Томограммах выполненных проекциях трехмерное: Обратная сторона томограммы

Обратная сторона томограммы

Расскажите о побочных эффектах компьютерной томографии. Степановы, Минск.

 

Александр Алешкевич, заведующий кафедрой лучевой диагностики и лучевой терапии БГМУ, кандидат мед. наук, главный внештатный специалист комитета по здравоохранению Мингорисполкома:

 

— Компьютерная томография (КТ), или рентгеновская компьютерная томография (РКТ), — один из самых современных методов лучевой диагностики, когда при круговом движении рентгеновской трубки получают поперечные послойные срезы любой части тела головной мозг, позвоночник, органы грудной, брюшной полостей и забрюшинного пространства, костно-мышечная система и др.).

 

РКТ позволяет получить изображение нескольких поперечных срезов с различным томографическим шагом (от 2 до 5 мм и более). Плотность органов фиксируется специальными датчиками, математически обрабатывается компьютером и воспроизводится на экране дисплея. Различия плотности автоматически объективируются по шкале Хаунсфилда (по имени одного из изобретателей КТ).

Это позволяет хорошо видеть на полученном изображении костные структуры, мягкие ткани, жидкость и воздух, что недоступно при обычной рентгенографии.

В последнее время появилась новая разновидность компьютерной томографии — спиральная РКТ. В отличие от пошагового 
метода, запись в память компьютера производится непрерывно, потому что рентгеновская трубка совершает круговые движения при одновременном продвижении стола, на котором находится пациент. При спиральной РКТ возможна трехмерная реконструкция изображения (3D-режим) с высоким пространственным разрешением.

Диагностика заболеваний легких (пневмония, опухолевые заболевания) с помощью РКТ является самым точным, информативным из всех методов лучевой диагностики. Но его использование связано со значительной лучевой нагрузкой на пациента. При РКТ она в несколько десятков раз превышает дозу обычной рентгенографии, например, органов грудной полости, выполненной в 2 проекциях. Поэтому необходимо использовать РКТ только по строгим медпоказаниям.

 

Наталья Луговая
Медицинский вестник, 12 марта 2011

 

 Поделитесь

Оптимальный выбор методов лучевой диагностики

Порядок направления пациентов на исследования в кабинеты спиральной рентгеновской и магнитно-резонансной томографии. (специалистам)

1. Лечащим врачам, при направлении больных на данные диагностические методы исследования, необходимо учитывать диагностическую эффективность каждой методики при обследовании различных органов и систем и показания к их проведению.
(При затруднении с выбором наиболее информативного метода диагностики рекомендована консультация со специалистами кабинетов КТ/МРТ.)
2. Все исследования проводятся строго при наличии клинических показаний, либо при сомнительных данных других методик (УЗИ, КТ, МРТ, сцинтиграфия и др.), подготовке к оперативным вмешательствам, контроле проводимого лечения (в том числе ответ на проводимую химиотерапию).

3. Окончательное решение о проведении исследования принимает врач–рентгенолог кабинета КТ/МРТ, он же определяет необходимые методики и объём проводимого исследования (в том числе, выполнение исследования с использованием контрастных веществ).
4. При проведении внутрисосудистых контрастных исследований с применением рентгеноконтрастных веществ обязательным является заполнение направления информированного согласия пациента на исследование установленной формы.

В настоящее время в лечебных учреждениях используются следующие методы лучевой диагностики:

1. Рентгенодиагностика традиционная (рентгенография, рентгеноскопия). Метод основан на регистрации рентгеновского излучения, прошедшего через тело пациента в одной проекции.
2. Рентгеновская компьютерная томография

(МСКТ/КТ). Метод основан на получения послойных изображений в аксиальной проекции с дальнейшими трёхмерными и мультипланарными реконструкциями.
3. Магнитно-резонансная томография (МРТ). Метод получения послойных и объёмных изображений основан на явлении ядерного магнитного резонанса.
4. Ультразвуковая диагностика (УЗД). Метод получения послойных изображений основан на изучении отражения ультразвуковых волн от тканей.

По способности вызывать ионизацию тканей методы лучевой диагностики делятся на ионизирующие (КТ, рентгеновские и радионуклидные исследования) и неионизирующие (УЗИ, МРТ).

Выбирая для решения конкретной клинической задачи тот или иной метод диагностики, врач должен опираться на следующие критерии:

1. Информативность метода. Диагностика не должна идти от простого к сложному, необходимо сразу выбирать наиболее информативные методы.
2. Вредность для пациента. Во всех случаях применения рентгеновского (ионизирующего) или инвазивного исследования должно быть серьёзное обоснование. Рентгеновское исследование должно быть заменено на радиационно безопасное УЗИ в случаях сопоставимости методов.

3. Экономические затраты. Ценность метода прямо пропорциональна его информативности и обратно пропорциональна вреду и стоимости. Применение дорогостоящих технологий МРТ и МСКТ оправдано только при строгом клиническом обосновании.
4. Доступность метода.

Заболевания центральной нервной системы

Лучевая диагностика патологии позвоночника и спинного мозга
Позвоночник первично исследуют методом рентгенографии (стандартная спондилография в двух проекциях). При необходимости уточнения естественной подвижности в позвоночных сегментах выполняют функциональные снимки. 

Противопоказаниями для функциональных проб являются:
· Неврологический дефицит (двигательные и чувствительные нарушения).
· Костные повреждения:

В диагностике патологии шейного отдела позвоночника с наличием мозговой симптоматики или пирамидных нарушений необходимо исследование кровотока артерий головы в области шеи – дуплексное УЗИ и МР-ангиография.
Для определения типа и величины деформации позвоночника проводится спондилография.
МРТ рекомендуется   при подозрении на миелопатию.
В диагностике дегенеративно-дистрофических заболеваний (остеохондроз, спондилёз, спондилартроз ) основной метод визуализации – рентгенография. КТ и МРТ не должны применяться для диагностики указанной патологии.
 МРТ – «золотой стандарт» для исследования межпозвонковых дисков -применяется в диагностике грыж межпозвонкового диска. 
В поясничном отделе допустимо (при невозможности МРТ) применение КТ для выявления грыж.
В шейном и грудном отделах применение КТ для выявления грыжи межпозвонкового диска не показано из-за низкой информативности. МРТ-метод выбора в дифференциальной диагностике послеоперационных фиброзных изменений от рецидива грыжи, причем применение контрастирования повышает точность.

КТ/МРТ – методы диагностики стенозов позвоночного канала.
Методом выбора для исследования связок, нервных корешков, структур позвоночного канала является МРТ. МРТ –«золотой стандарт» диагностики поражений спинного мозга любого генеза.
КТ не применяют для обзорного исследования отделов позвоночника. КТ назначается строго учитывая локализацию изменений    в ограниченном числе сегментов   позвоночника   и изменений паравертебральных мягких тканей исследуемой зоны.
В диагностике опухолей позвоночника при выявлении на спондилограммах изменений, подозрительных на опухоль, применяют КТ и МРТ для уточнения выявленного поражения и стадирования опухоли.   

В диагностике воспалительных заболеваний (специфические и неспецифические спондилиты) позвоночника необходимо комплексное лучевое исследование: рентгенография, КТ, МРТ с учётом информативности и показаний для каждого метода в зависимости от стадии и локализации заболевания.

В диагностике туберкулёзного спондилита (спондилитов другой этиологии) необходимо комплексное применение лучевых методов. Первично должны быть выполнены   рентгенография и МРТ.

Традиционные рентгенотомографические методы эффективны в развёрнутой стадии заболевания. МРТ информативна уже на ранних фазах спондилита и метод выбора для выявления причин неврологических нарушений. КТ применяется дополнительно после выполнения рентгенографии и МРТ в качестве метода, уточняющего характер патологических изменений.

 КТ и МРТ эти методы не конкурирующие, а дополняющие друг друга.

В качестве первичного метода диагностики поражений головного мозга возможно применение КТ.

Внутривенное контрастирование повышает точность диагностики.
МРТ первично рекомендуется в выявлении изменений в задней черепной ямке, стволовых и срединных структурах при наличии соответствующей неврологической симптоматики.

КТ более информативна для диагностики костных поражений черепа, внутричерепных обызвествлений, свежего внутричерепного кровоизлияния. 

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) 

Пациентам с черепно-мозговой травмой в первую очередь проводится КТ как наиболее эффективный метод диагностики повреждений костных структур основания черепа, головного мозга, его оболочек и сосудов. При тяжелой ЧМТ выполняют КТ по срочным показаниям.

Показания к КТ при ЧМТ:

1. Наличие очаговой неврологической симптоматики.
2. Нарушения сознания.
3. Проникающие повреждения.
4. Вдавленные переломы черепа.
5. Выявление крови при люмбальной пункции.
6. Нарастающая симптоматика в первые дни после травмы.
7. Механизм травмы, характерный для повреждения головного мозга.

МРТ применяют в диагностике ушибов головного мозга, подострых и хронических кровоизлияний (с 3-х суток и позднее после травмы), диффузно-аксональных повреждений (ДАП).
МРТ наиболее информативный метод визуализации отёка головного мозга, ДАП у больных, находящихся в коме.
Традиционная краниография информативна в диагностировании переломов костей свода черепа. Рентгенография может не выполняться после проведения КТ, при которой выявлены костные повреждения или показания для экстренной операции.

 Опухоли головного мозга

 Ни один из методов лучевой диагностики не является всеобъемлющим для диагностики опухоли. Требуется, как правило, комплексное исследование – КТ и МРТ. Для повышения информативности исследования и дифференциальной диагностики требуется контрастное усиление йодсодержащим или парамагнитным контрастным средством.
Установление томографическими методами вероятного гистологического строения опухоли не всегда возможно.

В диагностике опухолей задней черепной ямки, гипофиза первично рекомендуется МРТ. 
В качестве послеоперационного    контроля    радикальности удаления опухоли рекомендовано МРТ с контрастированием.

Метастазы в головном мозге

В диагностике метастазов информативны МРТ и КТ с контрастированием. При выявлении одиночного объёмного образования, подозрительного на метастаз, при отсутствии данных за первичную злокачественную опухоль, требуется комплексное обследование, направленное на поиск первичной опухоли.

Опухоли черепно-мозговых нервов

Метод выбора при подозрении на невриному – МРТ. При МРТ визуализируются слуховые (VII-VIII раздельно не дифференцируются) и, не всегда, тройничные нервы (V пара).
Для выявления деструкции пирамиды височной кости дополнительно – КТ.

Сосудистые заболевания

При острых нарушениях мозгового кровообращения (ОНМК) любого типа первично показана КТ (дифференциальная диагностика геморрагического и ишемического инсульта). Это принципиально, т.к. при ОНМК по ишемическому и геморрагическому типу лечение различное.
КТ выявляет минимальные кровоизлияния немедленно после образования, поэтому при клинической картине ОНМК и отсутствии на томограммах изменений, характерных для геморрагического инсульта, предполагается ишемический инсульт (ИИ).
МРТ более чувствительна в диагностике ишемических поражений мозга независимо от стадии заболевания. МРТ -метод выбора для выявления стволовых, мелких лакунарных инфарктов и ишемических очагов, локализующихся в задней черепной ямке (хуже определяемых при КТ).
Использование КТ или МРТ зависит от момента начала инсульта, т.е. сроки выявления ишемического поражения мозга имеют первостепенное значение для выбора метода визуализации.
В острой стадии развития ишемического инсульта (до 6 часов) повреждение мозговой ткани на нативной КТ определить невозможно. В этот период с целью уточняющей диагностики ишемического инсульта и дифференциации зон необратимого/обратимого повреждения мозговой ткани необходимо проведение перфузионной КТ (при отсутствии КТ-признаков геморрагического инсульта). Кроме того, перфузионная КТ позволяет определить степень снижения мозгового кровотока при ишемическом инсульте. При невозможности перфузионной КТ показана МРТ с оценкой диффузии (МРТ-ДВИ) и состояния интракраниальных артерий (МРА).
В первые сутки заболевания МРТ-ДВИ более информативна, чем нативная КТ. В период с начала вторых суток до 8 суток от начала заболевания информативны как КТ, так и МРТ.
Повторные КТ/МРТ не применяют для наблюдения за течением заболевания в процессе лечения. Однако КТ рекомендуется для диагностики осложнений инсульта (объёмное воздействие, вторичное кровоизлияние, развитие гидроцефалии). 

При подозрении на острое внутричерепное кровоизлияние первично показана КТ

Выявляемость субарахноидальных кровоизлияний (САК) при КТ наиболее максимальна в первые сутки, затем она постоянно снижается и через 1-2 недели признаки кровоизлияния практически не определяются. КТ-ангиография значительно повышает эффективность выявления локализации и причины нетравматического кровоизлияния, однако наличие кровоизлияния затрудняет обнаружение малых артериальных аневризм.
МРТ-диагностика внутримозговых и субарахноидальных кровоизлияний в первые сутки затруднительна. В подострой (3-14 день) и хронической стадиях (больше 14 дней) МРТ высоко информативна.

 В диагностике вариантов и пороков развития сосудов головного мозга, в т.ч. артериальных аневризм и сосудистых мальформаций – первично рекомендуется МРТ в сочетании с МР-ангиографией.
КТ-ангиография – метод уточняющей диагностики, особенно при неубедительных данных МРТ.
В сомнительных случаях и при планировании оперативного лечения выполняется церебральная ангиография.
Для исследования экстракраниальных сосудов (ветви дуги аорты) первично применяют дуплексное УЗ-исследование. Уточняющими методами выявленных патологических изменений являются МРА и КТА.

Воспалительные заболевания (абсцесс, менингит) – МРТ или КТ с контрастированием

Вирусные инфекции (энцефалиты) МРТ –метод выбора.
Паразитарные инфекции мозга – КТ.    При подозрении на паразитарное поражение мозга необходимо дополнительно КТ-исследование грудной клетки и брюшной полости (диагностика легких и печени).
Демиелинизирующие заболевания (рассеянный склероз и др.) МРТ – метод выбора + контрастирование
Эпилепсия – МРТ и/или КТ.
Гидроцефалия – МРТ или КТ
Дегенеративные и метаболические заболевания – МРТ и КТ. 
Заболевания головы и шеи
Заболевания околоносовых пазух. Для визуализации околоносовых пазух первичный метод – рентгенография. При хронических атипично протекающих синуситах, а также при невозможности эндоскопического осмотра, с целью уточнения характера выявленных изменений и дифференциальной диагностики применяют КТ. МРТ для уточняющей диагностики.

Показания для КТ

· Хронический атипично протекающий риносинусит.
· Диагностика вариантов развития пазух.
· Определение распространенности патологического процесса.
· Оценка состояния глубоких мягкотканных структур.
· Осложнения риносинусита (субпериостальный абсцесс, остеомиелит костей черепа и др.).
· Полипы и полипоз полости носа и околоносовых пазух.
· Гранулёматоз Вегенера.
· Опухоли околоносовых пазух.
· Планирование хирургического и/или лучевого лечения.

Показания для МРТ

· Для выявления интракраниального и интраорбитального осложнения и распространения синусита.
· В дифференциальной диагностике грибкового процесса от воспаления другой этиологии.
· Дополняет КТ в комплексной диагностике и оценке распространённости опухолей.

Заболевания глаза

В диагностике заболеваний и повреждений глаза и глазницы применяют УЗИ, КТ и МРТ.
УЗИ и МРТ – методы выбора для выявления отслойки сетчатки. Кроме того, УЗИ применяют в диагностике гемофтальма и внутриорбитальных инородных тел.
КТ и МРТ показаны в диагностике опухолей и воспалительных процессов.
КТ дополняет МРТ в выявлении обызвествлений и костно-деструктивных изменений. МРТ используют для диагностики неметаллических инородных тел глаза, подострых и хронических кровоизлияний (8-21 сутки).
МРТ противопоказана при металлических инородных телах в орбите. 

Основные показания для КТ и МРТ

· Сосудистые опухоли орбиты – КТ с контрастированием. МРТ для уточнения.
· Дермоид и эпидермоид орбиты – КТ. МРТ для уточнения.
· Идиопатическая псевдоопухоль орбиты – МРТ.
· Опухоли зрительного нерва – МРТ. КТ для уточнения.
· Неврит зрительного нерва – МРТ метод выбора.
· Меланома глазного яблока – первично УЗИ. МРТ для уточнения.
· Ретинобластома –комплексное МРТ/КТ -исследование.
· Опухоли слёзной железы – КТ. МРТ для стадирования злокачественной опухоли.
· Лимфопролиферативные заболевания глазницы -МРТ.
· Абсцесс орбиты – МРТ, особенно при подозрении на внутримозговые осложнения (МРТ), КТ для оценки костных изменений стенок глазницы.
· Травма глаза – КТ метод выбора: определение повреждений стенок глазницы, выявление инородных тел, острых внутриглазничных кровоизлияний.        

