Какое изображение называют сечением: Какое изображение называют сечением и для чего его применяют? Какими линиями обводятся выносные и наложенные сечения?

Парадоксально говоря, ориентироваться в этом поперечном сечении намного легче, чем в конечностях, несмотря на увеличенную сложность грудной клетки.Третий грудной позвонок типичной формы расположен на кзади, на (нижняя часть изображения), в то время как легкие на направлены сбоку на . Пищевод может помочь вам отличить левый от правого, потому что он обычно находится немного левее позвонка.

Как обычно, мы исследуем поперечное сечение, начав с остеологии и грудной стенки. Рукоять грудины располагается спереди, сочленяясь с ключицей и первым ребром .Поскольку ребра грудной клетки ориентированы снизу, части второго, третьего и четвертого ребер видны по контуру легких. Межреберные мышцы и промежутки также перемежаются между видимыми фрагментами ребер. Позвонок образует задний столб грудной стенки. Над грудной клеткой расположены различных мышц туловища , такие как грудная (большая, малая), зубчатая (передняя, ​​задняя), большая ромбовидная мышца и трапеция.

Вы можете использовать очень похожие ориентиры, чтобы сориентировать это поперечное сечение, как и в мужской версии. Совершенно очевидно, что костная и мышечная анатомия на этом изображении не сильно изменилась, поскольку у мужчин и женщин одни и те же кости и мышцы. Сигмовидная кишка видна сзади просто потому, что поперечный разрез был сделан на более высоком уровне, выше прямой кишки.Медиальнее подвздошно-поясничной мышцы видны наружная подвздошная артерия и вена . Кроме того, внутренних подвздошных сосудов расположены медиальнее костей таза. Как обычно, вены и артерии легко отличить по калибру их просветов.

Однако вы можете видеть, что внутренние органы малого таза в центре имеют несколько иное расположение. Это потому, что матка расположена кпереди от сигмовидной и прямой кишки и кзади от мочевого пузыря.

Эти два разреза дают вам общее представление только о мужском и женском тазе. Начните анализировать полученные знания с помощью тестов и изучите несколько дополнительных осевых сечений, чтобы сформировать полное представление о структурах таза.

Источники

Артикул:

• Лис, Х., Логан, Б. М., Диксон, А. К., и Эллис, Х. (2009). Секционная анатомия человека: Атлас секций тела, изображений КТ и МРТ.Лондон: Ходдер-Арнольд

Артикул, обзор, макет:

• Адриан Рад
• Димитриос Митилиниос

Иллюстраторы:

• Ориентация поперечных сечений – Ирина Мюнстерманн, Хосе Мигель Мата
• Поперечный разрез таламуса (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечный разрез верхнечелюстной пазухи (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечный разрез языка и C2 (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечный разрез двуглавой мышцы плеча (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,
• Поперечный разрез бедра через длинную приводящую мышцу (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,
• Поперечный разрез ноги через камбаловидную мышцу (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,
• Поперечный разрез грудной клетки через Т3 (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечное сечение грудной клетки через Т7 (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,
• Поперечное сечение брюшной полости через Т11 (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечное сечение живота через L1 (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека
• Поперечный разрез мужского таза через копчик (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,
• Поперечный разрез женского таза через дистальный конец копчика (диаграмма) – Национальная медицинская библиотека,

Поперечная анатомия: хотите узнать о ней больше?

Наши увлекательные видео, интерактивные викторины, подробные статьи и HD-атлас помогут вам быстрее достичь лучших результатов.

С чем вы предпочитаете учиться?

«Я бы честно сказал, что Kenhub сократил мое учебное время вдвое». – Читать далее. Ким Бенгочеа, Университет Реджиса, Денвер

Получение клинических изображений поперечного сечения на основе их основных осей инерции

Визуализация поперечного сечения считается золотым стандартом в диагностике ряда заболеваний.Однако, несмотря на его широкое использование в клинической практике и исследованиях, не существует общепринятого метода для надежного сопоставления плоскостей поперечного сечения в нескольких последовательных сканированиях. Этот недостаток может затруднить сравнение изображений поперечного сечения и в конечном итоге привести к ошибочному диагнозу. Здесь мы предлагаем и демонстрируем метод нахождения одной и той же плоскости изображения на изображениях, полученных во время отдельных сеансов сканирования. Наш метод основан на реконструкции «виртуального органа», из которого могут быть извлечены произвольные изображения поперечного сечения, независимо от ориентации оси в исходном сканировании или вырезе; Ключ состоит в том, чтобы установить уникальные координаты тела органа по его главным осям инерции.Чтобы проверить наш метод, была проведена серия испытаний, и была успешно извлечена та же самая плоскость поперечного сечения. Этот новый подход предлагает клиницистам доступ после всего лишь одного сеанса сканирования к морфологии и структуре поражения посредством изображений поперечного сечения, реконструированных по произвольным осям. Это также помогает сопоставимому обнаружению морфологических и структурных изменений в одной и той же плоскости изображения на сканированных изображениях одного и того же пациента, сделанных в разное время, что потенциально снижает вероятность ошибочного диагноза при интерпретации изображений поперечного сечения.

