La estereología es la interpretación tridimensional de secciones transversales bidimensionales de materiales o tejidos. Proporciona técnicas prácticas para extraer información cuantitativa sobre un material tridimensional a partir de mediciones realizadas en secciones planas bidimensionales del material. La estereología es un método que utiliza un muestreo aleatorio y sistemático para proporcionar datos cuantitativos e imparciales. Es una herramienta importante y eficiente en muchas aplicaciones de la microscopía (como petrografía , ciencia de materiales y biociencias, incluidas histología , huesos y neuroanatomía ). La estereología es una ciencia en desarrollo con muchas innovaciones importantes que se están desarrollando principalmente en Europa. [ cita necesaria ] Nuevas innovaciones como el proporcionador continúan logrando mejoras importantes en la eficiencia de los procedimientos estereológicos.
Además de las secciones planas bidimensionales, la estereología también se aplica a placas tridimensionales (por ejemplo, imágenes de microscopio en 3D), sondas unidimensionales (por ejemplo, biopsia con aguja), imágenes proyectadas y otros tipos de "muestreo". Es especialmente útil cuando la muestra tiene una dimensión espacial menor que el material original. Por lo tanto, la estereología a menudo se define como la ciencia de estimar información de dimensiones superiores a partir de muestras de dimensiones inferiores.
La estereología se basa en principios fundamentales de geometría (por ejemplo, el principio de Cavalieri ) y estadística (principalmente inferencia de muestreo de encuestas ). Es un enfoque completamente diferente a la tomografía computarizada .
Ejemplos clásicos
Las aplicaciones clásicas de la estereología incluyen:
- calcular la fracción de volumen de cuarzo en una roca midiendo la fracción de área de cuarzo en una sección plana típica de roca pulida ("principio de Delesse" de Achille Delesse );
- calcular el área superficial de poros por unidad de volumen en una cerámica, midiendo la longitud de los perfiles de límite de poro por unidad de área en una sección plana típica de la cerámica (multiplicada por );
- calcular la longitud total de los capilares por unidad de volumen de un tejido biológico, contando el número de perfiles de capilares por unidad de área en una sección histológica típica del tejido (multiplicada por 2).
- Encuentre parámetros como el volumen óseo, el grosor trabecular y el número trabecular en una muestra determinada de hueso.
El hecho popular de que los pulmones humanos tienen una superficie (de superficie de intercambio de gases) equivalente a una cancha de tenis (75 metros cuadrados) se obtuvo mediante métodos estereológicos. Lo mismo ocurre con las afirmaciones sobre la longitud total de las fibras nerviosas, capilares, etc. del cuerpo humano.
Errores en la interpretación espacial
La palabra Estereología fue acuñada en 1961 y definida como “la interpretación espacial de secciones”. Esto refleja la idea de los fundadores de que la estereología también ofrece ideas y reglas para la interpretación cualitativa de las secciones.
Los estereólogos han ayudado a detectar muchos errores científicos fundamentales que surgen de la mala interpretación de las secciones planas. Estos errores son sorprendentemente comunes. Por ejemplo:
- Las secciones planas de acero templado contienen finas vetas lineales de martensita. Durante muchos años esto se interpretó como una demostración de que las inclusiones de martensita tienen forma de "aguja". Pero si cada sección del plano muestra perfiles lineales, entonces las inclusiones de martensita deben tener forma de placas y no de agujas. (La longitud de las secciones está relacionada con el área en 3D).
- La estructura interna del hígado de los mamíferos fue mal comprendida durante 100 años (1848-1948) debido a un error similar.
- Se secciona un tejido biológico que contiene capilares. Los investigadores cuentan el número de perfiles de capilares que son visibles en el campo de un microscopio e informan el "número de capilares" o "número de capilares por unidad de área". Esto es un error porque el número de perfiles capilares en una sección plana está relacionado con la longitud de los capilares, no con su número (que puede que ni siquiera esté bien definido). (El número en 2D está relacionado con la longitud en 3D).
- Los investigadores comparan secciones planas de tejido normal y enfermo de un órgano. Encuentran que cierto tipo de célula se ve con mayor frecuencia en el tejido enfermo. Concluyen que la enfermedad implica la proliferación de estas células. Sin embargo, el número de perfiles de celdas que se ven en una sección depende tanto del número de celdas como de sus tamaños. Por lo que es posible que el proceso patológico implique simplemente un aumento del tamaño de las células, sin proliferación alguna. (El número en 2D está relacionado con la longitud o la altura en 3D).
- Se suponía que la construcción de los edificios históricos de Tabby en las Carolinas se realizaba con arena obtenida de pozos de arena. Los estudios estereológicos demostraron que la arena se obtenía de las dunas que daban a las bahías. Esto ha hecho que se haya repensado el método de construcción así como los métodos de restauración.
La estereología no es tomografía
La estereología es una empresa completamente diferente de la tomografía computarizada . Un algoritmo de tomografía computarizada reconstruye efectivamente la geometría tridimensional interna completa de un objeto, dado un conjunto completo de todas las secciones planas que lo atraviesan (o datos de rayos X equivalentes). Por el contrario, las técnicas estereológicas requieren sólo unas pocas secciones planas "representativas", a partir de las cuales extrapolan estadísticamente el material tridimensional.
