|
|
Digitální metody zpracování trojrozměrného zobrazení v rentgenové tomografii a holografické mikroskopii
Kvasnica, Lukáš ; Číp, Ondřej (oponent) ; Štarha, Pavel (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Disertační práce se zabývá metodami počítačového zpracování obrazových dat v rentgenové mikrotomografii a v digitální holografické mikroskopii. Práce si klade za cíl dosáhnout optimalizací a využitím masivně paralelních grafických karet (GPU -- graphic processing unit) výrazného zrychlení algoritmů jak pro rekonstrukci tomografického zobrazení, tak pro rekonstrukci obrazu v holografické mikroskopii. V oblasti mikrotomografie předkládá práce nové GPU akcelerované implementace filtrované zpětné projekce a filtrace zpětné projekce derivovaných dat. Dále je představena technika normalizace orientace a vyhodnocení 3D tomografických dat. V části týkající se holografické mikroskopie je uveden popis jednotlivých kroků celého zpracování obrazu. Je představena nová původní technika navazování a korekce obrazové fáze poškozené výskytem optických vírů v nenavázané obrazové fázi. Následuje popis rychlé GPU implementace metody kompenzace deformací obrazové fáze a techniky trasování buněk. V závěru je krátce představen program Q-PHASE, který je výsledkem spojení všech algoritmů nezbytných jak pro ovládání, tak rekonstrukci obrazu v holografickém mikroskopu.
|
|
|
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.
|
|
|
Matematické metody pro zpracování obrazu v biologických pozorováních
Zikmund, Tomáš ; doc. RNDr.Petr Matula, Ph.D. (oponent) ; Krejčí, František (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Dizertační práce se zabývá zpracováním obrazu v digitální holografické mikroskopii a rentgenové počítačové tomografii. Těžiště práce spočívá v návrhu postupů pro zpracování dat v daných oblastech biologických experimentů. Transmisní světelná holografická mikroskopie je použita zejména pro kvantitativní fázové zobrazení transparentních mikroskopických objektů, jako jsou živé buňky. Fázové obrazy jsou ovlivněny fázovými aberacemi, které ztěžují studium buněk. V této práci je prezentován nový algoritmus pro dynamické zpracování fázových obrazů živých buněk v časosběrné sérii. Algoritmus kompenzuje deformace fázového obrazu použitím metody vážených nejmenších čtverců. Navíc ve fázovém obrazu identifikuje a segmentuje individuální buňku. Tyto vlastnosti algoritmu jsou rozhodující pro kvantitativní fázové zobrazení buněk v reálném čase a řízení průběhu experimentu. Účinnost navrženého algoritmu je demonstrována na obrazech krysích nádorových buněk prostřednictvím mimoosového holografického mikroskopu. Rentgenová počítačová tomografie s vysokým rozlišením je stále více používanou technikou pro studium mikroarchitektury kostí malých hlodavců. V této části práce je provedena analýza kortikální a trabekulární distální poloviny krysích stehenních kostí. Vyvinuli jsme metodu pro mapování pozice a rozměrů kortikálních povrchů od centrální podélné osy s jednostupňovým úhlovým rozlišením. Touto metodou jsou zkoumány tvarové odlišnosti krysích stehenních kostí mezi experimentálními skupinami. Orientace kostí je v tomografických řezech vyrovnána před mapováním pomocí navrženého postupu standardizace tomografických dat. Aktivita remodelačního procesu dlouhé kosti je také studována na systému kortikálních kanálků.
|
|
|
Automatizované procedury pro Koherencí řízený holografický mikroskop
Dostál, Zbyněk ; Štarha, Pavel (oponent) ; Jákl, Petr (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Koherencí řízený holografický mikroskop (CCHM) a Fluorescenční holografický mikroskop (FHM) byly vyvinuty zejména pro kvantitativní fázové zobrazování a měření dynamiky živých buněk, které obvykle bývá předmětem digitální holografické mikroskopie (DHM). CCHM a FHM v režimu nízké koherence rozšiřují možnosti digitální holografické mikroskopie pro studium živých buněk. Nicméně, výhoda plynoucí z využití nízké koherence je doprovázena zvýšenou citlivostí systému na přesnou justáž. Z tohoto důvodu je zavedení automatické justáže systému nevyhnutelné. V disertační práci je odvozena teorie řízení, je navržen a experimentálně ověřen automatizovaný systém justáže pro oba mikroskopy. Bylo zjištěno, že holografický signál je významnou veličinou pro provádění justážních postupů. Na tomto základě byly odvozeny původní procedury nastavení, které obsahují procesy pro počáteční a pokročilou justáž, jakož i pro dlouhodobé udržení mikroskopu v naladěném stavu. Automatizované procesy byly v obou mikroskopech implementovány pomocí původní sady robotických mechanismů. Všechny v práci popsané postupy byly experimentálně ověřeny na mikroskopech v laboratoři experimentální biofotoniky. Pro FHM byl navíc vyvinut ovládací software, který obsahuje potřebné automatizované procedury.
|
|
|
Numerické přeostřování v digitálním holografickém mikroskopu s částečně koherentním osvětlením
Slabá, Michala ; Komrska, Jiří (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Bakalářská práce se zabývá problematikou numerického přeostřování v holografickém mikroskopu s částečně prostorově koherentním osvětlením. Numerické přeostřování je výpočet komplexní amplitudy obrazové vlny v rovinách jiných, než je obrazová rovina. Výpočet oblasti, ve které je možné numericky přeostřovat, je založen na použití Rayleighova-Sommerfeldova difrakčního integrálu a Fresnelovy aproximace kulové vlny. Popis stavu koherence vlny a šíření částečně koherentního světla vychází ze statistických metod teorie optické koherence. V této práci je vypočtena tloušťka vrstvy, ve které lze numerické přeostřování provádět. Tato tloušťka závisí na parametrech mikroskopu - na velikosti zdroje a parametrech použitých objektivů. Výsledek je aplikován na mikroskop z laboratoře ÚFI FSI VUT.
|
|
|
Superrozlišení v holografické mikroskopii
Říha, René ; Komrska, Jiří (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Práce navrhuje přístup, který by umožnil dosáhnout superrozlišení koherencí řízeného holografického mikroskopu na Ústavu Fyzikálního inženýrství VUT FSI v Brně v kombinaci s dvourozměrnou fázovou difrakční mřížkou umístěnou v určité vzdálenosti za vzorkem. Na základě teoretických výpočtů a simulací se prozkoumávají vlastnosti nového uspořádání mikroskopu a je popsán proces numerické rekonstrukce obrazu v rámci navržené metody. Přístup je ověřen pomocí elektromagnetické simulace. Práce nezohledňuje technické aspekty a nedostatky nového uspořádání.
|
|
|
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.
|
|
|
A method for the visualization of high phase gradients in a microscopic image
Druckmüllerová, Hana ; Martišek, Dalibor (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Holographic microscopy is an unconventional microscopy technique suitable especially for transparent samples. It enables to visualize the refractive index of observed objects. A unique transmitted-light digital holographic microscope (TDHM) has been constructed at Institute of Physical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology. Holograms captured by the microscope are processed by means of a technique based on the Fourier transform in order to reconstruct the intensity and phase of the light waves passing through the observed object. The phase describes the object refractive index and thickness. In places where the object refractive index or thickness changes, also the phase does. The task of this bachelor thesis was to find a method for visualizing places with high phase gradient. A gradient computation method which was created does not require phase unwrapping and is therefore suitable generally for any images. The method was implemented in a computer software called Gradient3D, which enables not only to compute the phase gradient in two and three dimensions, but also to create color images composed from combinations of intensity, phase and gradient. It also contains methods for handling places with low reconstructed intensity where the phase value is unreliable and usually causes false phase gradients. The program has been tested on several image sets from the TDHM capturing biological specimens.
|
|
|
Fresnelova nekoherentní korelační holografie (FINCH)
Bouchal, Petr ; Slabý, Tomáš (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Bakalářská práce je zaměřena na teoretické a experimentální aspekty Fresnelovské nekoherentní korelační holografie, která byla navržena teprve nedávno a v odborné literatuře se objevuje pod názvem FINCH. Její hlavní přednost spočívá v možnosti realizace holografické rekonstrukce nekoherentně osvětlených 3D objektů. V metodě FINCH se záznam objektu provádí s využitím metod optické holografie a digitální difraktivní optiky. Rekonstrukce objektu se realizuje numericky pomocí principů známých z digitální holografie. V experimentech se efektivně využívají moderní optoelektronická zařízení známá jako prostorové modulátory světla. Bakalářská práce obsahuje přehled zahrnující popis základních principů metody FINCH, ale vlastní příspěvek práce spočívá v matematickém popisu metody a vytvoření numerického simulačního modelu v prostředí Matlab. Hlavním výsledkem práce je návrh a realizace experimentů umožňujících praktické ověření metody. V bakalářské práci jsou prezentovány výsledky dvou nezávislých experimentů provedených se dvěma rozdílnými typy prostorových modulátorů světla firem HOLOEYE a HAMAMATSU. Experimentální výsledky mají velmi dobrý soulad s teoretickou předpovědí. Bakalářská práce zahrnuje také krátkou diskuzi získaných výsledků, dalších možných výzkumných směrů a aplikací metody FINCH.
|
|
|
Koherencí řízený holografický mikroskop nové generace
Slabý, Tomáš ; Novák,, Jiří (oponent) ; Jákl, Petr (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Dizertační práce se zabývá návrhem nové generace koherencí řízeného holografického mikroskopu (CCHM). Mikroskop je založen na mimoosovém holografickém uspořádání využívajícím difrakční mřížku a umožňuje použití časově i prostorově nekoherentního osvětlení. V teoretické části je navrženo nové optické uspořádání a odvozeny podmínky pro jednotlivé parametry mikroskopu a jeho komponent. Také je studován vliv různých zdrojů šumu na citlivost detekce fáze. V další části je popsán návrh laboratorní sestavy mikroskopu a navržen automatizovatelný seřizovací postup. Poslední část práce se zabývá experimentálním ověřením nejdůležitějších optických parametrů laboratorní sestavy mikroskopu. Oproti předchozí generaci CCHM nový návrh využívá objektivy korigované na nekonečnou tubusovou délku a běžné mikroskopové kondenzory, umožňuje zvětšení prostoru pro pozorované vzorky, odstraňuje omezení spektrální propustnosti a značně zjednodušuje seřizovací postup až na automatizovatelnou úroveň.
|
host ::
RSS.