Способ создания виртуальной модели биологического объекта

 

Изобретение относится к медицине, а именно к технологии создания компьютерных моделей биологических объектов. Способ заключается в том, что биологический объект, а именно патолого-биологический препарат размещают и фиксируют с помощью заливочного материала в пространстве. Пространство ограничивают объемной фигурой, например тетраэдром, с образованием образца. Осуществляют разрезание образца на слои в виде пригодных для морфологических исследований срезов. Срезы выполняют параллельными плоскостями по заданному алгоритму. Получают в цифровых выражениях изображения каждого морфологического среза. Полученные цифровые выражения вводят в компьютер с получением трехмерных виртуальных отображений соответствующих слоев. Осуществляют реконструкцию исходного объекта в виде его виртуальной модели путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов по алгоритму, аналогичному применяемому при образовании срезов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Заявляемое изобретение относится к технологии компьютерного моделирования объектов, преимущественно биологического происхождения, точнее - к технологии визуализации структуры биологического объекта, а более конкретно изобретение касается способа создания виртуальной модели биологического объекта, которая найдет применение при различных анатомо-биологических исследованиях и экспериментах.

В настоящее время для визуализации внутренних органов при неинвазивных медицинских обследованиях широко используют томографические методы, основанные на применении проникающих излучений (например, рентгеновских лучей, ультразвуковых сигналов, сигналов ядерного резонанса), которые способны генерировать дискретные изображения внутреннего органа, отображающие его в плоскости направления проникающего излучения за счет явлений отражения, рассеяния и/или дифракции. Последовательность плоских дискретных изображений представляет собой реконструированное трехмерное изображение внутреннего органа (см., например, GB 2315395 A1, кл. A 61 B 6/02, опубл. 28.01.98).

В патенте US 5782762, кл. A 61 B 5/05, опубл. 21.07.98 описан способ создания объемного изображения внутреннего органа живого организма. Согласно названного патента, с помощью спиральной компьютерной томографии путем послойного сканирования исследуемого органа проникающим излучением получают серию изображений слоев этого органа, которые комплектуют в виде объемного файла. Для обеспечения формирования согласованного трехмерного изображения органа, набор данных, содержащихся в упомянутом файле, подвергают обработке для уменьшения разрешающей способности в определенных зонах изображения и/или для разделения объемного файла на определенные объемные зоны. Затем в указанных зонах выделяют и сегментируют изображение исследуемого органа. По полученным данным строят модель изображения сегментированного органа, используемую для формирования согласованного трехмерного изображения исследуемого органа.

В качестве прототипа нами выбран способ образования на дисплее трехмерного изображения внутреннего органа живого организма, исследуемого с помощью ультразвукового сигнала (патент РФ 2125836, кл. A 61 B 8/14, опубл. 10.02.99). В соответствии с этим способом осуществляют сканирование исследуемого органа ультразвуковым сигналом, который после отражения усиливают и преобразуют в цифровой сигнал. После соответствующей обработки в компьютере цифровой сигнал поступает на экран дисплея в виде двухмерного изображения органа в плоскости направления сканирующего сигнала. В соответствии с этим способом ультразвуковой сигнал последовательно и дискретно смещают по исследуемому органу, тем самым условно разделяя орган на слои и послойно его сканируя, и регистрируют в виде цифровых выражений последовательную серию двухмерных изображений этих слоев. На основании полученных цифровых выражений в компьютере осуществляют синтез трехмерного изображения просканированного органа путем межслойной интерполяции с использованием вексельной модели представления цифровых сигналов. Это позволяет перейти от плоскостных-двухмерных изображений слоев к их объемным изображениям толщиной в один вексель и, рассматривая трехмерный орган как совокупность одновоксельных слоев, их просуммировать, то есть осуществить виртуальную реконструкцию исследуемого органа.

Рассмотренные выше способы, как и все известные в настоящее время способы визуализации внутренних органов, основаны на получении отраженных и, значит, только предполагаемо достоверных изображений, несущих в себе погрешности и искажения, обусловленные многоэтапностью поступления данных. Кроме того, получаемые трехмерные модели внутренних органов являются продуктом компьютерной графики, построение которых осуществляется на основании двухмерных изображений слоев, на которые "разделяют" внутренний орган при сканировании. При этом изображения торцевых поверхностей каждого слоя как и информация о структуре его тканей отсутствует. Получаемая модель исследуемого органа не позволяет достаточно уверенно различать ткани, находящиеся в норме и в патологии, ибо патологические изменения тканей (особенно на начальной стадии), как правило, проходят на химическом уровне без изменения протонной плотности и времени релаксаций, а используемые инструменты исследования и последующей визуализации не обеспечивают накопления данных на этом уровне знаний. При изучении органа по модели, полученной известными методами, исследователь не получает полных и достоверных сведений о строении и структуре исследуемого органа. Более того, все известные способы сопровождаются воздействием на организм пациента излучением, не являющимся для организма привычным и безопасным.

