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Squeezing Modul1

Im Dokument CC CC CC CC (Seite 33-40)

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Abbildung 2.0.1. Der modulare Aufbau von CAR im

Überblick: Die einzelnen Module arbeiten unabhängig

voneinander,werdenaberimLaufedes

Rekonstruktions-prozesses inPfeilrichtung abgearbeitet (1-6).

sog. Pattern-Modus eingefügt werden. Hierbeiwird

berücksich-tigt, daÿ die scheinbare Vergröÿerung des Mikroskops zwischen

den Aufnahmenvariieren kann.

4. Indiesem Schritt können nun auchdie Stauchungen, die vor

al-lembeimDünnstschneiden auftreten, korrigiert werden

(Squee-zing).

5. ImContour-ModuskönnendieKonturdatenmanuellerfaÿt

wer-den. Bei nichtspezisch gefärbtemZellmaterialistnurbegrenzt

aneine semiautomatische Datenerfassung denkbar.

6. Im letzten Arbeitsschritt wird aus den gewonnenen, planaren

Konturdaten ein virtuelles Modell des Objektes erzeugt. Auf

diesenPunkt wird ausführlich imKapitel3 eingegangen.

In den folgenden Abschnitten sollen die einzelnen Arbeitsschritte und

die jeweils steuerbaren und bestimmbaren Parameter dargestellt

wer-den. So wird anhandeiner baumartigenDarstellung 2

, der Aufbau des

jeweiligen Parameterfeldes schematisch dargestellt. Die einzelnen

Pa-rameterknotenstellen i.a.lineareTransformationendar, dieje nach

Arbeitsschritt zur Korrektur eines bestimmten Fehlers, der im

vo-rigen Kapiteldiskutiert wurde (siehe Seite 19), dient. Diese linearen

Transformationen wollen wir, wie in der Computergraphik üblich, in

sog. homogenisierten Koordinaten darstellen 3

.

2

wieimAnhangin KaptielAnähererläutertwird

3

Top

P 1 P

2 P

n

S p Ebenen Objekte

... ....

... ... ... .... ....

... ...

...

Abbildung 2.1.1. Unterhalbdes Top-Knotens,können

mehrere Projekte P

1 bisP

n

verwaltet werden. Für jedes

einzelne ProjektwerdeninS

p

dieProjektparameter,wie

Vergröÿerungund zSchnittdicke abgelegt.

Wir betrachten hierzu speziell die linearen Transformationen der

Rotationinder Ebene, der Skalierungundder Translation. Diese

wer-den imweiteren wie folgtabgekürzt:

R :=

2.1. Das Projekt

Im Hauptmodus des Programms, dem sog. Projekt-Modus, werden

die für einProjekt wichtigen Parameter eingestellt und in der

Daten-struktur abgelegt, wie es in Abbildung (2.1.1) angegeben ist. Eine

Erläuterung der einzelnen Knotensymbolendet der Leser in Anhang

A. Die Parameter sind imeinzelnen:

1. DerProjektname

2. DerProjektpfad

3. DieVergröÿerung

4. DiezSchnittdicke

Die für die Rekonstruktion wichtigsten Parameter sind oensichtlich

die Vergröÿerung, mit der der Datensatz aufgenommen wird und die

durchschnittlichezDickedereinzelnenSchnitte. WiewirimAbschnitt

1.2.2 gesehen haben, wird die tatsächlich erzielte Schnittdicke

durch-aus von der am Mikrotom eingestellten abweichen. Eine Schätzung

der tatsächlichen Schnittdicke erlaubt dabei ein Blick in die Tabelle

1.2.2. Daher ist in CAR vorgesehen, im ProjektModus lediglich eine

mittlereSchnittdickeanzugeben. Diesewird inEinheiten dersog.

Pro-jekteinheit erfaÿt, welche auÿerdem die Grundeinheit für die Ausgabe

der berechneten Parameter wieVolumenundOberäche bildet(z.B.in

Nanometer oder Mikrometer).