La estereología aprovecha el hecho de que algunas cantidades tridimensionales se pueden determinar sin reconstrucción tridimensional: por ejemplo, el volumen tridimensional de cualquier objeto se puede determinar a partir de las áreas bidimensionales de sus secciones planas, sin reconstruir el objeto. (Esto significa que la estereología sólo funciona para determinadas cantidades, como el volumen, y no para otras cantidades).
Principios de muestreo
Además de utilizar hechos geométricos, la estereología aplica principios estadísticos para extrapolar formas tridimensionales a partir de secciones planas de un material. [1] Los principios estadísticos son los mismos que los del muestreo de encuestas (utilizados para sacar inferencias sobre una población humana a partir de una encuesta de opinión, etc.). Los estadísticos consideran la estereología como una forma de teoría de muestreo para poblaciones espaciales.
Para extrapolar desde unas pocas secciones planas al material tridimensional, esencialmente las secciones deben ser "típicas" o "representativas" de todo el material. Básicamente, existen dos formas de garantizar esto:
- Se supone que cualquier sección plana es típica (por ejemplo, se supone que el material es completamente homogéneo);
o
- Las secciones planas se seleccionan al azar, de acuerdo con un protocolo de muestreo aleatorio específico.
El primer enfoque es el que se utilizó en la estereología clásica. La extrapolación de la muestra al material tridimensional depende de la suposición de que el material es homogéneo. Esto postula efectivamente un modelo estadístico del material. Este método de muestreo se conoce como inferencia de muestreo basada en modelos .
El segundo enfoque es el que se utiliza habitualmente en la estereología moderna. En lugar de confiar en las suposiciones del modelo sobre el material tridimensional, tomamos nuestra muestra de secciones planas siguiendo un diseño de muestreo aleatorio, por ejemplo, eligiendo una posición aleatoria en la que comenzar a cortar el material. La extrapolación de la muestra al material tridimensional es válida debido a la aleatoriedad del diseño de muestreo, por lo que esto se denomina inferencia de muestreo basada en el diseño .
Los métodos estereológicos basados en el diseño se pueden aplicar a materiales que no son homogéneos o que no se puede suponer que sean homogéneos. Estos métodos han ganado cada vez más popularidad en las ciencias biomédicas, especialmente en las ciencias pulmonares, renales, óseas, oncológicas y neurológicas. Muchas de estas aplicaciones están dirigidas a determinar el número de elementos en una estructura particular, por ejemplo, el número total de neuronas en el cerebro.
Modelos geométricos
Muchas técnicas estereológicas clásicas, además de asumir la homogeneidad, también implicaban el modelado matemático de la geometría de las estructuras investigadas. Estos métodos siguen siendo populares en la ciencia de los materiales, la metalurgia y la petrología, donde se pueden modelar formas de, por ejemplo, cristales como objetos geométricos simples. Estos modelos geométricos permiten extraer información adicional (incluido el número de cristales). Sin embargo, son extremadamente sensibles a las desviaciones de los supuestos.
Cantidades totales
En los ejemplos clásicos enumerados anteriormente, las cantidades objetivo eran densidades relativas: fracción de volumen, área de superficie por unidad de volumen y longitud por unidad de volumen. A menudo estamos más interesados en cantidades totales , como la superficie total de la superficie de intercambio de gases del pulmón o la longitud total de los capilares del cerebro. las densidades relativas también son problemáticas porque, a menos que el material sea homogéneo, dependen de la definición inequívoca del volumen de referencia.
Los principios de muestreo también permiten estimar cantidades totales, como la superficie total del pulmón. Usando técnicas como el muestreo sistemático y el muestreo por conglomerados podemos muestrear efectivamente una fracción fija de todo el material (sin la necesidad de delinear un volumen de referencia). Esto nos permite extrapolar de la muestra a todo el material, para obtener estimaciones de cantidades totales, como la superficie absoluta del pulmón y el número absoluto de células en el cerebro.
Línea de tiempo
- 1733 G. Buffon descubre conexiones entre geometría y probabilidad, que finalmente sientan las bases de la estereología.
- 1843 El geólogo minero AE Delesse inventa la primera técnica (principio de Delesse) para determinar la fracción de volumen en 3D a partir de la fracción de área en secciones.
- 1885 El matemático Morgan Crofton publica la teoría de la "probabilidad geométrica", incluidos los métodos estereológicos.
- 1895 primera descripción conocida de un método correcto para contar células en microscopía.
- 1898 el geólogo A. Rosiwal explica cómo determinar la fracción de volumen a partir de la fracción de longitud en transectos lineales.
- 1916 SJ Shand construye el primer acumulador lineal integrado para automatizar el trabajo estereológico.
- 1919 se estableció el comité de la ASTM (Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales) para estandarizar la medición del tamaño de grano.
- En 1923, el estadístico SD Wicksell formula el problema general del tamaño de las partículas (infiriendo la distribución de los tamaños de las partículas tridimensionales a partir de la distribución observada de los tamaños de sus perfiles bidimensionales) y lo resuelve para las partículas esféricas.
