نمایش‌های برش‌خورده تعاملی، دینامیک‌های پنهان در تصاویر OCT (توموگرافی انسجام نوری) از قلب در حال رشد جنین موش را آشکار می‌کنند. این یافته‌ها بینش‌های جدیدی ارائه می‌دهند که می‌توانند به درمان نقص‌های مادرزادی قلب و آسیب‌های قلبی منجر شوند

شانگ وانگ، سرپرست تیم تحقیقاتی، می‌گوید: «مرحله‌ی حلقه‌زنی یک مرحله حیاتی در رشد قلب است و مسئول طیفی از نقص‌های مادرزادی است. اطلاعات کمی درباره دینامیک و فرآیندهایی که در این مرحله رخ می‌دهند وجود دارد؛ اگرچه می‌توان آنها را تصویربرداری کرد، اما ابزارهای محدودی برای تجسم و تحلیل آنها در دسترس بود.»

برای پر کردن این شکاف تکنولوژیکی، محققان ابزار نرم‌افزاری جدیدی ایجاد کردند که از volume clipping استفاده می‌کند. این روش محاسباتی، برخی از وکسل‌ها (بلوک‌های کوچک سه‌بعدی) را در یک تصویر سه‌بعدی حذف می‌کند تا ساختار مورد نظر داخل آن آشکار شود. این فرآیند شبیه به استفاده از یک چاقو برای برش یک جسم جامد و مشاهده داخل آن است. با این حال، انجام volume clipping برای ساختارهای پیچیده در یک نمای برش‌خورده چالش‌برانگیز است و نیاز به تعریف دقیق مرز بین وکسل‌هایی دارد که باید حفظ یا حذف شوند.

روش رایج فعلی برای volume clipping، استفاده از clipping planes (صفحات برش) است که مانند یک برش مستقیم با چاقو عمل می‌کنند. اما هندسه ساده و صفحه‌ای این روش، مانع از ایجاد سطوح مقعر می‌شود و توانایی آن را برای نمایش کامل ساختارهای پیچیده در یک نمای واحد محدود می‌کند. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان از نوعی سطح صاف به نام thin plate spline (TPS) استفاده کردند و آن را برای اولین بار در volume clipping به کار گرفتند.

TPS یک سطح سه‌بعدی است که توسط مجموعه‌ای از نقاط کنترل تعریف می‌شود و با کمترین انحنا از تمام این نقاط عبور می‌کند. این سطح قابل تنظیم به کاربران اجازه می‌دهد تا نقاط کنترل را جابه‌جا، اضافه یا حذف کنند و شکل و موقعیت آن را به صورت تعاملی اصلاح کنند. این ویژگی باعث می‌شود که TPS بتواند خود را با ساختارهای پیچیده تطبیق دهد. علاوه بر این، از آنجا که TPS با استفاده از پارامترهای ریاضی تعریف می‌شود، امکان انجام انتقال‌های الگوریتمی مانند جابه‌جایی، تقسیم یا ادغام نقاط کنترل وجود دارد. این امر، volume clipping چهاربعدی و تجسم‌های پویا مانند «پرواز مجازی» را تسهیل می‌کند.

محققان همچنین خط محاسباتی را بهینه‌سازی کردند تا clipping spline به یک ابزار کارآمد و بلادرنگ برای ایجاد و تنظیم نمای‌های برش‌خورده از حجم تبدیل شود.

 

OCT (توموگرافی انسجام نوری): یک تکنیک تصویربرداری غیرتهاجمی است که از نور برای ایجاد تصاویر با وضوح بالا از بافت‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. این روش اغلب در چشم‌پزشکی و تحقیقات قلبی به کار می‌رود.

Volume clipping: یک روش محاسباتی برای حذف بخش‌هایی از یک تصویر سه‌بعدی به منظور آشکار کردن ساختارهای داخلی.

Thin Plate Spline (TPS): یک سطح صاف و قابل تنظیم که برای تطبیق با ساختارهای پیچیده در تصاویر سه‌بعدی استفاده می‌شود.

تجسم ساختارهای سه بعدی پیچیده

محققان ابزار نرم‌افزاری جدیدی به نام clipping spline توسعه داده‌اند که به آنها امکان می‌دهد ساختارهای پیچیده سه‌بعدی را در تصاویر 4D OCT (توموگرافی انسجام نوری) از قلب جنین موش در مرحله‌ی حلقه‌زنی قلبی مطالعه کنند. در این مرحله، لوله‌ی قلب خم شده و می‌پیچد و شکلی پیچیده با تغییرات چشمگیر در ساختارها و الگوهای جریان خون ایجاد می‌کند.

شانگ وانگ، سرپرست تیم تحقیقاتی، می‌گوید: «مرحله‌ی حلقه‌زنی یک مرحله حیاتی در رشد قلب است و مسئول طیفی از نقص‌های مادرزادی است. اطلاعات کمی درباره دینامیک و فرآیندهایی که در این مرحله رخ می‌دهند وجود دارد؛ اگرچه می‌توان آنها را تصویربرداری کرد، اما ابزارهای محدودی برای تجسم و تحلیل آنها در دسترس بود.»

