalam satu tampilan. Untuk mengatasi keterbatasan ini, para peneliti memanfaatkan jenis permukaan halus yang dikenal sebagai spline pelat tipis (TPS) dan menerapkannya pada kliping volume untuk pertama kalinya.

TPS adalah permukaan 3D yang ditentukan oleh serangkaian titik kontrol dengan cara yang memotong semua titik kontrol dengan kelengkungan minimal. Permukaan yang intuitif dan dapat disesuaikan ini memungkinkan pengguna untuk memindahkan, menambah, atau menghapus titik kontrol untuk memperbaiki bentuk dan posisinya secara interaktif, memungkinkannya disesuaikan dengan struktur yang kompleks. Selain itu, karena TPS didefinisikan menggunakan parameter matematika, dimungkinkan untuk melakukan transisi algoritmik, seperti memindahkan, membelah, atau menggabungkan titik kontrol. Ini memfasilitasi kliping volume 4D yang halus dan visualisasi dinamis seperti flythrough.

Para peneliti juga mengoptimalkan pipa komputasi untuk menjadikan kliping spline alat yang efisien dan real-time untuk menghasilkan dan menyesuaikan tampilan cutaway menjadi volume.

Menonton hati berkembang

Para peneliti menggunakan kliping spline untuk memvisualisasikan dan menganalisis pengembangan jantung mouse embrionik dengan data OCT, misalnya, melacak dinamika miokard selama 12,8 jam pengembangan di 712 titik waktu.

Kliping spline memungkinkan mereka untuk melihat beberapa bagian tabung jantung yang berbelit -belit pada saat yang sama dalam satu tampilan, memberikan pandangan yang lebih besar dari dinamika daripada yang tersedia sebelumnya. Ini memberi mereka gambaran yang lebih baik tentang bagaimana biomekanik jantung embrionik terlibat dalam menghasilkan pola aliran darah tertentu. Mereka juga menggunakan spline kliping untuk mengungkap bagaimana saluran masuk dari jantung awal bergabung untuk membentuk sinus venosus, sebuah struktur yang mengarahkan darah ke jantung yang berkembang.

“Sungguh menakjubkan melihat proses perkembangan ini terjadi, dan itu menginspirasi pikiran dan hipotesis baru yang dapat mengarah pada wawasan yang signifikan tentang bagaimana hati mamalia berkembang,” kata Wang. “Mempelajari dan memahami perkembangan biologis tidak hanya penting untuk meningkatkan manajemen klinis penyakit kongenital tetapi juga mendasar bagi banyak bidang biomedis lainnya, seperti kanker dan kedokteran regeneratif.”

Para peneliti mengatakan bahwa kliping spline siap digunakan secara luas oleh komunitas pencitraan biomedis. Mereka sekarang fokus pada pengembangan metode pemrosesan gambar canggih menggunakan kliping spline dan menerapkan spline kliping untuk menyelidiki lebih lanjut dinamika dan proses pengembangan jantung embrionik.

Referensi: “Kliping Spline: Kliping dan analisis volume 4D interaktif, dinamis berdasarkan spline pelat tipis” oleh Shang Wang dan Andre C. Faubert, 31 Januari 2025, Biomedis Optics Express.
Doi: 10.1364/boe.544231

Kliping spline adalah open-source di: https://github.com/shangwanglab/openchronomorphviewer.