- نمای مقطعی تعاملی، بینش جدیدی درباره رشد قلب جنین موش ارائه می‌دهد.
محققان نرم‌افزاری جدید توسعه داده‌اند که امکان مشاهده جزئیات بی‌سابقه‌ای را در تصاویر سه‌بعدی فراهم می‌کند. این ابزار از نمایش مقطعی پویا و تعاملی استفاده می‌کند و به دانشمندان اجازه داده است که برای اولین بار رشد قلب جنین موش را با استفاده از تصویربرداری توموگرافی انسجام نوری (OCT) بررسی کنند. این فناوری می‌تواند به درک بهتر نقص‌های مادرزادی قلب و روش‌های جدید درمانی برای آسیب‌های قلبی کمک کند.
شنگ وانگ(Shang Wang)، سرپرست این پژوهش از مؤسسه فناوری استیونز، می‌گوید:
“شناخت بهتر فرآیند رشد قلب می‌تواند به توسعه روش‌های درمانی جدید برای بیماری‌های مادرزادی قلب کمک کند. این بیماری‌ها رایج‌ترین نقص‌های مادرزادی هستند. علاوه بر این، این بینش‌ها می‌توانند نقش کلیدی در طراحی روش‌های جدید بازسازی بافت قلبی پس از حمله قلبی و بهبود عملکرد قلب داشته باشند.”
این پژوهش که در مجله Biomedical Optics Express منتشر شده است، نرم‌افزار کلیپینگ اسپلاین (Clipping Spline) را معرفی می‌کند. این ابزار متن‌باز و کاربرپسند، برای مشاهده ساختارهای پیچیده سه‌بعدی مانند بافت‌های بدن در یک نمای مقطعی واحد طراحی شده است.
آندره فوبرت (Andre Faubert)، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی، توضیح می‌دهد:
“تصویربرداری سه‌بعدی در پزشکی و زیست‌شناسی نقش مهمی دارد، اما اگر بُعد زمان را هم در نظر بگیریم و تصویر را به صورت چهاربعدی بررسی کنیم، می‌توان اطلاعات بسیار بیشتری به دست آورد.”
او اضافه می‌کند که ابزار کلیپینگ اسپلاین فقط برای داده‌های OCT چهاربعدی طراحی نشده، بلکه می‌تواند در هر نوع تصویربرداری حجمی برای تحقیقات زیستی و کاربردهای پزشکی نیز استفاده شود.
- تجسم ساختارهای پیچیده سه‌بعدی
محققان ابزار کلیپینگ اسپلاین را هنگام کار با تصاویر OCT چهاربعدی برای مطالعه رشد قلب جنین موش در مرحله لوپینگ قلبی توسعه دادند. در این مرحله، لوله قلبی خم شده و پیچ می‌خورد و شکل پیچیده‌ای ایجاد می‌کند که با تغییرات شدید در ساختارها و الگوهای جریان خون همراه است.
شنگ وانگ توضیح می‌دهد:
“مرحله لوپینگ یک مرحله حیاتی در رشد قلب است و می‌تواند منجر به طیفی از نقص‌های مادرزادی شود. تاکنون اطلاعات کمی درباره فرآیندها و دینامیکی که در این مرحله رخ می‌دهد، در دسترس بوده است. با وجود اینکه این فرآیندها را می‌توان تصویربرداری کرد، ابزارهای موجود برای تجسم و تحلیل آن‌ها بسیار محدود بودند.”
برای پر کردن این شکاف فناوری، محققان یک ابزار نرم‌افزاری جدید توسعه دادند که قادر به حذف بخش‌هایی از حجم تصویر سه‌بعدی است تا ساختارهای داخلی بهتر دیده شوند. این تکنیک که برش حجمی (Volume Clipping) نام دارد، عملکردی مشابه برش یک شیء جامد با چاقو برای مشاهده فضای درونی آن دارد.
اما برش حجمی در ساختارهای پیچیده چالش‌برانگیز است زیرا باید مرز بین بخش‌های قابل مشاهده و حذف‌شده را به‌دقت مشخص کرد.
