Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Witam. Nazywam się Michelle Ov z Laboratorium Nietoperzy na Uniwersytecie w Tubingen i w tej prezentacji chcę omówić nieinwazyjną trójwymiarową wizualizację wewnętrznej organizacji mikro-arthropodów z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej o rozdzielczości submikronowej. Systemem modelowym, z którym pracujemy, jest roztocze orbitowe Aus Long osis, mikro-arthropod o wielkości ciała od 800 µm do 1 mm. Jest to zdjęcie wykonane z hodowli laboratoryjnej, na którym widać zwierzęta żywiące się algami.

Aby zbadać wewnętrzną organizację Argos, wykorzystujemy promieniowanie rentgenowskie synchrotronowe do generowania tomograficznych danych VOX w SRF i Grable. Tutaj widzimy zdjęcie ESRF z dużym pierścieniem magazynującym, a w prawym górnym rogu znajduje się hala eksperymentalna ID 19, zlokalizowana poza pierścieniem. Do pomiarów próbki zostały precyzyjnie ustawione i zamocowane na plastikowych pinach za pomocą superkleju. Eksperymenty przeprowadzono przy energii 20.5 KEV i wykonano 1 500 projekcji do rekonstrukcji.

Tutaj widoczna jest kamera z matrycą CCD, 14-bitową rozpiętością tonalną i rozdzielczością czterech megapikseli. Symulator pokazany na dole tego zdjęcia przekształca promienie rentgenowskie w światło widzialne. Jest to zbliżenie na uchwyt próbki i stół obrotowy.

Próbkę montuje się na głowicy miernika Goya, aby zapewnić jej właściwą orientację w wiązce. Szczegółowy opis układu doświadczalnego przedstawiono w naszej publikacji z 2007 roku w czasopiśmie Journal of Microscopy. W niniejszej prezentacji skupię się na analizatorach danych w kontekście wizualizacji trójwymiarowej z wykorzystaniem oprogramowania Fiji Studio Max.

Najpierw pokażę, jak usunąć wartości szarości z tła, aby wyodrębnić informacje o próbce. Na histogramie widoczny jest jeden duży pik, który należy głównie do wartości szarości tła. Po usunięciu tego piku z histogramu można zauważyć próbkę wyłaniającą się z szarego sześcianu.

Następnie pokażę, jak obracać obiekt za pomocą klatkowania kluczowego w programie VG Studio. Program Max posiada zestaw zdefiniowanych trajektorii kamery. W tym przypadku użyję okręgu XY, aby wygenerować obrót wokół pionowej osi Xs; oto końcowa animacja.

Duża struktura na plecach zwierzęcia odpowiada powierzchni superkleju. Teraz pokażę Państwu, jak ustawić wirtualną płaszczyznę cięcia, aby uzyskać trójwymiarowy wgląd w organizację wewnętrzną próbki. Istnieją trzy orientacje, w których można ustawić płaszczyznę cięcia: frontalna, horyzontalna oraz sagitalna.

Tutaj wykorzystuję płaszczyznę czołową i wyznaczam pozycję cięcia mniej więcej w połowie ciała zwierzęcia, w obszarze; ta płaszczyzna cięcia nie musi być statyczna. Ponownie, korzystając z klatek kluczowych, można ją przesuwać wzdłuż dowolnej osi. W tym przykładzie używam predefiniowanego klipu Z, aby przesunąć płaszczyznę cięcia wzdłuż osi podłużnej próbki; tak właśnie wygląda końcowa animacja krok po kroku, co pozwala obserwować i śledzić trójwymiarową organizację wszystkich struktur wewnętrznych przy rozdzielczości P wynoszącej zaledwie 0,7 mikrona.

Oprócz zdefiniowanych trajektorii kamery możliwe jest również generowanie ścieżek kamery dostosowanych do potrzeb użytkownika. Aby to zrobić, należy wybrać tryb swobodnego podglądu kamery i ustawić kamerę oraz odległość ogniskowej wirtualnego obiektywu w dowolnej pożądanej pozycji. Krok po kroku można definiować nowe pozycje kamery, aby stworzyć indywidualną ścieżkę o dowolnym stopniu złożoności.

Okno 3D w lewym górnym rogu pokazuje w czasie rzeczywistym efekt wszystkich ustawień kamery. Ostatni przykład zabierze Państwa w wirtualny lot, podczas którego prześledzimy cały układ pokarmowy zwierzęcia. Tutaj widoczne są niektóre części gma, colliery, labrum oraz rotella.

Zbliżamy się i wchodzimy do pyska zwierzęcia. Tutaj można zobaczyć PHN po stronie grzbietowej. Teraz przechodzimy przez przełyk, aby dostać się do żołądków.

Nasze nitkowate roztocza posiadają dwa duże ker. Są to struktury śluzowate o funkcji trawiennej. Wprowadzamy prawy seum.

Przez mały otwór można dostrzec liczne komórki IDE. Odgrywają one istotną rolę w procesie trawienia, choć ich pełna funkcja i mechanizm nie są jeszcze całkowicie poznane. Powracając do komór zwierzęcych, widzimy szczególną strukturę – zastawkę Isala, przez którą przed chwilą dostaliśmy się do komór, znajdującą się dokładnie na granicy komór i jelita grubego.

Widoczny jest kęs pokarmowy, który uległ zagęszczeniu i jest otoczony zanikową błoną. Za kęsem pokarmowym znajduje się pellet kałowy. Obecnie przemieszczamy się przez ten pellet kałowy.

Następnie przeszliśmy przez krótki odcinek jelita wstępującego (inter colon) i weszliśmy do jelita końcowego (post colon). Tutaj widoczna jest duża i charakterystyczna mikroflora. Na koniec można tutaj zobaczyć wewnętrzną powierzchnię specyficznych płytek zwierzęcych, przypominających paletę.

Opuszczamy układ pokarmowy. Teraz rzucimy krótkie, końcowe spojrzenie na zewnętrzną stronę brzuszną zwierzęcia, aby przyjrzeć się płytkom brzusznym, płytkom AAL oraz płytkom genitalnym.