В основу заявляемого изобретения положена задача путем использования полной информации, свойственной конкретному биологическому объекту, разработать способ создания виртуальной модели биологического объекта, имеющей строение и структуру, идентичную строению и структуре тканей и клеток исходного биологического объекта.

Эта задача решается при использовании способа создания виртуальной модели биологического объекта, включающем разделение объекта на слои, получение изображения каждого слоя в цифровых выражениях, введение цифровых выражений в компьютер с получением виртуальных отображений соответствующих слоев, реконструкцию объекта в виде его виртуальной модели путем совмещения виртуальных отображений слоев с получением трехмерного изображения объекта, при котором, согласно заявляемому изобретению, в качестве биологического объекта берут патолого-биологический препарат и перед указанным разделением препарат размещают и фиксируют с помощью заливочного материала в пространстве, ограниченном объемной фигурой, с образованием образца, указанное разделение осуществляют путем разрезания образованного образца на слои в виде пригодных для морфологических исследований срезов, при этом указанное разделение выполняют параллельными плоскостями в заданной последовательности, затем осуществляют подготовку каждого среза для проведения морфологических исследований, указанное получение изображения осуществляют путем получения изображения каждого подготовленного для проведения морфологических исследований среза с использованием по меньшей мере одного ракурса, обеспечивающего отображение всех плоскостей этого среза, а указанную реконструкцию осуществляют путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов в последовательности, обратной осуществлению срезов, до получения виртуальной модели образца, после чего осуществляют удаление изображения заливочного материала с получением виртуальной модели объекта.

Технический эффект, который может быть достигнут посредством предлагаемого изобретения, заключается в том, что предлагаемый способ позволяет создать и визуализировать на экране дисплея полный анатомо-морфологический аналог исходного патолого-биологического препарата.

В соответствии с заявляемым изобретением, целесообразно перед реконструкцией трехмерное виртуальное отображение каждого среза сравнивать с соответствующим срезом, полученным при разрезании образца, и осуществлять корректировку достоверности полученного трехмерного виртуального отображения среза, что позволяет повысить точность соответствия виртуальной модели исходному патолого-биологическому препарату.

Кроме того, для достижения еще большей адекватности создаваемой виртуальной модели исходному патолого-биологическому препарату целесообразно, согласно изобретению, при получении изображения каждого среза использовать два ракурса, а полученные при этом цифровые выражения подвергать суммированию.

С учетом стандартов трехмерной компьютерной графики поставленная задача может быть решена также при использовании способа создания виртуальной модели биологического объекта, включающем разделение объекта на слои и получение изображения каждого слоя в цифровых выражениях, введение цифровых выражений в компьютер с получением виртуальных отображений соответствующих слоев, реконструкцию объекта в виде его виртуальной модели путем совмещения виртуальных отображений слоев с получением трехмерного изображения объекта, при осуществлении которого, согласно изобретению, в качестве биологического объекта берут патолого-биологический препарат и перед указанным разделением препарат размещают и фиксируют с помощью заливочного материала в пространстве, ограниченном тетраэдром, с образованием образца, указанное разделение осуществляют путем разрезания образованного образца на слои в виде пригодных для морфологических исследований срезов, которые выполняют по плоскостям, параллельным по меньшей мере одной плоскости тетраэдра, затем осуществляют подготовку каждого среза для проведения морфологических исследований, указанное получение изображения осуществляют путем получения изображения каждого подготовленного для морфологических исследований среза с использованием по меньшей мере двух ракурсов, обеспечивающих отображение всех плоскостей этого среза, а полученные цифровые выражения вводят в компьютер и подвергают суммированию с получением трехмерных виртуальных отображений соответствующих срезов, а указанную реконструкцию осуществляют путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов в последовательности, обратной осуществлению срезов и обеспечивающей реконструкцию названного тетраэдра, до получения виртуальной модели образца, после чего осуществляют удаление изображения заливочного материала с получением виртуальной модели объекта.

Технический эффект, который может быть достигнут при использовании предлагаемого способа, заключается в упрощении создания и визуализации полного анатомо-морфологического аналога исходного биологического объекта.