Die Transformationsmatrix, die im wesentlichen eine Skalierung

darstellt,erlaubtes, daÿ dieKonturdaten inEinheiten des Bildraumes

erfaÿt werden. Erst nach der Anwendung der Projektskalierung S

p ,

werden die Koordinaten in den Objektraum der Zelle transformiert.

Die Skalierungsmatrixsieht imwesentlichen wie folgtaus, wenn s

z die

zSchnittdicke und m dieVergröÿerungbezeichnet:

S

WiedietatsächlicheSchnittdickefürjedeneinzelnenSchnitteingestellt

werden kann, sehen wir im nächsten Abschnitt beim sog. Alignment

Modus.

Die Parameter 1 und 2 in der obigen Auistung haben mehr

Be-deutung beider Anwendung von CARin der Praxisund sollen hier der

Vollständigkeithalber erklärt werden:

Da, wie in Schema (2.1.1) zu sehen ist, das Datenformat zur Ablage

mehrerer sog. Projekte konzipiertist, gibt der Projektnamen lediglich

einen Bezeichner wieder, der das Projekt eindeutig identiziert. Der

Projektpfad gibt den Datenpfad an 4

, unter dem die abgelegte

Bildin-formation zu nden ist. Zusammenmit der Tatsache, daÿ in der CAR

DateilediglichVerweise(Links)aufdiebenutztenBilddatenverwendet

werden,ergibtsicheininderPraxisnichtzuvernachlässigenderVorteil

der Verschiebbarkeit und Austauschbarkeit der Bilddaten: So können

die Bilddaten ohne weiteres auf CD gebrannt oder auf der F

estplat-te verschoben werden, ohne daÿ dieeinzelnen Links auf die Bilddaten

aktualisiert werden müÿten. Es muÿ lediglich der Projektpfad, wie er

im ProjektModus speziziert wurde, geändert werden. Auÿerdem ist

durch dieTatsache, daÿ vonden Bilddaten,sind sieeinmal eingelesen

4

dieserkannbeiErweiterungdesOpenInventorDatenformatesaufVRMLauch

Ebenen

T 1 E

1 T

2 E

2 T

m E

... .... m

...

... ....

... ....

...

...

...

Abbildung 2.2.1. Unter dem Hauptebenen-Knoten

sinddieeinzelnenSchnittebenenangeordnet(E

1 bisE

n ).

Diesen gehtjeweilsdieTransformationderFormT

a

vor-aus, die das Alignment der Ebene zur vorhergehenden

Ebene beschreibt. Diese Transformationen kumulieren

sich entlang des Renderpfades von oben nach unten,

bzw. vonlinks nachrechts.

(siehe Abschnitte 2.2 und 2.3), die Bildgröÿe in absoluten

Koordina-ten abgespeichert wird, das Verwenden von Bildern in

unterschiedli-chen Auösungs- oder Kontrastierungsstufungen möglich. Dadurch ist

das Programm für Arbeiten auf Bildpyramiden vorbereitet, was eine

erhebliche Arbeitserleichterung und -beschleunigung bei sehr groÿen

Datenmengen, wie imBeispielder Calyx von Held, bewirken kann.

2.2. Das Alignment

Im AlignmentModus werden die einzelnen Schnittebenen, die

je-weils einem Ultradünnschnitt entsprechen, aufeinandergestapelt und

nach Schema (2.2.1) in die CARDatei einsortiert. Maÿgebliche

Para-meter sind hier:

1. DerEbenenname

2. DieSchrittweite der Ebene in zRichtung

3. DieTranslationT

4. DieRotation R

Der Ebenename ist wie der Projektname hauptsächlich in der

praktischen Anwendung von Nutzen. Hierdurch ist es möglich, die in

der Datei abgelegten Schnittebenen über den Ebenennamen mit

ei-ner eindeutigen Bezeichnung und Lokation der Ultradünnschnitte in

Verbindung zu bringen, z.B. mit der Gridboxnummer des jeweilig

mi-kroskopierten Grids.