1. Введение

In vivo и ex vivo изображение поперечного сечения (CSI) (определяемое здесь как включающее магнитно-резонансную томографию (MRI), компьютерную томографию (CT) и любые изображения серийных срезов человеческого органа) играет все более важную роль в медицине. Клинически он считается золотым стандартом диагностики широкого спектра заболеваний [1–3]. С научной точки зрения анализ CSI является важным этапом в широком спектре исследований [4–9].В частности, многие исследования [10–14] показали, что анализ CSIs имеет ключевое значение при описании и прогнозировании морфологических изменений в органах.

Чтобы использовать CSI для медицинского обследования, требуются надежные методы определения анатомической системы координат, анатомических ориентиров и их взаимосвязи. С 1750 года, когда Эйлер впервые открыл и определил главные оси инерции (PAI), она использовалась для создания системы координат тела для различных методов [15–21].Недавно PAI использовался для определения автоматизированной анатомической системы координат пациента для дистального отдела бедренной кости и проксимального отдела большеберцовой кости [22], для характеристики геометрии костей запястья [23], для исследования вращательных вариаций траекторий височно-нижнечелюстного сустава [24]. ], чтобы измерить анизотропию губчатой ​​кости нижней челюсти [25], а также вычислить напряжения кости, прилегающей к дентальным имплантатам [26].

Несмотря на такое широкое использование CSI, подход, применяемый сегодня, имеет критические ограничения.Например, недавний анализ 117 348 заказов на визуализацию от 3340 клиницистов показал, что компьютеризированные системы поддержки принятия решений в двух из трех случаев не соответствовали выбранным процедурам визуализации на основе МРТ, КТ и ядерной медицины с соответствующими критериями [27]. Если мы напрямую используем CSI, полученные в другом сеансе сканирования, результирующий диагноз может быть ненадежным, потому что пациентам очень трудно сохранять одно и то же положение даже с помощью стереотаксических кадров.Кроме того, сканирование часто выполняется, когда участники находятся в стандартной анатомической позе, но когда интервал между двумя сканированиями большой, воспроизвести предыдущую позу пациента практически невозможно. Более того, другие факторы, такие как разные рентгенологи, разные системы компьютерной томографии, физические изменения участника и даже дыхание, могут затруднить возвращение в идентичную позу [28, 29].

Хотя анализ CSI с использованием анатомической системы координат на основе определения PAI и центра масс (COM) был замечательно использован, решение проблемы сопоставления плоскостей поперечного сечения, извлеченных из «виртуальных органов», реконструированных во время отдельного участка сканирования, является в литературе не сообщается [30–34].Виртуальный орган состоит из конечного числа объемных элементов, и его морфология и структура могут быть выражены через геометрические отношения между этими объемными элементами. Для разрезания такого виртуального органа требуется относительное позиционирование, а это означает, что необходимо установить систему координат тела. Когда мы попытались повысить точность и точность анализа CSI, ориентированного на PAI, мы использовали PAI в качестве координат тела трехмерного изображения органа и столкнулись с новой проблемой: поскольку умножение матриц преобразования, действующих на матрицу (координаты точка, записанная как матрица столбец / строка) не была коммутативной [35], время итерации для вычисления PAI было неопределенным или даже непредсказуемым.Для 2D-изображения для вычисления его COM и PAI требуется только одно перемещение и одно вращение, но для 3D-изображения количество итераций было неопределенным значением и, следовательно, требовало слишком длительного времени обработки.

Принимая во внимание все неисследованные клинические и технические аспекты анализа CSI в медицине, конкретная цель настоящей статьи – представить новый метод, использующий определение PAI для извлечения анатомически идентично расположенных CSI, полученных у разных пациентов или полученных у разных пациентов. один и тот же пациент во время отдельных сеансов сканирования.Кроме того, мы предполагаем, что можно построить итеративную связь во время трехмерной реконструкции виртуального органа, задав условия управления. В частности, ограничивая количество итераций, мы стремимся построить уникальные координаты тела трехмерного органа. Гипотеза была подтверждена путем реконструкции CSI первой плюсневой кости шести участников.

2. Методы и материалы

2.1. Субъекты и изображения

Исследование было одобрено этическим комитетом Фуцзянского педагогического университета.Методы выполнялись в соответствии с утвержденными методическими рекомендациями. Участники предоставили полностью информированное согласие на участие в этом исследовании, подписав письменное согласие.

