Stereologia - Stereology

Stereologia to trójwymiarowa interpretacja dwuwymiarowych przekrojów materiałów lub tkanek. Zapewnia praktyczne techniki uzyskiwania ilościowych informacji o trójwymiarowym materiale z pomiarów wykonanych na dwuwymiarowych płaskich odcinkach materiału. Stereologia to metoda wykorzystująca losowe, systematyczne pobieranie próbek w celu uzyskania obiektywnych i ilościowych danych. Jest ważnym i skutecznym narzędziem w wielu zastosowaniach mikroskopii (np. Petrografii , materiałoznawstwie i naukach biologicznych, w tym histologii , kości i neuroanatomii ). Stereologia to rozwijająca się nauka, w której wiele ważnych innowacji opracowywanych jest głównie w Europie. Nowe innowacje, takie jak dozownik, nadal wprowadzają istotne ulepszenia w wydajności procedur stereologicznych.

Oprócz dwuwymiarowych przekrojów płaskich stereologia ma również zastosowanie do trójwymiarowych płyt (np. Obrazy z mikroskopu 3D), jednowymiarowych sond (np. Biopsja igłowa), wyświetlanych obrazów i innych rodzajów „próbkowania”. Jest to szczególnie przydatne, gdy próbka ma mniejszy wymiar przestrzenny niż materiał oryginalny. Stąd stereologia jest często definiowana jako nauka szacowania informacji o wyższych wymiarach z próbek o niższych wymiarach.

Stereologia opiera się na fundamentalnych zasadach geometrii (np . Zasada Cavalieriego ) i statystyki (głównie wnioskowanie z próbkowania ankietowego ). To zupełnie inne podejście niż tomografia komputerowa .

Klasyczne przykłady

Klasyczne zastosowania stereologii obejmują:

  • obliczanie ułamka objętościowego kwarcu w skale poprzez pomiar ułamka powierzchniowego kwarcu na typowym wypolerowanym płaskim przekroju skały ("zasada Delesse'a");
  • obliczenie pola powierzchni porów na jednostkę objętości w ceramice poprzez pomiar długości profili granicy porów na jednostkę powierzchni w typowym płaskim przekroju ceramiki (pomnożona przez );
  • obliczenie całkowitej długości naczyń włosowatych na jednostkę objętości tkanki biologicznej, poprzez zliczenie liczby profili naczyń włosowatych na jednostkę powierzchni w typowym histologicznym przekroju tkanki (pomnożone przez 2).
  • Znajdź parametry, takie jak objętość kości, grubość beleczek i liczba beleczek kostnych w danej próbce kości.

Popularnonaukowy fakt, że ludzkie płuca mają powierzchnię (o powierzchni wymiany gazowej) równoważną kortowi tenisowemu (75 metrów kwadratowych), uzyskano metodami stereologicznymi. Podobnie jest w przypadku stwierdzeń dotyczących całkowitej długości włókien nerwowych, naczyń włosowatych itp. W ludzkim ciele.

Błędy w interpretacji przestrzennej

Słowo Stereology powstało w 1961 roku i zostało zdefiniowane jako „przestrzenna interpretacja sekcji”. Odzwierciedla to pomysł założycieli, że stereologia oferuje również wgląd i zasady jakościowej interpretacji sekcji.

Stereolodzy pomogli wykryć wiele podstawowych błędów naukowych wynikających z błędnej interpretacji przekrojów płaskich. Takie błędy są zaskakująco częste. Na przykład:

  • płaskie odcinki hartowanej stali zawierają cienkie liniowe smugi martenzytu. Przez wiele lat było to interpretowane jako dowód, że wtrącenia martenzytu są „podobne do igieł”. Ale jeśli każda sekcja płaska ma profile liniowe, to wtrącenia martenzytu muszą być podobne do płytki, a nie igły. (Długość przekrojów jest związana z obszarem w 3D).
  • wewnętrzna budowa wątroby ssaków była źle rozumiana przez 100 lat (1848–1948) z powodu podobnego błędu.
  • przecina się biologiczną tkankę zawierającą naczynia włosowate. Badacze obliczają liczbę profili naczyń włosowatych, które są widoczne w polu mikroskopowym i podają „liczbę naczyń włosowatych” lub „liczbę kapilar na jednostkę powierzchni”. Jest to błąd, ponieważ liczba profili kapilar na przekroju płaskim jest związana z długością kapilar, a nie z ich liczbą (która może nawet nie być dobrze zdefiniowana). (Liczba w 2D jest związana z długością w 3D).
  • badacze porównują płaskie sekcje normalnej i chorej tkanki z narządu. Okazało się, że w chorej tkance częściej obserwuje się określony typ komórek. Dochodzą do wniosku, że choroba obejmuje proliferację tych komórek. Jednak liczba profili komórek widocznych w sekcji zależy zarówno od liczby komórek, jak i od ich rozmiarów. Jest więc możliwe, że proces chorobowy polega po prostu na zwiększeniu rozmiaru komórek bez żadnej proliferacji. (Liczba w 2D jest związana z długością lub wysokością w 3D).
  • Zakładano, że do budowy zabytkowych budynków Tabby w Karolinach użyto piasku pozyskiwanego z piaskownic. Badania stereologiczne wykazały, że piasek pochodzi z wydm zwróconych w stronę zatok. Doprowadziło to do ponownego przemyślenia metody budowy, a także metod renowacji.

Stereologia to nie tomografia

Stereologia to zupełnie inne przedsięwzięcie niż tomografia komputerowa . Algorytm tomografii komputerowej skutecznie rekonstruuje pełną wewnętrzną trójwymiarową geometrię obiektu, mając pełny zestaw wszystkich przekrojów płaskich przez nią (lub równoważne dane rentgenowskie). Wręcz przeciwnie, techniki stereologiczne wymagają tylko kilku „reprezentatywnych” odcinków płaszczyzny, z których statystycznie ekstrapolują trójwymiarowy materiał.

Stereologia wykorzystuje fakt, że niektóre wielkości trójwymiarowe można określić bez rekonstrukcji trójwymiarowej: na przykład trójwymiarową objętość dowolnego obiektu można określić z dwuwymiarowych obszarów jego płaskich odcinków, bez rekonstrukcji obiektu. (Oznacza to, że stereologia działa tylko dla pewnych wielkości, takich jak objętość, a nie dla innych wielkości).

Zasady pobierania próbek

Oprócz korzystania z faktów geometrycznych, stereologia stosuje zasady statystyczne do ekstrapolacji trójwymiarowych kształtów z płaskich sekcji materiału. Zasady statystyczne są takie same jak w przypadku pobierania próbek w ankietach (wykorzystywane do wyciągania wniosków na temat populacji ludzkiej na podstawie sondaży itp.). Statystycy uważają stereologię za formę teorii próbkowania dla populacji przestrzennych.

Aby dokonać ekstrapolacji z kilku płaskich odcinków do materiału trójwymiarowego, zasadniczo przekroje muszą być „typowe” lub „reprezentatywne” dla całego materiału. Zasadniczo istnieją dwa sposoby, aby to zapewnić:

  • Zakłada się, że każdy przekrój płaski jest typowy (np. Załóżmy, że materiał jest całkowicie jednorodny);

lub

  • Sekcje samolotu są wybierane losowo, zgodnie z określonym protokołem losowego pobierania próbek

Pierwsze podejście to to, które zostało zastosowane w klasycznej stereologii. Ekstrapolacja z próbki do materiału 3-D zależy od założenia, że ​​materiał jest jednorodny. To skutecznie postuluje statystyczny model materiału. Ta metoda pobierania próbek jest nazywana wnioskiem z próbkowania opartego na modelu .

Drugie podejście jest typowe dla współczesnej stereologii. Zamiast polegać na założeniach modelu dotyczących trójwymiarowego materiału, pobieramy próbkę przekrojów płaskich, postępując zgodnie z losowym projektem próbkowania, na przykład wybierając losowe położenie, w którym rozpocznie się cięcie materiału. Ekstrapolacja z próbki do materiału trójwymiarowego jest ważna ze względu na losowość projektu próbkowania, dlatego nazywa się to wnioskiem o próbkowaniu opartym na projekcie .