Заболевания мягких тканей шеи

УЗИ –первичный метод визуализации кист, воспалительных изменений и лимфатических узлов (в т.ч. непальпируемых). При неубедительных УЗ-данных показана КТ.
МРТ с контрастом –метод выбора для выявления и оценки распространённости опухолевого процесса.
КТ с контрастом при невозможности выполнения МРТ. 

Заболевания уха

При аномалиях развития и болезнях среднего и внутреннего уха   метод выбора –КТ.
Специальные рентгенографические укладки по Шулеру, Майеру, Стенверсу при возможности выполнения КТ второстепенны по информативности.
При подозрении на перелом височной кости метод выбора -КТ.
Для диагностики внутричерепных осложнений заболеваний среднего уха показана и МРТ.
МРТ рекомендуется для выявления поражения вестибуло-кохлеарных нервов у больных с нейросенсорной тугоухостью.

Заболевания глотки и гортани

Для уточнения распространенности опухолевого или воспалительного процесса, оценки регионарных лимфатических узлов и получения дополнительной информации -МРТ или КТ с контрастом.
В лучевой диагностике заболеваний гортани первоначально рекомендуется выполнить боковую рентгенограмму шеи и линейную томографию гортани. Эта методика достаточно информативна, особенно для диагностики подсвязочных стенозов гортани и стенозов трахеи. 

Воспалительные заболевания челюстей

 Лучевая диагностика остеомиелита зависит от стадии. В острую стадию рентгеновская картина негативна. При УЗИ в этот период возможно выявление скопления гноя под надкостницей и в мягких тканях. Первые рентгенологические признаки появляются через 10-14 дней от начала заболевания.
В подострой и хронической стадиях проводят рентгенографические исследования, при необходимости КТ.

Новообразования челюстей

В диагностике одонтогенных и неодонтогенных кист и доброкачественных опухолей первично показаны рентгенограммы; при необходимости дополнительно используют КТ.

Гемангиома

(в мягких тканях или внутри кости) выявляется рентгенографически, КТ и КТА применяют для определения её распространённости.
Рентгенография –основной метод диагностики фиброзной дисплазии. 

Злокачественные опухоли (рак, саркома, метастазы) –основные методы рентгенография и КТ. МРТ позволяет выявить рак слизистой оболочки верхнечелюстной пазухи на ранней стадии (до появления костной деструкции) и на поздней стадии дополняет КТ в оценке распространённости процесса.
В диагностике рецидивов применяют комплексное рентгенологическое исследование: рентгенография, КТ и МРТ.

Заболевания слюнных желез

Лучевая диагностика заболеваний слюнных желез основывается на применении УЗИ (в первую очередь) и сиалографии.
При осложнениях и подозрении на злокачественное поражение применяют МРТ.

Заболевания височно-нижнечелюстного сустава (ВНЧС)

В лучевой диагностике заболеваний ВНЧС (деформирующий артроз, артрит) применяют рентгенографию, КТ и МРТ.
МРТ–метод выбора в диагностике функциональных нарушений ВНЧС.

Травмы челюстно-лицевой области (ЧЛО)

1. Больным с изолированными повреждениями лицевого скелета показана рентгенография в стандартных и/или специальных укладках.
2. Для поиска рентгеноконтрастных (металлосодержащих) инородных тел ЧЛО первично показана рентгенография.
3. КТ – метод выбора для уточнения локализации инородного тела по отношению к структурам орбиты.
4. КТ показана в случаях внутричерепных инородных тел.
5. КТ – метод выбора при множественной и комбинированной травме, сложных случаях.
6. КТ показана при огнестрельных и взрывных повреждениях лицевого скелета.
7. КТ показана при выборе тактики лечения и планировании пластических операций.

    

Смирнов В.В. – к.м.н, врач высшей квалификацинной категории.
Саввова М.В. – врач высшей квалификацинной категории.

Сеть стоматологий Альдента в Красноярске

Компьютерная томография в сети стоматологических клиник Альдента- это современный подход к диагностике: быстрый, точный и безопасный.

В двух наших клиниках ( на ул. Ленина, 104 и ул. Чернышевского, 75) установлены томографы высочайшего качества PLANMEСA ProMax 3D Mid.

В чем заключается особенность томографа:

Зачастую у пациентов имеются проблемы, которые сложно диагностировать с помощью стандартного рентген или панорамного снимка. Они дают статичное плоскостное 2D-изображение, а посмотреть объект в другой проекции или под иным углом уже невозможно, необходим новый снимок.

Что же показывает компьютерная томография, сделанная в Альденте:

• наличие скрытых кариозных полостей
• травмы зубов
• строение корневых каналов зубов
• наличие в них воспалений
• объем костной ткани
• состояние мышц
• новообразования челюстно-лицевой области
• наличие в них воспалений

Компьютерный томограф исследует необходимую область под любым удобным углом, с любой стороны и увеличивает изображение до нужных размеров.

По времени компьютерная томография челюсти в нашей клинике занимает около минуты. За это время аппарат делает более 200 срезов в различных проекциях, из которых потом создается трехмерное изображение. Врач-стоматолог может легко рассмотреть нужную область. Такое детальное обследование помогает выявить все виды стоматологических заболеваний, диагностировать заболевания височно-нижнечелюстного сустава, а также позволяет оптимальный план лечения для пациента.

Преимущества 3D-томографа:

• Качественное изображение

Благодаря высокой четкости и возможности многократного увеличения снимка можно рассмотреть зубочелюстную систему во всех деталях

• Нужный формат снимка

Полученные отдельные части изображения можно распечатать или просматривать в электронном виде

• Безопасность исследования

Компьютерная томография на современном аппарате практически безвредна — лучевая нагрузка минимальна

• Точная диагностика

Детальное обследование в формате 3D гарантирует правильную постановку диагноза для получения предсказуемого и эффективного результата лечения.

Способ трехмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза при переломах области голеностопного сустава

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, области лечения травм опорно-двигательного аппарата с помощью программно реализуемых и моделируемых способов операции внеочагового остеосинтеза.

Целью любого моделирования является оказание максимально информативной помощи врачу в построении алгоритма действий во время реальной операции. При этом врач – травматолог-ортопед визуально должен четко увидеть то, что будет происходить с костными элементами под влиянием его манипуляций. Достичь наглядности в таком визуальном пособии позволяют методы компьютерной трехмерной графики.

Известен способ автоматизированной коррекции, который заключается в определении расположения плоскостного шарнирного соединения с целью последующего устранения всех компонентов деформации по оптимальной методике. Для оптимизации чрескостного остеосинтеза использовалась программа «Остеокинез» и методика его клинического применения (М.Ф. Егоров, О.Г. Тетерин «Использование компьютерной программы «Остеокинез» в чрескостном остеосинтезе». – Анналы травматологии и ортопедии, 1998, №2-3, с. 88-96).

Известен способ коррекции многоплоскостных деформаций, который осуществляется с помощью программы, позволяющей по фронтальной и сагиттальной проекциям рассчитать и увидеть на дисплее пространственную модель деформации в целом и с заданной величиной ротации в 5, 10 и 15 градусов, найти оптимальный уровень остеотомии на экране, создать пространственную модель кости до и после коррекции. Метод использован для лечения сложной ортопедической патологии (ложные суставы, неправильно сросшиеся и несросшиеся переломы и др.), сопровождающейся деформациями длинных костей конечностей (А.В. Скляр «Использование ЭВМ при планировании операционной коррекции многоплоскостных полисегментарных деформаций нижних конечностей» – в сб. докладов международной конференции «Метод Г.А. Илизарова – перспективы и достижения», посвященной памяти академика Г.А. Илизарова // Курган, 1993, с. 104-176).

Известен программно реализуемый цифровой способ моделирования операции внеочагового остеосинтеза при переломах конечностей (патент РФ №2199152, G09B 23/28, А61В 17/58, 20.02.2003, Слободской А.Б.), основанный на использовании компьютера, оборудованного средствами ввода и визуализации изображения, и включающий выполнение ввода изображения рентгенограмм места перелома, калибровку оптической плотности рентгенограмм, геометрическое масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображения, обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей с получением каждой из них своего геометрического адреса, редактирование изображения с помощью группы инструментов выделения и транслокации, для чего в двухмерной плоскости XY виртуально перемещают каждый отломок с сохранением в памяти каждого эпизода, выполняют функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, ротационного и углового перемещения отломков, полную виртуальную репозицию отломков и составляют реальный план операции.

Этот способ впервые применен для моделирования репозиции при острой травме (переломах костей) и взят в качестве прототипа, являясь эволюционным предшественником предложенного метода (патент РФ №2285475, 30.07.2004 г., Слободской А.Б., Попов А.Ю.).

Недостатком способа является то, что все виды смещений отломков костей, за исключением ротационных, устраняются по шаблонам рентгенограмм, в программах 2-х мерной графики, что не дает реального формата происходящего действия. В 3-х мерном редакторе проводилось устранение ротационных смещений отломков костей. Для чего, после замеров геометрических параметров отломков в двухмерном редакторе, вручную, производилось построение трехмерной модели области перелома в редакторе с возможностью векторной графики. Таким образом, процесс трансформирования изображения из растрового в векторный формат происходил достаточно примитивно и сложно.

Задачей изобретения является разработка способа трехмерного моделирования операции внеочагового чрескостного остеосинтеза, базирующегося на данных изображений рентгенограмм.

Технический результат изобретения – улучшение функциональных и анатомических результатов оперативного лечения, повышение качества и эффективности выполняемых операций чрескостного остеосинтеза при переломах голеностопного сустава, сокращение сроков консолидации и реабилитации пациентов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Способ трехмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза при переломах области голеностопного сустава основан на использовании компьютера, оборудованного средствами ввода и визуализации изображения, и включает ввод изображения рентгенограмм места перелома, калибровку оптической плотности рентгенограмм, геометрическое масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображения, обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей, при этом выполняют функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, ротационного и углового перемещения отломков, полную виртуальную репозицию отломков, причем используют компьютерную программу 3D-графики виртуальной трехмерной модели костных структур области перелома на основе сканограмм, выполненных с оригинальных рентгенограмм травмированного сегмента тела, при этом выстроенные костные структуры масштабируют до точного сопоставления виртуальных размеров, форм, соотношений и антропометрических данных пациента, причем изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости получает собственную систему координат с центром в точке, локализацию которой оператор может изменять по необходимости, выстраивают алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают по заданной траектории до полной виртуальной репозиции, при этом центр каждого трехмерного фрагмента имеет свой геометрический пространственный адрес и все его перемещения отслеживают на мониторе в виде цифровых данных и сохраняют в памяти компьютера, а каждое перемещение в виде этапа виртуальной репозиции фиксируют отдельно, и на основании полученной информации составляют план реальной операции. Способ может применяться при использовании аппарата Илизарова.

Пространственное моделирование является более наглядным при сравнении с плоскостным: на экране монитора врач может отследить все манипуляции с костными фрагментами в том виде, в каком они будут проходить во время реальной операции. Данный способ подразумевает экономическую выгоду за счет отказа от использования дорогостоящих программ моделирования типа «Остеокинез». В лечебных учреждениях, не оснащенных спиральным компьютерным томографом, данный способ практически копирует функцию спиральной компьютерной томографии при условии меньших технических и экономических затрат, что делает его доступным к применению любым специалистом, в распоряжении которого имеется компьютер с инсталлированной программой 3D-графики.

Для выполнения поставленной задачи необходим достаточно мощный компьютер (не менее Pentium 200 с 128 MB ОЗУ), оборудованный средствами ввода и визуализации изображения, а также программное обеспечение по обработке ввода и визуализации изображения, программное обеспечение по 3D-графике. Цифровой анализ изображения может проводиться в любой из программ векторной графики, разработанной как стандартное приложение операционной среды Windows, с возможностью построения объектов в трех измерениях. Пространственное моделирование проводилось в программе трехмерной графики 3D MAX Studio 3.0, 5.0. Протоколирование изображений этапов виртуальной операции и текстовых заключений выполнялось в программе Microsoft Office 2000.

Моделирование изобретения производится следующим образом:

1. Выполнение стандартного рентгенологического исследования пациента на момент поступления в лечебное учреждения после травмы, включающего рентгенографию травмированного сегмента конечности в двух взаимоперпендикулярных проекциях, при необходимости дополненных атипичными косыми проекциями и томограммами.

Обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей, составляющих голеностопный сустав. Снятие антропометрических данных травмированной конечности больного сразу после рентгенографии с ориентацией на выступающие участки костных структур. Сравнение полученных данных рентгенометрии и антропометрии, вычисление коэффициента геометрического увеличения рентгеновского изображения для учета его при введении данных истинных геометрических размеров трехмерных объектов.

2. Ввод изображения рентгенограмм в компьютер с помощью лазерного сканера «Mastek 1200 UB Plus» в цветовом режиме «Gray» с глубиной изображения оттенков серого до 8 разрядов (бит) и разрешающей способностью до 1200 dpi. Сканировались рентгенограммы области перелома в двух проекциях.

3. Удаление артефактов пленки и скан – штрихов с помощью функции «Удаления пятен» (выбор чувствительности до 10). Для усиления четкости изображения можно применять функцию рельефного выдавливания изображения.

4. Калибровка оптической плотности. Учитывая, что сканировались рентгенограммы различных оптических характеристик, и иногда и низкого качества, проводилась их оптическая калибровка. Этим достигалось приведение изображения к единому масштабу плотности. Измерение оптических параметров проводилось в условных единицах от 0 (min R плотности, соответствует воздуху) до 255 (max R плотности, соответствует кортикальному слою кости). Проведение операции оптической калибровки сканограмм позволяет скорректировать их возможные различия, обусловленные разными условиями получения снимка.

5. Трехмерные построения. В программе 3D-графики создавалась плоскость, несущая фон изображения сканированной рентгенограммы. Размеры ее

значения не имеют (в отличие от пропорций), т.к. выстроенная на ее основе трехмерная модель позже масштабируется до необходимых размеров самостоятельно. Причем изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости, составляющий голеностопный сустав, получает собственную систему координат с центром в точке, локализацию которой оператор может изменять по необходимости, выстраивают алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают до окончательной репозиции. С помощью инструментов трансформации, деформации, масштабирования, перемещения, связывания объектов, редактора материалов, источников света в трехмерном пространстве из примитивных форм (цилиндр, скругленный цилиндр, сфера, куб) моделировались костные структуры области перелома – длинные трубчатые кости конечности. Необходимые данные также брались из «Атласа анатомии человека» под редакцией Р.Д. Синельникова, атласа «Рентгеновская анатомия», Д. Надь, Будапешт, 1961. Область перелома моделировалась с помощью функции «Отрез» в различных вариациях. Идентичность костных структур на сканограмме и трехмерных моделей достигалась полным сопоставлением контуров тени, отбрасываемой виртуальными костями на плоскость с изображением сканограммы, и контуров костей на самой сканограмме при условии, что прямолинейный источник света находится впереди трехмерных построений на бесконечной дистанции (имитация эффекта солнца) с направлением параллельно идущих лучей перпендикулярно к плоскости сканограммы, центрированных на область перелома голеностопного сустава. После построения костных структур выполнялось их масштабирование до нужных размеров, определенных ранее антропометрически и рентгенологически. Таким образом, получалась точная копия костей травмированного сегмента, но в виртуальном пространстве. Удобство визуализации данной трехмерной

модели возможно, благодаря абсолютной свободе вращения пространственной сцены относительно зрителя, а также вращения самой модели в сцене.

6. Виртуальное моделирование этапов репозиции. С помощью инструментов линейного, углового и ротационного перемещения дислоцировались фрагменты и крупные осколки, перспективные для репозиции. Очередность действий диктовалась соображениями наименьшей травматизации тканей при манипуляции с отломками, т.е. обеспечением наиболее благонадежного сопоставления отломков при наименьших количествах и амплитуде их перемещений. Моменты виртуальной репозиции выполнялись в следующем порядке: 1 – дистракция фрагментов, 2 – устранение углового смещения, 3 – устранение ротационного смещения, 4 – устранение смещения по ширине, 5 – компрессия. Центр вращения при этих манипуляциях выбирался с помощью функции Xform через «центр – гизмо» и для проксимальных отломков соответствовал центру проксимальнее расположенного сустава, для дистальных отломков – центру зоны перелома. Изменение координат каждого из костных трехмерных фрагментов фиксировалось в виде цифровых данных (в миллиметрах и градусах). Каждый этап репозиции записывался в памяти компьютера отдельно в виде копии изображения рабочего окна программы и содержал изображение виртуальной сцены (вместе с костными структурами) в четырех видах (спереди, сверху, сбоку, в перспективе), где перемещаемый фрагмент выделялся отдельным цветом, а координаты его перемещения указывались в отдельной строке под картинкой. Таким образом, достигалось максимально полное виртуальное сопоставление костных трехмерных отломков.