Два исследования были выполнены в следующих экспериментальных группах: правая стопа одного здорового участника мужского пола сканировалась дважды с интервалом 19 месяцев между сеансами; правая ступня пяти здоровых борцов-мужчин из провинциальной спортивной школы.

Перед сканированием история болезни каждого участника была изучена, и каждому из них была сделана рентгенография, чтобы исключить участников с такими состояниями, как патологические изменения, деформации или травмы стопы.Ступни получали с помощью КТ-сканера (Philips / Brilliance 64; KVP), работающего при 120 кВ. Сканирование проводилось по обеим трансектам стопы сверху вниз. Участников попросили оставаться в стандартном анатомическом положении. Основные морфологические особенности первых плюсневых костей участников, их положение и позы во время сканирования приведены в таблице 1.

2.2. Позиционирование виртуального органа

Положение центра масс органа (ЦОМ) было получено с использованием уравнений, где – набор координат для СОМ органа, – это набор координат для каждого элемента объема в CSI, – это элемент объема. , – плотность элемента объема, – количество элементов объема.

Угол поворота вокруг оси – где – это продукты инерции, вращающиеся вокруг оси -, и моменты инерции.

Позиционные координаты элементов объема после поворота на угол вокруг оси – это угол поворота вокруг оси – где – произведение инерции после поворота вокруг оси – моменты инерции.

Позиционные координаты элементов объема после поворота на угол вокруг оси определены как в (4).

Угол поворота вокруг оси – где представляет собой произведение инерции, вращающейся вокруг оси -, – моменты инерции.

Позиционные координаты элементов объема после поворота на угол вокруг оси are where определены как в (5).

Обработка согласно (2) – (7) выполнялась итеративно. Процесс был завершен тогда и только тогда, когда (обычная погрешность 0,001). Поскольку у PAI нет направления (тогда как у координатной оси оно есть), положение органа меняется после того, как он был установлен. За отправную точку мы взяли стандартную анатомическую позу. Например, когда переднезаднее положение стопы было изменено на обратное, мы перевернули полотно по горизонтали на 180 ° в вертикальном направлении.

2.3. Реконструкция виртуального органа

Реконструированная CSI изотропна: где представляет разрешение CSI (в данном случае 0,5 мм; логическое расстояние среза составляет 0,45 мм, но для обеспечения качества реконструкции мы выбрали большее разрешение), это набор координаты реконструируемых, а и определены как в (1).

Для CSI вдоль одной оси мы получаем вдоль горизонтальной оси, вдоль фронтальной оси и вдоль вертикальной оси В (9) – (11), обозначает точку на оси, с., и определены как в (8) и. Эти уравнения используются для восстановления поперечных сечений вдоль выбранной оси.

3. Результаты и обсуждение

Дедуктивные рассуждения показывают, что объекты асимметричной формы и анизотропно распределенные, такие как человеческие органы [36], имеют уникальные координаты тела [37]. Ключевым вопросом в нашем исследовании было проверить, сохранится ли первоначальная морфология и структура органа после его реконструкции на основе его уникальных координат тела. В совокупности наблюдаемые данные свидетельствуют о том, что предлагаемый метод с использованием трехмерных реконструкций виртуальных органов, ориентированных на PAI, имеет значительный потенциал для сопоставления CSI, полученных в разные моменты времени или от разных участников.

В этом разделе мы используем термин «стандартизация» для обозначения создания системы координат на основе PAI органа и последующей установки COM органа в качестве источника системы координат. Как видно на рисунках 1 (а) и 1 (б), положение и позы участников существенно различались на двух сканированных изображениях. Основываясь на системе координат тела, созданной в соответствии с PAI виртуального органа, мы реконструировали два сканирования CSI плюсневой кости вдоль одной и той же оси (рис. 1 (c)).Возможность выполнения такой операции имеет большое значение для клинической практики, поскольку с помощью нашего метода врачи могут точно позиционировать поражения и наблюдать изменения в них для одной и той же плоскости поперечного сечения, даже если изображения были получены в разных сеансах сканирования. Это позволяет проводить более прямое сравнение, что потенциально может привести к более точному и эффективному диагнозу, поскольку изменения могут быть однозначно обнаружены при многократном сканировании одного и того же места. Таким образом, наш метод может привести к надежному предиктору в клинической диагностике, где визуализация системы координат органа и тела может позволить качественный диагностический анализ CSI, взятых для наблюдаемого органа, с улучшенным качеством и надежностью.

