Metody zlepšení kontrastu pro vizualizaci měkkých tkání v mikrotomografii

Bc. MUDr. Jindřiška Martínková

Master's thesis

Contrast enhancement methods for soft tissue visualization in microtomography

Abstract:

Studium anatomie živočichů bylo zpočátku doménou světelné mikroskopie a tvorby histologických preparátů. Příprava těchto vzorků byla velmi časově náročná a vedla vždy k trvalé destrukci tkáně. V průběhu druhé poloviny 20. století se začala rozvíjet oblast neinvazivních zobrazovacích metod. Na podkladě rentgenového záření vznikla výpočetní tomografie. Ta byla zpočátku určena především pro oblast humánní medicíny. S postupem času začala být tato metoda hojně využívána i v biologii. Mikrotomografie je metoda, která z výpočetní tomografie vychází, ale disponuje podstatně větším rozlišením až na úrovni mikrometrů. Technologie postavené na principu rentgenového záření dosahují výborných výsledků při vizualizaci mineralizovaných tkání obratlovců a chitinu u členovců. Ovšem měkké tkáně s nižší relativní hustotou absorbují rentgenové záření podstatně méně, a proto je jejich výsledné zobrazení výrazně horší. Pro zvýšení kontrastu a tím zlepšení vizualizace měkkých tkání se používají kontrastní látky s obsahem těžkých kovů. Nejčastěji se jedná o kontrastní činidla na bázi jódu (I2) a kyselinu fosfowolframovou (PTA). V naší studii jsme se zaměřili na možnosti využití těchto barvících látek ke zlepšení zobrazení tkání u vodních živočichů. Vybrali jsme 8 preparátů ze sbírky Katedry zoologie a rybářství ČZU. Jednalo se o 5 rybovitých obratlovců, 2 zástupce korýšů a jeden druh měkkýše. Vzhledem k menším rozměrům exemplářů byly použity roztoky o nízkých koncentracích (1% a 0,3% ). Preparáty byly barveny různě dlouhou dobu (6 h až 30 dnů). Zaměřili jsme se též na volbu vhodného způsobu fixace během skenování, aby nedocházelo k nežádoucím pohybům vzorků. Následně jsme vyhodnocovali finální kvalitu skenů v závislosti na délce barvení, použité kontrastní látce a nastavení parametrů CT přístroje. Porovnávali jsme obě barvící metody (I2E a PTA). Prokázali jsme, že v případě jodové kontrastní látky dochází k dostatečné difuzi barviva do tkání již během několika hodin (v našem případě 6 h). PTA vzhledem ke své relativně větší molekule vyžaduje delší čas barvení, tzn. v rámci dnů a lépe až týdnů. Ze získaných dat jsme na závěr rekonstruovali trojrozměrné modely preparátů.

Abstract:

The study of animal anatomy was initially the domain of the light microscopy and the formation of the histological preparates. The preparation of these samples was very time consuming and always led to a permanent tissue destruction. During the second half of the 20th century, the field of non-invasive imaging methods began to develop. Computed tomography was created on the basis of X-rays. It was initially intended primarily for the field of human medicine. Over time, this method began to be widely used in biology. Microtomography is a method based on computed tomography, but it has a significantly higher resolution at the level of micrometers. Technologies based on the principle of X-rays achieve excellent results in the visualization of mineralized tissues in vertebrates and in the visualization of chitin in arthropods. However, soft tissues with a lower relative density absorb the X-rays significantly less, and therefore their resulting image is significantly worse. To increase the contrast and thus to improve the visualization of soft tissues, the contrast agents containing heavy metals are used. These are the most often used contrast agents based on iodine (I2) and phosphotungstic acid (PTA). In our study, we focused on the possibilities of using these agents to improve tissue imaging in aquatic animals. We selected 8 specimens from the collection of the Department of Zoology and Fisheries. There were 5 fish vertebrates, 2 representatives of crustaceans and one species of mollusk. Due to the smaller dimensions of the specimens, solutions with low concentrations (1% and 0.3%) were used. The slides were stained for various lengths of time (6 h to 30 days). We also focused on choosing a suitable method of fixation during the scanning process to avoid any unwanted movements of the samples. Subsequently, we evaluated the final quality of the scans depending on the length of staining, on the contrast of a medium used and on the settings of the CT instrument parameters. We compared both staining methods (I2E and PTA). We demonstrated that in the case of an iodine contrast agent, sufficient diffusion of the agent into the tissues occurs within a few hours (in our case 6 hours). Due to its relatively larger molecule, PTA requires longer staining time, counted in days or weeks. In the end we createded 3D specimen models from the data obtained.

Keywords

výpočetní tomografie, metody barvení, morfologie, 3D zobrazování

Keywords

computed tomography, staining methods, morphology, 3D imaging

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Miloslav Petrtýl, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Companion Animal Management