Стереология

Стереология — это трехмерная интерпретация двумерных поперечных сечений материалов или тканей. Он предоставляет практические методы извлечения количественной информации о трехмерном материале из измерений, выполненных на двумерных плоских сечениях материала. Стереология — это метод, который использует случайную систематическую выборку для получения объективных и количественных данных. Это важный и эффективный инструмент во многих приложениях микроскопии (таких как петрография , материаловедение и биологические науки, включая гистологию , кость и нейроанатомию ). Стереология — развивающаяся наука, в которой многие важные инновации разрабатываются главным образом в Европе. Новые инновации, такие как пропорционатор, продолжают существенно повышать эффективность стереологических процедур.

Помимо двумерных плоских сечений, стереология также применима к трехмерным пластинам (например, изображениям, полученным с помощью 3D-микроскопа), одномерным зондам (например, игольной биопсии), проецируемым изображениям и другим видам «отбора проб». Это особенно полезно, когда образец имеет меньший пространственный размер, чем исходный материал.Следовательно, стереологию часто определяют как науку об оценке информации более высокой размерности из образцов более низкой размерности.

Стереология основана на фундаментальных принципах геометрии (например, принципе Кавальери ) и статистики (в основном, на выводах выборки ). Это совершенно другой подход, чем компьютерная томография .

Классические примеры

Классические применения стереологии включают:

• расчет объемной доли кварца в породе путем измерения доли площади кварца на типичном полированном плоском срезе породы («принцип Делесса» от Ахилла Делесса );
• расчет площади поверхности пор на единицу объема в керамике путем измерения длины профилей границы пор на единицу площади на типичном плоском сечении керамики (умножается на $4/\pi$);
• расчет общей длины капилляров в единице объема биологической ткани путем подсчета количества профилей капилляров на единицу площади на типичном гистологическом срезе ткани (умноженного на 2).
• Найдите такие параметры, как объем кости, толщина трабекул и количество трабекул в данном образце кости.

Стереологическими методами получен научно-популярный факт о том, что легкие человека имеют площадь поверхности (поверхности газообмена), эквивалентную теннисному корту (75 квадратных метров). Аналогично и с утверждениями об общей длине нервных волокон, капилляров и т. д. в организме человека.

Ошибки пространственной интерпретации

Слово «стереология» было придумано в 1961 году и определено как «пространственная интерпретация срезов». Это отражает идею основателей о том, что стереология также предлагает идеи и правила для качественной интерпретации разделов.

Стереологи помоглиобнаружить многие фундаментальные научные ошибки, возникающие из-за неправильной интерпретации плоских сечений. Такие ошибкина удивление часто. Например:

• плоские сечения закаленной стали содержат тонкие линейные прожилки мартенсита. В течение многих лет это интерпретировалось как демонстрация того, что мартенситные включения имеют «игольчатую форму». Но если каждое плоское сечение имеет линейный профиль, то мартенситные включения должны быть пластинчатыми, а не игольчатыми. (Длина сечений связана с площадью в 3D).
• внутреннее строение печени млекопитающих было неправильно понято в течение 100 лет (1848–1948 гг.) из-за аналогичной ошибки.
• делают срезы биологической ткани, содержащей капилляры. Исследователи подсчитывают количество профилей капилляров, видимых в поле микроскопа, и сообщают «количество капилляров» или «количество капилляров на единицу площади». Это ошибка, поскольку количество капиллярных профилей на плоском сечении связано с длиной капилляров, а не с их количеством (которое может быть даже не четко определено). (Число в 2D связано с длиной в 3D).
• исследователи сравнивают плоские срезы нормальной и больной ткани органа. Они обнаружили, что в пораженной ткани чаще встречаются клетки определенного типа. Они пришли к выводу, что заболевание включает пролиферацию этих клеток. Однако количество профилей ячеек, видимых на срезе, зависит как от количества ячеек, так и от их размеров. Поэтому вполне возможно, что болезненный процесс просто включает увеличение размера клеток без какой-либо пролиферации. (Число в 2D связано с длиной или высотой в 3D).
• Предполагалось, что строительство исторических зданий Табби в Каролине будет осуществляться из песка, добытого из песчаных карьеров. Стереологические исследования показали, что песок был получен из дюн, обращенных к заливам. Это привело к переосмыслению методов строительства и методов реставрации.

Стереология – это не томография

Стереология – это совсем другое дело, чем компьютерная томография .Алгоритм компьютерной томографии эффективно восстанавливает полную внутреннюю трехмерную геометрию объекта, учитывая полный набор всех его плоских сечений (или эквивалентных рентгеновских данных).Напротив, стереологические методы требуют лишь нескольких «репрезентативных» плоских сечений, на основе которых они статистически экстраполируют трехмерный материал.