Metody stereologiczne oparte na projektowaniu można zastosować do materiałów, które są niejednorodne lub nie można założyć, że są jednorodne. Metody te zyskują coraz większą popularność w naukach biomedycznych, zwłaszcza w naukach o płucach, nerkach, kościach, nowotworach i neurologii. Wiele z tych zastosowań ma na celu określenie liczby elementów w określonej strukturze, np. Całkowitej liczby neuronów w mózgu.

Modele geometryczne

Wiele klasycznych technik stereologicznych, oprócz założenia jednorodności, obejmowało także matematyczne modelowanie geometrii badanych konstrukcji. Metody te są nadal popularne w materiałoznawstwie, metalurgii i petrologii, gdzie kształty np. Kryształów można modelować jako proste obiekty geometryczne. Takie modele geometryczne pozwalają na uzyskanie dodatkowych informacji (w tym liczby kryształów). Są jednak niezwykle wrażliwi na odstępstwa od założeń.

Ilości całkowite

W klasycznych przykładach wymienionych powyżej wielkościami docelowymi były gęstości względne: ułamek objętościowy, pole powierzchni na jednostkę objętości i długość na jednostkę objętości. Często bardziej interesują nas wielkości całkowite, takie jak całkowita powierzchnia powierzchni wymiany gazowej płuc lub całkowita długość naczyń włosowatych w mózgu. gęstości względne są również problematyczne, ponieważ o ile materiał nie jest jednorodny, zależą one od jednoznacznej definicji objętości odniesienia.

Zasady pobierania próbek umożliwiają również oszacowanie ilości całkowitych, takich jak całkowita powierzchnia płuc. Używając technik takich jak systematyczne pobieranie próbek i pobieranie próbek skupień , możemy skutecznie pobierać próbki z ustalonej części całego materiału (bez konieczności wyznaczania objętości odniesienia). To pozwala nam ekstrapolować z próbki na cały materiał, aby uzyskać oszacowania całkowitych ilości, takich jak bezwzględna powierzchnia płuc i bezwzględna liczba komórek w mózgu.

Oś czasu

  • 1733 G. Buffon odkrywa powiązania między geometrią a prawdopodobieństwem, które ostatecznie kładą podwaliny pod stereologię.
  • 1843 Geolog górniczy AE Delesse opracowuje pierwszą technikę (zasada Delesse'a) do określania ułamka objętościowego w 3D z ułamka powierzchniowego na przekrojach.
  • 1885 matematyk Morgan Crofton publikuje teorię „prawdopodobieństwa geometrycznego”, w tym metody stereologiczne.
  • 1895 pierwszy znany opis prawidłowej metody liczenia komórek w mikroskopii.
  • Geolog A. Rosiwal z 1898 r. Wyjaśnia, jak wyznaczyć ułamek objętościowy na podstawie ułamka długości w transektach liniowych.
  • 1916 SJ Shand buduje pierwszy integrujący akumulator liniowy do automatyzacji pracy stereologicznej.
  • 1919 komitet ASTM (American Society for Testing and Materials) ustanowiony w celu standaryzacji pomiaru wielkości ziaren.
  • Statystyk SD Wicksell z 1923 r. Formułuje ogólny problem rozmiaru cząstek - wnioskując o rozkładzie rozmiarów cząstek trójwymiarowych na podstawie obserwowanego rozkładu rozmiarów ich profili dwuwymiarowych - i rozwiązuje go dla cząstek sferycznych.
  • 1929 matematyk H. Steinhaus opracowuje stereologiczne zasady pomiaru długości krzywych w 2D.
  • 1930 geolog AA Glagolev buduje urządzenie do liczenia punktów za pomocą mikroskopu.
  • H. Chalkley, badacz raka z lat 40. XX wieku, publikuje metody określania pola powierzchni na podstawie przekrojów płaskich.
  • Matematyk PAP Moran z 1944 r. Opisuje metodę pomiaru pola powierzchni obiektu wypukłego z obszaru rzutowanych obrazów.
  • Anatomik Abercrombie z 1946 roku pokazuje, że wiele obecnych metod liczenia komórek jest błędnych i proponuje właściwą metodę.
  • 1946–58 materiałoznawca SA Saltykov publikuje metody określania pola powierzchni i długości z odcinków płaskich.
  • Biolog H. Elias z 1948 r. Odkrywa trwające od stu lat niezrozumienie budowy wątroby ssaków.
  • 1952 Tomkeieff i Campbell obliczają wewnętrzną powierzchnię ludzkiego płuca.
  • 1961 powstało słowo „stereologia”. Założenie Międzynarodowego Towarzystwa Stereologii
  • 1961 materiałoznawcy Rhines i De Hoff opracowują metodę szacowania liczby obiektów, np. Ziaren, cząstek, komórek o wypukłym kształcie.
  • 1966 Weibel i Elias obliczają efektywność technik próbkowania stereologicznego.
  • 1972 E. Underwood opisuje stereologiczne techniki projekcji obrazów.
  • Statystycy z lat 1975–80, RE Miles i PJ Davy, pokazują, że stereologię można sformułować jako technikę próbkowania ankietowego i opracować metody oparte na projektach.
  • 1983 RE Miles i (niezależnie) EB Jensen i HJG Gundersen opracowują metody punktu przecięcia z próbkami punktowymi do wnioskowania o średniej objętości dowolnie ukształtowanych cząstek z odcinków płaskich.
  • 1984 DC Sterio opisuje metodę liczenia „disector”.
  • Stereolog H. Haug z 1985 r. Krytykuje dogmat głoszący, że normalny ludzki mózg wraz z wiekiem stopniowo traci neurony. Pokazuje, że istniejące dowody są nieważne.
  • Statystyka A. Baddeley z 1985 r. Wprowadza metodę przekrojów pionowych.
  • 1986 Gundersen proponuje technikę próbkowania „frakcjonującego”.
  • 1988–92 Gundersen i Jensen proponują techniki „nukleatora” i „rotatora” do szacowania objętości cząstek.
  • 1998 Kubinova wprowadza pierwszą wirtualną sondę, która szacuje powierzchnię w preferencyjnych plasterkach.
  • 1999 Larsen i Gundersen wprowadzają globalne próbkowanie przestrzenne w celu oszacowania całkowitej długości w warstwach preferencyjnych.
  • 2002 Mouton, Gokhale, Ward i West wprowadzają wirtualne „kule kosmiczne” sondy do oszacowania całkowitej długości.
  • 2004 Gokhale, Evans, Mackes i Mouton wprowadzają wirtualną sondę „wirtualne cykloidy” do oszacowania całkowitej powierzchni.

