Trots framsteg inom 3D-avbildning som MR och CT, forskare är fortfarande beroende av att skära upp ett prov i 2D-sektioner för att få den mest detaljerade informationen. Med hjälp av denna information, de försöker sedan rekonstruera en 3D-bild av provet. Forskare från Nara Institute of Science and Technology rapporterar om en ny algoritm som kan utföra denna uppgift till lägre kostnad och högre robusthet än standardmetoder.

Japanska forskare rapporterar in Mönsterigenkänning en ny metod för att konstruera 3-D-modeller från 2-D-bilder. Tillvägagångssättet, som involverar icke-stel registrering med en blandning av stela transformationer, övervinner flera av begränsningarna i nuvarande metoder. Forskarna validerar sin metod genom att tillämpa den på Kyoto Collection of Human Embryon and Fetus, den största samlingen av mänskliga embryon i världen, med över 45, 000 exemplar.

MRT- och CT-skanningar är standardtekniker för att ta 3D-bilder av kroppen. Dessa metoder kan spåra med oöverträffad precision platsen för en skada eller stroke. De kan till och med avslöja de mikroskopiska proteinavlagringar som ses i hjärnpatologier som Alzheimers sjukdom. Dock, för bästa upplösning, forskare är fortfarande beroende av skivor av provet, vilket är anledningen till att cancer och andra biopsier tas. När den önskade informationen har erhållits, forskare använder algoritmer som kan sätta ihop 2D-skivorna för att återskapa en simulerad 3D-bild. På det här sättet, de kan rekonstruera ett helt organ eller till och med en organism.

Att stapla ihop skivor för att skapa en 3D-bild är ungefär som att sätta ihop en tårta efter att den har skurits. Ja, den allmänna formen finns där, men kniven kommer att få vissa skivor att gå sönder så att den rekonstruerade kakan aldrig ser lika vacker ut som originalet. Även om detta kanske inte stör sällskapet av femåringar som vill unna sig, det sällskap av kirurger som letar efter den exakta platsen för en tumör är svårare att blidka.

Faktiskt, provet kan genomgå en rad förändringar när det förbereds för sektionering. "Sektioneringsprocessen sträcker sig, böjer och river vävnaden. Färgningsprocessen varierar mellan proverna. Och fixeringsprocessen orsakar vävnadsförstörelse, " förklarar Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Nara, Japan, Docent Takuya Funatomi, som ledde projektet.

I grunden det finns tre utmaningar som dyker upp med 3D-rekonstruktionen. Först är icke-styv deformation, där positionen och orienteringen av olika punkter i originalexemplaret har ändrats. För det andra är vävnadsdiskontinuitet, där luckor kan uppstå i rekonstruktionen om registreringen misslyckas. Till sist, det är en skalförändring, där delar av rekonstruktionen är oproportionerliga till sin verkliga storlek på grund av icke-stel registrering.

För vart och ett av dessa problem, Funatomi och hans forskargrupp föreslog en lösning som i kombination resulterade i en rekonstruktion som minimerar alla tre faktorer med mindre beräkningskostnader än standardmetoder.

"Först, vi representerar icke-styv deformation med ett litet antal kontrollpunkter genom att blanda stela transformationer, " säger Funatomi. Det lilla antalet kontrollpunkter kan uppskattas robust mot färgningsvariationerna.

"Sedan väljer vi målbilderna enligt de icke-styva registreringsresultaten och tillämpar skaljustering, " han fortsätter.

Den nya metoden fokuserar huvudsakligen på ett antal seriebilder av mänskliga embryon från Kyoto Collection of Human Embryon and Fetus och skulle kunna rekonstruera 3-D embryon med enastående framgång.

I synnerhet, det finns ingen MR- eller CT-skanning av proverna, vilket innebär att inga 3D-modeller kan användas som referens för 3D-rekonstruktionen. Ytterligare, stor variation i vävnadsskada och färgning komplicerade rekonstruktionen.

"Vår metod kunde beskriva komplex deformation med ett mindre antal kontrollpunkter och var robust mot en variation av färgning, säger Funatomi.