В соответствии с заявляемым изобретением, целесообразно срезы поочередно выполнять по трем плоскостям тетраэдра, имеющим общую вершину, при этом первый срез выполнять по одной из названных плоскостей, второй срез выполнять по второй из названных плоскостей, третий срез выполнять по третьей из названных плоскостей, далее указанную последовательность выполнения срезов многократно повторять до полного разрезания образца на слои при условии, чтобы плоскость каждого последующего среза была параллельна соответствующей плоскости тетраэдра, что обеспечивает получение наиболее полной информации об анатомо-морфологическом строении патолого-биологического препарата благодаря возможности получения информации с различных направлений и расширения доступа ко всем объемным данным исходного препарата.

Для повышения точности соответствия виртуальной модели исходному объекту, в соответствии с заявляемым изобретением, целесообразно перед реконструкцией трехмерное виртуальное отображение каждого среза сравнивать с соответствующим срезом, полученным при разрезании образца, и осуществлять корректировку достоверности полученного трехмерного виртуального отображения среза.

Дальнейшие цели и преимущества заявляемого изобретения станут ясны из последующего подробного описания заявляемого способа создания виртуальной модели биологического объекта, конкретных примеров осуществления этого способа и сопроводительных чертежей, на которых: фиг. 1 изображает патолого-анатомический препарат, зафиксированный с помощью заливочного материала в пространстве, ограниченном тетраэдром, согласно заявляемому изобретению, изометрия; фиг. 2 - виртуальные отображения выполненных согласно заявляемому изобретению морфологических срезов препарата, аналогичного изображенному на фиг. 1.

Заявляемый способ создания виртуальной модели основан на построении трехмерной модели биологического объекта с помощью компьютерной техники при использовании информации об объекте, который рассматривают как единство дискретных элементов - слоев, на которые разделяют биологический объект.

В соответствии с заявляемым изобретением при создании трехмерной модели биологического объекта нами предложены пути для использования всех информационно-характеристических данных каждого дискретного элемента биологического объекта.

Как известно, исследованием, обеспечивающим наиболее полной и достоверной информацией о строении тканей и клеток биологического объекта, является морфологическое исследование его срезов, включающее гистологическое и цитологическое исследования.

Для реализации этого положения, то есть получения при создании виртуальной модели полной информации, свойственной данному биологическому объекту, например, внутреннему органу человека, согласно изобретению, предлагается использовать в качестве исходного материала патолого-биологический препарат, например, патолого-анатомический препарат, иначе говоря, девитальный орган, подготовленный для патолого-морфологических исследований по традиционной методике, или растение, подготовленное по традиционной методике для патолого-биологических исследований.

Таким образом существенной особенностью заявляемого способа является использование характеристик, получаемых при непосредственных манипуляциях с патолого-биологическим препаратом, а не характеристик витального органа, которые получают при неинвазивных вмешательствах с помощью проникающих излучений, и которые являются результатом отраженной информации об органе, несущей в себе искажения разной степени. Возможность непосредственного манипулирования, например, с девитальным органом, предоставляемая заявляемым способом, позволяет создать и визуализировать на экране дисплея полный анатомо-морфологический аналог исходного девитального органа за счет возможности получения более достоверных анатомических характеристик этого органа и использования ранее не учитываемых при построении виртуальных моделей информационных каналов, обеспечивающих исследователя данными о внутреннем объеме - структуре органа, путем проведения морфологических исследований тканевых и клеточных структур этого девитального органа.

Для достижения вышеописанных преимуществ, согласно изобретению, патолого-биологический препарат 1 (фиг. 1), виртуальную модель которого необходимо построить, размещают и фиксируют в пространстве, ограниченном объемной фигурой, которая может иметь вид, например, шара, куба, октаэдра, додекаэдра, икосаэдра или тетраэдра 2. Фиксирование в названном пространстве осуществляют с помощью заливочного материала 3, обычно используемого при проведении морфологических исследований тканевых структур биологических объектов, а именно мягких или жестких заливочных материалов, например, парафина, целлоидина, желатины, эпоксидных смол, обладающих прозрачностью.

Объемная фигура из заливочного материала с находящимся внутри нее патолого-биологическим препаратом представляет собой образец.

Образованный образец подвергают разрезанию на слои, которые представляют собой, согласно изобретению, срезы, пригодные для морфологических исследований, то есть срезы толщиной, при которой обеспечивается прохождение через срез световой волны. Как известно, толщина среза, подвергаемого, например, гистологическому исследованию, должна составлять, как правило, от 1 до 10 мкм, а толщина среза, подвергаемого цитологическому исследованию, должна составлять, как правило, от 200 до 300 ангстрем. Для получения такой толщины возможно воспользоваться таким известным приспособлением, как, например, микротом, ультратом.

