January, 27, 2025, Washington--インタラクティブなカットアウェイビューにより、マウスの胚の心臓発生のOCT画像に見られることのないダイナミクスが明らかになり、先天性欠損症や心臓損傷の新たな治療法への道が開かれる。
スティーブンス工科大学(Stevens Institute of Technlogy)の研究チームは、3D画像の内部を見るための前例のない機能をもつ新しいソフトウェアツールを開発した。そのインタラクティブでダイナミックなカットアウェイビュー(断面図)により、光干渉断層撮影法(OCT)画像を使用して、これまでにないマウスの胚心臓発生のダイナミクスを解析することができた。
「心臓の発達についての理解が深まると、最も一般的なタイプの先天性心疾患を管理する新しい臨床戦略に役立つ可能性がある。このような洞察は、心臓発作による損傷後に心臓組織を再生し、心機能を改善する革新的な戦略を設計するための基礎にもなる」と、スティーブンス工科大学の研究チームリーダー、Shang Wangは話している。
Optica Publishing GroupのBiomedical Optics Express誌で、研究チームはクリッピングスプラインと呼ばれる新しいオープンソースソフトウェアツールについて説明している。これは、3Dで湾曲する管状構造などの複雑な構造を単一の断面図で視覚化するためのユーザーフレンドリーなツール。
「3Dイメージングはすでに生物医学において重要な役割を果たしているが、時間的側面、つまり4D画像として考えると、まだまだ学べることがたくさんある。4D OCTデータでクリッピングスプラインを実証したが、生物学研究と臨床医学の両方のアプリケーションにおいて、あらゆるイメージングモダリティからの体積画像に使用できる」と、研究チームのメンバーでShang Wang研究室の研究員、Andre Faubertは話している。
複雑な 3D 構造の視覚化
研究チームは、4D OCT画像を使用して、心臓ループ段階でのマウスの胚の心臓の発達を研究していた際、クリッピングスプラインを開発した。この段階で、心臓管は曲がったりねじれたりして、構造や血流パターンが劇的に変化する複雑な形状を形成する。
「ループステージは心臓の発達の重要なステージであり、様々な先天性欠損症の原因となっている。この段階で起こるダイナミクスとプロセスについてはほとんど知られていない。画像化は可能だが、可視化・解析するためのツールは限られていた」(Wang)。
この技術のギャップを埋めるために、研究チームは、3D画像内の特定のボクセルを削除して内部の関心のある構造を明らかにする計算方法であるボリュームクリッピングを実行する新しいソフトウェアツールを開発した。ボリュームクリッピングは、ナイフを使用して固体のオブジェクトを切断し、内部に何があるかを表示するのと同等のソフトウェアである。しかし、複雑な構造のボリュームクリッピングを 1 つのカットアウェイビューで行うのは難しく、保持するボクセルと除去するボクセルの境界を慎重に定義する必要がある。
現在、ボリュームクリッピングの最も一般的なアプローチは、まっすぐなナイフカットのように動作するクリッピングプレーン(面)を使用することである。ただし、単純な平面形状では、凹面の作成が妨げられ、複雑な構造を 1 つのビューで完全に表示する能力が制限される。これらの制限を克服するために、研究チームは、薄板スプライン(TPS)と呼ばれる一種の滑らかな表面を活用し、それを初めてボリュームクリッピングに適用した。
TPS は、すべての制御点と最小限の曲率で交差する一連の制御点によって定義される 3D サーフェス。この直感的で調整可能な表面により、ユーザはコントロールポイントを移動、追加、削除して形状と位置をインタラクティブに調整できるため、複雑な構造に適応できる。さらに、TPSは数学的パラメータを使用して定義されるため、制御点の移動、分割、マージなどのアルゴリズム遷移を実行できる。これにより、スムーズな4Dボリュームクリッピングとフライスルーなどのダイナミックな視覚化が容易になる。
また、チームは計算パイプラインを最適化して、クリッピングスプラインをボリュームのカットアウェイビューを生成および調整するための効率的なリアルタイムツールにした。
心臓の発達を見守る
研究チームは、クリッピングスプラインを使用して、OCTデータを利用してマウスの胚の心臓の発達を視覚化および分析した。たとえば、712の時点にわたる12.8時間の発達にわたる心筋ダイナミクスを追跡した。
クリッピング スプラインにより、回旋した心臓管の複数の部分を 1 つのビューで同時に確認できるようになり、以前よりも大きなダイナミクスのビューが提供された。これにより、胚の心臓の生体力学が特定の血流パターンの生成にどのように関与しているかをよりよく理解することができた。また、クリッピングスプラインを使用して、初期の心臓の流入路が合流して静脈洞(血液を発達中の心臓に導く構造)を形成する方法を明らかにした。
「これらの発達過程が進行しているのを見るのは、ただただ驚きである。また、哺乳類の心臓がどのように発達するかについての重要な洞察につながる可能性のある新たな考えや仮説を呼び起こす。生物学的発生の研究と理解は、先天性疾患の臨床管理を改善するために不可欠であるだけでなく、ガンや再生医療など、他の多くの生物医学分野の基礎でもある」(Wang)。
研究チームによると、クリッピングスプラインは生物医学イメージングコミュニティで広く使用される準備ができている。チームは現在、クリッピングスプラインを使用した高度な画像処理方法の開発と、クリッピングスプラインの適用により、胚の心臓発生のダイナミクスとプロセスをさらに調査することに焦点を当てている。
クリッピング スプラインは、https://github.com/ShangWangLab/OpenChronoMorphViewerでオープンソース化されている。