A workflow to visualize vertebrate eyes in 3D

Wang, Jiayun; Weis, Joachim; Walter, Peter

doi:44389

A workflow to visualize vertebrate eyes in 3D

Wang, Jiayun^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jiayun Wang

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Walter, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Weis, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05010
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012468/files/1012468.pdf

Einrichtungen

Klinik und Lehrstuhl für Augenheilkunde (536000-2 ; 938110)

Projekte

GRK 2610 - GRK 2610: Innovative Schnittstellen zur Retina für optimiertes künstliches Sehen - InnoRetVision (424556709) (424556709)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D reconstruction (frei) ; 3D-Rekonstruktion (frei) ; Augenanatomie (frei) ; Histologie (frei) ; chirurgische Planung (frei) ; histology (frei) ; ocular anatomy (frei) ; surgical planning (frei) ; virtual reality (frei) ; virtuelle Realität (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Zweck: Entwicklung eines Arbeitsablaufs zur Visualisierung der chirurgischen Anatomie in 3D auf der Grundlage histologischer Daten von Augen von Versuchstieren zur Verbesserung der Planung komplexer chirurgischer Eingriffe. Methoden: Vier Augen von C57BL/6J Wildtyp-Mäusen, drei Augen von Braun-Norway-Ratten und vier Augen von Chinchilla-Bastard-Kaninchen wurden enukleiert und für die Standardhistologie mit seriellen Schnitten und Hämatoxylin- und Eosin-Färbung aufbereitet. Bildstapel wurden verarbeitet, um eine Darstellung der Augenanatomie in 3D zu erhalten. Darüber hinaus wurden virtuelle Bildstapel und 3D-Punktwolken erzeugt, indem Sagittalschnitte von Augen mit schrittweiser Drehung um 180° und Projektion um die Augenachse verarbeitet wurden, um ein rotationssymmetrisches 3D-Modell aus einem einzigen Sagittalschnitt zu erstellen. Ergebnisse: Serielle Schnitte ganzer Augen von Mäusen, Ratten und Kaninchen wiesen trotz der Anwendung von Bildregistrierungstechniken erhebliche Artefakte auf, die eine praktische Erzeugung von Bildstapeln und eine unkomplizierte 3D-Rekonstruktion behinderten. Es wurde ein Arbeitsablauf eingerichtet, um ein 3D-Bild des Auges auf der Grundlage von virtuellen Bildstapeln und der Erzeugung von Punktwolken durch Rotation eines einzelnen Sagittalschnitts des Auges um die Symmetrieachse zu erhalten. Durch die Analyse der Gewebeschrumpfung während der histologischen Verarbeitung waren echte biometrische Rekonstruktionen der Augen möglich, so dass das resultierende Modell für die 3D-Modellierung und -Simulation verwendet werden konnte, z. B. für die Planung komplexer chirurgischer Eingriffe bei verschiedenen Tierarten. Schlussfolgerung: Da serielle Schnitte des Auges mit histologischen Standardprotokollen zu viele Artefakte für eine einfache 3D-Visualisierung lieferten, haben wir ein pseudorealistisches 3D-Modell rekonstruiert, das auf virtuellen Bildstapeln und Punktwolken basiert, die aus einem einzigen Sagittalschnitt des Auges berechnet wurden. Ein solches Modell, das die mikroskopischen Strukturen des gesamten Auges detailliert wiedergibt, wird eine gezielte Planung chirurgischer Eingriffe an Kleintieraugen ermöglichen, um chirurgische Komplikationen bereits in einem sehr frühen Stadium eines Experiments zu vermeiden, und es wird das Design und die Entwicklung komplexer intraokularer Implantate unterstützen. Es wird daher in der chirurgischen Lehre hilfreich sein und den Schutz der Versuchstiere durch eine erwartete Verringerung der Zahl der Versuchstiere verbessern. Um diese 3D-Modelle in eine praktische Virtual-Reality-Lehr- und Simulationsplattform für Augen verschiedener Spezies zu verwandeln, ist eine weitere Bearbeitung einschließlich der Integration mechanischer Gewebeeigenschaften erforderlich.

Purpose:To establish a workflow to visualize the surgical anatomy in 3D based on histological data of eyes of experimental animals for improving the planning of complex surgical procedures.Methods: Four C57BL/6J wild-type(wt) mouse eyes, three Brown Norway rat eyes and four Chinchilla Bastard rabbit eyes were enucleated and processed for standard histology with serial sections and hematoxylin and eosin staining. Image stacks were processed to obtain a representation of the eye anatomy in 3D. In addition, virtual image stacks and 3D point clouds were generated by processing sagittal sections of eyes with stepwise 180° rotation and projection around the eye axis to construct a rotationally symmetric 3D model from one single sagittal section.ResultsSerial sections of whole eyes of mice, rats and rabbits showed significant artifacts interfering with a practical image stack generation and straightforward 3D reconstruction despite the application of image registration techniques. A workflow was established to obtain a 3D image of the eye based on virtual image stacks and point cloud generation by rotation of a single sagittal section of the eye around the symmetry axis. By analyzing the tissue shrinkage during histological processing true biometric reconstructions of the eyes were feasible making the resulting model usable for 3D modeling and simulation, e.g. for planning of complex surgical procedures in different species.Conclusion: Because serial sections of the eye with standard histological protocols yielded too many artifacts for a straightforward 3D visualization, we reconstructed a pseudorealistic 3D model based on virtual image stacks and point cloud generation calculated from a single sagittal section of the eye. Such a model detailing microscopic structures of the whole eye will allow for a specific planning of surgical procedures in small animal eyes in order to prevent surgical complications in a very early stage of an experiment and it will support the design and development of complex intraocular implants. It will therefore be helpful in surgical teaching and improve laboratory animal welfare by an expected reduction of experimental animal numbers. Further processing including integration of mechanical tissue properties is needed to convert these 3D models into a practical virtual reality teaching and simulation platform for eyes of several species.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)