В соответствии с заявляемым изобретением, срезы необходимо делать таким образом, чтобы каждый последующий срез представлял иную плоскость образца или, в случае выполнения среза по шаровой поверхности, его делают в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим равномерное уменьшение образца по всему его объему.

Как известно, в современной компьютерной графике при построении любого трехмерного объекта компьютер учитывает, что каждая точка трехмерного пространства имеет три координаты: одна определяет высоту, другая - ширину, третья - глубину. Построение объекта при этом основывается на проведении через набор точек координат соединяющих линий. Поэтому любой объект сложной формы будет представлен в компьютере в виде набора многоугольников, элементарной единицей которых практически всегда является треугольник. Таким образом наиболее адекватное компьютерное воспроизведение на экране дисплея достигается при построении фигуры треугольной формы. Учитывая вышесказанное, найдено, что наиболее целесообразно размещать патолого-биологический препарат 1 в тетраэдре 2 и срезы выполнять по плоскостям, параллельным по меньшей мере одной плоскости тетраэдра. Срезы 4, 5, 6, 7 (фиг. 2), полученные с образца, имеющего тетраэдральную форму, имеют вид усеченного тетраэдра, содержащего пять плоскостей. Именно такая форма среза с наибольшей достоверностью и наименьшими искажениями может быть воспроизведена методом компьютерной графики на экране дисплея.

Для реализации доступа ко всем объемным характеристикам патолого-биологического препарата, целесообразно срезы 4, 5, 6, 7 выполнять с различных направлений, то есть поочередно по трем плоскостям тетраэдра, имеющим общую вершину, при этом первый срез 4 выполнять по одной из названных плоскостей, второй срез 5 выполнять по второй из названных плоскостей, третий срез 6 выполнять по третьей из названных плоскостей. Далее указанную последовательность выполнения срезов 4, 5, 6 многократно повторяют при условии, чтобы плоскость каждого последующего среза была параллельна соответствующей плоскости тетраэдра. Таким образом выполнение срезов по трем плоскостям тетраэдра обеспечивает наиболее полную информацию об анатомо-морфологическом строении патолого-биологического препарата. Еще более точные результаты могут быть получены при выполнении среза 7 по четвертой плоскости тетраэдра.

Срезы выполняют до полного разрезания образца.

Таким образом получают множество срезов, например, 4, 5, 6, 7, в центральной части которых находится соответствующий срез 8 патолого-анатомического препарата 1, зафиксированный в заливочном материале 3.

В соответствии с известной технологией морфологических исследований полученные срезы подвергают традиционной при морфологических исследованиях тканевых структур подготовке: окраске по известным методикам, обусловленным типом исследуемой тканевой структуры препарата.

Далее, в соответствии с технологией морфологических исследований, получают изображение каждого среза 4, 5, 6, 7 путем его экспонирования, а точнее микрофотографирования с помощью, например, микрофотографической установки, содержащей осветительную лампу, светофильтры, микроскоп и фотокамеру, которая, согласно изобретению, способна обеспечить получение изображения среза в цифровом выражении. Преимущественно для этого используют профессиональную цифровую фотокамеру, например, фирмы LEIKA, KODAK. В результате осуществления такого микрофотографирования получают отображения морфологически подготовленных срезов в пронизывающем их световом потоке, по которым в дальнейшем возможно изучать на морфологическом уровне данный срез.

Таким образом условия получения изображения среза, согласно изобретению, подчинены, во-первых, технологии морфологических исследований. Вторым условием получения изображения среза является выбор по меньшей мере одного ракурса экспонирования среза, который должен обеспечивать отображение всех плоскостей этого среза (при тетраэдральной форме образца получаемый срез имеет пять плоскостей). Количество ракурсов, при которых получают полное отображение всех плоскостей среза, зависит от технических возможностей используемой цифровой фотокамеры. Оптимально целесообразное число ракурсов, при которых достигается указанное требование при использовании современной фототехники, составляет два ракурса: первый ракурс обеспечивает отображение, например, одной и второй торцевых поверхностей среза образца /в том числе отображение одной и второй торцевых поверхностей среза патолого-анатомического препарата/ совместно с его верхней поверхностью; второй ракурс обеспечивает отображение, например, второй и третьей торцевых поверхностей среза образца /в том числе второй и третьей торцевых поверхностей среза патолого-анатомического препарата/ совместно с его нижней поверхностью. Цифровые выражения изображений среза образца, полученные с выбранных ракурсов, суммируют в компьютере с получением адекватного трехмерного виртуального отображения среза образца, включающего трехмерное виртуальное отображение среза патолого-анатомического препарата.