Стереология использует тот факт, что некоторые трехмерные величины могут быть определены без трехмерной реконструкции: например, трехмерный объем любого объекта может быть определен по двумерным областям его плоских сечений без реконструкции объекта. (Это означает, что стереология работает только для определенных величин, таких как объем, и не работает для других величин).

Принципы выборки

Помимо использования геометрических фактов, стереология применяет статистические принципы для экстраполяции трехмерных форм из плоских сечений материала. Статистические принципы такие же, как и при составлении выборки опроса (используемой для получения выводов о численности населения на основе опросов общественного мнения и т. д.).Статистики рассматривают стереологию как форму теории выборки пространственных популяций.

Чтобы экстраполировать несколько плоских сечений на трехмерный материал, по сути, эти сечения должны быть «типичными» или «репрезентативными» для всего материала. Есть два основных способа обеспечить это:

• Предполагается, что любое плоское сечение является типовым (например, предположим, что материал полностью однороден);

или

• Плоские сечения выбираются случайным образом в соответствии с заданным протоколом случайной выборки.

Первый подход – это тот, который использовался в классической стереологии.Экстраполяция образца на трехмерный материал зависит от предположения, что материал однороден. Это эффективно постулирует статистическую модель материала. Этот метод выборки называется выводом выборки на основе модели .

Второй подход обычно используется в современной стереологии.Вместо того, чтобы полагаться на предположения модели о трехмерном материале, мы берем выборку плоских сечений, следуя рандомизированной схеме выборки, например, выбирая случайную позицию, с которой начинаем резать материал. Экстраполяция выборки на трехмерный материал действительна из-за случайности плана выборки, поэтому это называется на основе плана выводом выборки .

Стереологические методы, основанные на проектировании, могут применяться к материалам, которые являются неоднородными или не могут считаться однородными. Эти методы приобретают все большую популярность в биомедицинских науках, особенно в области легких, почек, костей, рака и нейробиологии. Многие из этих приложений направлены на определение количества элементов в конкретной структуре, например, общего числа нейронов в мозге.

Геометрические модели

Многие классические стереологические методы, помимо предположения об однородности, включали также математическое моделирование геометрии исследуемых структур.Эти методы до сих пор популярны в материаловедении, металлургии и петрологии, где формы, например, кристаллов можно моделировать как простые геометрические объекты. Такие геометрические модели позволяют извлечь дополнительную информацию (в том числе количество кристаллов). Однако они чрезвычайно чувствительны к отклонениям от предположений.

Общее количество

В классических примерах, перечисленных выше, целевыми величинами были относительные плотности: объемная доля, площадь поверхности на единицу объема и длина на единицу объема. Часто нас больше интересуют общие величины, такие как общая площадь газообменной поверхности легких или общая длина капилляров в мозге. относительная плотность также проблематична, поскольку, если материал не является однородным, она зависит от однозначного определения эталонного объема.

Принципы отбора проб также позволяют оценить общие количества, такие как общая площадь поверхности легких. Используя такие методы, как систематическая выборка и групповая выборка, мы можем эффективно отбирать фиксированную долю всего материала (без необходимости определять контрольный объем). Это позволяет нам экстраполировать образец на весь материал, чтобы получить оценки общих величин, таких как абсолютная площадь поверхности легких и абсолютное количество клеток в мозге.

Хронология

• 1733 Ж. Бюффон открывает связи между геометрией и вероятностью, что в конечном итоге закладывает основы стереологии.

• 1843 Горный геолог А. Е. Делесс изобретает первый метод (принцип Делесса) для определения объемной доли в 3D по доле площади на разрезах.

• 1885 г. Математик Морган Крофтон публикует теорию «геометрической вероятности», включая стереологические методы.

• 1895 г. – первое известное описание правильного метода подсчета клеток в микроскопии.

• 1898 г. геолог А. Розивал объясняет, как определить объемную долю по доле длины на линейных разрезах.

• 1916 г. С. Дж. Шанд создает первый интегрирующий линейный аккумулятор для автоматизации стереологической работы.

• В 1919 году создан комитет ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам) для стандартизации измерения размера зерна.

• В 1923 году статистик С.Д. Викселл формулирует общую проблему размера частиц – вывод о распределении размеров трехмерных частиц из наблюдаемого распределения размеров их двумерных профилей – и решает ее для сферических частиц.

• 1929 г. математик Х. Штейнхаус разрабатывает стереологические принципы измерения длины кривых в 2D.

• 1930 год. Геолог А. А. Глаголев строит прибор для счета точек с помощью микроскопа.

