Les chercheurs ont développé un nouvel outil logiciel qui offre des capacités sans précédent pour voir l’intérieur des images 3D. Ses vues en coupe interactives et dynamiques leur ont permis d'analyser la dynamique jamais vue auparavant du développement du cœur embryonnaire de souris à l'aide d'images de tomographie par cohérence optique (OCT).
« Une meilleure compréhension du développement cardiaque pourrait aider à éclairer de nouvelles stratégies cliniques dans la gestion des cardiopathies congénitales, qui constituent le type d'anomalie congénitale le plus courant », a déclaré Shang Wang, chef d'équipe de recherche du Stevens Institute of Technology. « Ces connaissances sont également fondamentales pour concevoir des stratégies innovantes de régénération du tissu cardiaque après des dommages causés par une crise cardiaque, améliorant ainsi la fonction cardiaque. »
Dans la revue Optica Publishing Group Optique Biomédicale Expressles chercheurs décrivent leur nouvel outil logiciel open source appelé clipping spline. Il s'agit d'un outil convivial permettant de visualiser des structures complexes, telles qu'une structure tubulaire qui se courbe en 3D, dans une seule vue en coupe.
« L'imagerie 3D joue déjà un rôle essentiel en biomédecine, mais nous pouvons encore en apprendre davantage si nous considérons l'aspect temporel, c'est-à-dire en tant qu'image 4D », a déclaré André Faubert, membre de l'équipe de recherche et associé de recherche au laboratoire de Shang Wang. « Bien que nous ayons démontré la spline de découpage avec des données OCT 4D, elle peut être utilisée pour des images volumétriques à partir de n'importe quelle modalité d'imagerie, à la fois pour la recherche biologique et pour les applications de médecine clinique. »
Visualiser des structures 3D complexes
Les chercheurs ont développé la spline de découpage lorsqu’ils travaillaient avec des images OCT 4D pour étudier le développement du cœur embryonnaire de souris pendant la phase de boucle cardiaque. À ce stade, le tube cardiaque se plie et se tord, formant une forme alambiquée avec des changements spectaculaires dans les structures et les schémas de circulation sanguine.
« Le stade de la boucle est une étape vitale du développement cardiaque et est responsable d'une série de malformations congénitales », a déclaré Wang. « On sait peu de choses sur la dynamique et les processus qui se déroulent au cours de cette étape ; bien qu'ils puissent être visualisés, les outils disponibles pour les visualiser et les analyser étaient limités. »
Pour combler cette lacune technologique, les chercheurs ont développé un nouvel outil logiciel qui effectue un découpage du volume, un moyen informatique permettant de supprimer certains voxels d'une image 3D afin d'exposer la structure d'intérêt à l'intérieur. La découpe de volume est l'équivalent logiciel de l'utilisation d'un couteau pour couper un objet solide afin de voir ce qu'il contient. Cependant, effectuer un découpage de volume pour des structures complexes dans une seule vue en coupe est difficile et nécessite de définir soigneusement la limite entre les voxels à conserver et ceux à supprimer.
Actuellement, l’approche la plus courante en matière de découpage de volume consiste à utiliser des plans de découpage, qui fonctionnent comme une coupe au couteau droit. Cependant, leur géométrie plane simple empêche la création de surfaces concaves, limitant ainsi leur capacité à afficher pleinement des structures complexes dans une seule vue. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont exploité un type de surface lisse connue sous le nom de spline à plaque mince (TPS) et l'ont appliqué pour la première fois à la découpe de volume.
Le TPS est une surface 3D définie par un ensemble de points de contrôle de manière à croiser tous les points de contrôle avec une courbure minimale. Cette surface intuitive et réglable permet aux utilisateurs de déplacer, ajouter ou supprimer des points de contrôle pour affiner sa forme et sa position de manière interactive, lui permettant de s'adapter à des structures complexes. De plus, comme le TPS est défini à l'aide de paramètres mathématiques, il est possible d'effectuer des transitions algorithmiques, telles que le déplacement, la division ou la fusion de points de contrôle. Cela facilite un découpage fluide du volume 4D et des visualisations dynamiques telles que les survols.
Les chercheurs ont également optimisé le pipeline informatique pour faire de la spline de découpage un outil efficace en temps réel pour générer et ajuster des vues en coupe dans un volume.
Regarder le cœur se développer
Les chercheurs ont utilisé la spline de découpage pour visualiser et analyser le développement du cœur embryonnaire de souris avec des données OCT, par exemple en suivant la dynamique du myocarde sur 12,8 heures de développement sur 712 points dans le temps.
La spline de découpage leur a permis de voir plusieurs parties du tube cardiaque alambiqué en même temps dans une seule vue, offrant ainsi une vue plus large de la dynamique que celle disponible auparavant. Cela leur a donné une meilleure idée de la façon dont la biomécanique du cœur embryonnaire est impliquée dans la génération de modèles spécifiques de flux sanguin. Ils ont également utilisé la spline de détourage pour découvrir comment les voies d'afflux du cœur précoce fusionnent pour former le sinus veineux, une structure qui dirige le sang vers le cœur en développement.
« C'est tout simplement étonnant de voir ces processus de développement se dérouler, et cela inspire de nouvelles pensées et hypothèses qui pourraient conduire à des informations significatives sur la façon dont le cœur des mammifères se développe », a déclaré Wang. « L'étude et la compréhension du développement biologique sont non seulement essentielles pour améliorer la gestion clinique des maladies congénitales, mais constituent également la base de nombreux autres domaines biomédicaux, tels que le cancer et la médecine régénérative. »
Les chercheurs affirment que la spline de découpage est prête à être largement utilisée par la communauté de l’imagerie biomédicale. Ils se concentrent désormais sur le développement de méthodes avancées de traitement d’images utilisant la spline de découpage et sur l’application de la spline de découpage pour étudier plus en détail la dynamique et les processus du développement du cœur embryonnaire.