7. Протоколирование. В программе MS Office 2000 создавался шаблон протокола, где сначала указывались наименования лечебного учреждения, отделения, инициалы и возраст пациента, ниже помещались сканограммы

области перелома в 2-х проекциях, выполненные на момент травмы, их описание, заключение. После представлялся план виртуального моделирования в виде ряда иллюстраций, указанных в п. 6., отображающих ход виртуальной операции по репозиции отломков. Каждое изображение получало название соответствующего момента репозиции и сопровождалось необходимыми краткими пояснениями. Лечащий врач-травматолог имел возможность ознакомиться с данным протоколом в электронном варианте или распечатанным на бумаге уже через 2 часа (при условии наличия в памяти компьютера готовых шаблонов – заготовок костных трехмерных структур). На основании данного протокола формировался план реальной операции и оптимальная компоновка аппарата.

Второй этап проводился после реальной операции и выполнения контрольных рентгенограмм, если после выполнения внеочагового остеосинтеза и манипуляций на сегментах конечности сохранялось не устраненное смещение отломков и требовалась дополнительная коррекция. Дополнительная виртуальная репозиция выполнялась подобно методу, описанному в I этапе, но с учетом фиксации металлоконструкцией. После составления виртуального плана репозиции отломков выполнялось дополнительное устранение смещения, но с учетом фиксации аппаратом Г.А. Илизарова.

Предлагаемый способ позволяет:

1. Улучшить функциональные и анатомические результаты оперативного лечения, сократить сроки стационарного и общего лечения больных с переломами конечностей (в частности с переломами области голеностопного сустава) в среднем в 1.2-1.5 раза.

2. Повысить качество и эффективность выполняемых операций чрескостного остеосинтеза при переломах лодыжек.

3. Повышение жесткости фиксации аппарата внешней фиксации, обеспечении возможности направляющей функции по отношению к проводимой чрескостно спице.

4. Сократить время и уменьшить травматичность оперативного вмешательства (возможность демонтажа аппарата внешней фиксации в амбулаторных условиях).

Клинический пример:

Пациент И., проведено компьютерное моделирование репозиции перелома костей составляющих голеностопный сустав.

Сканограммы в 2-х проекциях: закрытый пронационный перелом типа Дюпюитрена костей правой голени. Определяется перелом внутренней лодыжки со смещением кнаружи на 1 см; косой оскольчатый перелом нижней трети малоберцовой кости и смещением наружной лодыжки кнаружи на 1 диаметр; пронационный подвывих стопы в голеностопном суставе кнаружи и на суставной поверхности и назад на Дистальный межберцовый синдесмоз при этом без расхождения. Рентгенограмма сканируется, производится калибровка их оптических показателей (Фиг. 1). Выстраивается трехмерная модель костных структур в области перелома в изначальном положении (вид спереди и снаружи). Пространственные центры фрагментов находятся в нулевых точках. Обозначаем контрастными метками проксимальные и дистальные участки отломков и крупных осколков костей, а именно: проксимальный фрагмент малоберцовой кости – c-d, дистальный фрагмент малоберцовой кости – e-f, проксимальный фрагмент большеберцовой кости – a-b, таранная кость – g-h. Производится масштабирование модели (Фиг. 2, начальное положение отломков). Таким образом, изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости получил собственную систему координат с центром в назначенной точке. Далее выстраиваем алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают до полной виртуальной репозиции:

Фиг.3. Дистракция фрагмента единым блоком e-f+g-h на 32 мм.

Фиг. 4. Разворот фрагмента е-f+g-h единым блоком на 10,9 градусов кнутри (устранение вывиха стопы).

Фиг. 5. Медиальная дислокация фрагмента e-f+g-h на 29 мм (устранение разрыва дистального межберцового синдесмоза).

Фиг. 6. R-граммы на 1 сутки после оперативного лечения. Полное устранение смещения всех отломков. Вывих стопы и разрыв димстального межберцового синдесмоза устранен.

Фиг. 7. Сканограммы в 2-х проекциях: демонтаж аппарата Илизарова на 73 сутки после операции, хорошая консолидация без смещения.

* Примечания (условные обозначения) к фиг. 1-7.

1. Визуализация трехмерной сцены производилась двумя способами: через функцию «рендеринг», когда копируется только трехмерный объект, и посредством функции «Print Screen», когда копируется вся сцена. В первом случае надписи производились латинским шрифтом, во втором – на русском языке.

2. Anterior – вид спереди, Left side – вид слева, Right side – вид справа, Up side – вид сверху, Down side – вид снизу, Perspect. – вид в перспективе, Lateral. – латеральная дислокация, Medial. – медиальная дислокация, Rotation – ротация, Distraction – дистракция, Compression – компрессия, Dismantle – демонтаж.

Прейскурант

Наименование	Код услуги	Код по прик. 804н	Стоимость /р./
Прицельная внутриротовая контактная рентгенография (аналоговая)	800	А06.07.003	350
Радиовизиография (внутриротовая рентгенография)	8119	A06.07.012	300
Ортопантомография (цифровая)	8021	A06.07.004	1700
Томография придаточных пазух носа, гортани	8030	A06.08.006	1700
Томография височно-нижнечелюстного сустава (с открытым или закрытым ртом, цифровая)	8031	A06.04.015	1150
Рентгенография черепа в прямой проекции (цифровая)	804	A06.03.060	1700
Внутриротовая рентгенография в прикус (твердого неба и дна полости рта, аналоговая)	8040	A06.07.007	700
Ортопантомография (1/2, цифровая)	8090	A06.07.004.100	850
Повторная распечатка ОПТГ, ТРГ, ВНЧС исследования	8106	A06.07.004.101	500
Запись цифрового рентгенологического исследования на компакт-диск	8160	A06.07.004.102	500
Распечатка ортопантомографического изображения с компакт-диска на рентгеновскую пленку	8161	A06.07.004.103	500
Рентгенография легких цифровая (органов грудной клетки)	805	A06.09.007	2000
Рентгенография нижней конечности (одна анатомическая зона в 2-х проекциях, или верхней конечности, одна анатомическая зона в 2-х проекциях)	8108	A06.03.036	2000
Рентгенография таза (в одной проекции)	8109	A06.03.041	1500
Рентгенография шейного отдела позвоночника	8147	A06.03.010	2000
Рентгенография грудного отдела позвоночника	8148	A06.03.013	2000
Рентгенография поясничного и крестцового отдела позвоночника	8149	A06.03.016	2000
Контрастная рентгенография протоков слюнных желез (сиалография, или фистулография, или дакриоцистография, или артрография) без стоимости рентгеноконтрастного вещества	806	A06.07.005	1700
Обзорная рентгенография органов брюшной полости	808	A06.30.004.001	1500
Описание и интерпретация рентгенографических изображений (из других ЛПУ)	8150	A06.30.002	1000
Описание и интерпретация данных рентгенографических исследований с применением телемедицинских технологий	8162	A06.30.002.003	1200
КЛКТ одной челюсти с распечаткой для установки 1-2 имплантатов	8110	A06.07.013.100	3500
КЛКТ одной челюсти с распечаткой для установки 3-6 имплантатов	8111	A06.07.013.101	4800
КЛКТ одной челюсти с распечаткой для установки имплантатов при полной адентии	820	A06.07.013.102	6000
КЛКТ одной челюсти при диагностике заболеваний зубочелюстной системы (с описанием, без детализации дентального статуса)	8112	A06.07.013.103	3500
КЛКТ лицевого отдела черепа (с описанием, без детализации дентального статуса)	811	A06.07.013.104	5500
КЛКТ двух челюстей без детализации дентального статуса	8163	A06.07.013.105	5000
КЛКТ глазницы	8164	A06.26.006.100	3500 р.
КЛКТ околоносовых синусов (с описанием)	8103	A06.08.007.100	4500
КЛКТ одной челюсти при заболеваниях пародонта с измерением резорбции костной ткани	8104	A06.07.013.106	4500
КЛКТ обеих челюстей при заболеваниях пародонта с измерением резорбции костной ткани	8114	A06.07.013.107	6500
КЛКТ височно-нижнечелюстных суставов (с открытым и закрытым ртом)	8102	A06.04.020.100	5500
КЛКТ височно-нижнечелюстных суставов (со сплинтом)	8115	A06.04.020.101	3500
КЛКТ с описанием дентального статуса (1-2 зуба)	8116	A06.07.013.108	5000
КЛКТ с описанием дентального статуса (4-6 зубов)	8117	A06.07.013.109	7000
КЛКТ с описанием дентального статуса всего зубного ряда	8118	A06.07.013.110	9500
КЛКТ с описанием дентального статуса обоих зубных рядов	8119	A06.07.013.111	13500
КЛКТ лицевого черепа без обработки данных (с записью на CD)	829	A06.07.013.112	3500
Описание дополнительных зон интереса на основе ранее выполненного КЛКТ в объеме 1-3 зубов	6550	A06.07.013.113	2000
Описание дополнительных зон интереса на основе ранее выполненного КЛКТ в объеме 4-6 зубов	6551	A06.07.013.114	4000
Описание дополнительных зон интереса на основе ранее выполненного КЛКТ всего зубного ряда	6552	A06.07.013.115	6500
Описание дополнительных зон интереса на основе ранее выполненного КЛКТ обоих зубных рядов	6553	A06.07.013.116	10000
Запись КЛКТ-исследования на компакт-диск	816	A06.07.013.117	500
Дублирование результатов КЛКТ – исследования	819	A06.07.013.118	1500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ одной челюсти для установки 1-2 имплантатов	8107	A06.07.013.119	3000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ одной челюсти для установки 3-6 имплантатов	8147	A06.07.013.120	4000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ одной челюсти для установки имплантатов при полной адентии	8148	A06.07.013.121	5500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ одной челюсти при диагностике заболеваний зубочелюстной системы	8149	A06.07.013.122	4500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: Одна челюсть (без детализации дентального статуса)	8165	A06.07.013.123	2500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: Двух челюстей (без детализации дентального статуса)	8166	A06.07.013.124	4000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ околоносовых синусов	8151	A06.07.013.125	3500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ одной челюсти при заболеваниях пародонта с измерением резорбции костной ткани	8152	A06.07.013.126	3500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ обеих челюстей при заболеваниях пародонта с измерением резорбции костной ткани	8153	A06.07.013.127	5500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ височно-нижнечелюстных суставов (с открытым и закрытым ртом)	8154	A06.07.013.128	4500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ височно-нижнечелюстных суставов (со сплинтом)	8155	A06.07.013.129	3000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ с оценкой дентального статуса (1-2 зуба)	8156	A06.07.013.130	4000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ с оценкой дентального статуса (4-6 зубов)	8157	A06.07.013.131	6000
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ с оценкой дентального статуса всего зубного ряда	8158	A06.07.013.132	8500
Описание данных КЛКТ исследования из другого ЛПУ с распечаткой изображения: КЛКТ с оценкой дентального статуса обоих зубных рядов	8159	A06.07.013.133	12500
Компьютерная томография головного мозга	8120	A06.23.004	5200
Компьютерная томография лицевого отдела черепа	8121	A06.03.002	5200
Компьютерная томография челюстно-лицевой области	8123	A06.07.013	4500
Компьютерная томография височно-нижнечелюстных суставов (с закрытым и открытым ртом)	8124	A06.04.020	5200
Компьютерная томография височно-нижнечелюстных суставов (со сплинтом)	8167	A06.04.020.102	4000
Компьютерная томография глазницы	8125	A06.26.006	4000
Компьютерная томография придаточных пазух носа, гортани	8126	A06.08.007	4000
Компьютерная томография височной кости	8127	A06.25.003	5500
Компьютерная томография позвоночника (один отдел)	8128	A06.03.058	4000
Компьютерная томография позвоночника с мультипланарной и трехмерной реконструкцией	8168	A06.03.058.100	5200
Компьютерная томография костей таза	8133	A06.03.069	4000
Компьютерная томография сустава	8134	A06.04.017	5500
Компьютерная томография верхней конечности (один анатомический отдел)	8135	A06.03.021.001	4000
Компьютерная томография нижней конечности (один анатомический отдел)	8169	A06.03.036.001	4500
Компьютерная томография верхних дыхательных путей и шеи	8136	A06.08.009	5200
Компьютерная томография органов грудной полости	8137	A06.09.005	5200
Компьютерная томография ребер с мультипланарной и трехмерной реконструкцией	8170	A06.03.068	4000
Компьютерная томография органов брюшной полости	8138	A06.30.005	6500
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (одной челюсти с расчетами для установки 1-3 имплантатов)	8140	A06.07.013.137	4000
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (одной челюсти с расчетами для установки 4-6 имплантатов)	8141	A06.07.013.138	5000
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (обеих челюстей с измерением резорбции кости при заболеваниях пародонта)	8171	A06.07.013.139	6500
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (одной челюсти с измерением резорбции кости при заболеваниях пародонта)	8172	A06.07.013.140	4500
Запись исследования на СD в DICOM-формате	8143	A06.07.013.134	500
Запись реконструированных изображений на СD в JPEG-формате	8144	A06.07.013.135	1500
Дублирование результатов исследования	8145	A06.07.013.136	1500
Описание и интерпретация компьютерных томограмм (из другого ЛПУ – 1 анатомическая область согласно позициям прейскуранта)	8146	A06.30.002.001	3000
Описание и интерпретация компьютерных томограмм с применением телемедицинских технологий	8173	A06.30.002.005	3500
МРТ мышечной системы (одна область)	6615	A05.02.002	4000
МРТ костной ткани (одна область)	6616	A05.03.001	4000
МРТ лицевого отдела черепа (челюстно-лицевой области)	6554	A05.03.004	5000
МРТ глазницы	6629	A05.26.008	4000
МРТ височно-нижнечелюстных суставов в одном положении	6556	A05.04.001.100	6000
МРТ височно-нижнечелюстных суставов в двухположениях	6557	A05.04.001.101	7500
МРТ околоносовых пазух	6562	A05.08.001	5000
МРТ носоротоглотки	6617	A05.08.004	5000
МРТ головного мозга	6563	A05.23.009	4500
МРТголовного мозга и экстракраниальных мягких тканей головы	6618	A05.30.010.100	5500
МРТ головного мозга и гипофиза (тонкие срезы)	6565	A05.22.002.100	7500
МРТ основания черепа	6619	A05.03.003	5000
Магнитно-резонансная ангиография интракраниальных сосудов (артерио- и венография интракраниальных и экстракраниальных сосудов)	6567	A05.23.009.008	8500
МРТ шеи	6568	A05.30.008	5000

Компьютерно-томографическая анатомия лор-органов

Глава 3.  КОМПЬЮТЕРНО-ТОМОГРАФИЧЕСКАЯ АНАТОМИЯ

ЛОР-ОРГАНОВ

Главное отличие КТ-анатомии от анатомии рентгеновской состоит в том, что изучение взаимоотношений анатомических образований с помощью данного метода проводится в томографических слоях, лежащих перпендикулярно длинной оси тела. Иногда, при наличии специальных показаний и некоторых анатомических особенностей исследуемого органа, томографирование выполняется и в иных, нежели аксиальная, плоскостях, о чем будет сказано ниже. В современных КТ-установках существует также возможность трехмерной (3D) реконструкции отдельных органов и областей тела человека.

Понятие “компьютерно-томографическая анатомия” в ряде случаев включает в себя не только идентификацию анатомических структур и определение их нормальных взаимоотношений, но также денситометрическую характеристику тканей.

Нормальная КТ-анатомия височной кости

На компьютерных   томограммах,  выполненных  в  аксиальной плоскости, вне зависимости от линии, по которой ориентируются томографические  срезы  (ОМЛ  или  низкодозная линия – НДЛ),  в соответствии с клинической целесообразностью  выделяют  три отдела  в барабанной полости:  1) нижний или гипотимпанический, 2) средний или мезотимпанический и 3) верхний  или  эпитимпанический.

Аксиальная плоскость выбирается для томографирования в качестве основной по следующим соображениям. Во-первых, в этой плоскости наиболее полно представлены все основные структуры височной кости: стенки и ниши барабанной полости, цепь слуховых косточек, лаби­ринт, наружный и внутренний слуховые проходы (рис. 3-1, 3-2, 3-4, 3-7, 33). Во-вторых, изображение пирамиды височной кости в этой плоскости лишено искажений, как плотностных, так и пространственных. Здесь, однако, следует учитывать тот факт, что форма и располо­жение структурных элементов, а, следовательно, и их идентифика­ция на компьютерных томограммах, прямо зависят от плоскости томографирования (рис. 3-4, 3-7, 33). Поэтому обязательным элементом анализа является вторичная электронная реконструкция  изображе­ния   в  соответствующей  для  данной  анатомической  структуры плоскости (рис.22в).  В-третьих, на аксиальных томограммах дос­таточно полно представлены пограничные с височной костью анато­мические  образования,  являющиеся критическими при определении распространенности патологического процесса за пределы пирамиды (рис.21).

