Спосіб тривимірного комп’ютерного реконструювання мікроскопічних анатомічних структур

Реферат: Спосіб тривимірного комп'ютерного реконструювання мікроскопічних анатомічних структур включає виготовлення серії мікротомних зрізів, проведення послідовні серії цифрових зображень мікроскопічних анатомічних структур з поверхні парафінового блока із залитим препаратом і виконання тривимірної комп'ютерної моделі анатомічного об'єкта. UA 85504 U (12) UA 85504 U UA 85504 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, а саме анатомії, ембріології, топографічної анатомії та оперативної хірургії, гістології, патологічної анатомії, судової медицини, морфології і може бути використана для комп'ютерного тривимірного реконструювання мікроскопічних анатомічних структур. Відомі на сьогодні способи реконструювання мікроскопічних анатомічних структур, які основані на графічному моделюванні, що передбачає замальовування за допомогою збільшувального мікропроекційного пристрою контурів досліджуваних анатомічних структур з виготовленої серії послідовних гістологічних зрізів препарату (ембріона людини, органокомплексу тощо) для вивчення просторової будови органів та анатомічних структур. Традиційні гістологічні препарати дають, в загальному, плоске зображення морфологічних структур, що мають певний об'єм, який відповідає товщині зрізу. Тому вивчення гістологічних зрізів неминуче призводить до невірного тлумачення форми, розмірів і залягання структур, у зв'язку з чим у сучасній морфології широке поширення отримав метод вивчення тривимірної просторової організації мікроскопічних об'єктів. З появою технічних можливостей комп'ютерного 3-d реконструювання анатомічних об'єктів і структур (наприклад: серце, печінка, нирки, тощо в ранньому періоді ембріогенезу) виникла необхідність у цифровій мікрофотографії серії гістологічних зрізів. Аналогом способу є графічне реконструювання мікроскопічних анатомічних структур М.Г. Туркевича (Туркевич Н.Г. Реконструкция микроскопических объектов по гистологическим срезам. - М.: Медицина, 1967. - 175 с). Реконструкція мікроскопічних об'єктів сукупно базується на проекції та замальовуванні збільшеного через мікроскоп гістологічного зображення анатомічних органів та структур на папір із застосуванням всіх гістологічних серій зрізів. Недоліками способу-аналога є: 1. Трудомісткість процесу виготовлення повної серії гістологічних зрізів мікропрепаратів, які вивчаються методом реконструювання. 2. Необхідність використання спрямовуючих орієнтирів. 3. Неточності під час зіставлення послідовних гістологічних зрізів, внаслідок чого спотворюється форма анатомічного об'єкта. 4. Багатоетапність процесу отримання остаточного площинного реконструйованого зображення анатомічної структури, що збільшує ймовірність виникнення неточностей та спотворення форми анатомічних структур на окремих гістологічних зрізах. 5. Неможливість вивчати реконструйовану модель з різних кутів огляду. Найближчим аналогом способу є епіскопічний метод 3-d реконструкції (A new episcopic method for rapid 3-D reconstruction: applications in anatomy and embryology / W.J. Weninger, S. Meng, J. Streicher, G.B. Muller // Anat. Embryol. - 1998. - V. 197. - P. 341-348). Для отримання серії гістологічних препаратів використовували ротаційний мікротом з наступним співставленням окремих зрізів під час комп'ютерного реконструювання анатомічних структур. Недоліками найближчого аналога є: 1. Трудомісткість процесу оцифровування зображень мікротомних зрізів. 2. Необхідність у виготовленні гістологічних препаратів для процесу реконструювання. 3. Багатоетапність процесу отримання реконструйованого зображення анатомічної структури, що збільшує ймовірність виникнення огріхів та спотворення форми анатомічних структур на окремих гістологічних зрізах. 4. Необхідність використання спрямовуючих орієнтирів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб реконструювання мікроскопічних анатомічних структур шляхом одержання серії цифрових зображень препаратів, використовуючи полозковий мікротом та спеціальний штатив для кріплення фотографічного пристрою до механізму подачі об'єктива. Поставлена задача вирішується шляхом отримання послідовної серії цифрових зображень мікроскопічної анатомічної структури, які здійснюється шляхом послідовного мікрофотографування поверхні парафінового блока з препаратом після кожного зрізу мікротомним ножем, забезпечуючи правильне зіставлення послідовних зображень мікроскопічних об'єктів, з яких виготовляється тривимірна комп'ютерна модель. Ознаки корисної моделі: 1. Отримується серія цифрових зображень поверхні блока з залитим у парафін препаратом, а не серія зображень гістологічних препаратів. 2. Немає потреби виготовляти гістологічні препарати для процесу реконструювання. 3. Вирішення проблеми дотримання послідовності та точного зіставлення зображень серії зрізів - забезпечується автоматичне зіставлення серії цифрових зображень мікроскопічних анатомічних структур, які реконструюються. 1 UA 85504 U 5 4. Серія цифрових зображень, отримана за пропонованим способом, задовольняє вимогам комп'ютерних програм для тривимірного реконструювання. Спільними ознаками корисної моделі та аналога є те, що виготовляються послідовні мікротомні зрізи мікроскопічних анатомічних структур для відтворення їх просторової будови засобами комп'ютерного програмного забезпечення. Відмінність корисної моделі від аналога полягає в тому, що відсутня потреба у виготовленні гістологічних препаратів, забезпечується правильне зіставлення зображень мікроскопічних анатомічних структур, шляхом отримання серії графічних файлів, яке задовольняє усім вимогам комп'ютерних програм для графічного реконструювання (табл.) 10 Таблиця Порівняння корисної моделі та прототипу за ознаками Ознаки 1. Оперативність 2. Трудомісткість 3. Необхідність виготовлення гістологічних препаратів з кожного мікротомного зрізу 4. Автоматичне зіставлення зрізів 5. 3d-реконструкція 6. Недоліки під час виготовлення зображення 7. Спотворення реконструйованої моделі 15 20 25 30 35 40 45 Прототип + Корисна модель + + + + + + Визначення термінів, які використовуються при описі корисної моделі: мікротом, цифровий фотографічний апарат (відеокамера), мікропрепарат. Теоретичні передумови здійснення способу, що заявляється. У сучасній морфології широке поширення отримав метод вивчення тривимірної просторової організації мікроскопічних об'єктів. Перший принцип створення тривимірної моделі об'єкта або декількох об'єктів базувався на основі різних процедур графічної реконструкції великої кількості серійних зрізів. Другий принцип реконструкції об'ємних співвідношень структур, обґрунтований і розвинутий у рамках стереології, ґрунтувався на статистичних методах і вимагав виконання двох умов, що різко обмежували можливості самої реконструкції. По-перше, досліджувана структура повинна бути суттєвою в об'ємі, тобто її характеристики повинні бути однаковими у всьому об'ємі тканини або клітини. По-друге, необхідна однозначна відповідність характеристик площинних (двовимірних) зразків і об'ємних (тривимірних) структур. Морфологи звернулися до пошуку нових, більш щадних можливостей у реалізації графічного принципу реконструкції, що привело до розробки принципів просторового моделювання об'єктів за допомогою комп'ютерних технологій. Спосіб здійснюють наступним чином. За загальноприйнятою методикою виготовляють парафіновий блок із залитим у парафін мікропрепаратом, закріплюють його в об'єктотримачі мікротома, задають товщину виконання послідовних зрізів. На штативі закріплюють освітлювач та цифрове мікрофотографічне устаткування, фокусують оптичну систему на поверхні блока (оптична вісь її повинна бути перпендикулярною до площини руху мікротомного леза), кадрують зображення, моделюють освітлення. Зрізують поверхневі неважливі шари до того шару препарату, на якому з'являються досліджувані структури. На перший кадр фотографують мікрометричну шкалу в площині виконання останнього зрізу з метою масштабування та калібрування морфометричного модуля комп'ютерної програми для реконструювання та морфометрії, а надалі фотографують поверхню парафінового блока з препаратом після кожного робочого руху мікротомного леза, яке зрізає попередній шар. В разі потреби з окремих зрізів виготовляють гістологічні препарати. З серії отриманих цифрових зображень за допомогою відповідного програмного забезпечення (WinSurf 4.3, 3D-Doctor, Amira, Imaris et al.) виготовляють тривимірну комп'ютерну модель досліджуваної анатомічної структури, проводять морфометрію. Приклад 1. На фіг. 1 наведено пристрій для виготовлення серії зображень гістологічних зрізів. А - вигляд збоку; Б - вигляд спереду: 1 - мікротом; 2 - препарат в об'єктотримачі; 3 - цифровий фотографічний апарат (відеокамера); 2 UA 85504 U 5 10 15 4 - штатив фотографічного пристрою, закріплений на об'єктотримачі; 5 - пульт дистанційного керування цифровим фотографічним апаратом (відеокамерою); 6 - мікротомне лезо. Приклад 2. Тривимірне комп'ютерне реконструювання топографії позапечінкових жовчних проток та суміжних структур в пренатальному періоді онтогенезу людини (6-місячні плоди) (фіг. 2): 7 - панель керування; 8 - вікно із серією зображень; 9 - вікно з одним із файлів серії зображень; 10 - вікно з тривимірною моделлю. Приклад 3. На фіг. 3 наведено реконструкція анатомічних структур таза 4-місячного плода людини. Технічний результат: - простота отримання послідовної серії цифрових зображень мікропрепарату; - вирішення проблеми дотримання послідовності та точного зіставлення зображень серії зрізів; - відсутність спотворення зображень шарів препарату, оскільки фотографування здійснюється після зрізання кожного шару парафінового блока з препаратом, зображення якого надходить у комп'ютер. Використання запропонованого способу дозволяє отримати тривимірну комп'ютерну реконструкцію мікроскопічних анатомічних структур. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб тривимірного комп'ютерного реконструювання мікроскопічних анатомічних структур шляхом виготовлення серії мікротомних зрізів, який відрізняється тим, що проводять послідовні серії цифрових зображень мікроскопічних анатомічних структур з поверхні парафінового блока із залитим препаратом і виконують тривимірну комп'ютерну модель анатомічного об'єкта. 3 UA 85504 U 4 UA 85504 U 5 UA 85504 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6