Реконструкцию исходного объекта в виде его виртуальной модели осуществляют, согласно изобретению, путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов образца, которое проводят в последовательности, обратной применяемому при образовании срезов /в случае использования, например, такой объемной фигуры как шар/ или же совмещение осуществляют в последовательности, обеспечивающей реконструкцию многогранника, например, тетраэдра /в случае использования в качестве объемной фигуры тетраэдра/.

Согласно изобретению, для повышения точности соответствия виртуальной модели исходному объекту целесообразно перед реконструкцией трехмерное виртуальное отображение каждого среза сравнивать с соответствующим срезом, полученным при разрезании образца, и осуществлять корректировку достоверности полученного трехмерного виртуального отображения среза в отношении, например, его структурной четкости, цветопередачи.

После создания виртуальной модели образца в виде его трехмерного изображения осуществляют удаление изображения заливочного материала и изображения линий сечений срезов с получением на экране дисплея монообъемного полного анатомо-морфологического аналога, находившегося внутри образца биологического объекта - патолого-биологического препарата в виде виртуальной модели.

Заявляемый способ предусматривает возможность создания виртуальной модели биологического объекта, способной предоставить исследователю полную информацию по всем морфологическим характеристикам объекта, которая реконструирована в основном по срезам, имеющих толщину преимущественно от 1 до 10 мкм, то есть предназначенных для гистологических исследований, при этом один срез аналогичных тканей патолого-биологического препарата необходимо выполнять толщиной от 200 до 300 , а результаты его цитологического исследования в виде изображения среза толщиной от 200 до 300 ангстрем в цифровом выражении вносить в цифровые выражения изображений гистологических срезов соответствующей ткани с получением полного морфологического отображения срезов соответствующей ткани.

Получаемая модель представляет собой некий "интеллектуальный объем", который способен, по желанию пользователя PC, распадаться на дискретные элементы - вышеописанные срезы и обеспечивает визуализацию всех анатомо-физиологических особенностей исходного биологического объекта и его внутренних структур на уровне тканей и клеток, что создает условия для проведения экспериментов и различных исследований.

При создании виртуальной модели, согласно заявляемому способу, возможно использовать либо один патолого-биологический препарат при этом получают возможность для проведения исследования конкретного девитального объекта, либо использовать несколько однотипных патолого-биологических препаратов с получением некой усредненной виртуальной модели, которая может служить штампом, в котором отсутствуют индивидуальные особенности конкретного девитального объекта и который пригоден для изучения в качестве идеального анатомического и морфологического пособия для наглядного изучения такого объекта.

Заявляемое изобретение позволяет создавать виртуальные модели для всех биологических разделов: ботаники, зоологии, анатомии, что обеспечит исследователей и лиц, изучающих биологию, точными динамически анимированными по физиологическим законам наглядными пособиями с полной информационной поддержкой в любых доступных интеграциях.

Пример 1 Создание виртуальной модели девитальной почки человека.

Патолого-анатомический препарат - почка, подготовленный в соответствии с требованиями морфологических исследований, помещают в матрицу, имеющую форму тетраэдра, и заливают парафином. После затвердевания парафина получают образец тетраэдральной формы с патолого-анатомическим препаратом внутри, который извлекают из матрицы и закрепляют на столе микротома. С помощью охлаждаемого ножа микротома делают срезы толщиной 1-10 мкм. При этом образец ориентируют по отношению к плоскости ножа таким образом, чтобы плоскость первого среза совпадала с одной из трех плоскостей тетраэдрального образца, имеющих общую вершину. Последующие второй и третий срезы выполняют так, чтобы их плоскости также совпадали со второй и третьей плоскостями тетраэдрального образца, соответственно. Далее указанную последовательность выполнения срезов многократно повторяют до полного иссечения образца на слои, причем плоскость каждого последующего среза должна быть параллельна соответствующей плоскости тетраэдра.

Каждый полученный срез образца имеет вид усеченного тетраэдра, в центральной части которого находится срез патолого-анатомического препарата - девитальной почки, зафиксированный в парафине, прозрачность которого обусловлена толщиной среза.