Прямые же фронтальные компьютерные томограммы применяют редко, так  как  у  большинства пациентов имеются металлические пломбы или коронки на зубах,  которые дают выраженные  плотностные артефакты, делающие томограммы непригодными для  анализа. Однако, при необходимости,  например,  для изучения верхней или нижней стенок НСП эта плоскость томографирования является все же предпочтительной,  хотя, чаще всего она оказывается не строго фронтальной.

В действительности, получить идеальный срез в аксиальной плоскости весьма проблематично: вариабельность анатомического строения черепа у людей настолько высока, что даже при соблюдении всех правил укладки томографические срезы лишь приблизительно будут соответствовать аксиальной плоскости. И только четкое представление обо всех анатомических элементов височной кости и месте их расположения на томографическом срезе, умение перевести двумерное, плоское изображение в трехмерное является непременным условием правильной диагностики. В какой-то степени более точному представлению о макроструктуре пирамиды височной кости способствует анализ трехмерной реконструкции этой области из серии аксиальных томограмм (рис. 3-1).

Рис.  3- 1.  3D реконструкции основания черепа со стороны мозговой полости (первые 5 рисунков) и со стороны базиллярной нормы (последний рисунок).

В компьютерной томографии при изучении аксиальной срезов головы, в том числе и височной кости, принято смотреть на поперечные сечения со стороны головы, то есть так же, как во время операции ориентируется нейрохирург. Поэтому правая сторона среза будет находиться справа по отношению к наблюдателю, а левая – слева. Все наши иллюстрации компьютерных томограмм височной кости, полости носа и околоносовых пазух ориентированы именно таким образом. Иногда, в зависимости от типа КТ-установки, положение сторон может быть изменено. В любом случае, следует обращать внимание на обозначение стороны тела на томограмме!

Рис 3-1. Распил височной кости в аксиальной плоскости (схема): 1 – скуловой отросток, 2 – чешуя височной кости, 3 – каменисто-чешуйчатый шов, 4 – наружный слуховой проход, 5 – сосцевидная пещера, 6 – сосцевидные ячейки, 7 – сонный канал, 8 – верхушка пирамиды, 9 – слуховая труба, 10 – внутреннее слуховое отверстие, 11 – задняя костная ампула, решетчатое пятно, 12 – латеральный полукружный канал, 13 – задний полукружный канал, 14 – задний полукружный канал, 15 – водопровод преддверия, 16 – сигмовидный синус.

Рис.3-2а. Схема строения пирамиды височной кости примени­тельно к аксиальной плоскости томографирования (соотношение среднего уха с дру­гими структурами височной кости): A – наружное ухо, Б – среднее ухо, В – внутреннее ухо, 1 – молоточек, 2 – наковальня, 3 – стремя, 4 – улитка, 5 – передний полукружный канал, 6 – задний полукружный канал

Рис.3-2б. Схемы строения пирамиды височной кости примени­тельно к аксиальной плоскости томографирования (лабиринт): 1 – овальное отверстие, 2 – остистое отверстие, 3 – улитка, 4 – водопровод преддверия, 5 – передний полукружный канал, 6 – латеральный полукружный канал, 7 – задний полукружный канал, 8 – эндолимфатический мешок.

На компьютерных томограммах,  произведенных  через  нижний отдел барабанной полости (рис.3-3),  хорошо виден  наружный слуховой  проход  (НСП) барабанная полость,  полуканал слуховой трубы и полуканал для мышцы,  напрягающей барабанную  перепонку (мышечно-трубный канал), а также такие внутренние структуры ви­сочной кости,  как ямочка окна улитки,  яремная вырезка  сонный канал, выступ лицевого канала и его нисходящая часть, сосцевид­ные клетки.  Барабанная перепонка визуализируется  у 15.8% пациентов и только в области волокнисто-хрящевого кольца.

Наружный слуховой  проход в этой томографической плоскости ориентирован параллельно ей,  поэтому на томограммах видны лишь передняя и задняя его стенки.  Здесь также полно представ­лены взаимоотношения между НСП и височно-нижнечелюстным  суста­вом. Однако  верхняя  и нижняя стенки НСП в аксиальной проекции не видны и хорошо визуализируются лишь на томограммах, произ­веденных во фронтальной плоскости (рис.3-4).

Межпозвоночная грыжа шейного отдела – Неврология – 22.09.2015

анонимно, Женщина, 37 лет

Здравствуйте. Обратилась к терапевту с головокружением, слабостью в ногах, повышением давления до 140\90, постоянный шум в голове. Диагноз всд, прописали анаприлин, новопасит, глицин, улучшений не наступило. Сделала мрт головы и шейного отдела, сосудов. Мрт шейный отдел позвоночника, артерии шеи. На серии полученных мр томограмм шейного отдела позвоночника, взвешенных по т1 ви и т2 ви в двух взаимно перпендикулярных проекциях лордоз сглажен. Ликвородинамика не нарушена. Высота межпозвоночного диска с5/с6 снижена, сигналы от дисков с2-с6 по т2 ви снижены, высота и сигналы от остальных дисков используемой зоны сохранены. На данных мр томограммах определяется правосторонняя фораминальная грыжа диска с3/с4 размером 0,3 см, распространяющаяся на правое межпозвонковое отверстие с его сужением и деформацией дурального мешка. На данных мр томограммах определяется дорзальная диффузная протрузия диска с5/с6 размером до 0,4 см., Распространяющаяся в межпозвонковые отверстия с обеих сторон с их сужением и деформацией дурального мешка. Просвет позвоночного канала сужен на уровне выявленных изменений, на уровне тела с6 позвонка передне–задний размер 1,5 см. Сигнал от структур спинного мозга (по т1 ви и т2 ви) не изменен, контуры его ровные четкие, структура однородная. Вдоль замыкающих поверхностей тел с5-с6 позвонков имеются умеренно выраженные краевые смежные остеофиты, форма и размер тел остальных позвонков обычная. Сигнал от костного мозга неравномерно повышен за счет участков жировой дегенерации. Заключение: мр картина дегенеративно-дистрофических изменений шейного отдела позвоночника. Грыжи межпозвоночных дисков с3/с4, с5/с6. На серии мр ангиограмм артерий шеи, выполненных в режиме тоf 3d, в аксиальной проекции, с последующей мip реконструкцией, визуализированы общие сонные, бифуркации общих сонных артерий, экстракраниальные сегменты позвоночных артерий и их разветвления. А данных мр томограмм определяется извитость приустьевого сегмента левой позвоночной артерии. Просветы остальных артерий равномерные, кровоток симметричный, участков с патологическим кровотоком не выявлено. Заключение: мр картина варианта развития артерий шеи. Извитость приустьевого сегмента левой позвоночной артерии. Мрт головного мозга, артерии и вены головного мозга. На серии мр томограмм взвешенных по т1 и т2 ви, а также с использованием импульсной последовательности flair, в трех взаимно перпендикулярных проекциях, визуализированы суб- и супратенториальные структуры головного мозга. На данных мр томограммах кора, белое вещество, борозды и извилины головного мозга, базальные структуры, ствол мозга, развиты правильно, имеют нормальную интенсивность мр сигнала, без видимых патологических и объемных образований, дифференциация на серое и белое вещество головного мозга удовлетворительная. Субарахноидальные конвекситальные пространства и межгиральные щели локально неравномерно расширены, преимущественно в области лобных и теменных долей. Срединные структуры головного мозга не смещены. На данных мр томограмм боковые желудочки головного мозга симметричны, не расширены, обычной конфигурации. Iii-й и iv-й желудочки мозга не расширены. Базальные цистерны головного мозга не расширены. Супраселярная цистерна расширена, пролабирует в область турецкого седла. Хиазмальная область без особенностей. Гипофиз расположен обычно, ткань гипофиза имеет обычный сигнал. На данных мр термограммах кора, белое вещество, борозды и извилины мозжечка развиты правильно, имеют нормальную интенсивность мр сигнала, без видимых патологических изменений и объемных образований, дифференциация на серое и белое вещество мозжечка удовлетворительная. Мостомозжечковые углы, а также слуховой и вестибулярные нервы с обеих сторон (viii пара черепно-мозговых нервов) без видимых патологических изменений. Миндалины мозжечка пролабиуют в большое затылочное отверстие на 0,2 см. Отмечается усиление сигнала по т2 ви и незначительное локальное утолщение слизистой оболочки правой верхнечелюстной пазухи, остальные пазухи, клетки решетчатого лабиринта воздушны, без убедительных признаков патологических изменений и объемных образований. Мр признаки воспалительного процесса в правой верхнечелюстной пазухе. Определяется искривление носовой перегородки. Расстояние от боковых масс атланта до зубовидного отростка с2 позвонка – справа 0,3 см, слева 0,4 см. Заключение: мр картина арахноидальных изменений ликворокистозного характера. Формирующееся «пустое» турецкое седло. Асимметричное строение зубовидного отростка с2 позвонка в атлантоаксильнм суставе. На серии мр ангиограмм интракраниальных артерий, выполненных в режиме тоf 3d в аксиальной проекции с последующим мip реконструкцией, визуализированы внутренние сонные, основная, позвоночная артерии и их интракраниальные сегменты и разветвления. На данных мр томограммах визуализируется вариант развития виллизиева круга в отсутствие кровотока по обеим задним соединительным артериям. Отмечается асимметрия кровотока по интракраниальным сегментам позвоночных артерий ( d>s). Просветы остальных сосудов равномерные, кровоток симметричный, участков с патологическим кровотоком не выявлено. Заключение: мр картина варианта развития интракраниальных артерий головного мозга – разомкнутый виллизиев круг. Асимметрия кровотока по интракраниальным сегментам позвоночных артерий ( d>s). На серии мр ангиограмм выполненных в режиме тоf в сагиттальной проекции с последующей обработкой по мip-алгоритму и трехмерной реконструкцией в саггитальной плоскости, визуализированы венозная система мозга. Данных на наличие мальформаций не выявлено. Определяется сужение и снижение кровотока по правому поперечному и сигмовидному синусам. Просветы остальных венозных сосудов равномерные, участков с патологическим кровотоком не выявлено. Заключение: мр картина развития вен головного мозга. Умеренное снижение кровотока по правым поперечному и сигмовидному синусам. Как понять заключение мрт, к какому врачу обратиться, необходима ли операция?

Электронная томография – обзор

1 ВВЕДЕНИЕ

Электронная микроскопическая томография (ЭМТ) – важная технология визуализации, которая заполняет широкий пробел между рентгеновской кристаллографией (X-RAY) и световой микроскопией (LM) при изучении трехмерных ( 3D) биологические структуры. EMT не только расширяет нашу способность видеть структуры, которые выходят за пределы диапазонов рентгеновских лучей и LM, но также устраняет соответствующий разрыв в цепочке разрешения и, таким образом, позволяет выполнять иерархические исследования клеточного аппарата в различных масштабах. .EMT восстанавливает трехмерную структуру из серии двумерных (2D) проекций, собранных под разными углами наклона, путем вращения образца вокруг общей оси наклона. Эти двухмерные проекции проецируются назад, чтобы сформировать трехмерную структуру. В отличие от микроскопии отдельных частиц, которая восстанавливает трехмерные объемы из проекционных изображений, полученных от случайно ориентированных независимых частиц, исходя из предположения, что они конформационно идентичны, EMT получает все проекции от одного и того же объекта и, таким образом, уникально подходит для гетерогенных структур, таких как многие супрамолекулярные сборки. органеллы и клетки.Однако эта универсальность была компенсирована на ранних этапах разработки EMT практическими проблемами, которые ограничивали его широкое использование.

Появление электронных просвечивающих микроскопов с компьютерным управлением и ПЗС-камер с медленным сканированием научного уровня придало большой импульс развитию автоматизированного EMT. В результате были разработаны многочисленные реализации, которые значительно упростили работу и сократили время сбора серий наклона EMT. EMT теперь превратился в стандартную технологию структурного анализа.Хотя идея EMT проста, практические трудности возникают из-за механических недостатков имеющихся ступеней наклона гониометра и невозможности точно установить эвцентрическую высоту образца. Эуцентрическая ошибка вызывает прецессию образца; Значительное смещение в направлениях x, y и z во время сбора данных. Когда он не слишком серьезен, поступательный сдвиг обрезает общую область, разделяемую каждым проекционным изображением, и, таким образом, уменьшает размер трехмерного объема, который может быть восстановлен.По мере увеличения увеличения этот неблагоприятный эффект может резко усилиться и стать катастрофическим, вызывая полное смещение интересующего объекта из поля зрения. Между тем, результирующий сдвиг z приводит к серьезным изменениям фокуса, что затрудняет создание точной 3D-реконструкции. До автоматизированной ЕМТ для повторного центрирования образца и корректировки фокуса требовались ручные операции, что делало сбор данных не только очень неэффективным и утомительным, но и связанным с высокими дозами.Автоматизированная ЕМТ пыталась решить эти проблемы, выполняя эти ручные операции с помощью компьютера. Основная идея состоит в том, чтобы точно определить сдвиги x, y и z , возникающие в результате наклона предметного столика, а затем компенсировать сдвиги x, y с помощью луча микроскопа и катушек сдвига изображения и сдвига z (фокуса). регулируя ток линзы объектива. Хотя историю EMT можно проследить до 1968 года (DeRosier and Klug, 1968; Hart, 1968), автоматизированные системы стали доступны только в начале 1990-х годов (Dierksen et al., 1992; Даунинг, и др. , 1992; Koster et al. , 1992, 1993). Эти ранние системы обеспечивали автоматизацию этапов наклона сцены, перевода, фокусировки и получения изображения. Во время сбора данных были сделаны вспомогательные изображения до и после каждого наклона и взаимно коррелированы для измерения смещения образца в плоскости x – y . Затем ошибки перевода были компенсированы регулировкой катушек сдвига луча и изображения. Сдвиг z , вызывающий изменение фокуса, также измерялся при каждом угле наклона путем получения другого набора дополнительных изображений с использованием метода наклона луча (Koster et al., 1992). Затем ток линзы объектива был отрегулирован для компенсации изменения фокуса, вызванного смещением z . Благодаря такой процедуре автоматизации была достигнута 100-кратная экономия дозы по сравнению с ручным управлением. Кроме того, было сэкономлено значительное количество времени (Braunfeld et al. , 1994; Koster et al. , 1992). Однако дополнительные изображения, сделанные для измерения перемещения образца и изменения фокуса, добавляли времени и примерно на 11% к общей дозе (Koster et al., 1997).

