Universität Freiburg, 6. März 2012Stereologie – Mathematische Methoden

in der BiomedizinProf. Dr. phil. nat. Marianne GeiserUniversität Bern, Institut für Anatomiehttp://www.ana.unibe.ch

Testsystem zur Bestimmungvon Volumina

Präzision und Richtigkeitin einem Experiment

Stereologie – Quantitative Morphologie

Definition

Parameter, repräsentative Stichproben

Moderne Stereologie:Cavalieri Prinzip, Disector

Literatur und Kurse

Stereologie – Definition(nach Luis M. Cruz-Orive)

Als Methode– „Estimation of geometrical parameters of spatial

structures using properly sampled information“

Als Wissenschaft– „A combination of geometrical probability and

statistics“

Als freie Kunst– „Fun“

Stereologie: Quantifizierung von Strukturen in 3D in der Mikroskopie & in bildgebenden Verfahren

3D 2D

Section plane

Length

Volume

Surface

Number

Sectionplane

Boundarytrace

Transect ofworm

Transect of apple

Howard CV & Reed MG. Unbiased Stereology: Three-Dimensional Measurement in Microscopy, 2005

Stichproben

Analysiertes Volumen

Referenz Volumen

Rechter Lungenlappen,Oberlappen

Interessante Region

Repräsentative Stichproben

uniform zufälligeStichproben

10 m

20 mm

Volumen, VSystematische Stichproben

Cavalieri PrinzipV = T (A1 + A2 + A3 + ….. + An)

Serie paralleler Flächen, uniform zufällig in T

Systematische Stichproben (zufälliger Start)

Volumen, VSystematische Stichproben

Volumen, VSystematische Stichproben

Flächenbestimmung mittels PunktezählverfahrenA = M1

-2 a/p (P1+P2+P3+… +Pn)

Argument für das Cavalieri Prinzip

V = k (V1 + V2 + V3 + ….. + Vm) V = lim k (t A1 + t A2 + ….. + t Am)

t 0, kt = T= T (A1 + A2 + A3 + ….. + An)

Volumenfraktionen (VV) - Gesamtvolumen

Lunge: Atemwege, Gasaustausch

Cavalieri Scheiben in bildgebendenVerfahren: MRI

Roberts N, Cruz-Orive LM, Reid NM, Brodie DA, Bourne M, Edwards RH. Unbiased estimation of humanbody composition by the Cavalieri method using magnetic resonance imaging. J Microsc, 1993, 171:239-253.

Zusammensetzung des Körpervolumens

Anzahl Objekte: Der Disector

1 f = 1 20/ /4

1 f = 1 3/ /3

1 f = 1 4/ /2

1 f = 1 2/ /1

Fractionator

4t

Primarydisector

Referencesection

Look-upsection

Disector / Subdisector

Disector - Anzahl Makrophagen

Geiser M, Baumann M, Cruz-Orive LM, Im Hof V, Waber U, Gehr P. The effect of particle inhalation on macrophage numberand phagocytic activity in the intrapulmonary conducting airways of hamsters. Am J Respir Cell Mol Biol, 1994, 10:594-603.

Optischer Disector: Anzahl Neuronen

Pakkenberg B, Gundersen HJG. Total number of neurons and glial cells in human brain nucleiestimated by the disector and the fractionator. J Microsc, 1988, 150:1-20.

Look-up section Reference section

Anzahl neokortikaler Neuronen beim Menschen: Effekt von Geschlecht und Alter

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Alter

Anz

ahl N

euro

nen,

109

Pakkenberg B, Gundersen HJG. Neocortical neuron number in humans: effect of sex and age. J Comp Neurol, 1997, 384:312-320.

Unbeeinflusste (unbiased) Stereologie

Frei von Annahmen: Form, Zufälligkeit

Rigoros, mathematisch korrekt

Unbeeinflusste (unbiased) Stichproben unter allenBedingungen: Uniform, Gehäuft, Gradient

Totale Quantität

Moderne Stereologie

Direkt, unbeeinflusst, präzis

Variabilität

Inter-individuell (biologisch) 70%

Zwischen Gewebeblöcken 20%

Zwischen Schnitten 5%

Zwischen Feldern 3%

Zwischen Messungen 2%

Total 100%

Signifikanz, Effizienz, Präzision

Bei gleichmässiger Verteilung der Objekte:

5 Individuen

5 - 7 Schnitte pro Individuum

100 – 200 Punkte/Schnittpunkte pro Individuum

B ATotal no. of

POINTS

CE (P)

(4)

1000

600

400

200

100

60

40

20

10

2

6

4

0.51

(6)

(11)

0.4

0.3

(25)

(44)

0.2

0.15

0.1

0.08

0.06

(100)

(156)

(278)0.05

0.04

0.03

0.02

0.01200

160

120

100

80

60

40

30

25

20

16

1210

8

6

4

H.J.G. Gundersen + E.B. Jensen, J. Microscopy, 1987

Präzision des Punktezählverfahrens

Gundersen HJG, Jensen EB. The efficiency of systematic sampling in stereology and its prediction. J Microsc, 1987, 147:229–263.

Literatur und Kurse

Unbiased StereologyThree-Dimensional Measurement in Microscopyvon C.V. Howard & M.G. Reed2. Auflage, 2010 Reprint (CHF 99)QTP Publications, Liverpool, UK ISBN 978-0-9565132-0-5http://www.unbiased-stereology.com/

Einführung in die StereologieUniversität Bern, Institut für Anatomie http://www.ana.unibe.ch/event/ster/index.htmlStereologie-Woche: 20.–24. August 2012„Hands-on VISIOPHARM newCAST“: 25.–27. August 2012