Полученные срезы, а точнее срезы девитальной почки затем подвергают традиционной при морфологических исследованиях тканевых структур подготовке: окраске по известным методикам, обусловленным типом исследуемой тканевой структуры, после чего каждый срез образца подвергают экспонированию, а точнее микрофотографированию с помощью микрофотографической установки, содержащей осветительную лампу, светофильтры, микроскоп и цифровую фотокамеру фирмы CANON модель 473, которая обеспечивает получение изображения каждого среза образца в цифровом выражении. Микрофотографирование среза в пронизывающем световом потоке, который обеспечивает осветительная лампа, осуществляют с двух разных ракурсов: первый ракурс обеспечивает отображение одной и второй торцевых поверхностей среза образца /в том числе одной и второй торцевых поверхностей среза девитальной почки, видных через прозрачный слой заливочного материала/ совместно с его верхней поверхностью; второй ракурс обеспечивает отображение второй и третьей торцевых поверхностей среза образца /в том числе второй и третьей торцевых поверхностей среза девитальной почки, видных через прозрачный слой заливочного материала/ совместно с его нижней поверхностью.

Цифровые выражения изображений среза образца, полученные с выбранных ракурсов, вносят в компьютер, где они суммируются с получением визуализированного на экране дисплея трехмерного виртуального отображения среза образца. По трехмерному виртуальному отображению среза образца, включающему трехмерное виртуальное отображение среза девитальной почки, в дальнейшем возможно проводить гистологическое исследование последней.

Визуализированное виртуальное отображение каждого среза подвергают сравнению с соответствующим материальным срезом, полученным при разрезании образца, и осуществляют компьютерную корректировку достоверности полученного виртуального отображения среза почки, в отношении его структурной четкости, цветопередачи.

Далее на экране дисплея осуществляют реконструкцию девитальной почки, подвергнутой вышеописанному разрезанию и микрофотографированию, в виде ее виртуальной модели путем совмещения всех трехмерных виртуальных отображений срезов образца в последовательности, обеспечивающей реконструкцию тетраэдрального образца.

После создания виртуальной модели образца в виде совокупности трехмерных виртуальных срезов осуществляют удаление изображения парафина и изображения линий сечений срезов с получением на экране дисплея монообъемного полного анатомо-гистологического аналога препарированной девитальной почки.

Получаемая модель девитальной почки представляет собой некий "интеллектуальный объем", который способен, по желанию пользователя PC, распадаться на дискретные элементы - вышеописанные срезы, и обеспечивает визуализацию всех анатомических особенностей почки и ее внутренних структур на уровне тканей, что создает условия для проведении экспериментов и различных исследований.

Пример 2 Создание виртуальной модели сердца человека.

Патолого-анатомический препарат - сердце, подготовленный в соответствии с требованиями морфологических исследований, помещают в матрицу заливают парафином. После затвердевания парафина девитальное сердце с заливочным материалом в виде образца тетраэдральной формы извлекают из матрицы и закрепляют на столе микротома. С помощью охлаждаемого ножа микротома делают срезы с образца толщиной 1-10 мкм, а с помощью охлаждаемого ножа ультратома делают срезы с образца толщиной 200-300 . При этом образец ориентируют по отношению к плоскости ножа таким образом, чтобы плоскость первого среза совпадала с одной из трех плоскостей тетраэдрального образца, имеющих общую вершину. Последующие второй и третий срезы выполняют так, чтобы их плоскости также совпадали со второй и третьей плоскостями тетраэдрального образца, соответственно. Далее указанную последовательность выполнения срезов многократно повторяют до полного иссечения образца на слои, причем плоскость каждого последующего среза должна быть параллельна соответствующей плоскости тетраэдра.

Каждый полученный срез образца имеет вид усеченного тетраэдра, в центральной части которого находится срез девитального сердца, зафиксированного в парафине.

Полученные срезы, а точнее срезы девитального сердца затем подвергают традиционной при морфологических исследованиях тканевых и клеточных структур подготовке: окраске по известным методикам, обусловленным типом исследуемых тканевой и клеточной структур, после чего каждый срез образца подвергают экспонированию, а точнее микрофотографированию с помощью микрофотографической установки, содержащей осветительную лампу, светофильтры, микроскоп и цифровую фотокамеру фирмы NIKON модель Cool Pix 950, которая обеспечивает получение цифрового выражения изображения среза. Микрофотографирование среза в пронизывающем световом потоке осуществляют с трех разных ракурсов: первый ракурс обеспечивает отображение одной торцевой поверхности среза /в том числе одной торцевой поверхности среза девитального сердца, видной через прозрачный слой заливочного материала/ совместно с его верхней поверхностью; второй ракурс обеспечивает отображение второй торцевой поверхности среза /в том числе второй торцевой поверхности среза девитального сердца, видной через прозрачный слой заливочного материала/ совместно с его нижней поверхностью, третий ракурс обеспечивает отображение третьей боковой поверхности /в том числе третьей торцевой поверхности среза девитального сердца, видной через прозрачный слой заливочного материала/ совместно с нижней поверхностью.

