Смоленская государственная медицинская академия (г. Смоленск)

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.

 

Одной из методик изучения морфологии микроорганизмов является сканирующая, или растровая электронная микроскопия (РЭМ). Данная методика позволяет выявить структурные пространственные  особенности исследуемых объектов. Достаточно широко применяется РЭМ для исследования  морфологических особенностей различных микроорганизмов, в частности, бактерий группы кишечной палочки [1]. В то же время РЭМ не позволяет получать трехмерное изображение доступное для визуализации со всех сторон [3]. Это становится  возможным при применении методик трехмерного моделирования.
Для моделирования трехмерных объектов применяется ряд программных пакетов, одним из которых является Blender. Это не единственный профессиональный продукт для трехмерного моделирования, рендеринга и анимации, однако он имеет одно очень серьезное преимущество – доступность. Blender распространяется по лицензии GNU GPL, то есть является бесплатным продуктом с открытым кодом, что выгодно отличает его, например от  3ds Max от Autodesk, стоимость которого достигает десятки и сотни тысяч рублей в зависимости от версии. Однако бесплатностью преимущества Blender не ограничиваются, у данного проекта есть и второе большое преимущество – поддержка и  дальнейшее совершенствование продукта. Этим занимается организация Blender Foundation, одной из основных целей которой является дать доступ интернет-сообществу со всего мира к 3D-технологии в целом, с Blender в качестве технической основы [2]. За время прогрессирования проекта выпущено ряд версий Blender, последней на данный момент времени является версия 2.49b. Недостатком данного программного обеспечивая является сложность обучения работе в нем, трудность проектирования объектов со строго заданными размерами,  нестандартность пользовательского интерфейса и ряд других незначительных ограничений.
В нашей работе для моделирования  морфологической структуры бактерии E. coli применялась версия 2.49b программы Blender. Образцом для построения трехмерной модели явилась фотография РЭМ данного микроорганизма. На начальном этапе был смоделирован меш-объект «цилиндр», который явился основой будущей модели. Меш-объекты – один из основных типов объектов в Blender. Они представляют собой трехмерные каркасные структуры, взаимодействующие с окружающим миром в редакторе. Моделирование производилось в два этапа. На первом этапе из NURBS-окружностей был построен каркас цилиндра. NURBS (Non Uniform Rational B-spline) - объекты в редакторе Blender, аналогичные кривым Безье, но отличающиеся от них разнообразием настроек. Далее NURBS-окружности были слиты в одну структуру и на полученном каркасе смоделирована поверхность. На втором этапе полученная структура была конвертирована в меш-объект. Применение в качестве основы для построения цилиндра NURBS-окружностей благодаря широте их настроек позволила сделать основу будущей модели максимально приближенной к фотографии РЭМ.
Далее для формирования замкнутых концов цилиндра к концевым точкам объекты были применены операции экструдирования областей с последующим масштабированием  полученных структур. В конечном итоге была сформирована структура с гладкими стенками, напоминающая кишечную палочку.
Следующим этапом моделирования явилось моделирование пилей E.coli. Данная задача была выполнена при помощи системы частиц Blender.  Система частиц данного трехмерного редактора используется для моделирования большого количества малых движущихся объектов, для создания таких эффектов как огонь, пыль, облака, дым, а так же для моделирования статичных повторяющихся объектов: волос, меха, травы. Особенностью Blender является то, что пользователь ограничен манипулированием всеми частицами сразу, а не по отдельности. При моделировании пилей эмиттером (испускающим частицы) являлся каркас модели бактерии, начальная скорость частиц задана нулю, т.е. частицы были заданы как неподвижные объекты. На следующем этапе была задана ориентация полученных микроворсинок относительно эмиттера, а так же их размер и толщина.
Характерная поверхность клеточной стенки бактерии моделировалась при помощи модифицированной текстуры Stucci (штукатурка). При этом уровень шума текстуры был понижен, а турбулентность увеличена. Для деформации поверхности модели текстурой была применена карта смещений.
После выполнения рендеринга построенной модели был получен результат, представленный на нижеследующем рисунке.
 

 

   
Литература
1. Медицинская микробиология / Под ред. В.И. Покровского. – 4-е изд. испр. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2006. – 768 с.
2. Официальный сайт проекта Blender. URL: http://www.blender.org/
3. Science Photo Library. URL: http://www.sciencephoto.com/