Microscopische technieken: 3D-reconstructies

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

2. 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-Dimensionale Reconstructies

3. Nut van 3D reconstructies Coupe door snuit van katvis • 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

4. Data Acquisitie

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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’

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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’

14. 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

15. Reconstructie-methodes

16. 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

17. 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

18. Reconstructie-methodes coupe 123 [C] close [P] Point [RET] erase microscoop met tekenspiegel computer monitor digitiseertablet 3D beeld • Computergestuurde reconstructie • contour-methode • verzamelen van contourdata • tekenen • microscoop en tekenspiegel • digitaliseren • digitiseertablet • alignatie • via referentie • via superponeren

19. Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie • contour-methode • reconstructie • hidden line removal • correctie voor rotatie • voordelen • snel • correct • nadelen • grafisch beperkt • vereist • digitiseertablet • scanner • digitaal fototoestel

20. Computergestuurde reconstructie contour-methode manueel grafische verfijning computergestuurde grafische verfijning Reconstructie-methodes

21. 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

22. 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

23. Reconstructie-methodes • Computergestuurde reconstructie • polygon mesh-methode katvis-embryo

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. Software

29. 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 Software

30. Toepassingsmogelijkheden F

31. Toepassingsmogelijkheden • Studie van type-materiaal

32. 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

33. Toepassingsmogelijkheden F • Modellering • mathematische modellering van beweeglijke elementen • principe • manueel bewegen van elementen • in digitale omgeving • berekenen van biomechanische variabelen • bvb. draaimoment