DieParameter2-4spielenfürdieRekonstruktioneinewichtige

Rol-le. Siedienenimwesentlichen derRegistrierung(engl. Alignment)der

Bilddaten. DasAlignmentwirdhier ohne Korrekturen, die der

Verfor-mung der Schnitte durch das UltramikrotomRechnung tragen,

durch-geführt. Es werden also lediglich Translation T und Rotation R für

Wie wir in Abbildung (2.2.1) sehen können, ist die interne

Daten-struktur der CARDatei so angelegt, daÿ T und R die

Relativorientie-rung derEbene E

n

zuder Ebene E

n 1

wiedergibt. Dieswirddurchdie

Verwendung eines sog.Group-Knotens imInventordatenformat

sicher-gestellt (sieheAnhangA fürnähereInformationen),der eine

Kumulie-rung der linearen Transformation entlang des Renderpfades, wie er in

Abbildung (2.2.1)angegeben ist,erlaubt.

Dieses Prinzipder relativen Orientierung der einen Ebene zur

vor-hergehenden isteinGrundprinzip inCAR: Dieses Vorgehen spiegeltdie

Tatsache wider, daÿ aufeinanderfolgende Schnitte als zueinander

ähn-lich, auch im mathematischen Sinne, betrachtet werden können. Die

Ähnlichkeit des Schnittes E

n

zu den Folgeschnitten E

n k

geht mit

wachsendem k, was einer ansteigenden Schnittdicke entspricht,

ver-loren. Daher ist eine starke Gewichtung der Relativorientierung von

E

n zu E

n 1

evident.

WeiterhinhatdiesesPrinzipeinenhohenpraktischenNutzen:

Müs-sen Nachkorrekturen amDatensatz vorgenommen werden, soreicht es

aus, dienochschlecht registriertenSchnitte zu verändern, währenddie

anderen Relativorientierungenvondiesen Änderungen unberührt

blei-ben. Dies erspartbeigroÿen Datensätzen viel Zeit und Arbeit.

Hat man die genaue Schnittdicke exakt bestimmt, so kann man

die Anpassung der zSchrittweite von einem Schnitt zum nächsten in

Vielfachender im ProjektModus spezizierten mittlerenSchnittdicke

angeben. SolltealsoeinSchnitt beiderPräparation verlorengegangen

sein, so wird die relative Schnittdicke für den betroenen Schnitt auf

z = 2 gesetzt. Mit dieser Abweichung vom Wert 1 ist es also

mög-lich, Variationen der Schnittdicke, wie sie beim Ultradünnschneiden

vorkommen, zu kompensieren.

Das Alignment umfaÿt also im wesentlichen die freien Parameter

; a

= z, wodurch die lineare Transformation für das

Ali-gnmentdie folgendeGestalt annimmt:

T

2.3. Das Pattering

Sollte esnichtmöglichsein,diegewünschteAuösungdes

Digitali-sierungsprozesses mitderAufnahmevergröÿerungderartabzustimmen,

daÿ eine Aufnahme pro Ultradünnschnitt ausreicht, so ermöglicht es

der PatternModus, mehr als ein Bild in eine Schnittebene zu

über-nehmen. Diese Bilder werden dann in eine bestehende Ebene derart

integriert,daÿ dasGesamtbilddes Ultradünnschnittesdurchdie

Über-E e

S s Unterebenen Konturen

T i Bild

Abbildung 2.3.1. Jede Ebene beherbergt einen

Un-terebenenknoten, der die Bilddaten aufnimmt, sowie

einen Konturknoten, der die Umrandungen der

Objek-te, d.h. die Konturen verwaltet. Beiden Knoten ist die

Transformation S

s

vorausgeschaltet, die die V

erzerrun-gen in der Ebene korrigiert. Jeder Unterebenenknoten

kannmehrereBildknotenverwalten (U

1 bisU

l

),indenen

jeweils die Bildgröÿe T

size

als auch die

Bildtransforma-tionen T

i

abgelegtsind.

