חוקרים פיתחו כלי תוכנה חדש המספק יכולות חסרות תקדים לראות תמונות תלת מימדיות. תצוגות החתך האינטראקטיביות והדינמיות שלה אפשרו להם לנתח דינמיקה שטרם נראתה של התפתחות לב עכבר עוברי באמצעות תמונות קוהרנטיות אופטית (OCT).
"הבנה משופרת של התפתחות הלב יכולה לסייע באסטרטגיות קליניות חדשות בניהול מחלות לב מולדות, שהן הסוג הנפוץ ביותר של מומים מולדים", אמר ראש צוות המחקר שאנג וואנג מהמכון הטכנולוגי של סטיבנס. "תובנות כאלה מהוות גם בסיס לתכנון אסטרטגיות חדשניות של חידוש רקמת הלב לאחר נזק מהתקף לב, שיפור תפקוד הלב."
בכתב העת Optica Publishing Group אופטיקה ביו-רפואית אקספרסהחוקרים מתארים את כלי התוכנה החדש שלהם בקוד פתוח בשם clipping spline. זהו כלי ידידותי למשתמש להמחשת מבנים מורכבים, כגון מבנה צינורי שמתעקל בתלת-ממד, בתצוגה חתוכה אחת.
"הדמיה תלת מימדית כבר ממלאת תפקיד חיוני בביו-רפואה, אבל יש עוד יותר שאנחנו יכולים ללמוד אם ניקח בחשבון את ההיבט הזמני – כלומר, כתמונה 4D", אמר חבר צוות המחקר אנדרה פאובר, עמית מחקר במעבדה של שאנג וואנג. "למרות שהדגמנו את השדרה הגזירה עם נתוני 4D OCT, ניתן להשתמש בו לתמונות נפחיות מכל שיטת הדמיה, הן עבור מחקר ביולוגי והן עבור יישומי רפואה קלינית."
הדמיית מבנים תלת מימדיים מורכבים
החוקרים פיתחו את השדרה הגזירה כאשר עבדו עם תמונות 4D OCT כדי לחקור את התפתחות הלב של עכבר עוברי בשלב לולאת הלב. בשלב זה, צינור הלב מתכופף ומתפתל, ויוצר צורה מפותלת עם שינויים דרמטיים במבנים ובדפוסי זרימת הדם.
"שלב הלולאה הוא שלב חיוני בהתפתחות הלב והוא אחראי למגוון של פגמים מולדים", אמר וואנג. "ידוע מעט על הדינמיקה והתהליכים המתרחשים בשלב זה; למרות שניתן לצלם אותם, היו רק כלים מוגבלים זמינים להמחיש ולנתח אותם."
כדי למלא את הפער הטכנולוגי הזה, החוקרים פיתחו כלי תוכנה חדש שמבצע חיתוך נפח, דרך חישובית להסיר ווקסלים מסוימים בתמונה תלת מימדית כדי לחשוף את מבנה העניין בפנים. חיתוך נפח הוא המקבילה לתוכנה לשימוש בסכין כדי לחתוך חפץ מוצק כדי לראות מה יש בפנים. עם זאת, ביצוע חיתוך נפח עבור מבנים מורכבים בתצוגה חתוכה אחת היא מאתגרת ודורשת הגדרה קפדנית של הגבול בין הווקסלים שיש לשמור לאלו להסרה.
נכון לעכשיו, הגישה הנפוצה ביותר לחיתוך נפח היא להשתמש במטוסי חיתוך, הפועלים כמו חיתוך סכין ישר. עם זאת, הגיאומטריה המישורית הפשוטה שלהם מונעת יצירת משטחים קעורים, ומגבילה את יכולתם להציג באופן מלא מבנים מורכבים בתצוגה אחת. כדי להתגבר על מגבלות אלו, החוקרים מינפו סוג של משטח חלק המכונה ספליין צלחת דק (TPS) ויישמו אותו לראשונה על חיתוך נפח.
ה-TPS הוא משטח תלת מימדי המוגדר על ידי קבוצה של נקודות בקרה באופן שבו הוא חוצה את כל נקודות הבקרה עם עקמומיות מינימלית. משטח אינטואיטיבי ומתכוונן זה מאפשר למשתמשים להזיז, להוסיף או למחוק נקודות בקרה כדי לחדד את צורתו ומיקומו באופן אינטראקטיבי, מה שמאפשר להתאים אותו למבנים מורכבים. בנוסף, מכיוון שה-TPS מוגדר באמצעות פרמטרים מתמטיים, ניתן לבצע מעברים אלגוריתמיים, כגון הזזה, פיצול או מיזוג נקודות בקרה. זה מקל על גזירת נפח 4D חלקה והדמיות דינמיות כגון מעברים.
החוקרים גם ביצעו אופטימיזציה של הצינור החישובי כדי להפוך את רצועת הגזירה לכלי יעיל בזמן אמת להפקה והתאמת תצוגות חתוכות לנפח.
לראות את הלב מתפתח
החוקרים השתמשו בשדרת הגזירה כדי להמחיש ולנתח את התפתחות הלב של עכבר עוברי עם נתוני OCT, למשל, מעקב אחר דינמיקה של שריר הלב במשך 12.8 שעות של התפתחות על פני 712 נקודות זמן.
השדרה הגזירה אפשרה להם לראות חלקים מרובים של צינור הלב המפותל בו-זמנית בתצוגה אחת, מה שמספק תצוגה גדולה יותר של הדינמיקה מזו שהייתה זמינה בעבר. זה נתן להם תמונה טובה יותר של האופן שבו הביומכניקה של הלב העוברי מעורבת ביצירת דפוסי זרימת דם ספציפיים. הם גם השתמשו בשדרה החותכת כדי לחשוף כיצד דרכי הזרימה של הלב המוקדם מתמזגות ויוצרות את הסינוס ונוסוס, מבנה שמכוון דם לתוך הלב המתפתח.
"זה פשוט מדהים לראות את התהליכים ההתפתחותיים האלה מתרחשים, וזה מעורר מחשבות והשערות חדשות שיכולות להוביל לתובנות משמעותיות לגבי איך הלב היונק מתפתח", אמר וואנג. "לימוד והבנה של התפתחות ביולוגית חיוניים לא רק לשיפור הניהול הקליני של מחלות מולדות, אלא גם הבסיס לתחומים ביו-רפואיים רבים אחרים, כמו סרטן ורפואה רגנרטיבית".
החוקרים אומרים כי השדרה הגזירה מוכנה לשימוש נרחב על ידי קהילת ההדמיה הביו-רפואית. כעת הם מתמקדים בפיתוח שיטות עיבוד תמונה מתקדמות תוך שימוש ב-clipping spline והחלת ה-clipping spline כדי להמשיך ולחקור את הדינמיקה והתהליכים של התפתחות לב עוברי.
