Стереология

Стереология - это трехмерная интерпретация двумерных поперечных сечений материалов или тканей. В нем представлены практические методы извлечения количественной информации о трехмерном материале из измерений, выполненных на двухмерных плоских участках материала. Стереология - это метод, который использует случайную систематическую выборку для получения объективных 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, многие важные инновации разрабатываются главным образом в Европе. Новые инновации, такие как дозатор, продолжают вносить важные улучшения в эффективность стереологических процедур.

В дополнение к двумерным плоским сечениям стереология также применима к трехмерным пластинам (например, трехмерным изображениям под микроскопом), одномерным зондам (например, биопсии иглой), проецируемым изображениям и другим видам «выборки». Это особенно полезно, когда образец имеет меньший пространственный размер, чем исходный материал. Следовательно, стереология часто определяется как наука об оценке многомерной информации из выборок более низкой размерности.

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

• 1 Классические примеры
• 2 Ошибки пространственной интерпретации
• 3 Стереология - это не томография
• 4 Принципы отбора проб
• 5 Геометрические модели
• 6 Общее количество
• 7 Хронология
• 8 См. Также
• 9 ссылки
• 10 Внешние ссылки

Классические приложения стереологии включают:

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

Популярный научный факт, что легкие человека имеют площадь поверхности (поверхности газообмена), эквивалентную теннисному корту (75 квадратных метров), был получен стереологическими методами. Аналогично для утверждений об общей длине нервных волокон, капилляров и т. Д. В человеческом теле.

Слово стереология было придумано в 1961 году и определялось как "пространственная интерпретация сечений". Это отражает идею основателей, что стереология также предлагает идеи и правила для качественной интерпретации разделов.

Стереологи помогли обнаружить многие фундаментальные научные ошибки, возникающие из-за неправильной интерпретации плоских сечений. Такие ошибки встречаются на удивление часто. Например:

• Плоские сечения закаленной стали содержат тонкие линейные полосы мартенсита. Многие годы это интерпретировалось как демонстрация того, что включения мартенсита «игольчатые». Но если в каждом плоском сечении видны линейные профили, то включения мартенсита должны быть пластинчатыми, а не игольчатыми. (Длина участков связана с площадью в 3D).
• внутреннюю структуру печени млекопитающих неправильно понимали в течение 100 лет (1848–1948) из-за аналогичной ошибки.
• биоткань, содержащая капилляры, разрезается. Исследователи подсчитывают количество профилей капилляров, которые видны в поле зрения микроскопа, и сообщают «количество капилляров» или «количество капилляров на единицу площади». Это ошибка, потому что количество капиллярных профилей на плоском сечении связано с длиной капилляров, а не с их количеством (которое может даже не быть четко определенным). (Число в 2D связано с длиной в 3D).
• исследователи сравнивают плоские срезы нормальной и больной ткани органа. Они обнаружили, что клетки определенного типа чаще встречаются в пораженной ткани. Они пришли к выводу, что болезнь связана с разрастанием этих клеток. Однако количество профилей ячеек, видимых на секции, зависит как от количества ячеек, так и от их размеров. Таким образом, возможно, что заболевание просто связано с увеличением размера клеток без какой-либо пролиферации. (Число в 2D связано с длиной или высотой в 3D).
• Предполагалось, что строительство исторических зданий полосатого цвета в Каролинах будет осуществляться из песка, добытого из песчаных карьеров. Стереологические исследования показали, что песок был получен из дюн, обращенных к бухтам. Это вызвало переосмысление как метода строительства, так и методов реставрации.

Стереология - это совсем другое дело, чем компьютерная томография. Алгоритм компьютерной томографии эффективно восстанавливает полную внутреннюю трехмерную геометрию объекта с учетом полного набора всех плоских сечений через него (или эквивалентных рентгеновских данных). Напротив, стереологические методы требуют только нескольких «репрезентативных» плоских сечений, из 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 из двумерных областей его плоских сечений без реконструкции объекта. (Это означает, что стереология работает только для определенных величин, таких как объем, но не для других величин).

В дополнение к использованию геометрических фактов, стереология применяет статистические принципы для экстраполяции трехмерных форм из плоских сечений материала. Статистические принципы такие же, как и при выборке для опроса (используются для вывода о человеческой популяции на основе опроса общественного мнения и т. Д.). Статистики рассматривают стереологию как форму теории выборки для пространственных популяций.

Для экстраполяции нескольких плоских сечений на трехмерный материал, по существу, сечения должны быть «типичными» или «репрезентативными» для всего материала. В основном это можно сделать двумя способами:

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

или же

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

Первый подход - тот, который использовался в классической стереологии. Экстраполяция образца на трехмерный материал зависит от предположения, что материал однороден. Это фактически 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 нашу выборку плоских сечений, следуя рандомизированному плану выборки, например, выбирая случайное положение, в котором следует начать резку материала. Экстраполяция выборки на трехмерный материал действительна из-за случайности плана выборки, поэтому это называется выводом выборки на основе плана.

Стереологические методы, основанные на дизайне, могут применяться к материалам, которые неоднородны или не могут считаться однородными. Эти методы становятся все более популярными в биомедицинских науках, особенно в науках о легких, почках, костях, раке и нейробиологии. Многие из этих приложений направлены на определение количества элементов в конкретной структуре, например, общего количества нейронов в головном мозге.

