|
|
Coherence gated holographic microscopy
Ďuriš, Miroslav ; Tyc,, Tomáš (referee) ; Baránek,, Michal (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
Výskumníci v oblasti biomedicíny a metapovrchov opakovane siahajú po kvantitatívnom fázovom zobrazovaní (QPI) ako primárnej zobrazovacej technike vďaka jej vysokovýkonnému, neinvazívnemu a kvantitatívnemu charakteru. Preto si QPI rýchlo vybudovalo svoju nepostrádateľnú úlohu pri identifikácii zriedkavých javov a skríningu v biomedicíne alebo automatizovanej analýze obrazových dát pomocou umelej inteligencie. Tieto a mnohé ďalšie aplikácie zdieľajú náročné splnieľnú požiadavku na rozsiahle a kvalitné súbory dát. Táto práca sa zaoberá základnými problémami optického zobrazovania a to hlavne v biomedicínskom výskume. Výskum v tejto práci je zameraný na štúdium a vývoj nových zobrazovacích metód rozšírením možností koherenciou riadeného holografického mikroskopu. V práci sme sa zaoberali tromi hlavnými oblasťami biomedicínskeho zobrazovania: zobrazovaním v kalnom prostredí, QPI so superrozlíšením a rekonštrukciou 3D rozloženia indexu lomu. Na dosiahnutie takýchto ambicióznych výsledkov sme využili takzvaný efekt koherenčnej brány, ktorý sa zvyčajne využíva na zobrazovanie cez nepriehľadné médiá najmenej rozptýleným (balistickým) svetlom. Zobrazovanie v kalných prostrediach adresujeme v tejto práci tak, že neintuitívne používame koherenčnú bránu na zobrazovanie nebalistickým svetlom, čo nám umožňuje získať informácie chýbajúce v balistickom obraze. Kombinácia obrazov pre rôzne pozície koherenčnej brány nám umožňuje syntetizovať obraz kvalitnejší ako prístupy využívajúce len balistické svetlo. Toto experimentálne demonštrujeme na kvantitatívnom zobrazovaní cez hrubé biologické tkanivo. V práci boli skúmané dva prístupy k superrozlíšeniu kvantitatívneho fázového obrazu. Prvým je prístup adaptujúci syntetickú apertúru, pre ktorý opäť využívame efekty koherenčného bránovania čiastočne koherentného svetla v kombinácii so šikmým osvetlením, ktoré zabezpečuje difrakcia na jednoduchej šesťuholníkovej fázovej mriežke umiestnenej v blízkosti vzorky. Syntetizujeme QPI s výrazne zväčšeným pásmom priestorových frekvencií zo sekvenčne získaných obrazov vytvorených koherenčne filtrovaným svetlom rozptýleným do každého difrakčného rádu mriežky. Ďalej sme vyvinuli metódu tvarovania koherenčnej brány, ktorá umožňuje QPI so superrozlíšením v reálnom čase. V práci navrhujeme prístup založený na skutočnosti, že rozptylová funkcia nášho systému je súčin difrakčne limitovaného obrazu bodového objektu a funkcie koherenčnej brány, ktorú tvarujeme podobne ako superoscilačný hotspot. Výsledok súčinu je rozptylová funkcia so sub-difrakčne limitovanou šírkou centrálneho peaku a so zanedbateľnými postrannými maximami, ktoré sú bežnou prekážkou zobrazovania pomocou superoscilácií. Útlm postranných maxím a zlepšenie rozlíšenia sa odohráva súčasne v celom zornom poli. Preto predstavujeme prvé jednosnímkové QPI so superrozlíšením. Pri oboch metódach sme dosiahli zlepšenie rozlíšenia aspoň o 19\%. V práci sa taktiež venujeme aj 3D zobrazovaniu pomocou koherenciou riadeného holografického mikroskopu. Vyvinuli sme metódu na rekonštrukciu 3D distribúcie indexu lomu zo série kvantitatívnych fázových obrazov vzorky pre rôzné pozície v axiálnom smere. Rekonštruovaná distribúcia indexu lomu má vlastnosti podobné výstupom optickej difrakčnej tomografie. Zároveň je ale potrebný počet akvizícií v prípade navrhovanej metódy výrazne nižší. Náš prístup demonštrujeme pomocou simulovaných, ako aj experimentálnych údajov.