Cryo-EMT имеет два существенных преимущества перед EMT при комнатной температуре. Прежде всего, подготовка крио-образцов сохраняет подлинные структуры, которые в противном случае могут быть изменены путем химической фиксации, дегидратации, замораживания и окрашивания. Изображения, полученные в крио-условиях, непосредственно представляют взаимодействие электронов с объектом и, таким образом, не содержат артефактов, возникающих при пробоподготовке. Эти привлекательные преимущества стимулировали постоянный интерес к крио-ЭМТ (Baumeister, 2002; Braunfeld et al., 1994; Конинг и Костер, 2009; Leis et al. , 2009 г .; Rath et al. , 1997; Стивен и Эби, 2003 г.). Поскольку конструкции гораздо более уязвимы к радиационному повреждению в крио-условиях, минимизация дополнительной дозы, связанной с автоматическими процедурами отслеживания и фокусировки, становится критически важной, и для достижения этой цели было предложено несколько стратегий. Более раннее решение заключалось в распределении дополнительных экспозиций, необходимых для повторного центрирования и перефокусировки, на области за пределами области, содержащей объект, который нужно реконструировать (Dierksen et al., 1992, 1993; Grimm et al. , 1997; Rath et al. , 1997). Хотя основная область, содержащая интересующий объект, не получает дополнительной дозы, пользователям требуется определить поддерживающую область, как правило, вдоль оси наклона для автоматического отслеживания и фокусировки. Кроме того, на каждом шаге наклона делаются дополнительные изображения, что снижает скорость сбора данных. Ziese et al. (2002) предложил возможность предварительной калибровки движения изображения в плоскости xy (сдвиги изображения) и направлении z (изменение фокуса) до сбора данных.Эти калибровочные кривые затем будут применяться во время сбора данных для определения движения образца, которое будет компенсировано. Они показали пятикратное улучшение скорости сбора данных по сравнению с предыдущими реализациями EMT. Основная проблема этого подхода связана с невозможностью точно установить эвцентрическую высоту образца; что может привести к ошибкам в калибровочных кривых. Как следствие, во время сбора данных обычно должны использоваться дополнительные процедуры отслеживания и фокусировки, особенно при большом увеличении.Ziese et al. (2002) также упомянул, что можно было бы смоделировать и, таким образом, спрогнозировать общее движение изображения после нескольких измерений сдвига изображения и изменения расфокусировки. Этот комментарий вдохновил нас на разработку стратегии прогнозирования, которая удовлетворяет потребность в точном отслеживании изображений и фокусировке, не требуя дополнительных изображений. Этот метод, основанный на динамическом прогнозировании движения изображения в пространственной области с использованием ранее полученных томографических изображений, является быстрым и очень надежным.Еще одним фактором, способствующим надежности этого подхода, является то, что вместо сбора, скажем, от -70 ° до + 70 °, сбор данных выполняется в двух циклах, каждый из которых идет от нулевого наклона до соответствующего конечного угла. Таким образом, начиная с малых наклонов, серьезность любой эвцентрической ошибки значительно снижается. При малом увеличении требуется всего пять дополнительных изображений, чтобы исключить люфт при наклоне предметного столика, перецентрировать цель и отследить движение образца при втором угле наклона в каждой петле.Поскольку изображение при малом увеличении представляет собой гораздо большее поле зрения, содержащее больший контраст для измерения, обычно используются гораздо более низкие экспозиции для дальнейшего уменьшения дополнительной дозы. Нет необходимости записывать какие-либо дополнительные изображения для отслеживания и фокусировки во время сбора данных. Кроме того, этот метод освобождает пользователей от определения областей отслеживания и фокусировки (Rath et al. , 1997) или обширной предварительной калибровки движений сцены (Ziese et al. , 2002) и, таким образом, приводит к повышению производительности и простоте.Совсем недавно Мастронард (2005) распространил прогнозный подход на составы, которые могут сильно отклоняться от геометрического вращения, позволив методу прогнозирования вернуться к традиционному подходу слежения и фокусировки, когда статистическая ошибка прогнозирования становится достаточно большой.

Учитывая чрезвычайно низкое отношение сигнал / шум (SNR) крио-EMT, пользователи обычно собирают множество наборов данных EMT, а затем выполняют трудоемкую реконструкцию на основе золотых шариков или итеративную реконструкцию для каждого в надежде найти набор данных желаемого качества.Чтобы решить эту проблему, мы (Zheng et al. , 2007a, b) разработали схему реконструкции в реальном времени, которая выполняет взвешенную обратную проекцию на небольшом кластере Linux параллельно со сбором данных. Трехмерный объем с умеренным разрешением затем становится доступным в конце каждого сбора данных, что дает пользователям немедленную обратную связь по подготовке образцов и настройкам эксперимента. Были также предприняты усилия по объединению схемы сканирования многомасштабной сетки, реализованной в Leginon, программном пакете для сбора данных по отдельным частицам (Carragher et al., 2000; Potter et al. , 1999; Suloway et al. , 2005), с прогнозирующей схемой сбора данных EMT в UCSF Tomography. Это привело к полностью автоматизированной схеме последовательного сбора множества наборов данных EMT (Suloway et al. , 2009). Вдохновленные успешным многомасштабным картированием Leginon, мы разработали схему двухкоординатного картирования цели и интегрировали ее в программную систему UCSF Tomography для автоматического последовательного сбора данных двухкоординатного EMT (Zheng et al., 2009). Это сделало томографию UCSF полностью автоматизированной для всего процесса от поиска цели до сбора данных и реконструкции трехмерных объемов с умеренным разрешением практически без вмешательства пользователя.

Шестилетнее обслуживание томографии UCSF как внутри компании, так и на других объектах доказало, что это эффективная и надежная система сбора данных. Хотя функции, предоставляемые в UCSF Tomography, были описаны в нескольких статьях за последние пять лет, их общее представление в этой главе дает пользователям полное представление об этом мощном инструменте и, таким образом, считается полезным инструментом для облегчения его практического использования.

Оптическая проекционная томография как количественный инструмент для анализа морфологии и плотности клеток в трехмерных гидрогелях

Материалы

Желатин А из свиной кожи, геллановая камедь (Gelzan CM Gelrite), дигидразид адипина (ADH), диметилсульфоксид (DMSO), этиленгликоль, тригидрохлорид спермидина (SPD), 1-этил-3- [3-диметиламино) пропил] карбодиимид (EDC), гидрохлорид гидроксиламина, N-гидроксибентзотриазол (HOBt), соляная кислота, гидроксид натрия, хлорид натрия (NaCl), и периодат натрия были получены от Sigma Aldrich.Geltrex был получен от Thermo Fisher.

Химическая модификация биополимеров

Для получения гидрогелей на основе ковалентного взаимодействия геллановая камедь (GG) и желатин были модифицированы для образования гидразоновых связей, согласно нашей предыдущей публикации ¹⁶ . Вкратце, для приготовления альдегид-геллановой камеди (GG-CHO) 500 мг GG растворяли в 50 мл воды и нагревали до 60 ° C в течение 1 часа. Затем добавляли 50 мМ раствор периодата натрия и смесь перемешивали в течение 4 ч в темноте.Затем добавляли этиленгликоль, чтобы остановить реакцию. Полимер подвергали диализу против воды в течение 4 дней с последующей сушкой вымораживанием.

Для получения гидразид-желатина (желатин-ADH) 300 мг желатина растворяли в 100 мл воды. К этому раствору добавляли 3,92 г ADH. PH реакционной смеси доводили до 6,8 с помощью 0,1 М NaOH и 0,1 М HCl. Затем 576 мг EDC и 405 мг HOBt растворяли в 3 мл ДМСО / вода (1,5: 1 об. / Об.). Затем к реакционной смеси по каплям добавляли смесь EDC / HOBt, поддерживая pH на уровне 6.8. Кроме того, доводили pH и поддерживали его на уровне 6,8 в течение 4 часов. Затем реакцию продолжали еще 20 ч без корректировки pH. По истечении этого периода pH доводили до 7 и желатин-ADH полностью диализовали против воды в течение 2 дней. Добавляли NaCl для получения 5% (мас. / Об.) Раствора, и продукт осаждали в холодном этаноле. Затем продукт растворяли в воде и диализовали против воды в течение 2 дней с последующей сушкой вымораживанием.

Состав гидрогеля

Для этого исследования мы приготовили гидрогели на основе двух стратегий сшивания.Во-первых, гидрогели GG на основе ионного сшивания были получены взаимодействием нативного GG (5 мг / мл) с биоаминным спермидином (SPD) (0,5 мг / мл). СПД действует как поликатион, образуя сшитые ионным путем гидрогели GG. Растворы готовили в 10% сахарозе (мас. / Мас.) И стерильно фильтровали с использованием стерильного фильтра Whatman FP 30 / 0,2 CA-S (Thermo Fisher Scientific, США) при 37 ° C. SPD смешивали с GG в объемном соотношении 4:25 и отливали в подходящую форму.

Во-вторых, мы получили гидрогели на основе химического сшивания путем образования гидразоновых связей.GG-CHO и желатин-ADH растворяли в 10% сахарозе с получением растворов 20 мг / мл и 40 мг / мл соответственно. Для приготовления гидрогелей желатин-ADH / GG-CHO (желатин-GG) растворы смешивали при объемном соотношении 1: 1 пипетированием. Растворы желатин-ADH и GG-CHO стерилизовали фильтрованием в соответствии с нашей предыдущей публикацией ² . Во время приготовления гидрогеля все растворы выдерживали при 37 ° C, чтобы избежать теплового шока на клетки. Кроме того, мы использовали гидрогель Geltrex в качестве контроля, который был приготовлен в соответствии с инструкциями производителя с использованием термического гелеобразования при нагревании до 37 ° C.

Протокол культивирования клеток

Коммерческая линия клеток фибробластов легких человека WI-38 (Culture Collections, Public Health England, United Kingdom) была размножена и культивирована в культуральных колбах Nunc T75 (Thermo Fisher Scientific, США) с модифицированной Дульбекко средой Игла / Смесь питательных веществ Ham’s F-12 (DMEM / F-12 1: 1; Thermo Fisher Scientific, США) с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки (южноамериканского происхождения, Biosera, Финляндия) и 0,5% пенициллина / стрептомицина 100 Ед / мл (P / S; Thermo Fisher Scientific, США).Для культуры клеток гидрогеля клетки отделяли трипсином (Lonza), подсчитывали и инкапсулировали в гидрогели (GG, желатин-GG или Geltrex) с плотностью клеток от 300 000 до 1 000 000 клеток / мл. Клетки культивировали в инкапсулированном состоянии в различных гидрогелях в течение 7 дней.

Подготовка образцов для визуализации OPT

Для визуализации OPT культуры клеток гидрогеля были приготовлены на специальных полидиметилсилоксановых (PDMS) платформах. ПДМС был изготовлен из основного полимера Sylgard 184 и отвердителя (10: 1, по массе, Sylgard 184, Dow Corning, США).Sylgard 184 был приобретен у Ellsworth Adhesives AB (Швеция). Культуры гидрогелевых клеток с фибробластами были приготовлены в пробирке с фторированным этиленпропиленом (FEP, Adtech Polymer Engineering, UK) на изготовленной на заказ 3D-печатной платформе PDMS. Клеточную среду добавляли поверх клеточного гидрогеля.

Для получения изображения OPT в светлом поле среда для культивирования клеток была удалена из пробирки FEP, и нагруженные клетками гидрогели были взяты путем перекачивания части образца в пробирку FEP. Во всех наших OPT-изображениях мы использовали трубку FEP с внутренним диаметром 1.5 мм. Показатель преломления трубки FEP (n ~ 1,33) близок к показателю воды, поэтому рассеяние света минимально, что важно для визуализации OPT.

Для визуализации и измерения жизнеспособности клеток в трехмерном гидрогеле клетки окрашивали с помощью анализа жизнеспособности живых / мертвых (Thermo Fisher Scientific, США). Окрашивающий раствор, содержащий 0,1 мкМ этидий-1 (окрашивает мертвые клетки) и 0,4–0,6 мкМ кальцеин AM (окрашивает живые клетки), готовили в фосфатно-солевом буфере (PBS, Lonza), следуя рекомендациям производителя.Метод флуоресцентного окрашивания был оптимизирован для визуализации клеток в 3D-гидрогеле. Для усиления диффузии красителя по образцу в середине насыщенного клетками гидрогеля делали прокол, и раствор красителя добавляли через это отверстие. Затем образец инкубировали 1 ч при + 37 ° C. Затем отбирали окрашенные образцы путем перекачивания части образца в трубку FEP с внутренним диаметром 1,5 мм и переносили для визуализации флуоресцентной OPT, аналогично тому, как это делается в светлопольной OPT.

Стандартная фазово-контрастная микроскопия

Чтобы визуализировать морфологию и размер фибробластов перед культивированием в гидрогелях, клетки сначала отделяли от колбы с трипсином и отображали с помощью фазово-контрастной микроскопии (цифровой микроскоп Zeiss AxioCam MRc5, микроскопическая камера (Carl Zeiss) MicroImaging GmbH, Германия)) с объективом 5x, NA 0,15.

Получение изображения OPT в светлом поле

В этом исследовании собственная система OPT была оптимизирована для визуализации клеток в трехмерных гидрогелях.Схематическая диаграмма системы представлена ​​на рис. 1. Более подробное описание системы дано в ¹⁸ . С тех пор система была обновлена ​​источниками света и фильтрами, более подходящими для ядер живых / мертвых клеток ( DAPI) -окрашивание. Система работает как в режиме светлого поля, так и в режиме флуоресценции, обозначенных как BF-OPT (с синим цветом фона) и F-OPT (с желтым цветом фона), соответственно, на рис. 1. Для визуализации использовался режим OPT в светлом поле. количественный морфологический анализ фибробластов в трехмерных гидрогелях.Образцы готовили в пробирке FEP и погружали в кювету, наполненную водой для визуализации. Для освещения образца использовался белый светодиодный источник (LED) и телецентрический осветитель с задней подсветкой (Edmund, США) (светодиод 1 на рис. 1). Проходящий свет регистрировался объективом с 5-кратной коррекцией на бесконечность (Ob, Edmund, США) с числовой апертурой (NA) 0,14 и снимался камерой sCMOS (ORCA-Flash 4.0, Hamamatsu, Япония). Центр вращения образца был выровнен вручную с помощью x – y-ступени (Standa, Литва).Образец был повернут на 360 градусов, в то время как всего было снято 400 проекционных изображений с интервалом 0,9 градуса. Для получения полных 400 проекционных изображений потребовалось до 10 минут.

Рисунок 1

Схематическая диаграмма установки OPT с представленными режимами пропускания (BF-OPT) и эмиссии (F-OPT): образцы, вставленные в пробирки FEP, вращаются с помощью ступени вращения (S) внутри воды с согласованным показателем ванна (B). Белый свет (светодиод 1) и телецентрическая линза (L) используются для получения изображений в светлом поле в OPT.Флуоресцентное освещение обеспечивается светодиодом (LED 2), полосовым фильтром (F) и коллимированной линзой с диффузором (LD) в режиме флуоресценции OPT. Система обнаружения включает линзу объектива (Ob), вращающееся колесо фильтров (FW), используемое в качестве полосового фильтра (только для флуоресцентной визуализации), точечное отверстие (P), трубчатую линзу (TL) и камеру sCMOS.

Получение изображения флуоресцентным OPT

Для получения флуоресцентного изображения фибробластов в трехмерном гидрогеле использовался флуоресцентный OPT с эпи-освещением.Для визуализации живых клеток использовали светодиодный источник (M470L2, Thorlabs) с длиной волны возбуждения 470/30 нм и полосовым фильтром излучения λ = 520 ± 36 нм. Кроме того, для визуализации мертвых клеток использовался светодиодный источник (M530L3, Thorlabs) с длиной волны возбуждения 530/33 нм и полосовым фильтром излучения λ = 623 ± 24 нм. Все проекционные изображения были получены с 5-кратным объективом и 3-секундной экспозицией, что дало общее время визуализации 40–50 минут для комбинированной визуализации живой / мертвой флуоресценции. На светодиодные источники подавался постоянный ток 500 мА.

Обработка и анализ изображений OPT в светлом поле

Обработка и реконструкция изображений применялись для количественной оценки морфологии и количества клеток в трехмерном гидрогеле. Проекционные изображения светлого поля (рис. 2а) были обработаны с помощью гомоморфного фильтра для нормализации яркости изображения по стеку изображений, как описано ранее ¹⁸ . Объемные трехмерные реконструкции были рассчитаны в MATLAB (MathWorks) с использованием алгоритма фильтрованной обратной проекции (FBP) с ручной коррекцией центра вращения ¹⁸ .Затем реконструированные стопки трехмерных изображений были инвертированы для лучшей визуализации, а клетки были сегментированы от фона с помощью редактора сегментации «Label Field» Avizo (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США). В редакторе сегментации мы сначала использовали пороговое значение интенсивности, вручную настроив минимальную и максимальную интенсивность изображения, а затем применили математические морфологические операции расширения и эрозии в 3D. Чтобы оценить точность сегментации, полученные сегментированные 3D-изображения клеток сравнивали с прямой визуализацией клеток в 3D.Небольшие артефакты, возникающие в результате текстуры гидрогеля, получения и реконструкции, были удалены с помощью фильтра для удаления мелких частиц в Avizo. Также с помощью Avizo был визуализирован объем для визуализации ячеек в 3D (рис. 2b).

Рис. 2

OPT-визуализация фибробластов в трехмерном гидрогеле GG в светлом поле. ( a ) исходное изображение проекции светлого поля и ( b ) трехмерная визуализация сегментированных ячеек. Шкала показывает 200 мкм.

После того, как трехмерная сегментация ячеек обеспечила трехмерное расположение и форму ячеек, мы использовали модуль анализа меток в Avizo для количественной оценки параметров формы ячеек с использованием стека сегментированных трехмерных изображений.Параметры удлинения и плоскостности определяли для количественной оценки изменения морфологии фибробластов, культивируемых в различных составах гидрогелей.

В нашем анализе удлинение определяется как отношение наибольшего радиуса ячейки к среднему.

$$ {\ text {Удлинение}} = {\ text {R}} _ {{{\ text {наибольший} }}} / {\ text {R}} _ {{{\ text {medium}}}} $$

(1)

, где удлиненные ячейки имеют значение намного больше единицы.Плоскостность определяется как отношение среднего радиуса к наименьшему радиусу ячейки.

$$ {\ text {Flatness}} = {\ text {R}} _ {{{\ text {medium}}}} / {\ text {R}} _ {{{\ text {smallest}}} } $$

(2)

и плоские ячейки имеют значение намного больше единицы.

