Das Puzzle der 3D-Bilder aus einer einzigen Aufnahme

3D-Bildgebung übt auf Wissenschaftler und Erfinder seit jeher eine besondere Faszination aus. Im Allgemeinen erfordern 3D-Bildgebungsverfahren mindestens zwei Blickpunkte, um die 3D-Struktur zu bestimmen.

Und die am häufigsten für die Bildgebung von Molekülen verwendeten – Beugungsbildgebung, Tomographie und konfokale Mikroskopie – erfordern zahlreiche Bilder in verschiedenen Ausrichtungen oder mehrere Scans in dünnen Schnitten.

Das Interesse war also riesig, als Jianwei Miao von der University of California in Los Angeles 2009 mit einigen Freunden entdeckte, wie man aus einem einzigen Bild 3D-Modelle komplexer Moleküle erstellen kann. Sie nannten die Technik Ankylographie, abgeleitet vom griechischen Wort ankylos, was gekrümmt bedeutet, und dem Wort Graphein, das Schreiben bedeutet.

Ihre Überlegung war, dass es möglich sein sollte, die komplette 3-D-Struktur aus dem auf eine Kugel einfallenden Beugungsmuster zu erfassen. Anstatt viele Bilder aufzunehmen, könnte dann ein iterativer Algorithmus die 3D-Struktur destillieren.

Diese Jungs demonstrierten die Technik numerisch, um die Form eines Poliovirus zu rekonstruieren, und demonstrierten sie auch praktisch, indem sie die oben gezeigte 3D-Form rekonstruierten.

Seitdem ist die Arbeit für einige Kritik eingetreten. Andere Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Technik nicht auf Objekte von interessanter Größe skaliert werden kann und dass sie auf jeden Fall nur für Dinge funktioniert, die so dünn sind, dass sie im Wesentlichen sowieso zweidimensional sind.

Heute antworten Miao und Kumpels. Sie sagen, die mathematische Analyse, die darauf hindeutet, dass die Technik nur für 2D-Objekte funktioniert, macht einige unrealistische Annahmen. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die Kugelschale, in der das Bild aufgenommen wird, unendlich dünn ist.

Im Gegensatz dazu sagen Miao und Co, dass die Hülle eine endliche Dicke hat, die durch die Tiefe der Voxel bestimmt wird, die verwendet werden, um das Bild aufzunehmen. Dies, sagen sie, liefert die zusätzlichen Informationen, die für die 3-D-Strukturbestimmung erforderlich sind.

Sie sagen auch, dass es möglich ist, die Technik für größere Objekte zu verwenden, beispielsweise durch die Aufnahme mehrerer Bilder (obwohl dies ihren ursprünglichen Vorteil teilweise untergräbt).

Natürlich geben Miao und Co. einige Einschränkungen der Ankylographie zu, sagen jedoch, dass die Technik so neu ist, dass sie zwangsläufig modifiziert werden muss, bevor sie weiter verbreitet wird.

Der Vorteil, 3D-Objekte mit einer einzigen Aufnahme abbilden zu können, ist natürlich enorm. Es sollte beispielsweise 3D-Filme von Molekülen ermöglichen, während sie sich bewegen oder ihre Form ändern. Das ist bei anderen Techniken schwierig, wenn mehrere Schüsse erforderlich sind, um die Struktur zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen.

3-D-Bildgebungsverfahren haben eine Geschichte von schwierigen Geburten. Dies ist eindeutig keine Ausnahme.

Referenzen:

arxiv.org/abs/1112.4459 : Potenzial und Herausforderung der Ankylographie

arxiv.org/abs/1001.4594 : Grundlegende Grenzen der Ankylographie aufgrund von Dimensionsmangel

arxiv.org/abs/0905.0269 : Dreidimensionale Strukturbestimmung aus einer einzigen Sicht

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