Głównymi czasopismami naukowymi zajmującymi się stereologią są Journal of Microscopy oraz Image Analysis & Stereology (ex Acta Stereologica ).

Zobacz też

Bibliografia

  • Baddeley, A. i EB Vedel Jensen (2005), Stereology For Statisticians, Chapman & Hall / CRC. ISBN  9781584884057
  • Evans, SM, Janson, AM, Nyengaard, JR (2004) .Quantitative Methods in Neuroscience: A Neuroanatomical Approach. Oxford University Press, USA. ISBN  978-0198505280
  • Vedel Jensen Eva B. (1998) Local Stereology. Advanced Series on Statistical Science & Applied Probability Vol. 5. World Scientific Publishing. ISBN  981-02-2454-0 .Linki zewnętrzne
  • Mouton, Peter R. (2002). Zasady i praktyki obiektywnej stereologii: wprowadzenie dla biologów. Baltimore: Johns Hopkins University Press. ISBN  0-8018-6797-5 .
  • Mouton, PR „Neurostereology” (2014) Wiley-Blackwell Press, Boston, MA. ISBN  1118444213 .
  • PR Mouton (2011). Bezstronna stereologia: zwięzły przewodnik. The Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD. ISBN  978-0-8018-9984-3 .Linki zewnętrzne
  • Schmitz, C. i PR Hof. „Stereologia oparta na projektowaniu w neuronauce”. Neuroscience 130, nie. 4 (2005): 813–831.
  • Zachód, Mark J. (2012). Podstawowa stereologia - dla biologów i neuronaukowców. Prasa laboratoryjna Cold Spring Harbor. ISBN  978-1-936113-60-6 .Linki zewnętrzne
  • West, MJ, L. Slomianka i HJG Gundersen: Bezstronne stereologiczne oszacowanie całkowitej liczby neuronów w poddziałach hipokampu szczura przy użyciu frakcjonatora optycznego. Anatomical Record 231: 482–497, 1991.

Linki zewnętrzne