Microscopische technieken: 3D-reconstructies Prof. Dominique Adriaens

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

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

Data Acquisitie

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

Data Acquisitie Invasieve methodes Sollas-techniek voordelen nadelen bruikbaar voor fossielen studie van inwendige structuren mogelijk nadelen enkel gefossiliseerde structuren afslijpen van ‘coupes’ fossielen herleid tot stof

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

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)

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’

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

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

Data Acquisitie Non-invasieve methodes Ultrasound principe voordelen 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

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’

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

Reconstructie-methodes

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

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

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

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

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

Reconstructie-methodes Computergestuurde reconstructie polygon mesh-methode verzamelen van contour-data tekenen via tekenspiegel scannen (auto)-tracen digitale fotografie rechtstreeks alignatie via referentie via superponeren

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

Reconstructie-methodes Computergestuurde reconstructie polygon mesh-methode katvis-embryo

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

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

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

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

Software

Software Enkele voorbeelden van software-pakketen 3D-reconstructies contour-methode PC3D Amira polygon mesh-methode Surfdriver voxel-methode NURBS-methode Rhino3D Maya 3D-animaties Amira Maya StudioMax

Toepassingsmogelijkheden F

Toepassingsmogelijkheden Studie van type-materiaal

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

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