Помимо возможности более прямого сравнения двух изображений, наш метод открывает путь для создания среднего CSI по нескольким изображениям. А именно, виртуальный орган состоит из конечного числа поперечных сечений, что означает, что моделирование среднего органа должно начинаться с средних CSI. С этой целью была проведена вторая часть текущего исследования для анализа набора данных CSI о ступнях шести добровольцев. Для стандартизации были выбраны первые плюсневые кости их левой стопы. После позиционирования CSI были объединены (рисунок 2).Очевидно, положение и позы первых плюсневых костей у участников различаются, как и морфология и структура каждой отдельной кости (рис. 2 (b)). Клинически многие показатели здоровых людей считаются диагностическими стандартами (например, температура, индекс массы тела, артериальное давление и минеральная плотность костей) [38]. Это также верно для CSI. Поэтому необходимо моделировать средний CSI на основе различий между людьми и требований к диагнозу.После того, как длина и ширина по вертикали к основным осям CSI были оценены в процентах, были рассчитаны три средних поперечных сечения первой плюсневой кости от шести добровольцев (рис. 2 (c)). Этот рисунок показывает, что можно восстановить среднее поперечное сечение одного и того же органа у разных участников. На практике попытка сравнить CSI органа у разных пациентов может привести к неверной интерпретации радиологических результатов, если существуют крайние различия между одними и теми же структурами у разных пациентов.Однако предлагаемый подход предоставляет многообещающие возможности для стандартизации протоколов радиологических исследований и сравнения результатов, наблюдаемых в разные моменты времени, а также результатов, полученных в различных исследованиях. Есть основания предполагать, что, хотя существуют вариации, точно определенная CSI может определять средние анатомические результаты. Кроме того, также разумно оговорить, что при одном и том же CSI могут наблюдаться значительные различия, если между двумя временными точками имеют место процессы заживления или патологические процессы, которые могут повлиять на правильное установление PAI.Таким образом, при патологическом процессе при 3D-реконструкции следует учитывать весь орган или иногда даже окружающие его анатомические структуры.

Когда ось сканирования оборудования фиксирована, то же самое верно и для системы координат области сканирования. Система координат тела органа затем определяется положением и позой участника при сканировании. В настоящее время делаются попытки воспроизводимо иммобилизовать пациентов в фиксированном положении с помощью стереотаксических рамок [39].Идеальный подход – разработать метод построения системы координат тела независимо от положения сканирования или оси резания. Наше исследование предлагает такой метод. Мы реконструировали CSI первой плюсневой кости вдоль любой оси (см. Дополнительный файл анимации (доступный здесь)), предлагая прямой пример, иллюстрирующий силу нашего подхода. После того, как орган будет реконструирован на основе его уникальных координат тела, его первоначальная морфология будет сохранена, а также его структура. CSI вдоль произвольных осей отражает структуру органа с разных углов и разных положений.Используя настоящий метод, координаты тела могут вращаться на органе, так что мы можем наблюдать сечение разреза или сканирования по произвольным осям, поскольку виртуальный орган сохраняет свою геометрическую инвариантность посредством таких процессов, как вращение или перемещение [40].

Результаты показали, что, когда мы использовали COM и три PAI трехмерного органа в качестве координаты его тела, мы могли успешно зарегистрировать изображения из сканированных изображений одного и того же участника в разное время или из одного и того же органа разных участников, предполагая, что средний CSI лучше всего подходит для медицинского образования.Инвариантность органа к его преобразованию координат может быть проверена тестами Target Registration Error с точностью до субмиллиметра.

Чтобы рассчитать PAI органа, нам нужно извлечь орган (из каждого поперечного сечения). Эта работа выполняется вручную, что может повлиять на ее воспроизводимость и представляет собой ограничение данного исследования. При восстановлении пикселей, составляющих орган, поворот может привести к некоторым «свободным точкам», которые не принадлежат разделу, разделу или разделу.Мы исследуем, как идентифицировать и определять эти «свободные точки» в будущей работе.

Клиническая значимость представленного подхода заключается в том, что после одного сеанса сканирования клиницист может изучить морфологию и структуру поражения, используя CSI вдоль произвольных осей. Клиницист может проследить морфологические и структурные изменения в одной и той же плоскости поражения с течением времени, используя разные снимки одного и того же пациента. Таким образом, количество ошибочных диагнозов, связанных с CSI, будет снижено.CSI находятся из того же положения и положения, а ошибки контролируются на субмиллиметровом расстоянии. Кроме того, считается, что предложенный метод потенциально может быть использован для настройки ортопедических протезов. Например, после позиционирования и отражения неповрежденной стороны органа мы можем спроектировать и разработать протез для травмированной стороны. Этот протез наиболее близок по свойствам к неповрежденной стороне, и мы можем назвать его специально изготовленным на заказ для человека. Опять же, было продемонстрировано, что представленный метод имеет потенциал для преодоления критического препятствия, заключающегося в отсутствии режущих основных осей в дефектном виртуальном органе травмированной стороны.