Цифровые выражения изображений среза образца, полученные с выбранных ракурсов, вносят в компьютер, где они суммируются с получением визуализированного на экране дисплея трехмерного виртуального отображения среза образца. По трехмерному виртуальному отображению среза образца, включающему трехмерное виртуальное отображение среза девитального сердца, в дальнейшем возможно проводить морфологическое исследование последнего.

Визуализированное виртуальное отображение каждого среза подвергают сравнению с соответствующим материальным срезом, полученным при разрезании образца, и осуществляют компьютерную корректировку достоверности полученного виртуального изображения среза сердца, в отношении его структурной четкости, цветопередачи.

Далее на экране дисплея осуществляют реконструкцию девитального сердца, подвергнутого вышеописанному разрезанию и микрофотографированию, в виде его виртуальной модели путем совмещения всех трехмерных виртуальных отображений срезов образца в последовательности, обеспечивающей реконструкцию тетраэдрального образца.

После создания виртуальной модели образца в виде совокупности трехмерных виртуальных срезов осуществляют удаление изображения парафина и изображения линий сечений срезов с получением на экране дисплея монообъемного полного анатомо-морфологического аналога препарированного девитального сердца.

Получаемая модель девитального сердца представляет собой некий "интеллектуальный объем", который способен, по желанию пользователя PC, распадаться на дискретные элементы - вышеописанные срезы и обеспечивает визуализацию всех анатомических особенностей сердца и его внутренних структур на уровне тканей и клеток, что создает условия для проведении экспериментов и различных исследований.

Пример 3 Создание виртуальной модели сердца человека.

Патолого-анатомический препарат - девитальное сердце, подготовленное в соответствии с требованиями морфологических исследований, помещают в матрицу, имеющую форму шара, и заливают жидким парафином. После затвердевания парафина девитальное сердце с заливочным материалом в виде образца шарообразной формы извлекают из матрицы и закрепляют на столе микротома. С помощью охлаждаемого ножа микротома с образца делают срезы толщиной 1-10 мкм и с помощью охлаждаемого ножа ультратома - срезы толщиной 200-300 . При этом образец ориентируют по отношению к плоскости ножа таким образом, чтобы плоскость первого среза совпадала со сферической поверхностью шарообразного образца и составляла одну четвертую часть всей сферической поверхности образца. Второй, третий и четвертый срезы выполняют так, чтобы плоскость каждого среза совпадала со второй, третьей и четвертой четвертями сферической поверхности шарообразного образца, соответственно. Последующие срезы выполняют таким образом, чтобы плоскость каждого последующего среза была параллельна плоскости соответственно первого, второго, третьего и четвертого среза. Далее указанную последовательность выполнения срезов многократно повторяют до полного разрезания образца на слои.

Каждый полученный срез образца имеет вид дольки и представляет собой одну четвертую сферической поверхности шарообразного образца, в центральной части которой находится срез девитального сердца, зафиксированный в парафине.

Полученные срезы, а точнее срезы девитального сердца затем подвергают традиционной при морфологических исследованиях тканевых и клеточных структур подготовке: окраске по известным методикам, обусловленным типом исследуемых тканевой и клеточной структур, после чего каждый срез образца подвергают экспонированию, а точнее микрофотографированию с помощью микрофотографической установки, содержащей осветительную лампу, светофильтры, микроскоп и цифровую фотокамеру фирмы KODAK, объектив которой обеспечивает получение из одного ракурса цифрового выражения изображения всех плоскостей экспонируемого среза образца, в том числе всех плоскостей среза девитального сердца, видных через прозрачный слой заливочного материала. Микрофотографирование среза осуществляют в пронизывающем его световом потоке, который обеспечивается осветительной лампой. Цифровое выражение изображения среза образца вносят в компьютер с получением визуализированного на экране дисплея его трехмерного виртуального отображения, по которому в дальнейшем возможно изучать на морфологическом уровне срез сердца.

Визуализированное виртуальное отображение каждого среза подвергают сравнению с соответствующим материальным срезом, полученным при разрезании образца, и осуществляют компьютерную корректировку достоверности полученного виртуального изображения среза сердца, в отношении его структурной четкости, цветопередачи.