Esistwichtig,beidenAufnahmendaraufzuachten, daÿdie

Einzel-bilder mitÜberlappung aufgenommen werden. Nur so ist man in der

Lage, die Einzelbilder erfolgreich zu einem Gesamtbild

zusammenzu-setzen (siehe Abbildung (2.3.2)). Prinzipiell gilt: Je gröÿer die

Über-lappung, je genauer ist die exakte relative Lage der Einzelbilder

zu-einander zu bestimmen. Wie wir der schematischen Darstellung in

2.3.1 entnehmen können, werdendieTransformationenisoliertund

ge-zielt auf die Einzelbilder angewandt, da diese unterhalb eines

spezi-ellen Group-Knotens, dem sog. Separator (Trenner) organisiert sind.

DieTransformationdes EinzelbildesmitdemfortlaufendenIndexihat

demnach dieGestalt:

T

Wir haben in dieser linearen Transformation die Variable m

i

ein-geführt. Sie soll der Tatsache Rechnung tragen, daÿ das EM bei der

Aufnahme leichten Vergröÿerungsschwankungen unterliegt. Dies gilt

U 1

U 2

U 1

U 2

Abbildung 2.3.2. Links sind zwei Bilder dargestellt,

bei denen der Überlappungsbereich ungenügend groÿ

erscheint, um ein gutes Pattering vornehmen zu

kön-nen. Rechts hingegen ist der Überlappungsbereich

aus-reichend groÿ.

bei der Aufnahme erhitzt und sich dadurch ausdehnen kann.

Beson-ders auällig ist es, daÿ v.a. Sekundäraufnahmen, die einen gewissen

ZeitraumnachdenPrimäraufnahmengemachtwurden,

Vergröÿerungs-änderungenaufweisen. NurdurchdieEinführungdesSkalierungs-oder

Vergröÿerungsparametersm

i

kannesgelingen,dieseAufnahmenin

aus-reichender Genauigkeitin das bestehende Mosaikeinzufügen.

2.4. Das Squeezing

DieserModuswurdeinCARintegriert,umdieunterschiedlichen

De-formationen, die das Gewebe beimDünnstschneiden durch das

Ultra-mikrotomerfährt,rückgängigzu machenundzu korrigieren,wasdurch

ApplikationvonXyloldampf(siehe[Rei67])nurunzureichend

bewerk-stelligt werden kann 5

. Esist aufjeden Fallnicht zu erwarten, daÿ alle

SchnittegleichstarkeVerformungenerfahren. Daher wirdversucht,der

ungleichmäÿigenVerformung desSchnittesdurchdieApplikationeiner

Skalierungsmatrix Rechnung zu tragen. Diese Matrixhat die Gestalt:

S

Auch hier werden die Skalierungsfaktoren s

x

und s

y

relativ von

einer Ebene E

n

zu vorhergehenden Ebene E

n 1

justiert,was dieschon

imAbschnitt 2.2 aufSeite28 angesprochenenpraktischen Vorteilemit

sichbringt. MankannsichalsoauchhieraufdieRelativtransformation

von der Ebene E

n

zu vorhergehenden Ebene E

n 1

konzentrieren, was

eine Nachkorrektur der Transformationsparametererleichtert.

5

esscheintsogarsozu sein,daÿ sich dieSchnittenach demBedampfen

über-Kontur

2

Konturen

Kobjekt

1 Kobjekt ... ... ... ... ... ... ... .... .... ....

2 Kobjekt

p

Kontur

1 ... ... ... ... ... ... ... .... .... .... Kontur

q

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