Исследователи разработали новый программный инструмент, который обеспечивает беспрецедентные возможности для просмотра внутренних 3D-изображений. Его интерактивные, динамические разрезы позволили им проанализировать невиданную ранее динамику развития эмбрионального сердца мыши с использованием изображений оптической когерентной томографии (ОКТ).

«Более глубокое понимание развития сердца может помочь в разработке новых клинических стратегий лечения врожденных пороков сердца, которые являются наиболее распространенным типом врожденных дефектов», — сказал руководитель исследовательской группы Шан Ван из Технологического института Стивенса.

«Такие знания также имеют основополагающее значение для разработки инновационных стратегий регенерации сердечной ткани после повреждения в результате сердечного приступа , улучшая сердечную функцию».

В Biomedical Optics Express исследователи описывают свой новый программный инструмент с открытым исходным кодом, называемый clipping spline. Это удобный инструмент для визуализации сложных структур, таких как трубчатая структура, которая изгибается в 3D, в виде одного разреза.

«3D-визуализация уже играет важную роль в биомедицине, но мы можем узнать еще больше, если рассмотрим временной аспект, то есть 4D-изображение», — сказал член исследовательской группы Андре Фобер, научный сотрудник лаборатории Шан Вана.

«Хотя мы продемонстрировали сплайн-отсечение с данными 4D OCT, его можно использовать для объемных изображений, полученных с помощью любого метода визуализации, как для биологических исследований , так и для приложений в клинической медицине».

Играть

00:00
00:22
Немой

Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Сплайн клиппинга обеспечивает 4D-обрезку объема, обеспечивая плавный пролет от внешней стороны эмбрионального желточного мешка к внутренней части бьющегося эмбрионального сердца. Кредит: Андре К. Фобер и Шан Ван, Технологический институт Стивенса

Визуализация сложных трехмерных структур
Исследователи разработали сплайн-отсечение, когда работали с 4D-изображениями ОКТ для изучения развития эмбрионального сердца мыши на стадии формирования сердечной петли. На этой стадии сердечная трубка изгибается и скручивается, образуя извилистую форму с резкими изменениями в структуре и характере кровотока.

«Этап формирования петли является жизненно важным этапом развития сердца и отвечает за ряд врожденных дефектов», — сказал Ван. «Мало что известно о динамике и процессах, которые происходят на этом этапе; хотя их можно визуализировать, для их визуализации и анализа были доступны лишь ограниченные инструменты».

Чтобы заполнить этот технологический пробел, исследователи разработали новый программный инструмент, который выполняет объемное отсечение, вычислительный способ удаления определенных вокселей в 3D-изображении, чтобы обнажить интересующую структуру внутри. Объемное отсечение является программным эквивалентом использования ножа для разрезания твердого объекта, чтобы увидеть, что находится внутри.

Однако выполнение обрезки объема для сложных структур в одном разрезе является сложной задачей и требует тщательного определения границы между вокселями, которые нужно сохранить, и теми, которые нужно удалить.

В настоящее время наиболее распространенным подходом к отсечению объема является использование плоскостей отсечения, которые работают как прямой ножевой срез. Однако их простая плоская геометрия препятствует созданию вогнутых поверхностей, ограничивая их способность полностью отображать сложные структуры в одном виде.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи использовали тип гладкой поверхности, известный как тонкий пластинчатый сплайн (TPS), и впервые применили его для обрезки объема.

TPS — это 3D-поверхность, определяемая набором контрольных точек таким образом, что она пересекает все контрольные точки с минимальной кривизной. Эта интуитивно понятная и регулируемая поверхность позволяет пользователям перемещать, добавлять или удалять контрольные точки, чтобы интерактивно уточнять ее форму и положение, что позволяет адаптировать ее к сложным структурам.

Кроме того, поскольку TPS определяется с использованием математических параметров, можно выполнять алгоритмические переходы, такие как перемещение, разделение или слияние контрольных точек. Это облегчает плавное 4D-обрезку объема и динамические визуализации, такие как пролеты.

Исследователи также оптимизировали вычислительный конвейер, чтобы сделать отсекающий сплайн эффективным инструментом реального времени для создания и корректировки разрезов в объеме.

Наблюдаем за развитием сердца
Исследователи использовали сплайн отсечения для визуализации и анализа развития эмбрионального сердца мыши с использованием данных ОКТ, например, отслеживая динамику миокарда в течение 12,8 часов развития в 712 временных точках.

Сплайн-обрезка позволил им увидеть несколько частей извилистой сердечной трубки одновременно в одном виде, что дало им более широкий обзор динамики, чем был доступен ранее. Это дало им более четкое представление о том, как биомеханика эмбрионального сердца участвует в создании определенных схем кровотока.

Они также использовали метод отсечения сплайна, чтобы выяснить, как приточные тракты раннего сердца сливаются, образуя венозный синус — структуру, которая направляет кровь в развивающееся сердце.

«Просто удивительно наблюдать за этими процессами развития, и это вдохновляет на новые мысли и гипотезы, которые могут привести к существенному пониманию того, как развивается сердце млекопитающих», — сказал Ван.

«Изучение и понимание биологического развития не только необходимо для улучшения клинического лечения врожденных заболеваний, но и имеет основополагающее значение для многих других биомедицинских областей, таких как онкология и регенеративная медицина».

Исследователи говорят, что сплайн отсечения готов к широкому использованию сообществом биомедицинской визуализации. Теперь они сосредоточены на разработке передовых методов обработки изображений с использованием сплайна отсечения и применении сплайна отсечения для дальнейшего изучения динамики и процессов развития эмбрионального сердца.