رویکرد نوآورانه: استفاده از سطح اسپلاین صفحه نازک (TPS)روش رایج فعلی برای برش حجمی استفاده از صفحات برش‌دهنده (Clipping Planes) است که مانند یک چاقوی مستقیم عمل می‌کنند. اما به دلیل هندسه مسطح و ساده آن‌ها، نمی‌توانند سطوح مقعر ایجاد کنند، بنابراین توانایی نمایش کامل ساختارهای پیچیده را محدود می‌کنند.
برای حل این مشکل، محققان از یک سطح صاف و انعطاف‌پذیر به نام اسپلاین صفحه نازک (Thin Plate Spline – TPS) استفاده کردند و آن را برای اولین بار در برش حجمی به کار بردند.
TPS یک سطح سه‌بعدی است که توسط نقاط کنترلی تعریف می‌شود و به‌طور منعطف و پویا می‌تواند تغییر کند. این ویژگی به کاربران اجازه می‌دهد که:
– نقاط کنترلی را جابه‌جا کنند، اضافه کنند یا حذف کنند تا سطح برش به‌دلخواه تنظیم شود.
– ساختارهای پیچیده را با دقت بالا نمایش دهند.
– برش‌های چهاربعدی (افزودن بُعد زمان) را به‌صورت پویا و تعاملی انجام دهند.
از آنجا که TPS با پارامترهای ریاضی تعریف می‌شود، امکان انتقال الگوریتمی نیز وجود دارد، از جمله جابجایی، تقسیم یا ادغام نقاط کنترلی. این ویژگی امکان برش‌های حجمی نرم و پویا و همچنین تصویربرداری تعاملی مانند پرواز مجازی (Flythroughs) را فراهم می‌کند.
محققان همچنین لوله پردازشی (computational pipeline) این ابزار را بهینه‌سازی کردند تا کلیپینگ اسپلاین به یک ابزار کارآمد و بلادرنگ (real-time) تبدیل شود که می‌تواند به‌سرعت نمای مقطعی تنظیم‌شده‌ای از حجم تصویر ایجاد کند.
- مشاهده رشد قلب در زمان واقعی
محققان از ابزار کلیپینگ اسپلاین برای تجسم و تحلیل رشد قلب جنین موش با استفاده از داده‌های OCT بهره بردند. به عنوان مثال، آن‌ها دینامیک میوکارد را در طول 12.8ساعت رشد، طی712 نقطه زمانی ردیابی کردند.
ویژگی‌های کلیدی کلیپینگ اسپلاین:
– امکان مشاهده چندین بخش از لوله قلبی پیچ‌خورده در یک نمای واحد
– ارائه دید گسترده‌تر از دینامیک قلب نسبت به روش‌های قبلی
– بهبود درک بیومکانیک قلب جنین و الگوهای جریان خون در حال شکل‌گیری
– کشف نحوه ادغام مجاری ورودی قلب اولیه برای تشکیل سینوس وریدی (Sinus Venosus)که خون را به قلب در حال رشد هدایت می‌کند.
شنگ وانگ، سرپرست تحقیق، می‌گوید:
“دیدن این فرآیندهای رشد در حال وقوع شگفت‌انگیز است و ایده‌ها و فرضیه‌های جدیدی را ایجاد می‌کند که می‌توانند بینش‌های مهمی درباره نحوه رشد قلب پستانداران ارائه دهند.”
او اضافه می‌کند:
“مطالعه و درک فرآیندهای رشد زیستی نه‌تنها برای مدیریت بهتر بیماری‌های مادرزادی ضروری است، بلکه پایه‌ای برای بسیاری از حوزه‌های زیست‌پزشکی، از جمله تحقیقات سرطان و پزشکی ترمیمی محسوب می‌شود.”
محققان اعلام کرده‌اند که کلیپینگ اسپلاین اکنون آماده است تا به‌طور گسترده در جامعه تصویربرداری زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار گیرد. آن‌ها در حال توسعه روش‌های پیشرفته پردازش تصویر با استفاده از این ابزار هستند و قصد دارند آن را برای مطالعه عمیق‌تر دینامیک و فرآیندهای رشد قلب جنین به کار بگیرند.
References:
