|
|
Biophysical interpretation of quantitative phase image
Štrbková, Lenka ; Kozubek,, Michal (oponent) ; Hoppe, Andreas (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
This work deals with the interpretation of the quantitative phase images gained by coherence-controlled holographic microscopy. Since the datasets of quantitative phase images are of substantial size, the manual analysis would be time-consuming and inefficient. In order to speed up the analysis of images gained by coherence-controlled holographic microscopy, the methodology for automated interpretation of quantitative phase images by means of supervised machine learning is proposed in this work. The quantitative phase images enable extraction of valuable features characterizing the distribution of dry mass within the cell and hence provide important information about the live cell behaviour. The aim of this work is to propose a methodology for automated classification of cells while employing the quantitative information from both the single-time-point and time-lapse quantitative phase images. The proposed methodology was tested in the experiments with live cells, where the performance of the classification was evaluated and the relevance of the features derived from the quantitative phase image was assessed.
|
|
|
Metody detekce, segmentace a klasifikace obtížně definovatelných kostních nádorových lézí ve 3D CT datech
Chmelík, Jiří ; Flusser,, Jan (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Jan, Jiří (vedoucí práce)
Cílem této práce byl vývoj algoritmů pro detekci, segmentaci a klasifikaci obtížně definovatelných kostních metastatických nádorových lézí v oblasti páteře z obrazových CT dat. Pro tyto účely byla vytvořena pacientská databáze anotovaná lékařskými experty. Postupně byly navrženy tři metody, z nichž první je založena na přepracování a kombinaci metod dostupných z předchozího řešení projektu, druhá je velmi rychlá varianta založená na fuzzy k-means shlukové analýze, třetí metoda využívá moderních metod strojového učení, konkrétně hluboké učení konvolučních neuronových sítí. Dále byla navržena modifikace upřesňující výsledky následnou meta-analýzou nalezených kandidátů lézí pomocí náhodného lesa. Dosažené výsledky byly objektivně vyhodnoceny a porovnány s výsledky algoritmů publikovaných jinými autory. Pro hodnocení byly použity dva přístupy: technický, voxelově založený a klinický, objektově založený. Dosažené výsledky byly následně zhodnoceny a diskutovány.
|
|
|
The analysis of limits for multimode fibre imaging
Štolzová, Hana ; Kozubek, Michal (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Multimode fibers are the imaging tool of a significant potential in in-vivo microendoscopy. Recently, this method has seen a great development, thanks to the improvements in computational and other technologies, such as digital spatial light modulation. The aim of this work was to find specific limits of multimode fiber imaging and to present their computer simulation. The effect of illumination of the optical system containing the multimode fiber on its focussing and imaging capability was investigated. By analysing the data obtained from simulations and experiments, it has been found that the various levels of the Gaussian beam truncation by a projected multimode fiber numerical aperture results in a significant variance in the imaging capabilities of the system. Therefore, it seems that the multimode optical fibers are not a completely random medium. Observing the quality of the focusing, it was found that low truncated beams (beam-waist around 50% of the projected fiber numerical aperture), have the highest performance. This fact was verified by experimental measurements. Imaging using similarly truncated beams showed the best contrast transmission capability. However, when analysing the resolution of two pointlike objects, the beams with a significantly larger waist and a higher degree of truncation, of 100% or more, were most appropriate. The presence of this difference forces the person using the imaging system containing the multimode fiber to consider several aspects, in what environment the particular optical system will be used and which imaging quality indicator will be considered the most important.
|
|
|
Konfokální modul pro koherencí řízený holografický mikroskop
Kubátová, Eva ; Kozubek, Michal (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Koherencí řízený holografický mikroskop (CCHM) byl vyvinut na VUT v Brně pro kvantitativní fázové zobrazování živých buněk. V dnešní době dochází k vylepšování jeho zobrazovacích možností pomocí přídavných modulů. V současnosti je vybaven epifluorescenčním modulem, který umožňuje pozorování fluorescenčně značených živých buněk. Tato práce naváže na vývoj tohoto modulu a rozšíří jeho možnosti o konfokální zobrazení. Nevýhodou současných vícekanálových konfokálních mikroskopů je mechanická rotace Nipkowových disků, které způsobující nežádoucí mechanické vibrace. Proto je v práci nahrazen DMD čipem. Pro jeho využití je navržen optický systém celého konfokálního modulu, jehož správná funkce byla nasimulována v optickém CADu. Experimentálně ověřený prototyp slouží k testování zobrazovacích vlastností. Na jeho základě je navržena aplikační idea fluorescenčního konfokálního modulu, který bude možné připojit k CCHM mikroskopu.
|
|
|
Koherencí řízený holografický mikroskop ve výzkumu životního cyklu buňky
Křížová, Aneta ; Kozubek,, Michal (oponent) ; Uhlířová, Hana (vedoucí práce)
Předmětem diplomové práce bylo použití koherencí řízeného holografického mikroskopu ve výzkumu životního cyklu buňky. V práci je stručně popsána historie interferenční mikroskopie a její aplikace v biologii. Zmíněny jsou i ostatní mikroskopové techniky používané k zobrazování transparentních objektů a stručně je vysvětlena biologie buněčného cyklu. V rámci práce byly navrženy charakteristiky pro popis tvaru buňky, které byly testovány s ohledem na identifikaci jednotlivých fází života buňky. Metoda dynamických fázových diferencí byla modifikována tak, aby byl odlišen vnitřní pohyb hmoty buňky od pohybu hmoty buňky jako celku. Vybrané charakteristiky pak byly použity k vyhodnocení pozorování provedených v holografickém mikroskopu a byly navrženy možnosti jejich dalšího využití. V závěru práce byly shrnuty získané poznatky a byly navrženy úpravy konstrukce mikroskopu a softwaru pro zpracování dat.
|
|
|
Mikroskopie časově proměnných biologických objektů
Uhlířová, Hana ; Kozubek, Michal (oponent) ; Peychl,, Jan (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Předmětem disertační práce je využití transmisního digitálního holografického mikroskopu (DHM) navrženého a zkonstruovaného v Laboratoři optické mikroskopie na ÚFI VUT v Brně pro výzkum dynamiky živých buněk. První část práce se zabývá teoretickým popisem vlastností zobrazení mikroskopu v závislosti na koherenci osvětlení doplněným experimenty s modelovým a reálným biologickým vzorkem. V další části jsou popsány konstrukční změny a inovace mikroskopu a jeho vybavení, které umožnily využívání mikroskopu pro pozorování živých buněk. V~experimentální části byla vypracována metodika přípravy a pozorování živých buněk pro DHM, která byla ověřena při zobrazení dynamiky buněčné apoptózy indukované cytostatikem cis-platinou. Byla zkoumána také dynamika živých buněk při standardních podmínkách a za působení deprivačního stimulu. Pro vyhodnocení kvantitativních změn rozmístění buněčné hmoty během experimentů byla vytvořena metoda zpracování holograficky rekonstruované fáze nazvaná "dynamické fázové diference". Touto metodou byly odhaleny různé vzorce chování rakovinových buněk během specifické reakce v závislosti na typu buněk, stupni jejich malignity a hustotě porostu. Pro kvantitativní analýzu fázového zobrazení z DHM byla navržena vhodná statistická charakteristika a způsob interpretace naměřených dat, které byly úspěšně aplikovány při porovnání vnitrobuněčného pohybu dvou typů rakovinových buněk rodičovské a dceřiné linie. Na základě uvedeného zpracování pozorování byly stanoveny hypotézy o mechanismu reakce nádorových buněk na nepříznivé životní podmínky.
|
|
|
Deep Learning for Virtual Patient-Specific Skull Modelling and Reconstruction
Kodym, Oldřich ; Kozubek, Michal (oponent) ; Egger, Bernhard (oponent) ; Herout, Adam (vedoucí práce)
Skull segmentation from 3D patient data and virtual reconstruction of the defective skull shape are the most challenging steps required for creation of patient-specific models of skull. These models are used in cranioplasty practice for surgery planning, patient education and patient-specific implant design, but their utility is currently limited by the amount of manual processing time required to reach sufficient virtual model quality. This thesis aims to streamline this virtual workflow by utilizing deep learning methods. The thesis proposes a novel solution that consists of an automatic skull segmentation method based on a combination of convolutional neural networks and graph cut algorithm and an automatic virtual skull reconstruction method based on convolutional network cascade. Both of these components are demonstrated to achieve state-of-the-art accuracy. This work also aims to improve reproducibility of the skull reconstruction research by providing a structured synthetic dataset for development and benchmarking of automatic methods. The main focus of this work is on applicability in clinical practice. While the proposed skull segmentation method is already successfully deployed to clinical workflow, the integration of automatic virtual skull reconstruction presents some additional challenges, such as low tolerance towards shape imperfections around the defect border. This work therefore also proposes an extension of the skull reconstruction method that allows its adaptation to target population and the desired type of cranial implant shape, which can vary between different clinical sites. The results of expert's evaluation show that the shape outputs of this method reach enough quality to be deployed into clinical practice along with the segmentation method.
|
|
|
Akvizice, modelování a analýza signálů v ultrazvukovém perfúzním zobrazování
Mézl, Martin ; Kozubek, Michal (oponent) ; Flusser,, Jan (oponent) ; Jiřík, Radovan (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá možnostmi perfúzní analýzy pomocí ultrazvuku pro absolutní kvantifikaci perfúzních parametrů. Vteoretickém úvodu je provedena literární rešerše možností využití kontrastních látek v ultrasonografii a přístupů k perfúzní analýze. V praktické části práce byly navrženy a testovány metody, které modelují časový průběh koncentrace jako konvoluci arteriální vstupní funkce a zbytkové funkce tkáně. Ověření těchto metod pro absolutní kvantifikaci perfúzních parametrů je ukázáno na datech z fantomových studií, simulací, a také na preklinických a klinických datech. Pro klinická pracoviště byl dále vyvinut software pro jednotlivé kroky perfúzní analýzy.
|
|
|
Koherencí řízený holografický mikroskop
Kolman, Pavel ; Křupka, Ivan (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Byl navržen, zkonstruován a ověřen koherencí řízený transmisní holografický mikroskop (CCHM) s mimoosovým achromatickým a prostorově invariantním interferometrem s difrakčním děličem svazku. Tento interferometr umožňuje zobrazení světlem plošného, časově i prostorově nekoherentního zdroje. Mimoosové holografické zobrazení předmětu je zaznamenáno a numericky je fourierovskými metodami rekonstruována komplexní amplituda předmětové vlny, tedy její intenzita a fáze. Fázové zobrazení představuje rozdíl optických drah mezi předmětovou a referenční větví způsobený vloženým předmětem. Jde tedy o kvantitativní fázový kontrast. Intenzitní zobrazení je při osvětlení prostorově nekoherentním zdrojem ekvivalentní zobrazení rastrovacím konfokálním mikroskopem. Lze tedy zobrazovat předměty překryté rozptylující vrstvou nebo vnořené v rozptylujícím prostředí. Při současném použití prostorově a časově nekoherentního osvětlení jsou optické řezy tenčí než v případě konfokálního mikroskopu. K rekonstrukci zobrazení stačí jediný snímek hologramu, což zaručuje vysokou odolnost systému vůči rychlým změnám podmínek pozorování, zejména turbulencím okolního prostředí. Frekvence snímkování není omezena žádnou částí optické soustavy. Je omezena pouze rychlostí záznamového zařízení. Je tedy možné pozorování velmi rychlých dějů. V rámci koherenčního objemu lze mikroskop ex post numericky přeostřovat. Stupeň koherence osvětlení lze přizpůsobit charakteru vzorku a požadovaným vlastnostem