|
|
|
Biophysical interpretation of quantitative phase image
Štrbková, Lenka ; Kozubek,, Michal (referee) ; Hoppe, Andreas (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
Práce se zabývá interpretací kvantitativního fázového zobrazení pomocí techniky koherencí řízené holografické mikroskopie. Vzhledem k tomu, že tato technika generuje velké množství kvantitativních fázových obrazů o nezanedbatelné velikosti, manuální analýza by byla časově náročná a neefektivní Za účelem urychlení analýzy obrazů získaných pomocí koherencí řízené holografické mikroskopie je v této práci navržena metodika automatizované interpretace kvantitativních fázových obrazů pomocí strojového učení s učitelem. Kvantitativní fázové obrazy umožňují extrakci parametrů charakterizujících distribuci suché hmoty v buňce a poskytují tak cennou informaci o buněčném chování. Cílem této práce je navrhnout metodologii pro automatizovanou klasifikaci buněk při využití této kvantitativní informace jak ze statických, tak z časosběrných kvantitativních fázových obrazů. Navržená metodika byla testována v experimentech s živými buňkami, jimiž byla vyhodnocena výkonnost klasifikace a významnost parametrů získaných z kvantitativních fázových obrazů.
|
|
| |
|
| |
|
|
COHERENCE-CONTROLLED HOLOGRAPHIC MICROSCOPY IN DIFFUSE MEDIA
Lošťák, Martin ; Komrska, Jiří (referee) ; Šerý, Mojmír (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
This thesis deals with imaging through diffuse media in coherence-controlled holographic microscope (CCHM) developed in IPE FME BUT. The mutual coherence function as well as the signal dependence on the lateral mutual shift between both arms of the CCHM are calculated. Both functions are related to each other. The latter dependence is measured experimentally. A principle of imaging with CCHM through diffuse media with both ballistic and diffuse light is explained by a simple geometrical model. This model is then verified experimentally by imaging a sample through diffuse medium. The point spread function (PSF) of CCHM for imaging through diffuse media is then calculated. Results of PSF calculation are proved experimentally.
|
|
|
Programmable illuminating system for an optical microscope
Lošťák, Martin ; Křupka, Ivan (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
A programmable illuminating system (PIS) uses a commercial multimedia projector together with a suitable optical relay system in order to illuminate specimens under microscope with transmitted light. The theoretical part of the diploma thesis describes some methods used in the optical transmission microscopy. All of these methods employ physical masks placed in the condenser front focal plane. In the case of the traditional methods the masks are used to enhance contrast (e.g. dark-field illumination) and resolution (oblique illumination). One of the methods (a condenser with rotating aperture) provides the information about the three-dimensionality of the specimen. The next part of the thesis contains the theory and the basic classification of the illuminating systems used in the optical transmission microscopy. An optical and mechanical design of the optical relay system used for PIS is introduced. The experimental part shows the results made with two different PIS arrangements. It was shown on two different specimens that the PIS provides the same illumination as the classical methods. It was also proved that the PIS can simulate the rotating aperture in the condenser front focal plane and thus to give the information about the three-dimensionality of the specimen. Some new static and dynamic illuminating methods were introduced.
