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3D重建與影像配準

簡介

3D重建（3D Reconstruction）和影像配準（Image Registration）是現代生物醫學影像分析中的關鍵技術，能夠提供樣本的立體結構信息並實現不同影像間的精確對齊。

3D重建基礎

基本概念

  1. 數據類型
  2. Z-stack序列
  3. 連續切片
  4. 共聚焦掃描

  5. 光片顯微鏡

  6. 成像參數

  7. Z間距（Z-step）
  8. 光學切片厚度
  9. 體素大小
  10. 點擴散函數（PSF）

重建流程

  1. 資料預處理 ``` // 去噪 run("Gaussian Blur 3D...");

// 背景校正 run("Subtract Background...", "rolling=50 stack"); ```

  1. 重建方法
  2. 表面重建
  3. 體積重建
  4. 最大強度投影
  5. 等值面提取

3D視覺化

基本顯示

  1. 正交視圖 // 開啟正交視圖 run("Orthogonal Views");

  2. 投影方法 ``` // 最大強度投影 run("Z Project...", "projection=[Max Intensity]");

// 平均強度投影 run("Z Project...", "projection=[Average Intensity]"); ```

3D渲染

  1. Volume Viewer run("Volume Viewer");

  2. 3D Viewer run("3D Viewer"); // 設置渲染參數 call("ij3d.ImageJ3DViewer.setTransparency", "50");

影像配準

配準原理

  1. 變換類型
  2. 剛體變換
  3. 仿射變換
  4. 非線性變換

  5. 彈性變換

  6. 相似性度量

  7. 互相關
  8. 互信息
  9. 均方差
  10. 特徵匹配

配準方法

  1. 手動配準 // 使用TrakEM2 run("TrakEM2");

  2. 自動配準 ``` // 使用StackReg run("StackReg", "transformation=Rigid");

// 使用MultiStackReg run("MultiStackReg", "stack_1=[] action_1=Align file_1=[] stack_2=None action_2=Ignore file_2=[]"); ```

實作範例

案例 1：神經元3D重建

  1. 資料採集
  2. 共聚焦Z-stack
  3. 多通道掃描

  4. 高解析度成像

  5. 處理流程 ``` // 去噪與增強 run("Gaussian Blur 3D...", "x=2 y=2 z=1"); run("Enhance Contrast...", "saturated=0.35 process_all");

// 分割 setAutoThreshold("Otsu dark stack"); run("Convert to Mask", "method=Otsu background=Dark");

// 3D重建 run("3D Viewer"); call("ij3d.ImageJ3DViewer.add", "mask", "Green", "mask", "50", "true", "true", "true", "1"); ```

案例 2：組織切片配準

  1. 準備工作
  2. 連續切片
  3. 染色標記

  4. 掃描成像

  5. 配準步驟 ``` // 影像對齊 run("MultiStackReg", "stack_1=[] action_1=[Use as Reference] file_1=[] stack_2=[] action_2=[Align to First Stack] file_2=[]");

// 變形校正 run("UnwarpJ", "source_image=source target_image=target"); ```

進階技術

多通道3D分析

  1. 通道配準
  2. 色差校正
  3. 通道對齊

  4. 空間校準

  5. 共定位分析 // 3D共定位 run("Coloc 3D", "channel_1=[] channel_2=[] roi=[]");

時序3D分析

  1. 4D重建
  2. 時間序列
  3. 動態重建

  4. 運動分析

  5. 追蹤分析 // 4D追蹤 run("MTrack4D");

定量分析

3D測量

  1. 體積測量 // 設置3D測量 run("3D Manager"); Ext.Manager3D_AddImage(); Ext.Manager3D_Count(nb); Ext.Manager3D_Measure3D(0, "Vol", vol);

  2. 形態分析

  3. 表面積
  4. 球形度
  5. 方向性
  6. 分支分析

空間分析

  1. 距離測量
  2. 最短距離
  3. 表面距離

  4. 中心距離

  5. 分布分析

  6. 密度分布
  7. 空間關係
  8. 群聚分析

結果輸出

數據導出

  1. 測量結果 // 保存測量結果 saveAs("Results", "3D_measurements.csv");

  2. 3D模型

  3. OBJ格式
  4. STL格式
  5. 動畫序列

可視化輸出

  1. 靜態展示
  2. 截面圖
  3. 投影圖

  4. 立體圖

  5. 動態展示 // 製作動畫 run("Animation Options..."); run("Create AVI...");