برای پر کردن این شکاف تکنولوژیکی، محققان ابزار نرم‌افزاری جدیدی ایجاد کردند که از **volume clipping** استفاده می‌کند. این روش محاسباتی، برخی از وکسل‌ها (بلوک‌های کوچک سه‌بعدی) را در یک تصویر سه‌بعدی حذف می‌کند تا ساختار مورد نظر داخل آن آشکار شود. این فرآیند شبیه به استفاده از یک چاقو برای برش یک جسم جامد و مشاهده داخل آن است. با این حال، انجام volume clipping برای ساختارهای پیچیده در یک نمای برش‌خورده چالش‌برانگیز است و نیاز به تعریف دقیق مرز بین وکسل‌هایی دارد که باید حفظ یا حذف شوند.

روش رایج فعلی برای volume clipping، استفاده از **clipping planes** (صفحات برش) است که مانند یک برش مستقیم با چاقو عمل می‌کنند. اما هندسه ساده و صفحه‌ای این روش، مانع از ایجاد سطوح مقعر می‌شود و توانایی آن را برای نمایش کامل ساختارهای پیچیده در یک نمای واحد محدود می‌کند. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان از نوعی سطح صاف به نام **thin plate spline (TPS)** استفاده کردند و آن را برای اولین بار در volume clipping به کار گرفتند.

**TPS** یک سطح سه‌بعدی است که توسط مجموعه‌ای از نقاط کنترل تعریف می‌شود و با کمترین انحنا از تمام این نقاط عبور می‌کند. این سطح قابل تنظیم به کاربران اجازه می‌دهد تا نقاط کنترل را جابه‌جا، اضافه یا حذف کنند و شکل و موقعیت آن را به صورت تعاملی اصلاح کنند. این ویژگی باعث می‌شود که TPS بتواند خود را با ساختارهای پیچیده تطبیق دهد. علاوه بر این، از آنجا که TPS با استفاده از پارامترهای ریاضی تعریف می‌شود، امکان انجام انتقال‌های الگوریتمی مانند جابه‌جایی، تقسیم یا ادغام نقاط کنترل وجود دارد. این امر، volume clipping چهاربعدی و تجسم‌های پویا مانند «پرواز مجازی» را تسهیل می‌کند.

محققان همچنین خط محاسباتی را بهینه‌سازی کردند تا clipping spline به یک ابزار کارآمد و بلادرنگ برای ایجاد و تنظیم نمای‌های برش‌خورده از حجم تبدیل شود.

 

تماشای رشد و توسعه قلب

محققان از ابزار clipping spline برای تجسم و تحلیل رشد قلب جنین موش با استفاده از داده‌های OCT (توموگرافی انسجام نوری) استفاده کردند. به عنوان مثال، آنها توانستند دینامیک عضله قلب (میوکارد) را در طول ۱۲٫۸ ساعت رشد و در ۷۱۲ نقطه زمانی مختلف ردیابی کنند.

این ابزار به محققان اجازه داد تا چندین بخش از لوله پیچیده قلب را به طور همزمان در یک نمای واحد مشاهده کنند، که دید گسترده‌تری از دینامیک قلب نسبت به روش‌های قبلی ارائه می‌داد. این کار به آنها کمک کرد تا درک بهتری از نقش بیومکانیک قلب جنین در ایجاد الگوهای خاص جریان خون به دست آورند. همچنین، از clipping spline برای کشف این موضوع استفاده شد که چگونه مجاری ورودی قلب در مراحل اولیه به هم می‌پیوندند تا ساختاری به نام **سینوس ونوزوس** (sinus venosus) را تشکیل دهند. این ساختار خون را به سمت قلب در حال رشد هدایت می‌کند.

شانگ وانگ، سرپرست تیم تحقیقاتی، می‌گوید: «دیدن این فرآیندهای رشد به سادگی شگفت‌انگیز است و ایده‌ها و فرضیه‌های جدیدی را الهام می‌بخشد که می‌توانند به بینش‌های مهمی درباره چگونگی رشد قلب پستانداران منجر شوند. مطالعه و درک رشد بیولوژیکی نه تنها برای بهبود مدیریت بالینی بیماری‌های مادرزادی ضروری است، بلکه پایه‌ای برای بسیاری از حوزه‌های دیگر زیست‌پزشکی، مانند سرطان و پزشکی بازساختی، محسوب می‌شود.»

محققان اعلام کرده‌اند که clipping spline آماده استفاده گسترده توسط جامعه تصویربرداری زیست‌پزشکی است. آنها اکنون بر توسعه روش‌های پیشرفته پردازش تصویر با استفاده از این ابزار و همچنین به کارگیری آن برای بررسی بیشتر دینامیک و فرآیندهای رشد قلب جنین متمرکز شده‌اند.

—

سینوس ونوزوس (sinus venosus): یک ساختار در قلب جنین که خون را به قلب در حال رشد هدایت می‌کند. این ساختار در مراحل بعدی رشد قلب به بخش‌هایی از دهلیز راست تبدیل می‌شود.

references : https://scitechdaily.com/next-gen-tool-provides-new-view-inside-complex-3d-biomedical-images