|
|
|
Fresnel Incoherent Correlation Holography (FINCH)
Bouchal, Petr ; Zemánek, Pavel (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
This master’s thesis develops a novel method of digital holography, from recent studies known as Fresnel Incoherent Correlation Holography (FINCH). The method enables the reconstruction of the correlation records of three-dimensional objects, captured under quasi-monochromatic, incoherent illumination. The experimental system is based on an action of a Spatial Light Modulator, driven by computer generated holograms to create mutually correlated beams. Both optical and digital parts of the experiment can be carried out using procedures of classical holography, diffractive optics and digital holography. As an important theoretical result of the master’s thesis, a new computational model was proposed, which allows to describe the experiment completely with respect to its two basic phases. The proposed model allows to understood the method intuitively and can be used additionally for analysis and interpretation of the imaging parameters and the system optimalization. The theoretical part of the master’s thesis also presents a detailed description of the correlation imaging based on an appropriate reconstruction process. Computational models were developed for both monochromatic and quasi-monochromatic illumination. In experimental part, all theoretical results were verified. The imaging parameters were examined using standard resolution target tests and appropriate biological samples. As an original experimental result, spiral modification of the system resulting in a vortex imaging was proposed and realized. Here, a selective edge enhancement of three-dimensional objects is possible, resulting in a significant extension of possible applications of the method.
|
|
|
Coherence-gate assisted three-dimensional imaging by holographic microscope
Maršíková, Barbora ; Heintzmann, Rainer (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
Tato diplomová práce se zabývá výzkumem na téma vlivu prostorové koherence osvětlení. Účelem je určit schopnost osové lokalizace při zobrazení Koherencí řízeným holografickým mikroskopem (CCHM) v závislosti na různé prostorové koherenci světelného zdroje. Osová lokalizace je v tomto případě zkoumána jako kvalita rozlišení drobných detailů trojrozměrného vzorku, umístěných nad sebou. Teorie zobrazení holografickým mikroskopem a teorie rozptylu v nehomogenních prostředích je shrnuta v první části práce, v rozsahu nutném pro pochopení části praktické. Základní princip fungování mikroskopu a přesný popis jeho uspořádání je zde podrobně popsán. Proběhl mechanický návrh stavební úpravy mikroskopu tak, aby bylo možno využívat kondenzorovou optiku s vysokou numerickou aperturou a omezenými optickými vadami. Několik různých přístupů, které by mohly vést ke zlepšení zobrazovacích vlastností mikroskopu, bylo navrženo a vyzkoušeno a jsou zde popsány i s jejich výhodami a nevýhodami. Pro experimentální část práce byl vyroben modelový vzorek. Závislost osové lokalizace na prostorové koherenci osvětlení byla demonstrována pomocí simulace a následně ověřena experimentálně, pozorováním vyrobeného modelového vzorku. Experimentální výsledky potvrzují základní principy vycházející ze zmíněné teorie. Na závěr jsou navržena možná vylepšení, pro budoucí zpřesnění výsledků.
|
|
|
Development of Biophysical Interpretation of Quantitative Phase Image Data
Křížová, Aneta ; Jákl, Petr (referee) ; Vomastek, Tomáš (referee) ; Chmelík, Radim (advisor)
This doctoral thesis deals with biophysical interpretation of quantitative phase imaging (QPI) gained with coherence-controlled holographic microscope (CCHM). In the first part methods evaluating information from QPI such as analysis of shape and dynamical characteristics of segmented objects as well as evaluation of the phase information itself are described. In addition, a method of dynamic phase differences (DPD) is designed to allow more detailed monitoring of cell mass translocations. All of these methods are used in biological applications. In an extensive study of various types of cell death, QPI information is compared with flow cytometry data, and preferably a combination of QPI and fluorescence microscopy is used. The DPD method is used to study mass translocations inside the cell during osmotic events. The simplified DPD method is applied to investigate the mechanism of tumor cell movement in collagen gels.
|
|
|
Coherence-controlled holographic microscope in cell's life cycle research
Bartoníček, Jan ; Chmelík, Radim (referee) ; Uhlířová, Hana (advisor)
The subject of the bachelor thesis is live-cell imaging in a transmitted-light holographic microscope which was designed at the Institute of Physical Engineering BUT and comparing this imaging method with the phase-contrast microscopy. The first part is dedicated to a basic description of used imaging techniques and a cell biology. A description of an experiment preparation follows. In the part dedicated to a data analysis the method of dynamic phase differences is described and the method of growth monitoring is proposed. Both methods were used for the analysis of experiments which are described in the last part of this work. Experiments were focused on acquiring time-lapse data of a cell’s cycle and particularly the mitosis.
|
guest ::
