下一代工具提供复杂3D生物医学图像内部的新视图

交互式剖面图揭示了发育中的胚胎小鼠心脏OCT图像中的隐藏动力学，为先天性缺陷和心脏损伤的治疗提供了新的见解。

研究人员开发了一种新的软件工具，它提供了前所未有的功能，可以看到3D图像的内部。它的交互式动态剖面图使他们能够使用光学相干断层扫描（OCT）图像分析从未见过的胚胎小鼠心脏发育动态。

史蒂文斯理工学院的研究小组负责人王尚（音译）说：“对心脏发育的进一步了解可以为治疗先天性心脏病提供新的临床策略，这是最常见的出生缺陷。”“这些见解也为设计心脏病发作后受损心脏组织再生的创新策略奠定了基础，从而改善心脏功能。”

在Optica出版集团的《生物医学光学快报》杂志上，研究人员描述了他们新的开源软件工具，称为“剪切样条（clipping spline）”。它是一个用户友好的工具，可以在单个剖面图视图中可视化复杂结构，例如在3D中弯曲的管状结构。

“3D成像已经在生物医学中发挥了至关重要的作用，但如果我们考虑到时间方面，也就是说，作为4D图像，我们还有更多可以学习的，”研究小组成员、王尚实验室的研究助理安德烈·福伯特说。“虽然我们用4D OCT数据展示了剪切样条，但它可以用于任何成像方式的体积图像，用于生物学研究和临床医学应用。”

可视化复杂的3D结构

研究人员在使用4D OCT图像研究心脏循环阶段的胚胎小鼠心脏发育时，开发了剪切样条。在这个阶段，心管弯曲和扭曲，形成一个复杂的形状，结构和血流模式发生了巨大的变化。

“循环阶段是心脏发育的重要阶段，也是一系列先天性缺陷的原因，”王尚说。“我们对这一阶段发生的动态和过程知之甚少；虽然它们可以成像，但只有有限的工具可以可视化和分析它们。”

为了填补这一技术空白，研究人员开发了一种新的软件工具，可以进行体积裁剪，这是一种在3D图像中删除某些体素以暴露内部感兴趣结构的计算方法。体积裁剪相当于用刀切割一个固体物体来查看里面是什么。然而，在单个剖视图中对复杂结构进行体积剪裁是具有挑战性的，需要仔细定义要保留和删除的体素之间的边界。

目前，体积裁剪最常见的方法是使用裁剪平面，其操作就像直刀切割。然而，它们简单的平面几何结构阻止了凹面的产生，限制了它们在单一视图中完全显示复杂结构的能力。为了克服这些限制，研究人员利用了一种被称为薄板样条（TPS）的光滑表面，并首次将其应用于体积裁剪。

TPS是一个由一组控制点定义的3D曲面，它以最小曲率与所有控制点相交。这种直观和可调节的表面允许用户移动，添加或删除控制点，以交互式地完善其形状和位置，使其适应复杂的结构。此外，由于TPS是使用数学参数定义的，因此可以执行算法转换，例如移动、分裂或合并控制点。这有助于流畅的4D体积裁剪和动态可视化，如飞越。

研究人员还优化了计算管道，使剪切样条成为一种高效、实时的工具，用于生成和调整剖面图视图。

观察心脏的发育

研究人员使用剪切样条来可视化和分析胚胎小鼠心脏发育的OCT数据，例如，在712个时间点上跟踪心肌动态超过12.8小时的发育。

剪切样条使他们能够在一个视图中同时看到卷曲的心管的多个部分，提供了比以前更大的动态视图。这使他们对胚胎心脏的生物力学如何参与产生特定的血流模式有了更好的了解。他们还利用剪切样条揭示了早期心脏的流入束是如何合并形成静脉窦的，静脉窦是一种引导血液进入发育中的心脏的结构。

王尚说：“看到这些发育过程的发生真是太神奇了，它激发了新的想法和假设，可能会对哺乳动物心脏的发育产生重要的见解。”“研究和理解生物发育不仅对改善先天性疾病的临床管理至关重要，而且也是许多其他生物医学领域的基础，例如癌症和再生医学。”

研究人员表示，这种剪切样条已经准备好在生物医学成像领域得到广泛应用。他们现在专注于开发利用剪切样条的先进图像处理方法，并应用剪切样条进一步研究胚胎心脏发育的动力学和过程。

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