zobrazení. Vyšší stupeň koherence osvětlení poskytuje možnost numerického přeostřování v osově rozsáhlejší oblasti. Omezení koherence tuto oblast zužuje a současně ztenčuje optický řez, potlačuje koherenční šum a umožňuje zobrazení pouze balistickým světlem. Kromě separace balistického světla umožňuje CCHM separovat také světlo difúzní. Paralelní holografický záznam obrazu v mnoha barvách v jediném okamžiku umožňuje v některých případech překonat destruktivní interferenci světla ve vzorku na některé vlnové délce a zachovat tím fázovou informaci z tohoto pozorovaného místa. Příčná rozlišovací schopnost odpovídá nekoherentnímu zobrazovacímu procesu a je dvojnásobná oproti rozlišovací schopnosti při koherentním osvětlení. Je popsáno optické uspořádání mikroskopu a jsou uvedeny podmínky, jejichž splněním se dosáhne achromatičnosti interferometru. Na základě zvolené metody rekonstrukce komplexní amplitudy zobrazení a na základě analýzy spektra prostorových frekvencí hologramu ve výstupní rovině interferometru je odvozena jedna z podmínek pro stanovení hustoty vrypů difrakčního děliče svazku. Je určena účinná spektrální propustnost mikroskopu, je pojednáno o vlivu vyšších difrakčních řádů na výsledné holografické zobrazení a o vlivu velikosti plošného zdroje na kontrast interferenčních proužků hologramu. Dále jsou odvozeny podmínky pro zvětšení a numerickou aperturu výstupního objektivu, je určena velikost zorného pole a ta je porovnána s běžným světelným mikroskopem. Součástí práce je výrobní výkresová dokumentace mikroskopu. Podrobně je popsán způsob nastavení všech optických prvků mikroskopu, a to jak v průběhu montáže, tak při běžném provozu při výměně objektivů. Na zobrazení modelových vzorků jsou demonstrovány a diskutovány vlastnosti holografického zobrazení.
|
|
|
Metody segmentace a identifikace deformovaných obratlů ve 3D CT datech onkologických pacientů
Jakubíček, Roman ; Flusser, Jan (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Jan, Jiří (vedoucí práce)
Tato disertační práce se zabývá návrhem metod směřujících k vymezení povrchů jednotlivých obratlů ve 3D CT datech onkologických pacientů, příslušných algoritmů a jejich ověřením. U takových pacientů se velmi často vyskytují tvarové i intenzitní změny obratlů, které výrazně komplikují řešení daného problému. Získání finálních segmentací jednotlivých obratlů včetně identifikace jejich pozice v páteře obecně vede přes několik základní kroků: detekce páteře a nalezení její osy, lokalizace jednotlivých obratlů a jejich identifikace a finální přesné segmentace. Pro tyto účely byly navrženy, realizovány a ověřeny příslušné algoritmy, užívající původních přístupů včetně využití strojového učení. Součástí řešení jsou mj. návrh a realizace algoritmu optimálních kružnic pro trasování páteřního kanálu s populačním přístupem, prostorově variantní filtrace jasového profilu cílená k lokalizaci obratlů nebo využití trénovaných modelů pro identifikaci obratlů s optimalizací pomocí dynamického programování. Přístup realizující finální segmentaci obratlů částečně navazuje na algoritmus navržený v předcházející fázi projektu (Peter 2013), který byl výrazně modifikován a rozšířen; algoritmus je v nové verzi založen na geometrické adaptaci intenzitního modelu kompletní páteře. Navržené přístupy byly testovány na několika databázích vytvořený v rámci práce a včetně volně dostupných umožňující také srovnání s algoritmy jiných autorů. Na základě provedeného detailního hodnocení lze konstatovat, že algoritmus poskytuje velmi dobré výsledky a ve srovnání s aktuálně publikovanými přístupy jiných autorů dosahuje srovnatelné nebo lepší výsledky. Na rozdíl od zmíněných publikací se zabývá nikoli jen některými zmíněnými etapami řešení, ale finálně jich využívá v komplexním algoritmu, řešícím celý postup od CT dat po přesně segmentované objemy jednotlivých identifikovaných obratlů, které tvoří vstupní data pro návaznou práci, zabývající se detekcí a klasifikací lézí. Navíc se algoritmus vyznačuje vysokou robustností vůči výskytu patologií a artefaktů v datech a relativně nízkou výpočetní náročností. Disertační práce obsahuje několik původních přístupů, které byly průběžně publikovány na mezinárodních konferencích; výsledné řešení bylo publikováno jako časopisecký článek Jakubicek a kol. (2020). Během experimentální validace ve spolupráci s lékařskými experty se ukázalo, že navržené algoritmy jsou plně využitelné pro následující analýzu nádorových lézí.
|
host ::
RSS.