4. Выводы

Таким образом, мы продемонстрировали, что построение человеческих виртуальных органов путем наложения сканирования CSI позволяет их позиционировать независимо от оси сканирования или резки. Таким образом, уникальные координаты тела органа устанавливаются на основе их PAI. В результате реконструкция CSI по произвольным осям координат тела органа становится реальностью. Клинически этот метод может широко применяться для наблюдения за CSI при многократном сканировании в одном и том же положении и позе и, следовательно, во избежание ошибочного рентгенологического диагноза.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая [грант No. 11172073, 2017 и 11672075, 2012] и Министерства образования, науки и технологий Республики Сербия [Грант № 45005, 2011]. Авторы хотели бы поблагодарить доктора Аарона Фенстера за его ценные комментарии и предложения, а также Тони Ньюмана, Чаншэн Льва, Бо Чжана и участников за их поддержку.Кроме того, они выражают признательность Гуанчжоускому институту физического воспитания, Центру обработки изображений больницы Чжуцзян и Центру обработки изображений Первой дочерней больницы Цзинаньского университета.

Дополнительные материалы

Дополнительные видеофайлы: r-l-a.flv видеозаписи изменений в аксиальной плоскости границ первой плюсневой кости левой и правой стопы того же участника; r-l-c.flv видеозаписи изменений в коронковой плоскости границ первой плюсневой кости левой и правой стопы того же участника; р-л-с.видеофиксация изменений в сагиттальной плоскости границ первой плюсневой кости левой и правой стопы одного и того же участника; f-s-a.flv видеозаписи изменений в аксиальной плоскости границ первой плюсневой кости правой стопы в первый и второй раз у одного и того же участника; f-s-c.flv видеозаписи изменений в коронковой плоскости первой плюсневой границы правой стопы в первый и второй раз у одного и того же участника; f-s-s.flv изменения видеозаписи в сагиттальной плоскости границ первой плюсневой кости правой стопы в первый и второй раз у одного и того же участника. (Дополнительные материалы)

Говорите физика: Что такое поперечное сечение?

Представьте себе два бильярдных шара, катящихся навстречу друг другу. Вероятность столкновения зависит от простых для понимания концепций: насколько они велики? Насколько точно они нацелены?

Когда вы начинаете говорить о вероятности столкновения частиц, все становится еще сложнее. Вот почему физики используют термин «поперечное сечение».

В отличие от твердых объектов, элементарные частицы сами по себе ведут себя как крошечные волны вероятности.

И их взаимодействие не ограничивается физическим ударом. Частицы могут взаимодействовать на расстоянии, например, посредством электромагнитной силы или силы тяжести. Некоторые частицы, такие как нейтрино, редко взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. Вы можете представить их как голограммы бильярдных шаров, которые иногда переходят в твердое состояние.

Упругая реакция

В физике сечение описывает вероятность взаимодействия двух частиц при определенных условиях.Эти условия включают, например, количество частиц в луче, угол, под которым они попадают в цель, и из чего состоит цель.

«Поперечные сечения связывают теорию с реальностью», – говорит Херардо Эррера, исследователь из Центра исследований и перспективных исследований Национального политехнического института в Мехико и участник эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере. «Они дают представление об основных свойствах частиц. В этом их величайшая польза.”

Поперечные сечения бывают разных видов. Они могут помочь описать, что происходит, когда частица попадает в ядро. В упругих реакциях частицы отскакивают друг от друга, но сохраняют свою идентичность, как два рикошетящих биллиардных шара. В неупругих реакциях одна или несколько частиц разлетаются на части, как бильярдный шар, пораженный пулей. В резонансном состоянии появляются короткоживущие виртуальные частицы.

Неупругая реакция

Эти измерения одного или нескольких аспектов взаимодействия называются дифференциальными сечениями, а итоги всех этих реакций вместе называются полными сечениями.

Физики представляют поперечные сечения в уравнениях греческой буквой сигма (σ). Но после того, как они были измерены в реальных столкновениях, их данные можно представить в виде таких цифр:

Хорхе Г. Морфин, Хуан Ньевесб, Ян Т. Собчик

Этот график взят из статьи о взаимодействии нейтрино и атомных ядер. Вертикальная ось представляет собой вероятность различных реакций (измеряется в квадратных сантиметрах по сравнению с гигаэлектронвольтами), а горизонтальная ось представляет энергию приходящих нейтрино (измеряется в гигаэлектронвольтах).Электронвольт – это мера энергии, основанная на количестве энергии, которую электрон получает после ускорения 1 вольт электричества.