Обработка и анализ изображений Fluorescence OPT

Яркость изображений была скорректирована для лучшего контраста, а медианный фильтр использовался для удаления случайных фотонных шумов, вызываемых микроскопом и детектором.Чтобы создать составное изображение и видео живых и мертвых клеток, проекционное изображение мертвых клеток было выровнено с соответствующим проекционным изображением живых клеток с помощью программного обеспечения Fiji.

Статистический анализ

Измеренные количественные данные анализировали с помощью статистического программного обеспечения Stata (StataCorp.2017). Для оценки нормальности наборов данных использовался критерий Шапиро – Уилка. Для параметрических тестов группы сравнивали с использованием дисперсионного анализа (односторонний дисперсионный анализ). Попарное сравнение между группами проводилось с помощью теста множественных сравнений Бонферрони.Для непараметрических тестов группы сравнивались с использованием непараметрического рангового критерия Краскела – Уоллиса с тестом попарного сравнения Данна. Для сравнения средних значений между двумя группами применялся Т-тест. Статистическая значимость была определена как P <0,05.

TomoJ: программное обеспечение для томографии для трехмерной реконструкции в просвечивающей электронной микроскопии | BMC Bioinformatics

TomoJ был реализован как плагин для программного обеспечения ImageJ [32]. ImageJ – хорошо известная программа на Java, разработанная Национальными институтами здравоохранения; он предлагает большое количество возможностей анализа изображений, включая анализ электрофоретических полос и многоцветную комбинацию изображений из конфокальной микроскопии.TomoJ предлагает те же преимущества, что и ImageJ, в отношении анализа изображений, с добавлением простой установки, переносимости (как программа на основе Java, она работает во всех операционных системах) и простоты на уровне пользовательского интерфейса (рисунок 1). Кроме того, TomoJ может читать и записывать все форматы файлов, доступные в ImageJ, а также стандартные форматы изображений для электронной микроскопии MRC [6] и SPIDER [24].

Рисунок 1

Интерфейс TomoJ . A: Пользовательский интерфейс ImageJ, представленный после запуска TomoJ.Обратите внимание, что панель инструментов отличается от стандартной панели инструментов ImageJ. Стандартная панель инструментов может быть восстановлена ​​с помощью кнопки «переключить панель инструментов» в интерфейсе TomoJ. B: Интерфейс TomoJ разделен на четыре области. Вверху: глобальные меню. Внизу (слева направо): области, предназначенные для автоматического выравнивания, инструментов, требующих выделения точек и трехмерной реконструкции. C: Окно набора данных. Заголовок включает в себя имя серии наклона, номер визуализированного изображения в общем стеке, общее количество изображений в стеке, угол наклона, соответствующий визуализированному изображению, тип байта изображения и общий объем памяти, занимаемой объектом куча.

В качестве подключаемого модуля для ImageJ, TomoJ требует, чтобы это программное обеспечение было установлено через Интернет [33]. Основным ограничением ImageJ, как и любого другого программного обеспечения Java, является управление памятью RAM. ET требует большого использования памяти, которое ограничено 32-битными процессорами JAVA. Для работы с большими наборами данных требуются 64-битные процессоры и не менее 4 гигабайт оперативной памяти (процедура выделения большой памяти описана в документации ImageJ).

После завершения установки ImageJ просто необходимо скопировать файл дистрибутива (TomoJ_.банка; загружаемый [49]) в каталог подключаемого модуля ImageJ. На этом этапе для каждого нового выполнения ImageJ в меню подключаемого модуля будет доступно подменю «TomoJ», включающее два основных параметра. Первая опция, «Интерфейс TomoJ», используется для запуска интерфейса для реконструкции серии одноосных наклонов. Второй вариант, «TomoJ average», позволяет комбинировать несколько объемов для многоосевой томографии [13]. TomoJ также можно запустить из командной строки.

Рабочий процесс TomoJ

Для вычисления одноосной томограммы в TomoJ требуется: 1) назначение угла наклона, 2) нормализация серии наклона, 3) выравнивание серии наклона, 4) определение оси наклона и 5) реконструкция объема .Все эти шаги доступны из уникального интерфейса (рисунок 1).

Назначение угла наклона

После загрузки серии наклона в ImageJ пользователю предлагается указать угол наклона, соответствующий первому изображению, и угловое приращение, используемое для записи изображения. На основе этих параметров углы наклона вычисляются для каждого изображения путем применения двух наиболее часто используемых угловых схем для получения: линейной модели или модели Сакстона [36]. Если используются другие модели сбора данных, углы наклона могут быть предоставлены в текстовом файле.При необходимости углы наклона можно изменить вручную для любого отдельного изображения с помощью команды «назначить угол наклона» из меню TomoJ.

Одно изображение можно удалить из серии наклона с помощью кнопки «удалить изображение» (рис. 1). Эта операция не изменяет назначение угла наклона других изображений.

Нормализация серии наклона

Изображения серии наклона должны быть помещены в общую числовую структуру, чтобы устранить различия между отдельными динамическими диапазонами.Эти различия в основном связаны с тем, что электронный луч пересекает образцы различной толщины в зависимости от угла наклона. Нормализация также облегчает визуализацию ряда наклона. Каждое изображение (8, 16 или 32 бита) из серии наклона расширяется до 32-битного действительного числа и нормализуется, чтобы иметь среднее значение 0 и постоянное стандартное отклонение (равное 1), как описано в [37] с использованием уравнение: I _n = (I _m – Î _m ) / σ _m

где I _n – нормализованное значение пикселя изображения, I _m – исходный пиксель значение, и Î _m и σ _m – среднее и стандартное отклонение пикселей от всего изображения, соответственно.Процедура нормализации запускается кнопкой «нормализация» TomoJ (рисунок 1). На выходе создается 32-битный стек реального изображения.

Выравнивание серии наклона

Правильная регистрация (коррекция смещения и поворота) изображений из серии наклона необходима для получения качественной томограммы. TomoJ обеспечивает автоматическое и полуавтоматическое выравнивание. Если набор данных имеет низкое отношение сигнал / шум, поправки смещения и поворота могут быть вычислены из отфильтрованных данных (кнопка «полосовой фильтр» в интерфейсе TomoJ или любой другой фильтр ImageJ), а затем применены к исходному набору данных ( кнопки «сохранить преобразование» и «загрузить преобразование»).

Автоматическая коррекция сдвига (кнопка «правильный сдвиг», рисунок 1) выполняется путем вычисления коэффициента взаимной корреляции (CCC) между каждыми двумя последовательными изображениями и последующего перемещения одного из изображений на количество пикселей, необходимое для максимизации CCC. Этот шаг выполняется в частотной области с использованием корреляционного свойства преобразования Хартли (HT) [38]. Преимущество использования HT заключается в том, что он требует только половину памяти, чем наиболее часто используемое преобразование Фурье (FT).Чтобы сохранить максимальный объем информации, общая область максимизируется путем вычитания среднего значения всех вычисленных сдвигов между каждыми двумя последовательными изображениями. Чтобы улучшить выравнивание, можно выбрать интересующую область, содержащую элементы с высоким отношением сигнал / шум. Если длина сторон этой области равна степени 2, процесс выравнивания ускоряется за счет использования быстрой HT. Вычисленные сдвиги будут применены ко всему стеку и могут быть сохранены в текстовый файл.

Проблема выполнения парных сравнений заключается в том, что теоретически окончательное выравнивание может быть весьма подвержено систематической ошибке (хотя на практике это не всегда верно).Винклер и Тейлор [17] предложили метод автоматического выравнивания, при котором центральное изображение серии наклона попарно сравнивается с его непосредственными соседями. После выравнивания соседей они служат шаблонами для своих соседей. Эта процедура повторяется до тех пор, пока все изображения не будут выровнены. Хотя эта процедура позволяет избежать предвзятости, она не гарантирует объективного конечного результата. В настоящее время мы работаем над процедурой выравнивания, которая позволяет избежать смещения при выравнивании за счет одновременного рассмотрения всех изображений.

Вращения можно автоматически скорректировать с помощью эквивалентной процедуры (кнопка «Правильное вращение», Рисунок 1), но если серия наклона была получена с помощью автоматического электронного микроскопа, это обычно не требуется. Однако это может быть необходимо, если серия наклона была записана вручную. Вращения между последовательными изображениями определяются путем максимизации CCC в реальном пространстве или с помощью спектра мощности HT (меню «Файл» на рисунке 1, а затем подменю «Параметры»). Подобно методу для сдвигов, среднее значение вычисленных оборотов вычитается из всех оборотов.

В случае важных сдвигов перед автоматическим выравниванием может потребоваться полуавтоматическая предварительная юстировка (кнопка «центральная функция», рис. 1). Предварительное выравнивание требует, чтобы пользователь выбрал координаты точки, которые соответствуют распознаваемым элементам, присутствующим на каждом изображении. Выделение выполняется с помощью панели инструментов PointPicker [39], которая заменяет стандартную панель инструментов ImageJ в окне ImageJ после запуска интерфейса TomoJ. Кнопка «переключить панель инструментов» (рис. 1) позволяет переключаться между этими панелями инструментов.PointPicker предоставляет удобный интерактивный инструмент для ручного назначения координат. После того, как точки выбраны, каждое изображение перемещается так, чтобы центр масс координат объекта был помещен в центр изображения. Эти предварительно центрированные изображения используются в качестве входных данных для автоматического выравнивания.

Если результаты автоматического выравнивания неудовлетворительны, возможно полуавтоматическое выравнивание. Этот метод основан на том, что точки, принадлежащие объекту, повернутому вдоль одной оси в трехмерном пространстве, следуют по дугам вокруг оси.Двухмерная проекция точек, принадлежащих этим дугам, определяет параллельные линии, перпендикулярные оси наклона. Поскольку изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии, представляют собой проекции трехмерных объектов, траектории любой проецируемой точки трехмерного объекта следует линиям в серии наклона. Уравнения этих линий определяются линейной регрессией координат узнаваемых объектов. Затем каждое изображение выравнивается, используя среднее значение перемещений, необходимых для проецирования каждой координаты объекта на его линию.Процедура полуавтоматического выравнивания требует знания координат элемента в предварительно выровненной серии наклона.

Определение оси наклона

Если ось наклона известна, то для восстановления томограммы требуется только ввести значение на панели реконструкции окна TomoJ, расположить ось наклона по вертикали с помощью соответствующей кнопки и запустить выбранный алгоритм реконструкции. Если размер изображения превышает доступную память компьютера, можно получить меньшую область интереса для реконструкции с помощью инструментов выбора и параметров «Изображение-> Обрезать» в окне ImageJ.Эта операция требует вертикального размещения оси наклона и переключения на панель инструментов ImageJ. Обрезанная область может располагаться в любом месте стопки. После кадрирования пользователь должен обновить серию изображений TomoJ, нажав кнопку «обновить серию» (рис. 1). Коррекция сдвига в кадрированной серии рекомендуется перед запуском алгоритмов реконструкции в обрезанной области.

Если ось наклона неизвестна, ее можно определить двумя способами. Самый простой из них, основанный на FT спроецированной выровненной стопки, требует дискретных и четко определенных реперных маркеров, таких как частицы золота.В этом случае опция ImageJ «Z-проект» из меню «Изображение -> Стек» позволяет вычислить проекцию стека с использованием опции «минимальная проекция». Из этого изображения можно вычислить FT, используя меню «Анализ -> БПФ» из ImageJ. Наконец, угол наклона можно измерить с помощью инструмента «Угол» окна ImageJ. Угол наклона определяется вертикальной линией, пересекающей центр изображения спектра мощности FT, показанного на экране, и линией наклона, которая появляется на нем.

Вторая процедура использует координаты набора выбранных точек из распознаваемых объектов или реперных маркеров.Координаты элементов используются для вычисления с помощью линейной регрессии уравнения линии, перпендикулярной оси наклона. Эта линия представляет собой среднее направление смещения элементов. Перед использованием для определения оси наклона координаты объектов проверяются с помощью теста Пирсона для соответствия линейным траекториям. Тест Пирсона выполняется для коэффициентов линейной регрессии для каждой функции. Элементы, не принадлежащие их линейному уравнению с достоверностью 0,95, исключаются из дальнейших расчетов.Ось наклона вычисляется как линия, перпендикулярная среднему смещению элемента. Программа обеспечивает угол (в градусах), необходимый для вертикального положения оси наклона. Кроме того, доверительный интервал для угла наклона вычисляется из доверительного интервала для наклона уравнения среднего смещения элемента. Этот метод требует наличия как минимум трех узнаваемых особенностей в большинстве изображений серии наклона. На этом этапе можно отметить объект на некоторых изображениях (например, каждые 10 изображений) с помощью панели инструментов PointPicker и интерполировать остальные точки с помощью кнопки «интерполировать».Положение интерполированных точек можно исправить с помощью инструмента «Переместить крестики» на панели инструментов PointPicker. Как только один объект выбран во всем стеке, операцию можно повторить со следующим объектом. На любом этапе ось наклона можно вычислить, нажав соответствующую кнопку в окне TomoJ. Значение оси наклона будет показано в окне результатов с соответствующей статистической ошибкой. В зависимости от вычисленной ошибки пользователь может завершить процедуру определения оси наклона или выбрать между корректировкой положения точек или добавлением новых точек.Точки также можно использовать для выравнивания изображений с помощью параметра «центр с точками» в меню TomoJ. Однако в большинстве случаев в этой операции нет необходимости, поскольку изображения ранее были отцентрированы. Координаты точки можно сохранить в виде текстового файла и получить в любой момент с помощью опции «сохранить точки» на панели инструментов PointPicker.

Реконструкция

Последним этапом построения томограммы является реконструкция. Для этого необходимо выровнять стопку изображений и определить ось наклона.Затем необходимо указать толщину объема, которая соответствует ожидаемому количеству вокселов, которые реконструкция займет в Z-направлении. Толщину образца в пикселях можно приблизительно определить, умножив толщину образца в нанометрах на размер выборки в нм / пиксель.

В TomoJ реализованы три алгоритма реконструкции: WBP [40], ART [20] и SIRT [21, 22]. WBP – наиболее часто используемый алгоритм реконструкции в ET. Этот метод компенсирует чрезмерный акцент на низких частотах в пространстве Фурье за ​​счет использования схемы взвешивания перед реконструкцией.Впоследствии выровненные и взвешенные проекции проецируются обратно в трехмерный объем с использованием билинейной интерполяции. ART и SIRT выполняются итеративно, так что проекции восстановленного объема, вычисленные с помощью модели формирования изображения, напоминают экспериментальные проекции, полученные с помощью микроскопа. Предполагается линейная проекционная модель с аддитивным гауссовским шумом [21]. Модель линейной проекции является первым приближением процесса нелинейного формирования изображения, происходящего в микроскопе [41, 42].Более того, несмотря на то, что шум не является белым [43], известно, что формула SIRT для белого шума дает хорошие оценки лежащих в основе структур [44].

Для вычисления объема с использованием WBP в TomoJ никаких специальных вводных данных не требуется. Для итерационных алгоритмов ART и SIRT необходимо указать количество итераций и коэффициент релаксации. По нашему опыту, для получения хорошей томограммы обычно требуется не менее четырех итераций. Выбор количества итераций зависит от среднеквадратичной ошибки, вычисленной по разнице между проекциями восстановленного объема и экспериментальными данными.Кривая ошибок, показывающая ошибку как функцию номера итерации, отображается после завершения процесса восстановления. Второй параметр, коэффициент релаксации, представляет собой весовой коэффициент, используемый для улучшения качества реконструкции, обычно за счет сходимости [45]. TomoJ предлагает для ART коэффициент релаксации (количество итераций) ^-1 и 1 для SIRT, что экспериментально является хорошими значениями для большинства случаев. Однако эти значения можно изменить вручную.Как правило, следует использовать более низкие коэффициенты релаксации с наборами данных, имеющими низкое отношение сигнал / шум, и более высокие значения в противоположном случае. Кривая ошибок также помогает в выборе коэффициента релаксации: быстрая сходимость указывает, что коэффициент релаксации слишком высок, а медленная сходимость указывает, что он слишком низкий.

Для получения томограммы не обязательно использовать все инструменты TomoJ. Например, угол наклона оси наклона обеспечивается большинством программного обеспечения для сбора данных микроскопа.Таким образом, он может быть предоставлен напрямую пользователем. Кроме того, при автоматической процедуре сбора данных поворотами обычно можно пренебречь. Следовательно, в большинстве случаев необходимы только шаги «нормализация», «правильный сдвиг», «вертикальное перемещение оси наклона» и «восстановление».

