Micro-organisme visualisatie
Agathe Boudry

Published
september 20, 2020

In het vak graduation work werken laatstejaarsstudenten aan een individueel onderzoeksproject gedurende een zestal weken. Agathe onderzocht hoe ze snel en efficiënt micro-organismes kon modelleren en renderen, en deze daarna te presenteren in een korte educatieve video. Ze heeft samengewerkt met AZ Groeninge om een professionele insteek en referentiemateriaal te krijgen. Ondanks dat virussen niet worden beschouwd als levende organismen, worden ze voor dit project wel zo behandeld.

Tijdens dit project heeft ze verschillende softwarepakketten en methodologieën getest, zoals Blender, 3ds max en Houdini. Uiteindelijke opteerde ze voor Houdini wegens de procedurele workflow en simulatie tools die de software aanbiedt. Om dit aan te tonen heeft ze 3 verschillende bacteriën en virussen uitgewerkt die vaak voorkomen in een ziekenhuis omgeving: norovirus, klebsiella pneumoniae en MRSA. Deze zijn gekozen omdat ze belangrijk zijn om mensen over in te lichten, volgens de experts waarmee ze samenwerkte.

Norovirus

Het norovirus werd gekozen omdat het vaak voorkomt in ziekenhuizen. Het is een zeer hardnekkig virus en kan lang overleven in verschillende omgevingen, waaronder voeding, en kan zelfs weerstaan aan vriestemperaturen. Wat dit virus extra gevaarlijk maakt is de zeer lage besmettelijke dosis, en korte incubatietijd (48 uur). Het is zeer besmettelijk, en kan gemakkelijk uitbraken veroorzaken.

Eerst maakt ze een basis model vanuit een bol door afwisselende vlakken te extruderen en te verdikken. Door een parameter aan te passen kan ze zo snel verschillende basis modellen verkrijgen.

Op dit basis model worden dan punten verspreid die daaarna worden gebruikt om een ander willekeurig model te instantiëren. De oriëntatie en schaal van deze modellen wordt hierna nog eens willekeurig aangepast om zo een meer oneven meshoppervlak te verkrijgen.

Dit alles wordt dan omgezet tot volumetrische data, en dan terug geconverteerd naar één geheel meshoppervlak met behulp van de VDB-tools in Houdini.

Klebsiella pneumoniae

Deze bacterie is normaal deel van de mond, huid en darmflora’s van de mens. Maar zoals de naam verraadt, kan deze een long infectie veroorzaken (pneumonie), zeker in ziekenhuis omgevingen. Daarnaast kan het ook verantwoordelijk zijn voor een hoop andere infecties, zoals UTIs. Het gevaar van Klebsiella ligt vooral aan een groeiende resistentie tegen antibiotica, waardoor infecties moeilijker te behandelen worden. Dit genoodzaakt het gebruik van sterkere antibiotica die vaak negatieve bijwerkingen heeft bij patiënten.

Uit het referentie materiaal kon Agathe afleiden dat klebsiella bestaat uit een simpele capsule vorm met spinnenwebben die de verschillende cellen met elkaar verbinden.

Door een basis model te importeren voor de cellen, heeft ze later de mogelijkheid om deze uit te wisselen voor andere modellen om andere bacterie met een gelijkaardige structuur te visualiseren. Op deze basis modellen worden alweer punten verspreid, en die punten worden met elkaar verbonden om lijnen te verkrijgen die daarna worden gerelaxeerd met een simulatie in Houdini.

Met een nieuwe set van willekeurige punten wordt het meshoppervlak alweer licht aangepast om meer variatie te verkrijgen.

Staphylococcus aureus

S. aureus is nog een problematische bacterie in ziekenhuis omgevingen. Sommige varianten hebben een methicillin weerstand. Dit betekent dat methicillin antibiotica minder goed werkt, en behandeling moeilijker is. MRSA (methicillin resistant staphylococcus aureus) kan wondinfecties, steenpuisten en in zeldzame gevallen botinfecties en bloedvergiftiging veroorzaken. Veel mensen zijn dragers van MRSA zonder verschijnselen te hebben. 

De basis vorm van de cellen is simpel, het zijn kleine bolletjes. Maar de structuur tussen de cellen is iets complexer. De cellen vormen zich samen in clusters op een oppervlak (voornamelijk de huid).

Om dit clustering effect te verkrijgen, wordt er eerst een willekeurig labyrint gemaakt dat gebruikt wordt als de referentie geometrie. Op de cellen zelf wordt dan een simulatie uitgevoerd om deze in het labyrint te laten vallen. De muren zullen de cellen opdelen in deze clusters.

Door het labyrint aan te passen, kan er snel en procedureel nieuwe visualizaties van MRSA gemaakt worden.

U kan de educatieve videos van Agathe terug vinden op haar website.

 

Conclusie

Door procedurele technieken toe te passen was Agathe in staat om zeer verschillende micro-organismen te visualiseren. Veel van deze technieken kunnen onderling gebruikt worden om nog andere organismen uit te werken. Het is mogelijk gelijkaardige resultaten te verkrijgen met traditionele en manuele workflows, maar dit vergt meer manuren, zeker wanneer meerdere versies, soorten of iteraties gevraagd zijn.