- 1929 El matemático H. Steinhaus desarrolla principios estereológicos para medir la longitud de curvas en 2D.
- 1930 el geólogo AA Glagolev construye un dispositivo para contar puntos con un microscopio.
- El investigador del cáncer de la década de 1940, H. Chalkley, publica métodos para determinar el área de superficie a partir de secciones planas.
- En 1944, el matemático PAP Moran describe un método para medir la superficie de un objeto convexo a partir del área de imágenes proyectadas.
- 1946 El anatomista Abercrombie demuestra que muchos métodos actuales para contar células son erróneos y propone un método correcto.
- 1946–58 el científico de materiales SA Saltykov publica métodos para determinar el área de superficie y la longitud a partir de secciones planas.
- 1948 El biólogo H. Elias descubre un malentendido de cien años de antigüedad sobre la estructura del hígado de los mamíferos.
- 1952 Tomkeieff y Campbell calculan la superficie interna de un pulmón humano.
- 1961 Se acuña la palabra "estereología". Fundación de la Sociedad Internacional de Estereología
- En 1961, los científicos de materiales Rhines y De Hoff desarrollaron un método para estimar el número de objetos, por ejemplo, granos, partículas y células de forma convexa.
- 1966 Weibel y Elias calculan la eficiencia de las técnicas de muestreo estereológico.
- 1972 E. Underwood describe técnicas estereológicas para imágenes proyectadas.
- 1975-1980, los estadísticos RE Miles y PJ Davy muestran que la estereología puede formularse como una técnica de muestreo de encuestas y desarrollar métodos basados en el diseño.
- 1983 RE Miles y (independientemente) EB Jensen y HJG Gundersen desarrollan métodos de intercepción de muestreo puntual para inferir el volumen medio de partículas de forma arbitraria a partir de secciones planas.
- 1984 DC Sterio describe el método de conteo "disector".
- En 1985, el estereólogo H. Haug critica el dogma de que el cerebro humano normal pierde progresivamente neuronas con la edad. Demuestra que las pruebas existentes no son válidas.
- 1985 el estadístico A. Baddeley introduce el método de las secciones verticales.
- 1986 Gundersen propone la técnica de muestreo del 'fraccionador'.
- 1988–92 Gundersen y Jensen proponen las técnicas de "nucleador" y "rotador" para estimar el volumen de partículas.
- 1998 Kubinova introduce la primera sonda virtual que estima el área de superficie en cortes preferenciales.
- 1999 Larsen y Gundersen introducen el muestreo espacial global para estimar la longitud total en cortes preferenciales.
- 2002 Mouton, Gokhale, Ward y West introducen sondas virtuales "bolas espaciales" para estimar la longitud total.
- 2004 Gokhale, Evans, Mackes y Mouton introducen la sonda virtual "cicloides virtuales" para estimar la superficie total.
- 2008 Gundersen, Gardi, Nyengaard introducen el método proporcional .
Las principales revistas científicas de estereología son Image Analysis & Stereology (antes Acta Stereologica ) y Journal of Microscopy.
Ver también
Referencias
- ^ Howard, CV, Reed, MG Estereología imparcial (segunda edición) . Garland Science/BIOS Scientific Publishers, 2005, págs. 143–163
- Baddeley, A. y EB Vedel Jensen (2005), Estereología para estadísticos, Chapman & Hall/CRC. ISBN 9781584884057
- Evans, SM, Janson, AM, Nyengaard, JR (2004). Métodos cuantitativos en neurociencia: un enfoque neuroanatómico. Prensa de la Universidad de Oxford, Estados Unidos. ISBN 978-0198505280
- Vedel Jensen Eva B. (1998) Estereología local. Serie avanzada sobre ciencia estadística y probabilidad aplicada, vol. 5. Publicaciones científicas mundiales. ISBN 981-02-2454-0
- Mouton, Peter R. (2002). Principios y prácticas de la estereología imparcial: una introducción para biocientíficos. Baltimore: Prensa de la Universidad Johns Hopkins. ISBN 0-8018-6797-5 .
- Mouton, PR "Neurostereología" (2014) Wiley-Blackwell Press, Boston, MA. ISBN 1118444213 .
- PR Mouton (2011). Estereología imparcial: una guía concisa. Prensa de la Universidad Johns Hopkins, Baltimore, MD. ISBN 978-0-8018-9984-3
- Schmitz, C. y PR Hof. "Estereología basada en diseño en neurociencia". Neurociencia 130, no. 4 (2005): 813–831.
- Oeste, Mark J. (2012). Estereología básica: para biólogos y neurocientíficos. Prensa del laboratorio Cold Spring Harbor. ISBN 978-1-936113-60-6
- West, MJ, L. Slomianka y HJG Gundersen: Estimación estereológica imparcial del número total de neuronas en las subdivisiones del hipocampo de rata utilizando el fraccionador óptico. Registro anatómico 231: 482–497, 1991.
enlaces externos
- Sociedad Internacional de Estereología
- Análisis de imágenes y estereología