Комбинация объемов в многоосевой томографии

Невозможность записывать проекции при всех углах наклона во время сбора данных приводит к неполной информации. Эта невозможность связана с увеличением эффективной толщины образца (T) в зависимости от начальной толщины (t) и угла наклона ( α ): T = tcos (α) MathType @ MTEF @ 5 @ 5 @ + = feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGubavcqGH9aqpdaWcaaqaaiabdsha0bqaaiGbcogaJjabc + gaVjabcohaZjabcIcaOGGaciab = f7aHjabcMcaPaaaaaa @ @ 37E0, подразумевая бесконечную толщину в траверсе при & alpha; = 90 °.Этот недостаток информации известен как недостающий клин [10]. Отсутствующий клин вызывает артефакты реконструкции (например, удлинение узоров) в реконструируемом объеме, перпендикулярном горизонтальной плоскости. Чтобы компенсировать этот недостаток информации, можно повернуть образец в горизонтальной плоскости, восстановив часть недостающих выступов. Таким образом, если два поворота (обычно 0 ° и 90 °) используются для записи двух томографических серий (каждая серия со своим собственным максимальным углом наклона), и два восстановленных объема объединяются в объединенную томограмму, то недостающий клин равен превратился в пропавшую пирамиду.Такой подход получил название двухкоординатной томографии [11, 12]. Расширением этого подхода является запись томографических серий при максимально возможном количестве оборотов в горизонтальной плоскости, что приводит к отсутствию конуса. Этот подход получил название многоосевой томографии [13]. Как при двухосевой, так и при многоосевой реконструкции требуется выравнивание объемов перед вычислением окончательного среднего. TomoJ предоставляет второй удобный плагин для объединения различных одноосных реконструкций путем простого усреднения объемов после регистрации.

Запуск TomoJ в пакетном режиме

Некоторые задачи по вычислению или объединению томограмм отнимают много времени, в зависимости от используемого процессора и памяти. Как плагин для ImageJ, TomoJ запускается в пользовательском окне, что может блокировать выполнение компьютером других интерактивных задач. Чтобы решить эту проблему, TomoJ можно запустить в пакетном режиме. Это можно сделать с помощью различных команд терминала; полный набор представлен в руководстве пользователя (доступно на веб-странице TomoJ).

Компьютерная визуализация данных трехмерного изображения с использованием IMOD.

Компьютерная визуализация данных трехмерного изображения с использованием IMOD.

ЖУРНАЛ СТРУКТУРНОЙ БИОЛОГИИ 116, 71-76 (1996)
СТАТЬЯ № 0013

Джеймс Р. Кремер, Дэвид Н. Мастронард и Дж. Ричард Макинтош

Боулдерская лаборатория трехмерной электронной микроскопии клеток, Отдел биологии MCD, Колорадский университет, Боулдер, Колорадо 80309-0347

Поступила 12 мая 1995 г., в доработке 3 августа 1995 г.

Авторские права 1996 г. принадлежат Academic Press, Inc.
Все права на воспроизведение в любой форме защищены.

---

Мы разработали компьютерный программный комплекс IMOD в качестве инструмента для анализа и просмотра данных трехмерного биологического изображения. IMOD полезен для изучения и моделирования данных томографических, серийных реконструкции сечения и оптического сечения. Программное обеспечение позволяет данные изображения должны быть визуализированы несколькими различными методами. Модели данные изображения могут быть визуализированы по объему или контурной поверхности рендеринг и может дать количественную информацию.

---

ВВЕДЕНИЕ

Количество и разнообразие данных трехмерного (3-D) изображения изучение структурной биологии неуклонно росло с достижения в области микроскопа и компьютерных технологий. В настоящее время существует высокий спрос на компьютерное программное обеспечение, которое может анализировать и отображать такие сложные наборы данных. Мы разработали несколько компьютерных программ в качестве пособие для изучения трехмерных биологических данных (McDonald et al., ., 1991; Wilson et al ., 1992) и недавно разработали программу IMOD, чтобы помочь в просмотре, моделирование и анализ данных трехмерных изображений для структурной биологии (Kremer et al ., 1994)

IMOD был написан для облегчения просмотра сложных и запутанные данные трехмерного изображения типа, обнаруженного в сотовых и биология развития; он предоставляет пользователю несколько способов просмотра, анализа и данные модели изображения, чтобы получить лучшее понимание исследуемая структура. Большинство элементов управления в IMOD были разработаны для иметь простое, но полное взаимодействие с пользователем. Тип данных наиболее для анализа с помощью IMOD подходят данные трехмерного изображения из объема материал, где каждый воксель имеет одно значение интенсивности.Примеры эти данные представляют собой томографические реконструкции, серийные снимки срезов из электронный микроскоп и оптические срезы из светового микроскопа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Подготовка данных трехмерного изображения для использования в IMOD. Наборы томографических данных рассчитываются из серии наклонных просмотров с использованием алгоритма обратной проекции с R-взвешиванием (Gilbert, 1972). Серия наклона сначала должна быть выровнена с помощью создание списка реперных точек, обычно частиц коллоидного золота на поверхности образца.Программа TILTALIGN использует подход к минимизации, описанный Luther et al. al . (1988) для определения углов наклона и сдвигов, вращения и изменения размера, необходимые для выравнивания видов. TILTALIGN имеет две функции, которые помогают добиться точного выравнивания. Во-первых, если необходимо, отдельные реперные знаки могут быть помечены только через подмножество просмотров, т. е. тех, в которых отчетливо виден конкретный реперный знак. (В программе Джинга и Сакса (1991) также есть эта функция, но не может устранить углы наклона или искажение сечения.) Во-вторых, некоторые параметры, например те, которые регулируются для раздела искажения, можно ожидать, что они будут медленно меняться в серии. Несколько последовательных представлений могут быть ограничены одним и тем же, неизвестным значение такого параметра, существенно сокращая количество неизвестные, которые необходимо решить.

Изображения серийных разделов часто необходимо выравнивать с помощью линейных трансформации, которые позволяют полностью изменять размер и растягивать вдоль произвольной оси, а также перемещение и вращение изображения (McDonald et al ., 1991). Три метода (более подробно описано в Mastronarde et al. al ., 1992) доступны в отдельных программах для получения необходимые преобразования. Первая программа позволяет визуализировать выравнивание между парой соседних секций при ручной настройке преобразование применяется к одному из них. Эта программа также может преобразовывать контуры или точки в модели, чтобы в случае несовпадения заметен после начала моделирования, исправление может быть выполнено без переделывать только что выровненное трехмерное изображение.Во-вторых, можно сделать список реперных точек, которые соответствуют между соседними секциями и используйте их для решения линейных преобразований. В-третьих, если достаточно функции изображения похожи от одного раздела к другому, выравнивание может выполняться автоматически, используя симплексный алгоритм для поиска преобразование, которое минимизирует различие изображений.

IMOD использует формат файлов изображений MRC, разработанный в Медицинском центре. Исследовательский совет, Кембридж, Англия. Мы выбрали этот формат для IMOD потому что мы уже разработали множество программ, которые использовали его для запуска на VaxStation 3200 (McDonald et al ., 1991). Преимущество этого формата заключается в том, что он сохраняет трехмерное изображение или стопка двухмерных изображений в одном файле. Вспомогательные программы в IMOD пакет может конвертировать файлы изображений TIFF в байтовый формат, файлы rgb от Silicon Graphics Inc. (SGI), и необработанные данные изображения в MRC формат. После преобразования объема трехмерного изображения в формат MRC и выровнен, готов к просмотру и моделированию.

Просмотр данных трехмерного изображения с помощью IMOD. IMOD позволяет визуализировать данные трехмерного изображения несколькими разные методы.Каждый вид отображается в отдельном окне и связан с другими, которые показывают то же место в трехмерном пространстве из другого точка зрения. Таким образом, IMOD позволяет визуализировать трехмерное изображение. данные в интерактивном режиме на 2-мерном компьютерном дисплее. Окна представляющие эти виды, называются окном Zap (масштабирование и панорамирование) (рис. 1B), окном просмотра модели (рис. 1C), окном тумблера (рис. 2A), Окно графика изображения (рис. 2B), окно слайсера (рис. 2C), окно XYZ (рис. 2D) и окно наклона. Все окна имеют одно и то же текущая точка в наборе трехмерных данных и одинаковая яркость и настройки контрастности.В главном окне программы IMOD (рис. 1А) отображается состояние строящейся модели, текущее расположение дисплеев на трехмерном изображении и текущее настройки контрастности. В этом окне также может отображаться текстовая информация, такие как области внутри контуров и сообщения об ошибках.

Окно Zap позволяет пользователю увеличивать и панорамировать изображение. в реальном времени. Представление, представленное окном Zap, представляет собой срез перпендикулярно оси Z в объеме трехмерного изображения (рис. 1C). Окно Zap накладывает контуры модели и точек на изображении, а модель можно редактировать с помощью мыши.Перемещение из одной области в другую быстро выполняется с помощью мыши для перетащите изображение в желаемый вид.

В окне просмотра модели отображается каркас проводов с Z-буферизацией. визуализация контура модели, данных линий и точек с настраиваемыми перспектива (рис. 1С). Данные модели могут быть визуализируется в стереорежиме с косым или пристальным взглядом, и настройки для масштабирование, поворот и перевод можно производить вручную. Мнение данные модели могут вращаться во время редактирования.

Окно XYZ содержит три вида, расположенных как механический рисунок трехмерного объекта (рис.2D). Нижнее левое изображение – это то же изображение, что и в окне Zap; вершина а правые изображения представляют собой ортогональные плоскости, рассекающие объем в текущая точка обзора по осям X и Y соответственно. В макет этого вида позволяет точно знать, какие плоскости 3-D отображаются данные изображения.

В окне слайсера отображается срез трехмерного изображения. данные изображения в любой выбранной ориентации (рис. 2C). Срез можно вращать вокруг осей Z, Y и X, а также увеличено.Срез можно быстро отобразить с помощью ближайшего соседа интерполяция или с более высоким качеством, но медленнее, квадратичная интерполяция. Ориентация среза в трехмерном объеме показаны линиями, обозначающими пересечение плоскости среза с нормальными плоскостями X, Y и Z, отображаемыми в окне XYZ (Рис. 2D)

Окна Tilt и Tumbler показывают орфографические суммарная воксельная проекция трехмерных данных; первый основан на предварительно рассчитанная серия изображений, тогда как последняя рассчитывается в в реальном времени.Окно наклона может отображать исходные наклонные изображения из которого была рассчитана томограмма, или серия проекций на Ось Y трехмерного объема. Это окно также можно использовать для просмотра текущий контур модели в трехмерном наборе данных в стереоскопическом режиме. Окно тумблера показывает проекцию небольшого объема вокруг выбранную точку (рис. 2А). Пользователь может легко поверните объем в любую ориентацию.

Сферы интересов. Структура модели в IMOD был разработан, чтобы быть гибким и быстрым за счет использования данных иерархия.Модели могут содержать несколько типов данных, включая список разбросанных точек, список контуров, описывающих поверхность, 3-D полигональная сетка, список связанных сегментов линии, список точек описание местоположения предметов аналогичной формы, таких как ядерные поры, или список сегментов строки развертки, используемых для объемного рендеринга. Данные одного тип можно сгруппировать в один объект, имеющий атрибуты такие как цвет, блеск, прозрачность, ширина линии, размер точки и имя. Все типы данных, кроме трехмерной полигональной сетки и строки сканирования список можно редактировать вручную.Контуры могут быть созданы с помощью полуавтоматическая процедура, создающая контур вокруг выделенной области на заданном пороге. Более того, вся контурная модель может быть создается полностью автоматизированным пороговым алгоритмом. Созданные модели автоматически можно редактировать вручную, чтобы повысить точность модель.

Визуализация моделируемого объема. Once a 3-D Объем смоделирован, модель может быть изучена в дальнейшем. А проекция 3-D модели может отображаться либо на поверхности визуализация контурных данных или объемная визуализация данных изображения содержится в контурах.Количественные результаты, такие как объемы, площади поверхности, расстояния до ближайших соседей и центроиды могут быть полученные из модельных данных.

Гладкая кожа может быть обернута вокруг представленного объема по контурам данного объекта. Кожа представлена поверхностная сетка из соединенных треугольников, точки которых являются одними и теми же данными точки, содержащиеся в контурах, вместе с дополнительными точками используется для соединения ветвей по мере необходимости. Смежные контуры соединяются используя алгоритм, минимизирующий длину соединительных линий между двумя контурами.Филиалы обрабатываются аналогично что Шанца (1981). Нормали поверхности также рассчитаны, что позволяет использовать простой алгоритм освещения для отображения каждый объект. Программа отображения для этого типа визуализации, IMODV, полностью интерактивен для пользователя. Объемный рендеринг выполняется отдельная программа, управляемая из командной строки, которая генерирует трехмерные фильмы. данные изображения вращаются вокруг фиксированной оси.

Прочие инструменты для обработки изображений. Несколько других Для работы с IMOD доступны программы, запускаемые из командной строки.Доступные операции включают вращение, перемещение, растяжение, взаимная корреляция, обнаружение краев, вычисление преобразований Фурье, усреднение изображения, фильтрация и регулировка контрастности и яркости. Большинство этих процессов можно выполнить в 2-D или 3-D режиме. Смонтированные изображения также могут быть объединены в одно большое изображение.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Томограф для электронного микроскопа высокого напряжения IMOD использовался для моделирования данных томографических изображений транс – сеть Гольджи и транс – цистерны Гольджи в NRK клетки (Ладинский и др. ., 1994). An Пример этого приложения можно увидеть на рис. 1, а пример завершенной модели показан на рис. 3A и 3B.

Томограммы, показанные на рис. из двух серий наклона ± 60 ° секции 0,25 мкм расслабленная мышца полета насекомых. Микрофотографии были сделаны при 1 ° интервалы вокруг ортогональных осей и объединяются для создания единого томограмма. Миофиламенты не были идеально выровнены по плоскости сечения (рис. 2D), поэтому окно слайсера было используется для создания плоскости, содержащей чередующиеся толстые и тонкие волокна. в поле зрения (рис.2С).

Реконструкция серийного разреза по электронным микрофотографиям.

IMOD также использовался в нескольких исследованиях 3-D реконструкции из серийных разрезов, отображенных в электронном микроскоп. Пример одной такой реконструкции митотического Ядро дрожжевой клетки дикого типа можно увидеть на фиг. 3C. Маленькие яркие сферы представляют собой ядерную поры, которые моделировались путем ручного выбора центра каждой поры. Один раздел отсутствовал во входных данных, но вариант для программа скинов IMODMESH использовалась для заполнения недостающих данных.Сейчас мы собираем статистику по количеству и распределению ядерные поры из нескольких моделей из разных штаммов дрожжей.

Другие формы данных

IMOD может быть полезен для изучения любых изотропных трехмерных изображения, например, полученные при конфокальной микроскопии или МРТ. Для Например, данные изображения 12-клеточного эмбриона нематоды, C. elegans (Wood, 1988), были приобретены из светового микроскопа с использованием дифференциальной интерференции Номарского контрастная оптика.Были смоделированы клеточные мембраны и ядра, а затем визуализировано, как показано на рис. 3D, чтобы проиллюстрировать ценность возможности сделать отдельные объекты прозрачными. IMOD имеет таким образом доказал свою полезность для определения связи между структурами в световых микроскопических изображениях, а также в данных электронной томографии.

ОБСУЖДЕНИЕ

Преимущества использования IMOD для просмотра данных трехмерного изображения.

Большинство ученых, которые работали с трехмерными изображениями, имеют столкнулись с проблемой изучения и отображения своих данных в надежно, понятно.IMOD был разработан и реализован в лаборатории, которая ежедневно сталкивается с этими проблемами. В гибкость и мощность этой программы отражает нашу твердую уверенность в том, что несколько подходов к отображению и анализу способствуют достоверному понимание трехмерных данных.