Многие классические стереологические методы, помимо предположения об однородности, также включают математическое моделирование геометрии исследуемых структур. Эти методы все еще популярны в материаловедении, металлургии и петрологии, где формы, например, кристаллов могут быть смоделированы как простые геометрические объекты. Такие геометрические модели позволяют извлекать дополнительную информацию (в том числе количество кристаллов). Однако они чрезвычайно чувствительны к отклонениям от предположений.

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 поверхности газообмена легких или общая длина капилляров в головном мозге. относительные плотности также проблематичны, потому что, если материал не является однородным, они зависят от однозначного определения контрольного объема.

Принципы отбора проб также позволяют оценить общие количества, такие как общая площадь поверхности легких. Используя такие методы, как систематическая выборка и кластерная выборка, мы можем эффективно отбирать фиксированную часть 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 головном мозге.

• 1733 г. Г. Бюффон обнаруживает связи между геометрией и вероятностью, которые в конечном итоге закладывают основы стереологии.

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

• 1885 г. Математик Морган Крофтон публикует теорию "геометрической вероятности", включающую стереологические методы.

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

• 1898 г. Геолог А. Росивал объясняет, как определить объемную долю по длине на линейных разрезах.

• 1916 SJ Shand создает первый интегрирующий линейный аккумулятор для автоматизации стереологической работы.

• 1919 комитет ASTM (Американское общество испытаний и материалов) создан для стандартизации измерения размера зерна.

• В 1923 г. статистик С. Д. Викселл формулирует общую проблему размера частиц - выводит распределение 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 геолог А.А. Глаголев строит прибор для точечного счета с микроскопом.

• Исследователь рака 1940-х годов Х. Чалкли публикует методы определения площади поверхности из плоских сечений.

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

• Анатом 1946 года Аберкромби показывает, что многие современные методы подсчета клеток ошибочны, и предлагает правильный метод.

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

• 1948 г. Биолог Х. Элиас раскрывает вековое непонимание структуры печени млекопитающих.

• 1952 Томкиев и Кэмпбелл вычисляют площадь внутренней поверхности легкого человека.

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

• 1961 г. Материаловеды Райнс и Де Хофф разработали метод оценки количества объектов, например зерен, частиц, ячеек выпуклой формы.

• 1966 Вейбель и Элиас вычислили эффективность стереологических методов выборки.

• 1972 г. Э. Андервуд описывает стереологические методы проецирования изображений.

• 1975–80 гг. Статистики Р. Э. Майлз и П. Дж. Дэви показывают, что стереология может быть сформулирована как метод выборки при обследовании, и разрабатывают методы, основанные на дизайне.

• 1983 RE Miles и (независимо) Е. Б. Йенсен и HJG Gundersen разработки точечных проб перехватывать методы для выведения среднего объема произвольной формы частиц из плоских участков.

• 1984 DC Sterio описывает метод подсчета «диссектор».

• Стереолог 1985 года Х. Хауг критикует догму о том, что нормальный человеческий мозг с возрастом постепенно теряет нейроны. Он показывает, что имеющиеся доказательства недействительны.

• 1985 Статистик А. Баддели вводит метод вертикальных сечений.

• 1986 Гундерсен предлагает метод отбора проб «фракционирующий».

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

• 1998 Кубинова представляет первый виртуальный зонд, который оценивает площадь поверхности на определенных срезах.

• 1999 Ларсен и Гундерсен вводят глобальную пространственную выборку для оценки общей длины в предпочтительных срезах.

• 2002 Mouton, Gokhale, Ward и West представляют виртуальные зонды «космические шары» для оценки общей длины.

• 2004 Gokhale, Evans, Mackes и Mouton представляют виртуальный зонд «виртуальные циклоиды» для оценки общей площади поверхности.

• 2008 Gundersen, Gardi, Nyengaard ввести proportionator метод.

Основными научными журналами по стереологии являются Journal of Microscopy и Image Analysis amp; Stereology (ex Acta Stereologica).

• Сетка Мерца

• Баддели, А., Э.Б. Ведель Йенсен (2005), Стереология для статистиков, Chapman amp; Hall / CRC. ISBN   9781584884057
• Эванс, С.М., Янсон, А.М., Ньенгаард, Дж. Р. (2004). Количественные методы в нейробиологии: нейроанатомический подход. Oxford University Press, США. ISBN   978-0198505280
• Ведель Йенсен Ева Б. (1998) Местная стереология. Расширенная серия по статистической науке и прикладной теории вероятностей Vol. 5. Мировое научное издательство. ISBN   981-02-2454-0
• Мутон, Питер Р. (2002). Принципы и практики объективной стереологии: введение для ученых-биологов. Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN   0-8018-6797-5.
• Мутон, PR "Нейростереология" (2014) Wiley-Blackwell Press, Бостон, Массачусетс. ISBN   1118444213.
• PR Mouton (2011). Беспристрастная стереология: краткое руководство. Издательство Университета Джона Хопкинса, Балтимор, Мэриленд. ISBN   978-0-8018-9984-3
• Schmitz, C., и PR Hof. «Основанная на дизайне стереология в нейробиологии». Неврология 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, MJ, L. Slomianka и HJG Gundersen: объективная стереологическая оценка общего числа нейронов в подразделениях гиппокампа крысы с использованием оптического фракционатора. Анатомическая запись 231: 482–497, 1991.

• Международное общество стереологии
• Анализ изображений и стереология