Tyrėjai sukūrė naują programinės įrangos įrankį, kuris suteikia precedento neturinčias galimybes matyti 3D vaizdų viduje. Jo interaktyvūs, dinamiški iškirpti vaizdai leido jiems analizuoti niekada anksčiau nematytą embrioninės pelės širdies vystymosi dinamiką naudojant optinės koherencijos tomografijos (OCT) vaizdus.
„Geresnis supratimas apie širdies vystymąsi galėtų padėti informuoti apie naujas klinikines strategijas, skirtas gydyti įgimtas širdies ligas, kurios yra dažniausiai pasitaikančių apsigimimų tipai”, – sakė tyrimų grupės vadovas Shangas Wangas iš Stevenso technologijos instituto.
„Tokios įžvalgos taip pat yra labai svarbios kuriant novatoriškas širdies audinio regeneravimo strategijas po širdies priepuolio pažeidimo, gerinant širdies funkciją.”
Į Biomedicininės optikos ekspresastyrėjai aprašo savo naują atvirojo kodo programinės įrangos įrankį, vadinamą kirpimo spline. Tai patogus įrankis, leidžiantis vizualizuoti sudėtingas struktūras, tokias kaip vamzdinė struktūra, kuri išlenkta 3D formatu, viename iškirptame vaizde.
„3D vaizdavimas jau atlieka esminį vaidmenį biomedicinoje, tačiau dar daugiau galime išmokti, jei atsižvelgsime į laikinąjį aspektą, tai yra, kaip į 4D vaizdą“, – sakė tyrimų grupės narys Andre Faubertas, Shang Wang laboratorijos mokslinis bendradarbis.
„Nors mes pademonstravome kirpimo splainą su 4D UŠT duomenimis, jis gali būti naudojamas tūriniams vaizdams iš bet kokio vaizdo gavimo metodo, tiek biologiniams tyrimams, tiek klinikinei medicinai.”
Sudėtingų 3D struktūrų vizualizavimas
Tyrėjai sukūrė nukirpimo splainą, kai dirbo su 4D UŠT vaizdais, kad ištirtų embrioninės pelės širdies vystymąsi širdies kilpos stadijoje. Šiame etape širdies vamzdelis sulinksta ir sukasi, sudarydamas vingiuotą formą, dramatiškai pasikeičiant struktūra ir kraujotakos modeliai.
„Kilpos etapas yra gyvybiškai svarbus širdies vystymosi etapas ir yra atsakingas už daugybę įgimtų defektų”, – sakė Wang. „Mažai žinoma apie dinamiką ir procesus, vykstančius šiame etape; nors juos galima atvaizduoti, buvo tik ribotos priemonės jiems vizualizuoti ir analizuoti.”
Norėdami užpildyti šią technologinę spragą, mokslininkai sukūrė naują programinės įrangos įrankį, kuris atlieka tūrio iškirpimą – skaičiavimo būdą, kaip pašalinti tam tikrus 3D vaizdo blokus, kad atskleistų dominančią struktūrą. Tūrio kirpimas yra programinės įrangos atitikmuo peiliu naudojant kietą objektą, kad pamatytumėte, kas yra viduje.
Tačiau sudėtingų struktūrų tūrio apkarpymas viename iškirptame vaizde yra sudėtingas ir reikalauja kruopščiai apibrėžti ribą tarp vokselių, kuriuos reikia išlaikyti, ir tų, kuriuos reikia pašalinti.
Šiuo metu labiausiai paplitęs kirpimo būdas yra naudoti kirpimo plokštumas, kurios veikia kaip tiesus pjovimas peiliu. Tačiau jų paprasta plokštuminė geometrija neleidžia sukurti įgaubtų paviršių, o tai riboja jų galimybę viename vaizde visiškai parodyti sudėtingas struktūras.
Norėdami įveikti šiuos apribojimus, mokslininkai panaudojo lygaus paviršiaus tipą, žinomą kaip plonas plokštelės įdubimas (TPS) ir pirmą kartą pritaikė jį tūrio kirpimui.
TPS yra 3D paviršius, apibrėžtas valdymo taškų rinkiniu taip, kad jis kerta visus valdymo taškus su minimaliu kreivumu. Šis intuityvus ir reguliuojamas paviršius leidžia naudotojams perkelti, pridėti arba ištrinti valdymo taškus, kad būtų galima interaktyviai patobulinti jo formą ir padėtį, todėl jį galima pritaikyti prie sudėtingų struktūrų.
Be to, kadangi TPS apibrėžiamas naudojant matematinius parametrus, galima atlikti algoritminius perėjimus, tokius kaip valdymo taškų perkėlimas, padalijimas ar sujungimas. Tai palengvina sklandų 4D tūrio iškirpimą ir dinamines vizualizacijas, tokias kaip skrydžiai.
Tyrėjai taip pat optimizavo skaičiavimo vamzdyną, kad iškirpimo spline taptų efektyviu realiu laiku veikiančiu įrankiu, leidžiančiu generuoti ir koreguoti iškirptus vaizdus į tūrį.
Stebėti, kaip vystosi širdis
Tyrėjai naudojo nukirpimo spline, norėdami vizualizuoti ir analizuoti embriono pelių širdies vystymąsi su UŠT duomenimis, pavyzdžiui, sekdami miokardo dinamiką per 12,8 vystymosi valandų per 712 laiko taškų.
Nukirpimo įpjova leido jiems vienu metu matyti kelias vingiuoto širdies vamzdelio dalis viename vaizde, suteikiant didesnį dinamikos vaizdą, nei buvo galima anksčiau. Tai suteikė jiems geresnį vaizdą apie tai, kaip embrioninės širdies biomechanika dalyvauja kuriant specifinius kraujo tėkmės modelius.
Jie taip pat panaudojo nukirpimo sruogą, kad atskleistų, kaip susilieja ankstyvosios širdies įtekėjimo takai ir susidaro sinusinė veninė struktūra, kuri nukreipia kraują į besivystančią širdį.
„Tiesiog nuostabu matyti, kaip vyksta šie vystymosi procesai, ir tai įkvepia naujų minčių ir hipotezių, kurios gali padėti suprasti, kaip vystosi žinduolių širdis“, – sakė Wang.
„Biologinio vystymosi studijos ir supratimas yra ne tik būtinas norint pagerinti klinikinį įgimtų ligų valdymą, bet ir daugelio kitų biomedicinos sričių, tokių kaip vėžys ir regeneracinė medicina, pagrindas.
Tyrėjai teigia, kad kirpimo įtvaras yra paruoštas plačiai naudoti biomedicininės vaizdų bendruomenės. Dabar jie sutelkia dėmesį į pažangių vaizdų apdorojimo metodų kūrimą, naudojant nukirpimo spline ir taikant nukirpimo splainą, kad toliau tirtų embriono širdies vystymosi dinamiką ir procesus.