Каждый из различных представлений, доступных в IMOD программа предоставляет иную форму визуализации данных; наш опыт показывает, что каждая форма отображения предлагает разные понимание исследуемой трехмерной структуры.Например, ломтики просмотр серийно в третьем измерении чрезвычайно полезен для четкое понимание двухмерных аранжировок, но с таким отображать иногда трудно понять связи между сложные 3-D объекты. Графические контуры, нанесенные на двумерные данные и собранный в 3-D может помочь понять такие связи, но некоторая форма рендеринга в трехмерную поверхность часто требуется для отображения преемственность четко. С другой стороны, нередки случаи, когда вносить ошибки интерпретации при построении такой модели.С выявление и исправление таких ошибок в визуализированной модели – это невозможно, важно иметь эффективные способы восприятия непрерывность исходных данных изображения. Окно слайсера IMOD, которое позволяет разрезать трехмерный набор данных в плоскости с помощью легко выбираемых ориентация и положение, помогли разработать точные модели цитоплазматических мембран. Это также помогло в получении информативные виды высокоупорядоченных структур, таких как миофибриллы. Наконец, мы обнаружили, что модели наиболее точны, когда они через несколько поколений усовершенствований.Наши усилия по развитию полуавтоматические процедуры моделирования, которые предоставляют эскизные конструкции, которые впоследствии могут быть отредактированы вручную в IMOD, отражает наши опыт, что обученный научный наблюдатель, как правило, лучший арбитр сложных вопросов об отношениях между модель и исходные данные.

Гибкость дисплея также важна при просмотре моделей. Требуются разные уровни сложности модели, начиная от простых контуры к каркасам к визуализированным поверхностям.Также хочется различные уровни прозрачности для улучшения просмотра определенной модели Особенности.

Очевидная ценность построения компьютерных моделей сложных структур – это легкость, с которой структурные данные впоследствии могут быть количественно для объективного анализа гипотетических структурных Особенности. Эта способность была особенно полезной для нас в нашем анализ митотических веретен (например, Mastronarde и др. ., 1993). Способность IMOD измерять площади, объемы и длины контуров, и для подсчета объектов любого класса модели составляют теперь доступны дополнительные преимущества программы.

Требования для использования IMOD.

IMOD был разработан на компьютере Silicon Graphics Inc. (SGI). системе и в настоящее время требует SGI с 24-битной графикой, чтобы бег. Мы планируем сделать IMOD доступным для большего количества компьютерных систем, использование X-Windows / Motif и SGI’s OpenGL для рендеринга графики данные. Использование этих программных интерфейсов позволит всем 8-битным Компьютеры с X-Windows для запуска IMOD. Исполняемая версия IMOD и все вспомогательные программы находятся в свободном доступе на сайте Boulder. Лаборатория трехмерной тонкой структуры.

Будущие улучшения IMOD.

IMOD – довольно новая программа, и мы работаем над обеими улучшения IMOD и дополнительных программ. Мы в настоящее время стремясь улучшить автоматическое моделирование, добавив обнаружение краев вдоль с пороговым обнаружением (Яновиц и Bruckstein, 1989) и добавлением способности обнаруживать специфические типы объектов, такие как ядерные поры, показаны на фиг. 3C. Пользователи смогут начать обводку контуров. с помощью нескольких точек и интерактивного средства отслеживания края для завершения контур.

Окно слайсера (рис. 2C) добавит возможность отображать срезы разной толщины и просматривать их толстые ломтики в стерео. Объемный рендеринг теперь выполняется статически, но будет полезно, чтобы этот рендеринг происходил в реальном времени после пользователь выбирает ориентацию модели. Интерактивный или пакетный файл управления будет использоваться для автоматического рендеринга 3-D фильмов.

---

ЦИФРЫ

Примечание: если цифры тоже появляются темно, установите уровень гаммы на 1.7.

РИС. 1.

Моделирование томограммы сети trans -Гольджи. Главный окно программы (A) показывает текущий объект, контур и точку вдоль с текущими координатами X, Y и Z в трехмерном пространстве. Внизу, распечатаны площадь и длина текущего контура. В Ползунки «Черный» и «Белый» используются для управления контрастностью изображения. Окно Zap (B) показывает срез данных изображения с моделью контуры наложены. Окно просмотра модели (C) показывает Z-буферизацию. каркасный рендеринг в реальном времени по мере построения модели.

---

РИС. 2.

Просмотр томограммы лётной мышцы насекомого в расслабленном состоянии. В Окно тумблера (A) показывает небольшой куб, вырезанный из томограммы вокруг текущая точка. Окно Image Graph X (B) показывает график интенсивность вокселей по горизонтали (X) томографического данные, отображаемые в окне XYZ. Вертикальная линия показывает расположение текущее значение X. Окно слайсера (C) показывает срез, повернут на -6,6 ° вокруг оси X, на -7,1 ° вокруг оси Y ось и 11.6 ° вокруг оси Z томограммы, как показано три ползунка. Окно XYZ (D) показывает плоскости, которые пересекаются текущая точка обзора перпендикулярна осям X, Y и Z. Линии через изображения показывают пересечение этих плоскостей с плоскость, показанная в окне слайсера (C). Линии в правом верхнем углу окна XYZ отображают текущую глубину в объеме, а два дополнительные линии показывают, где разрезаются ортогональные срезы через объем.

---

РИС.3.

Реконструкции путем контурного моделирования на изображениях, полученных за три различные пути. (A, B) Завершенная модель trans -Golgi Сетевая томограмма с рис. 1 представлена ​​объемным рендерингом (A) и рендеринг поверхности (B). Каждый тип рендеринга показывает разные аспекты томографических данных. (C) Пример реконструкции на основе последовательной секции электронов микрофотографии. Модель представляет собой митотическое ядро ​​дикого типа. дрожжевой клетки, показывая расположение ядерных пор в виде сфер и расположение ядерной оболочки в виде полупрозрачной кожи.Дрожжи были приготовлены и визуализированы, как описано в Winey et al ., 1995. (D) Пример реконструкции на основе оптических сечений. В Модель представляет собой 12-клеточный эмбрион C. elegans , демонстрирующий клетку мембраны; ядра (N) клетки MS можно увидеть через прозрачная мембрана. Толщина каждого оптического среза составляла 0,5 мкм и размер пикселя 90 нм.

---

Мы благодарим Марка Вайни и Томаса Х. Гиддингса за поставку дрожжей. модель, Уильям Вуд и Дэниел Уивер за поставку 12-клеточного эмбриона модели Мэри Риди и Майкла Риди за предоставленный образец мышц, Дэвид Агард и Ханс Чен за оригинальный исходный код MRC и Wah Чиу за версию UNIX низкоуровневых файловых подпрограмм MRC.Эта работа была при поддержке гранта RR00592 от Национальных институтов здравоохранения для Дж. Р. Макинтош.

ССЫЛКИ

Гилберт, П. Ф. С. (1972) Реконструкция трехмерного структура от проекций и ее применение в электронной микроскопии. II. Прямые методы. Proc. R. Soc. Лондон B Ser. Биол. Sci. 182 , 89-102

Цзин, З., и Сакс, Ф. (1991) Выравнивание томографических проекций с использованием неполного набора реперных точек. маркеры. Ультрамикроскопия 35 , 37-43.

Кремер, Дж. Р., Фурчинитти, П. С., Макинтош, Дж. Р. (1994) Моделирование нового изображения программное обеспечение, используемое для трехмерного анализа данных биологической электронной микроскопии на компьютерах Silicon Graphics. Протокол микроскопии Общество Америки.

Ладинский, М.С., Кремер, Дж. Р., Фурчинитти, П. С., Макинтош, Дж. Р. и Хауэлл, К. Э. (1994) HVEM-томография сети транс-Гольджи: структурное понимание и идентификация кружевной оболочки везикул. Журнал клеточной биологии 127 , 29-38.

Лютер, П.К., Лоуренс, М.С., и Кроутер, Р.А. (1988) Метод контроля разрушения пластиковых секций как функция дозы электронов. Ультрамикроскопия 24 , 7-18.

Мастронард Д. Н., О’Тул Э. Т., Макдональд К. Л., Макинтош Дж. Р. и Портер, М. Э. (1992) Расположение внутренних динеиновых плеч у дикого типа и мутантного жгутики Хламидомонада . Журнал клеточной биологии 118 , 1145-1162.

Мастронард, Д. Н., Макдональд, К. Л., Динг, Р., и Макинтош, Дж. Р. (1993) Микротрубочки межполярного веретена в клетках PTK. Журнал клетки Биология 123 , 1475-1489.

Макдональд, К. Л., Мастронард, Д. Н., О’Тул, Э. Т., Динг, Р. Б., и Макинтош, Дж. Р. (1991) Компьютерные инструменты для морфометрической анализ митотических веретен и других систем микротрубочек. Бюллетень EMSA 21 , 47-53.

Шанц, М. (1981) Определение поверхности для ветвящихся объектов, определяемых контурами. Компьютерная графика 15 , 242-266.

Уилсон, К. Дж., Мастронард, Д. Н., МакИвен, Б., и Франк, Дж. (1992) Измерение площади нейрональной поверхности с помощью высоковольтных электронов микроскопическая томография. Neuroimage 1 , 11-22.

Вини М., Мамай К. Л., О’Тул Э. Т., Мастронард Д. Н., Гиддингс Т. Х., Макдональд, К. Л., и Макинтош, Дж. Р. (1995) Трехмерная ультраструктурная анализ митотического веретена Saccharomyces cerevisiae . Journal of Cell Biology , в печати.

Вуд, В. Б. (1988) Эмбриология. В: Нематода Caenorhabditis elegans , изд. W. B. Wood., Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк, С. 215-242.

Яновиц, С. Д., Брукштейн, А. М. (1989) Новый метод изображения сегментация. Компьютерное зрение, графика и обработка изображений 46 , 82-95.

---

Домашняя страница IMOD находится по URL-адресу http://bio3d.colorado.edu/imod

Джеймс Кремер – kremer @ beagle.colorado.edu

Криоэлектронная томография: трехмерное изображение мягкой материи

Появление криогенной просвечивающей электронной микроскопии (cryoTEM) означало прорыв в области визуализации in situ гидратированных образцов биологического и синтетического происхождения, что позволило проводить их исследования в состоянии сохранности, близком к естественному. Однако неотъемлемым ограничением cryoTEM является то, что изображения являются двумерными проекциями трехмерных объектов, что приводит к наложению множества функций, которые невозможно различить.Криоэлектронная томография (криоЭТ) необходима для преодоления этого ограничения. В этом методе изображения образца получают под разными углами наклона, а затем реконструируют в трехмерный объект, раскрывая подробную информацию о структуре, морфологии или трехмерной пространственной организации (био) макромолекул и (макро) молекулярных ансамблей. Эта информация затем может быть связана с процессами, происходящими в трехмерном пространстве, что делает криоЭТ бесценным инструментом для связи между структурной организацией в пространстве и функцией или активностью макромолекулярных комплексов в нанометровом масштабе.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Анализ трехмерной формы частиц с использованием рентгеновской компьютерной томографии: экспериментальная процедура и алгоритмы анализа металлических порошков

Измерение распределения частиц по размерам в порошке – обычное дело в науке и промышленности ^{1 , 2} .Измерение распределения формы частиц менее распространено, но и размер, и форма, а также материал, из которого сделаны частицы, определяют их свойства, либо по отдельности, либо в каком-либо матричном материале ^{3 , 4 , 5 , 6 , 7} . Материалы, размер и форма которых представляют интерес, включают портландцемент, песок и гравий ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23} , металлические порошки для порошковой металлургии и аддитивного производства ^{24 , 25 , 26} , лунный грунт ^{27 , 28 , 29} , измельченные автомобильные шины ³⁰ , измельченные отходы стекла ³¹ , стволовые клетки ³² , углеродные нанотрубки и графен ^{33 , 34} 9 0095, ^{35 , 36 , 37} .Однако форма и размер частиц порошка не являются независимыми величинами ²⁶ . Например, предположим, что у человека есть геометрически правильная частица, «размер» которой, как говорят, составляет d . Не говоря уже о том, является ли эта частица сферой, кубом или тонким стержнем длиной d, никто не знает, как размер применим к этой частице. Говоря, что частица является сферой, кубом или стержнем, на самом деле указывается форма частицы, и без этой дополнительной информации информация о размере не имеет смысла.

Для этих трех примеров, сферы, куба или тонкого стержня, размер частиц может быть указан одним числом. Но даже если бы стержень имел круглое поперечное сечение, нужно было бы также измерить диаметр этого поперечного сечения, поэтому для тонкой частицы стержня действительно потребовались бы два параметра размера. А как насчет частиц в форме эллипсоидов или прямоугольных коробок? Для каждого из них необходимы три числа, чтобы указать размер, и, тем не менее, форма должна быть представлена ​​либо в виде эллипсоида, либо в виде прямоугольной рамки, чтобы три параметра размера имели значение.Для частицы произвольной формы потребовалось бы бесконечное количество параметров размера (например, длина хорд поперек частицы), чтобы полностью охарактеризовать «размер» частицы, и все же они были бы бессмысленными без «характеристики формы, «зная, под какими углами по отношению к центру масс частицы были нарисованы эти хорды.

Существует множество методов, используемых для измерения распределения частиц по размерам в порошке с использованием различных физических принципов. ^{1 , 2} .Однако обычно не признается, что для определения размера частиц необходимо использовать информацию о форме частиц, как предполагаемую, так и измеренную. Текущие методы можно классифицировать как: (I) измерения трехмерного (3D) размера частиц с учетом трехмерной формы и (II) измерения как размера, так и формы, но только двухмерных (2D) проекций, с использованием методов анализа двухмерных изображений. . Для сферических частиц все 2D-проекции представляют собой круги с таким же диаметром, что и исходные частицы, и все эти методы измерения, как класса I, так и класса II, в пределах погрешности измерения дают одинаковые результаты для идеальных сфер.Для несферических частиц 2D проекции гораздо менее тесно связаны с исходными частицами. Если частица имеет внутреннюю пористость, которая не разрушает поверхность частицы, эти поры вообще не будут измеряться ни одним из этих методов измерения 3D или 2D. Класс I включает лазерную дифракцию, электрическое зондирование (ESV) ³⁸ , ситовый анализ и осаждение; и Класс II охватывает просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию, а также динамический и статический анализ изображений с использованием оптических методов.Ни один из классов не измеряет точно размер и форму несферических частиц в 3D.

Примерно с 2002 года ³⁹ был разработан новый метод анализа частиц ^{40 , 41 , 42 , 43 , 44 , 45} который отображает 3D-частицу в 3D, а затем использует несколько форм математического анализа для представления и классификации каждой частицы. Для каждой отдельной частицы сохраняется трехмерное изображение, которое можно сравнить с геометрической и математической информацией, которая также сохраняется для каждой частицы.Эта математическая информация может использоваться для повторного создания частицы по желанию в любой трехмерной модели ^{46 , 47 , 48 , 49} , в любом месте и ориентации, или для генерировать виртуальные частицы, которые вынуждены иметь одинаковую статистику ^{50 , 51} . Этот метод анализа частиц основан на сканировании XCT частиц, диспергированных в эпоксидной смоле или какой-либо другой подобной среде. Сканирование XCT выполняется с помощью специального программного обеспечения, которое использует алгоритм записи ^{52 , 53 , 54 , 55 , 56} для идентификации частиц, а затем либо сферической гармоники последовательная подгонка или подсчет вокселей для создания и сохранения формы и размера частиц, трехмерных изображений частиц и, на втором этапе, геометрической информации для каждой частицы.Каждая проанализированная частица имеет уникальную буквенно-цифровую метку, которая используется для отслеживания каждой частицы, информации о каждой частице и привязки каждой частицы к ее трехмерному изображению. Во время этого процесса анализа анализируются поры, находящиеся внутри частицы, и сохраняется общая пористость в этой конкретной частице, поскольку реконструкция XCT дает полное трехмерное изображение образца.

Три (из многих) геометрических параметра размера / формы оказались особенно полезными при анализе и классификации частиц в 3D: длина L, ширина W и толщина T. L определяется как расстояние между самой длинной точкой поверхности и точкой поверхности через частицу, W определяется аналогично L с дополнительным ограничением: единичный вектор вдоль W должен быть перпендикулярен единичному вектору вдоль L , и T также определяется аналогично L с дополнительным ограничением, что единичный вектор вдоль T должен быть перпендикулярен как единичному вектору вдоль L , так и единичному вектору вдоль W ¹² .Эти три параметра определяют минимальную прямоугольную или ограничивающую рамку, которая содержит только частицу, а отношения этих трех параметров дают ценную, но приблизительную информацию о форме каждой частицы. Распространение может быть любым из них. Возможно, что W хорошо коррелирует с «размерами», измеренными ситовым анализом ⁵⁷ , в то время как «размеры», измеренные с помощью лазерной дифракции, коррелируют со смесью L , W и T ³¹ .

Наконец, 3D-изображения тестового образца из 100-200 частиц визуально проверяются, чтобы определить, где находятся пороговые значения L / T, которые позволяют методу различать одиночные, почти сферические (SnS) частицы и несферические частицы. сферические (NS) частицы, которые могут представлять собой несколько свариваемых вместе частиц, или то, что явно является одиночными частицами, но с необычной формой.

Требуется подписка. Пожалуйста, порекомендуйте JoVE своему библиотекарю.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.