Új képalkotó módszer a szív korai fejlődési rendellenességeinek szűréséhez
A Biomedical Optics Express folyóiratban január 10-én jelent meg a Stevens Institute of Technology kutatóinak cikke, amelyben egy olyan új szoftveres eszközről számoltak be, amely 4D-s vagy 3D-s képek belsejébe való betekintéshez használható fel.
A szoftver alkalmazásával nyert interaktív, dinamikus nézetek lehetővé tették a kutatók számára, hogy optikai koherencia tomográfiás (OCT) képek segítségével eddig soha nem látott részletességgel elemezzék az embrionális egérszív fejlődésének dinamikáját. A szívfejlődés pontosabb feltárása segíthet új klinikai stratégiák kidolgozásában a veleszületett szívbetegségek kezelésében, de a szívinfarktus okozta károsodást követően a szívszövet regenerálására irányuló innovatív terápiák tervezéséhez is hasznos lehet.
A Shang Wang által vezetett fejlesztés során a kutatók egy új, nyílt forráskódú szoftvert hoztak létre, amelyet “clipping spline” névre kereszteltek. Ez a felhasználóbarát eszköz, lehetővé teszi, hogy összetett struktúrák, például egy 3D-ben görbülő csőszerű struktúra egyetlen kivágott nézetben is láthatóvá váljon.
A 3D-s képalkotás már most is alapvető szerepet játszik az orvosbiológiában, de még többet tanulhatunk, ha figyelembe vesszük az időbeli aspektust – vagyis 4D-s képként ábrázoljuk a vizsgált területet – nyilatkozta a kutatócsoport egyik tagja, Andre Faubert. – Bár mi a tesztelés során 4D OCT-adatokkal demonstráltuk a clipping spline működését, az bármilyen képalkotó modalitásból származó térbeli képekhez használható, mind a biológiai kutatás, mind a klinikai orvostudományi alkalmazások esetében.
A kutatók a clipping spline fejlesztése során 4D OCT-felvételekkel dolgoztak, hogy tanulmányozzák az embrionális egérszív fejlődését abban a korai szakaszban, amikor a szívcső görbületei megjelennek (looping phase). Ebben a szakaszban a szívcső meghajlik, elfordul, és egy tekervényes formát vesz fel, amely drámai változásokat mutat a struktúrákban és a véráramlási mintázatokban.
Ez a szakasz a szív fejlődésének létfontosságú fázisa, és számos veleszületett rendellenességért felelős – fejtette ki Wang. – Keveset tudunk az ebben a szakaszban zajló dinamikáról és folyamatokról; és bár ezek leképezhetők lennének, csak korlátozott eszközök álltak rendelkezésre a vizualizálásukhoz és elemzésükhöz.
Ennek a technológiai hiányosságnak az orvoslására fejlesztették ki a kutatók az új szoftvert, amely térfogat-kivágással dolgozik, azaz számítások segítségével eltávolít bizonyos voxeleket egy 3D-s képen, hogy feltárja a belsejében található, számunkra érdekes struktúrát. A térfogatkivágás a szoftveres megfelelője annak, mintha egy késsel vágnánk fel egy szilárd tárgyat, hogy láthassuk, mi van benne. Ennek végrehajtása komplex struktúrák esetében azonban kihívást jelent, és gondosan meg kell határozni a megtartandó és az eltávolítandó voxelek közötti határt. Jelenleg a vágás legelterjedtebb megközelítése a vágási síkok használata, amelyek úgy működnek, mint egy egyenes késes vágás. Egyszerű síkbeli geometriájuk azonban megakadályozza a homorú felületek létrehozását, ami korlátozza a bonyolult struktúrák teljes körű megjelenítését egyetlen nézetben. E korlátok leküzdésére a kutatók a vékony lemezes görbület (TPS; thin plate spline) néven ismert sima felület egy típusát használták ki, és először alkalmazták a térfogat-kivágásra.
A TPS egy olyan 3D-s felület, amelyet úgy határoz meg egy sor vezérlőpont, hogy az összes vezérlőpontot minimális görbülettel metszi. Ez az intuitív és állítható felület lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy a vezérlőpontokat interaktívan mozgassák, vagy akár töröljék/hozzáadjanak új pontokat a vezérlőpontok alakjának és helyzetének finomítása érdekében, lehetővé téve az összetett struktúrákhoz való alkalmazkodást. Ez megkönnyíti a sima 4D térfogat-kivágást és az olyan dinamikus megjelenítéseket, mint például a flythrough. A kutatók a matematikai számítási modellt is optimalizálták annak érdekében, hogy a clipping spline hatékony, gyors, valós idejű eszközzé váljon a vágott nézetek létrehozásához és beállításához.
A kutatók a clipping spline-t az embrionális egérszív fejlődésének OCT-adatokkal történő vizualizálására és elemzésére használták, például a szívizom dinamikájának nyomon követésére a fejlődés 12,8 órája alatt, összesen 712 időpontban.
A clipping spline lehetővé tette számukra, hogy egy nézetben egyszerre a tekervényes szívcső több részét is láthassák, így a dinamikáról a korábbiaknál pontosabb képet kaptak. Ezáltal jobb képet kaptak arról, hogy az embrionális szív biomechanikája hogyan vesz részt az adott véráramlási mintázatok létrehozásában. A clipping spline segítségével azt is feltárták, hogy a korai fejlődési szakaszban levő szív beáramlási pályái hogyan egyesülnek a sinus venosus kialakításában, amely a vért a fejlődő szívbe irányítja.
A kutatók szerint a clipping spline eljárás máris alkalmas arra, hogy más orvosbiológiai képalkotó módszerekhez hasonlóan használható legyen a szív korai fejlődési rendellenességeinek szűréséhez.
Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:
New software tool offers insights into 3D imaging of heart development
Clipping spline: interactive, dynamic 4D volume clipping and analysis based on thin plate spline
Irodalmi hivatkozás:
Faubert, A. C., & Wang, S. (2025). Clipping Spline: interactive, dynamic 4D volume clipping and analysis based on thin plate spline. Biomedical Optics Express. doi.org/10.1364/boe.544231.