Изображение выше говорит нам, например, что при энергии 10 гигаэлектронвольт наиболее вероятным результатом будет глубоко неупругое рассеяние (зеленая линия), за которым следует резонансное состояние (красная линия) и, наконец, квази-неупругое рассеяние. -упругое событие (синяя линия). Черная кривая представляет собой полное поперечное сечение. Планки погрешностей (тонкие линии, идущие вбок и вверх ногами) указывают предполагаемую точность каждого измерения.

«На этом рисунке вы видите попытку найти общий способ отображения сложных экспериментальных результатов. Этот график показывает, как мы разделяем события, которые обнаруживаем в наших детекторах, – говорит Хорхе Морфин, старший научный сотрудник Fermilab и один из основных авторов статьи.

используются для передачи результатов исследователям с общими интересами. Таким образом, предыдущий поперечный разрез служит способом сравнения данных, полученных в лабораториях, которые используют различные методы измерения и ядерные мишени, такие как NOMAD (ЦЕРН), SciBooNE (Фермилаб) и T2K (Япония).

Ученые, изучающие астрофизику, квантовую хромодинамику, физическую химию и даже нанонауку, используют эти виды графиков, чтобы понять, как частицы распадаются, поглощают энергию и взаимодействуют друг с другом.

Состояние резонанса

«У них так много связей с различными научными областями и текущими исследованиями, – говорит Том Абель, вычислительный космолог из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета.

Например, в поисках темной материи исследователи исследуют, взаимодействуют ли частицы так, как предсказывают теоретики.

«Мы ищем взаимодействия между частицами темной материи и тяжелыми ядрами, или частицы темной материи, взаимодействующие друг с другом», – говорит Абель. «Все это выражено в поперечных сечениях».

Если они видят взаимодействия, отличные от ожидаемых, это может быть признаком влияния чего-то невидимого – например, темной материи.

В мире, где правят вероятность и неопределенность, Эррера отмечает, что концепции квантовой механики могут быть трудными для понимания.«Но сечения – очень ощутимый элемент, – говорит он, – и одно из самых важных измерений в физике высоких энергий».

Используйте диалоговое окно печати браузера, чтобы создать PDF-файл.

Геологические разрезы. Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya

Геологический разрез – это графическое изображение пересечения геологических тел в недрах с вертикальной плоскостью определенной ориентации.Это участок местности, где представлены различные типы скал, их строение и внутренняя структура, а также геометрические отношения между ними. Это приблизительная модель реального распределения горных пород по глубине, соответствующая информации, имеющейся на поверхности и под землей. Он также может представлять собой распространение материалов структур, подвергшихся эрозии, над топографической поверхностью.

Разрез – незаменимое дополнение геологической карты; Карты и разрезы являются результатом интерпретации расположения горных пород с использованием различных типов данных, обычно неполных и с разной степенью неопределенности.Оба являются двумерными представлениями геологической реальности и вместе позволяют нам понять трехмерную структуру скальных объемов и, как следствие, геологическую историю зоны.

Геологические разрезы имеют очень важное экономическое и социальное значение. Они являются основой для планирования инженерных работ, в основном линейных работ, влияющих на поверхность и недра (дороги, туннели, инженерные сети), а также для разведки и добычи геологических ресурсов: воды, камней, полезных ископаемых и энергии.

Построение геологического разреза

Построение геологического разреза включает интерпретацию расположения горных пород как по глубине, так и на топографической поверхности. Он состоит из интерполяции всех доступных данных, как наземных, так и геологических, с целью построения согласованной геологической модели. По этой причине построение геологических разрезов требует применения всех знаний геологических характеристик региона, интерпретируемых в рамках теоретических знаний на данный момент.

Данные на поверхности получают непосредственно на месторождении (направление и наклон пластов или других структур, типы контакта, мощность стратиграфических единиц, латеральные соотношения между ними и т. Д.) (Рисунок 1) или они извлекаются из существующая геологическая карта (геологическая формация или картографическая единица, тип породы, угол пересечения с топографической поверхностью, точечные данные).

Рис. 1: Геологические разрезы могут быть построены путем прямой экстраполяции наблюдений на поверхности.Часто геологическая интерпретация ландшафта дает достаточно информации для построения геологического разреза, особенно в ущельях. На рисунке показано расширение подповерхностного слоя и над топографической поверхностью разреза известняка и горных пород, выходящих на поверхность ниже и выше него. Досягаемость по глубине относительно ограничена.

Без сомнения, качество и точность геологического разреза напрямую связаны с хорошей базой геологической картографии, которая позволяет вывести трехмерное расположение горных пород, временные отношения между ними, а также геометрию и возраст структуры, которые на них влияют.Геологическая карта позволяет нам знать и разграничивать области, характеризующиеся однотипными структурами, это называется «структурным стилем» (рис. 2).

Рисунок 2: На этих рисунках схематично показаны наиболее распространенные «структурные стили». a) горизонтальная плоская или со слегка наклонной слоистостью, b) складки, c) нормальные разломы растяжения, d) надвиги, разломы сжатия, e) складки с ассоциированным расщеплением. В одной и той же области часто можно выделить несколько «структурных стилей», как, например, складчатые структуры в фундаменте, на которые накладываются осадочные материалы плоской структуры, и все это подвержено разломам растяжения (f).

Максимальный объем геологических данных необходим для ограничения возможных интерпретаций и систематического применения основных геологических концепций. Данные о геологической среде получают непосредственно из извлечения керна, проведенного в определенной точке (фото 1), или косвенно, с использованием геофизических методов, которые анализируют распределение физических свойств горных пород, измеренных с поверхности (рисунок 3) или изнутри колодца. Среди наиболее распространенных – вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), которые регистрируют разницу в электропроводности и очень часто используются при разведке подземных вод.

Фотография 1: Извлечение непрерывных кернов позволяет нам из первых рук узнать состав и толщину подземных скальных блоков.

Рис. 3: Геофизические методы дают информацию о физических свойствах подземных пород. На рисунке показан сейсмический профиль (а), на котором можно наблюдать так называемые отражатели: это реакция отражающих их горизонтов на сейсмические волны. Они дают изображение, подобное клиническому ультразвуку.Вертикальный масштаб сейсмических профилей относится к времени, которое требуется сейсмическим волнам, чтобы пройти от источника излучения, расположенного на поверхности, до горизонта, который их отражает, и обратно, чтобы они были зарегистрированы рецептором; время этой вертикальной шкалы, градуированное в миллисекундах, представляет собой время прохождения в двух направлениях (TWT). Чтобы иметь возможность преобразовать вертикальный масштаб в ЛБВ сейсмических волн в вертикальный масштаб в метрах, необходимо знать плотность среды, в которой движутся волны, и их скорость.Для определения этих параметров используются другие геофизические методы, обычно метод рефракции или гравиметрия, поддерживаемые, когда это возможно, данными бурения. На чертеже (b) показаны отражатели, которые можно наблюдать на сейсмических профилях, и показано расположение скальных образований в геологической среде. Наконец, интерпретируемый профиль (c) построен.

Качество и стоимость реализации геологических разрезов тесно связаны с региональными геологическими знаниями; даже в этом случае, как уже отмечалось в разделе, посвященном геологической картографии, из построения геологических разрезов также выводится геологическая теория.

Построение геологического разреза требует выполнения ряда шагов и применения определенных методов для его проверки. Чтобы свести к минимуму степень интерпретации расположения горных пород по глубине и обеспечить надежность разреза, используются геометрические методы, позволяющие правильно интегрировать максимально возможное количество данных (рисунок 4), так как необходимо избегать накопления ошибок на различных этапах построения сечения, особенно на ранних этапах.Таким образом, в областях с простой плоской структурой, с низкими и постоянными провалами стратификации объем экстраполяции данных намного шире. С другой стороны, в областях со складками, нормальными разломами или надвигами необходимо будет применить некоторые ограничения в соответствии с геометрическими моделями, типичными для каждого типа конструкции.

Рис. 4: Экстраполяция данных, как по поверхности, так и по геологической среде, ограничена «структурным стилем»; на рисунке показаны геометрические модели разломов растяжения (а) и сжатия (б).

Проекция данных поверхности и геологического разреза на плоскость поперечного сечения является критическим этапом при построении геологического разреза. Для этого необходимо определить трехмерную геометрическую модель, адаптированную к ориентации различных поверхностей, учитывая, что данные можно проецировать только на плоскость поперечного сечения параллельно конструкциям.

Вертикальный масштаб геологического разреза всегда должен совпадать с горизонтальным масштабом, чтобы избежать деформированного представления геологических тел.В поперечных разрезах, сопровождающих геологическую карту, еще более важно, чтобы оба масштаба были одинаковыми, чтобы облегчить сравнение и интеграцию информации. Бывают случаи, когда графическое представление геологической конфигурации на картах и ​​в поперечном разрезе очень похоже, например, когда обнаруживается, что геологические структуры имеют крутой наклон. Таким образом, изображение геологического разреза любого объекта под углом 45º, такого как складка с осью врезания, такое же, как и изображение разреза в горизонтальной плоскости, и очень похоже на его картографическое изображение.

Когда кто-то хочет представить поперечное сечение недавних отложений или относительно тонких отложений, необходимо преувеличить вертикальный масштаб поперечных сечений (рисунок 5). Эта система представления используется в проектах линейных работ (рис. 6), в которых все объекты недр, естественные или созданные человеком, преувеличены, чтобы облегчить чтение.

Рис. 5: В областях с недавними отложениями, плейстоценом и голоценом, их конкретные геологические разрезы построены с преувеличенным вертикальным масштабом.На этой, в частности, изображены травертины и карбонатные илы озера Баньолес (Геологическая карта Каталонии 1: 25.000).

Рисунок 6: Геологический разрез проекта подземных работ в городских недрах. Вертикальный масштаб и, как следствие, высота всех объектов по вертикали преувеличены.

Глубина построения разрезов зависит от масштаба работ, геологических характеристик зоны, целей разреза и имеющихся данных о геологической среде.Поэтому, например, геологические разрезы, сопровождающие общие геологические карты и сделанные с использованием данных о поверхности, имеют глубину, которая колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. В районах, где имеется информация от разведочных кампаний углеводородов, в основном скважин (рисунок 7) и метода отражения (рисунок 3), глубина разрезов достигает 6 или 7 километров.

Рис. 7: Карта расположения разведочных нефтяных скважин на суше и на морской платформе.Данные исследований необходимы для построения геологических разрезов.

С другой стороны, в структурно сложных областях, затронутых несколькими системами складок, подобных тем, которые часто наблюдаются в герцинских материалах, вертикальный охват поперечных сечений обычно намного меньше из-за сложности экстраполяции данных на глубину. В случае недавних материалов, таких как речные отложения, репрезентативная глубина редко превышает несколько десятков метров (рис. 5).

По мере развития знаний о строении и поведении земной коры и литосферы (рисунок 8) построение разрезов с глубиной более 100 км стало обычным делом в масштабе земной коры или литосферы из-за роста доступность глубоких геологических данных, таких как сейсмические отражения, магнитотеллурические данные, гравиметрия и сейсмическая томография.

Рис. 8: Внутренняя структура и строение Земли известны благодаря интерпретации геофизических данных. Классическое разделение относится к составу различных слоев: динамическое разделение относится к их механическому поведению. Выше – детали структуры самой удаленной части Земли (с изменениями из Kearey and Vine, 1990).

Сбалансированные поперечные сечения и восстановленные поперечные сечения

E Самый обычный метод оценки и подтверждения геологического поперечного сечения области с определенными структурными стилями (складчатые структуры, разломы растяжения или надвиги) заключается в проверке того, что является назвал его «ретро-деформируемостью».Другими словами, должна быть возможность отменить деформацию, чтобы иметь возможность интерпретировать, как различные геологические единицы были расположены до деформации. Ретро-деформируемое поперечное сечение называется сбалансированным поперечным сечением, если поперечное сечение или поперечные сечения, которые постепенно устраняют деформацию, являются частично или полностью восстановленными поперечными сечениями (рисунок 9).

Рис. 9: Геологический разрез, сбалансированный разрез и геологический восстановленный разрез до недеформированного состояния.Они показывают ситуацию и взаимосвязь между каменными массивами в разные моменты их геологической истории до и после деформации и эрозии.

Восстановленное поперечное сечение сохраняет сцепление горных пород до и после деформации без наложения или промежутков между двумя стадиями. Интерпретация структур в сбалансированном поперечном сечении всегда должна согласовываться со структурами, наблюдаемыми в регионе, то есть со структурным стилем.Шаг между восстановленным сечением и деформированным, как трактуется в настоящее время, должен быть кинематографически и механически согласованным. Основная цель построения сбалансированных разрезов – избежать внесения геометрических ошибок при построении геологических разрезов. Этот метод также позволяет рассчитывать значения укорочения и растяжения, связанных с образованием тектонических структур, и делать палинспастические реконструкции, т.е.е., те, в которых геологические материалы расположены на позициях, которые они занимали в определенные моменты геологической истории.

За последние несколько лет достижения в области информатики позволяют нам разрабатывать методы построения геологических моделей непосредственно в трех измерениях. В ближайшем будущем работа и визуализация в трехмерных вычислениях станут рутинными, а карты и поперечные сечения станут частью одной и той же реальности, видимой с разных точек зрения.

Поперечные сечения поверхности

В общем случае график уравнения с тремя переменными представляет собой поверхность это плавает в трех измерениях. Если можно написать уравнение в виде $ z = f (x, y) $, то поверхность является график функции $ f (x, y) $. В противном случае поверхность может рассматриваться как определено неявно из уравнение.

К сожалению, трехмерный график поверхности больше сложно нарисовать и визуализировать графики кривых в двух измерениях.Часто мы можем получить представление о поверхности, составив серию графиков кривых в двух измерениях.