• Исследователь рака 1940-х годов Х. Чалкли публикует методы определения площади поверхности по плоским срезам.

• В 1944 году математик П. П. Моран описывает метод измерения площади поверхности выпуклого объекта по площади проецируемых изображений.

• В 1946 году анатом Аберкромби показывает, что многие современные методы подсчета клеток ошибочны, и предлагает правильный метод.

• 1946–58 Материаловед С. А. Салтыков публикует методы определения площади и длины поверхности по плоским сечениям.

• 1948 год. Биолог Х. Элиас обнаруживает столетнее заблуждение о строении печени млекопитающих.

• 1952 Томкеев и Кэмпбелл рассчитали площадь внутренней поверхности легкого человека.

• В 1961 году появилось слово «стереология». Основание Международного общества стереологии

• 1961 Ученые-материалисты Райнс и Де Хофф разрабатывают метод оценки количества объектов, например зерен, частиц, ячеек выпуклой формы.

• 1966 Вейбель и Элиас рассчитывают эффективность методов стереологической выборки.

• 1972 Э. Андервуд описывает стереологические методы проецирования изображений.

• Статистики 1975–1980 годов Р.Э. Майлз и П.Дж. Дэви показали, что стереологию можно сформулировать как метод выборки обследования, и разработали методы, основанные на дизайне.

• 1983 Р.Э. Майлз и (независимо) Э.Б. Йенсен и Х.Дж.Гундерсен разрабатывают методы пересечения с точечной выборкой для определения среднего объема частиц произвольной формы на основе плоских сечений.

• 1984 г. DC Sterio описывает метод подсчета «диссектор».

• В 1985 году стереолог Х. Хауг критикует догму о том, что нормальный человеческий мозг с возрастом постепенно теряет нейроны. Он показывает, что существующие доказательства недействительны.

• 1985 год статистик А. Баддели представляет метод вертикальных сечений.

• 1986 Гундерсен предлагает метод отбора проб «фракционатор».

• 1988–92 Гундерсен и Йенсен предлагают методы «нуклеатора» и «ротатора» для оценки объема частиц.

• 1998 Кубинова представляет первый виртуальный зонд, который оценивает площадь поверхности в предпочтительных срезах.

• 1999 Ларсен и Гундерсен представили глобальную пространственную выборку для оценки общей длины предпочтительных срезов.

• 2002 Мутон, Гохале, Уорд и Уэст представляют виртуальные зонды «космические шары» для оценки общей длины.

• 2004 Гокхале, Эванс, Макес и Мутон представляют виртуальный зонд «виртуальные циклоиды» для оценки общей площади поверхности.

• 2008 Гундерсен, Гарди, Ньенгаард представили метод пропорционатора .

Основными научными журналами по стереологии являются Image Analysis & Stereology (ранее Acta Stereologica ) и Journal of Microcracy.

См. также

• Сетка Мерца

Ссылки

• Баддели А. и Э.Б. Ведел Дженсен (2005), Стереология для статистиков, Chapman & Hall/CRC. ISBN   9781584884057
• Эванс, С.М., Янсон, А.М., Ниенгаард, Дж.Р. (2004). Количественные методы в нейробиологии: нейроанатомический подход. Издательство Оксфордского университета, США. ISBN   978-0198505280
• Ведель Йенсен Ева Б. (1998) Локальная стереоология. Расширенная серия по статистической науке и прикладной теории вероятности, том. 5. Мировое научное издательство. ISBN   981-02-2454-0
• Мутон, Питер Р. (2002). Принципы и практика объективной стереологии: введение для биологов. Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN   0-8018-6797-5 .
• Мутон, PR «Нейростереология» (2014) Wiley-Blackwell Press, Бостон, Массачусетс. ISBN   1118444213 .
• ПР Мутон (2011). Непредвзятая стереоология: краткое руководство. Издательство Университета Джонса Хопкинса, Балтимор, Мэриленд. ISBN   978-0-8018-9984-3
• Шмитц К. и П.Р. Хоф. «Стереология, основанная на дизайне, в нейробиологии». Нейронаука 130, вып. 4 (2005): 813–831.
• Уэст, Марк Дж. (2012). Базовая стереология - для биологов и нейробиологов. Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. ISBN   978-1-936113-60-6
• Уэст, М.Дж., Л. Сломянка и Х.Дж.Гундерсен: Непредвзятая стереологическая оценка общего количества нейронов в подразделениях гиппокампа крысы с использованием оптического фракционатора. Анатомические записи 231: 482–497, 1991.

Внешние ссылки

• Международное общество стереологии
• Анализ изображений и стереология