Далее на экране дисплея осуществляют реконструкцию образца, подвергнутого вышеописанному разрезанию и микрофотографированию, в виде его виртуальной модели путем совмещения всех трехмерных виртуальных отображений срезов в последовательности, обратной осуществления срезов.

После создания виртуальной модели образца в виде совокупности трехмерных виртуальных отображений его срезов осуществляют удаление изображения парафина и изображения линий сечений срезов с получением на экране дисплея монообъемного полного анатомо-морфологического аналога препарированного девитального сердца.

Получаемая модель девитального сердца представляет собой некий "интеллектуальный объем", который способен, по желанию пользователя PC, распадаться на дискретные элементы - вышеописанные срезы и обеспечивает визуализацию всех анатомических особенностей сердца и его внутренних структур на уровне клеток и тканей, что создает условия для проведении экспериментов и различных исследований.

Формула изобретения

1. Способ создания виртуальной модели биологического объекта, включающий разделение объекта на слои и получение изображения каждого слоя в цифровых выражениях; введение цифровых выражений в компьютер с получением виртуальных отображений соответствующих слоев; реконструкцию объекта в виде его виртуальной модели путем совмещения виртуальных отображений слоев с получением трехмерного изображения объекта, отличающийся тем, что в качестве биологического объекта берут патолого-биологический препарат, перед указанным разделением препарат размещают и фиксируют с помощью заливочного материала в пространстве, ограниченном объемной фигурой, с образованием образца; указанное разделение осуществляют путем разрезания образованного образца на слои в виде пригодных для морфологических исследований срезов, при этом указанное разделение выполняют параллельными плоскостями в заданной последовательности; затем осуществляют подготовку каждого среза для проведения морфологических исследований; указанное получение изображения осуществляют путем получения изображения каждого подготовленного для проведения морфологических исследований среза с использованием по меньшей мере одного ракурса, обеспечивающего отображение всех плоскостей этого среза; указанную реконструкцию осуществляют путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов в последовательности, обратной осуществлению срезов, до получения виртуальной модели образца; после чего осуществляют удаление изображения заливочного материала с получением виртуальной модели объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед реконструкцией трехмерное виртуальное отображение каждого среза сравнивают с соответствующим срезом, полученным при разрезании образца, и осуществляют корректировку достоверности полученного трехмерного виртуального отображения среза.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении изображения каждого среза используют два ракурса, а полученные при этом цифровые выражения подвергают суммированию.

4. Способ создания виртуальной модели биологического объекта, включающий разделение объекта на слои и получение изображения каждого слоя в цифровых выражениях; введение цифровых выражений в компьютер с получением виртуальных отображений соответствующих слоев; реконструкцию объекта в виде его виртуальной модели путем совмещения виртуальных отображений слоев с получением трехмерного изображения объекта, отличающийся тем, что в качестве биологического объекта берут патолого-биологический препарат, перед указанным разделением препарат размещают и фиксируют с помощью заливочного материала в пространстве, ограниченном тетраэдром, с образованием образца; указанное разделение осуществляют путем разрезания образованного образца на слои в виде пригодных для морфологических исследований срезов, которые выполняют по плоскостям, параллельным по меньшей мере одной плоскости тетраэдра; затем осуществляют подготовку каждого среза для проведения морфологических исследований; указанное получение изображения осуществляют путем получения изображения каждого подготовленного для морфологических исследований среза с использованием по меньшей мере двух ракурсов, обеспечивающих отображений всех плоскостей этого среза; полученные цифровые выражения вводят в компьютер и подвергают суммированию с получением трехмерных виртуальных отображений соответствующих срезов; указанную реконструкцию осуществляют путем совмещения трехмерных виртуальных отображений срезов в последовательности, обратной осуществлению срезов и обеспечивающей реконструкцию названного тетраэдра, до получения виртуальной модели образца; после чего осуществляют удаление изображения заливочного материала с получением виртуальной модели объекта.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что срезы поочередно выполняют по трем плоскостям тетраэдра, имеющим общую вершину, при этом первый срез выполняют по одной из названных плоскостей, второй срез выполняют по второй из названных плоскостей, третий срез выполняют по третьей из названных плоскостей, далее указанную последовательность выполнения срезов многократно повторяют до полного разрезания образца на слои, причем плоскость каждого последующего среза параллельна соответствующей плоскости тетраэдра.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед реконструкцией трехмерное виртуальное отображение каждого среза сравнивают с соответствующим срезом, полученным при разрезании образца, и осуществляют корректировку достоверности полученного трехмерного виртуального отображения среза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2