Zagadka obrazów trójwymiarowych z jednego ujęcia

Obrazowanie trójwymiarowe zawsze fascynowało naukowców i wynalazców. Ogólnie techniki obrazowania 3D wymagają co najmniej dwóch punktów widzenia, aby określić strukturę 3D.

A najczęściej używane do obrazowania cząsteczek — obrazowanie dyfrakcyjne, tomografia i mikroskopia konfokalna — wymagają wielu obrazów w różnych orientacjach lub kilku skanów w cienkich przekrojach.

Zainteresowanie wzbudziło więc ogromne zainteresowanie, gdy w 2009 roku Jianwei Miao z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles wraz z kilkoma kumplami odkrył, jak tworzyć trójwymiarowe modele złożonych cząsteczek z jednego obrazu. Nazwali tę technikę ankylografią, wywodzącą się od greckiego słowa ankylos, co oznacza zakrzywiony, a słowo graphein oznaczające pisanie.

Uważali, że powinno być możliwe uchwycenie całej trójwymiarowej struktury z wzoru dyfrakcyjnego padającego na kulę. Zamiast robić wiele obrazów, algorytm iteracyjny mógłby następnie destylować strukturę trójwymiarową.

Ci faceci zademonstrowali technikę numeryczną rekonstrukcji kształtu wirusa polio, a także zademonstrowali ją praktycznie, rekonstruując trójwymiarowy kształt pokazany powyżej.

Od tego czasu dzieło spotkało się z pewną krytyką. Inni naukowcy sugerowali, że tej techniki nie można skalować do obiektów o interesujących rozmiarach i że w każdym razie działa tylko w przypadku rzeczy, które są tak cienkie, że i tak są zasadniczo dwuwymiarowe.

Dzisiaj Miao i kumple odpowiadają. Mówią, że analiza matematyczna sugerująca, że ​​technika działa tylko w przypadku obiektów 2D, zawiera pewne nierealistyczne założenia. W szczególności zakłada, że ​​kulista powłoka, w której rejestrowany jest obraz, jest nieskończenie cienka.

Dla kontrastu, Miao i wsp. twierdzą, że powłoka ma skończoną grubość, określoną przez głębokość wokseli użytych do uchwycenia obrazu. Mówią, że to właśnie dostarcza dodatkowych informacji wymaganych do określenia struktury trójwymiarowej.

Mówią też, że technikę tę można zastosować do większych obiektów, na przykład wykonując kilka zdjęć (choć częściowo podważa to jej pierwotną zaletę).

Oczywiście, Miao i spółka przyznają się do pewnych ograniczeń ankylografii, ale twierdzą, że ta technika jest tak nowa, że ​​z pewnością będzie wymagała modyfikacji, zanim będzie powszechnie stosowana.

Zaleta możliwości obrazowania obiektów 3D za pomocą jednego ujęcia jest oczywiście ogromna. Powinno umożliwiać na przykład trójwymiarowe filmy przedstawiające molekuły podczas ich ruchu lub zmiany kształtu. Jest to trudne w przypadku innych technik, gdy do określenia struktury w dowolnym momencie potrzeba kilku strzałów.

Techniki obrazowania 3D mają historię trudnych porodów. To oczywiście nie jest wyjątkiem.

Odniesienia:

arxiv.org/abs/1112.4459 : Potencjał i wyzwanie ankylografii

arxiv.org/abs/1001.4594 : Podstawowe granice ankylografii z powodu niedoboru wymiarowego

arxiv.org/abs/0905.0269 : Określanie struktury trójwymiarowej z jednego widoku

ukryć