|
|
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.
|
|
|
Implementation of industrial X-ray computed microtomography in developmental biology
Tesařová, Markéta ; Křivánek,, Jan (referee) ; Novotná, Marie (advisor)
Rentgenová počítačová mikrotomografie (CT) je metoda pro trojrozměrné (3D) zobrazování vnitřní struktury objektů. Laboratoř rentgenové počítačové mikro a nanotomografie na CEITEC VUT (Středoevropský technologický institut, Vysoké učení technické v Brně) se zaměřuje zejména na nedestruktivní analýzu v průmyslovém odvětví. Ukázalo se ale, že tato metoda nachází široké uplatnění i v dalších vědeckých oblastech včetně vývojové biologie. Tato práce poskytuje propojení mezi materiálovými a živými vědami. Kompletní proces vedoucí k vytvoření 3D modelu různých anatomických struktur je detailně popsán. Tento postup zahrnuje kontrastování vzorků, samotné CT měření a analýzu dat. Právě zpracování dat je mnohdy považováno za nejdůležitější část v rentgenové počítačové tomografii a proto je této oblasti věnována v práci největší část. Úpravou měřicích parametrů byl dále optimalizován CT přístroj GE v|tome|x L 240 za účelem umožnění automatické segmentace. Navíc je diskutována možnost měření na synchrotronu za účelem zvýšení prostorového rozlišení a diferenciálního kontrastu. Předpokládá se, že v blízké budoucnosti získají průmyslové CT přístroje podobné zobrazovací vlastnosti, a to jak díky nedávnému vývoji v oblasti hardwaru, tak v oblasti zpracování dat.
|
|
|
Stereo image processing and visualisation
Karásek, Miroslav ; Richter, Miloslav (referee) ; Petyovský, Petr (advisor)
This thesis deals with the processing of stereo images. It described the principles of calibration and rectification of stereo images. The thesis described several methods for finding important points. SURF method is then implemented for practical solution. Finding correspondences is realized using the methods of image processing library OpenCV. Reconstructed spatial coordinates of points and write by the format specified VRML97. Finally, there is introduced evaluated accuracy of spatial data acquisition and comparison of computational cost generated programs.
|
|
|
X-ray computed tomography analysis of mouse embryonic heart
Dobrovodská, Daniela ; Oberta, Peter (referee) ; Zikmund, Tomáš (advisor)
Rentgenová počítačová tomografie je univerzální technika umožňující nedestruktivní trojrozměrné (3D) zobrazování. Je široce používána v průmyslu pro metrologii a charakterizaci materiálů. V poslední době našla svůj význam také v biologii a vývojové vědě, kde 3D rekonstruovaná data poskytují komplexnější informace o vzorku než konvenční 2D zobrazovací metody. Kromě toho může vytvářet vysoce kvalitní snímky různých biologických vzorků. Překážkou při zobrazování biologických vzorků může být velmi podobný koeficient útlumu měkkých tkání, a proto je nutné použít barvení chemickou látkou. Tato práce si klade za cíl pomocí mikropočítačové tomografie vizualizovat a kvalitativně vyhodnotit srdce embryonálních myší E17.5 a představit nejlepší barvící protokol. Dále byla zavedena metodika pro zvýraznění rozdílů mezi myší divokého typu a mutantem. Rigaku nano 3DX byl použit pro experimenty s mezi-komorovou přepážkou myšího srdce a po nastavení specifických parametrů zařízení byl použit algoritmus pro zvýraznění fáze. Nakonec byla provedena validace $\mu$ CT dat se snímkami z konfokálního mikroskopu.
|
|
|
Quantitative 3D characterization of biological structures by X-ray computed microtomography
Tesařová, Markéta ; Vaňhara,, Petr (referee) ; Oberta,, Peter (referee) ; Zikmund, Tomáš (advisor)
Moderní vývojová biologie využívá široké spektrum metod k analyzování studovaných struktur. Multioborové týmy v poslední době prosazují využívání 3D přístupu k porozumění biologickým procesům. Jedna z hlavních překážek při využívání 3D zobrazovacích technik v biologii je nedostatek metodologie pro kvantifikování pozorovaných jevů, které často bývají příčinou vývojových či genetických onemocnění. V posledních letech se v biologických výzkumech rozšířilo využití rentgenové počítačové mikrotomografie (mikroCT). Technika mikroCT dokáže poskytnout izotropní rozlišení až 1 µm a při správné přípravě vzorku širokou škálu tkáňové diferenciace. Biologické struktury jsou však rozmanitých velikostí a tvarů a každá struktura vyžaduje specifický přístup v oblasti zpracování dat. Tato práce se zabývá využitím mikroCT pro zobrazování, ale především 3D charakterizaci biologických struktur ex-vivo. Zvláštní důraz je kladen na analýzu měkkých tkání v hlavách myších embryí a zobrazování různých druhů mloků se zaměřením na jejich regenerační schopnosti. Tato práce popisuje relevantní informace pro uživatele mikroCT zabývajícími se biologickými projekty: To zahrnuje přípravu vzorku pro měření, výběr vhodných parametrů k samotnému měření, a především analýzu vzniklého 3D datasetu. Nejnovější technologické pokroky ve 3D zobrazovaní byly studovány a testovány na konkrétních projektech vývojové biologie, kde 3D informace získaná pomocí mikroCT hrála klíčovou roli.
|
|
|
3D morphometric facial analysis in Williams, Noonan and DiGeorge syndrome patients
Čaplovičová, Martina ; Velemínská, Jana (advisor) ; Neščáková, Eva (referee)
The aim of the thesis was to evaluate facial dysmorphism in Williams (WBS), Noonan (NS) and DiGeorge syndrome (DGS) patients and also to evaluate changes in the morphology of the face during growth. In total 57 3D facial scans of patients of all ages were analysed, including 12 WBS, 20 NS, 25 DGS and 31 scans of control subjects. The evaluation has been carried out using methods of geometric morphometry, namely by coherent point drift - dense correspondence analysis, superprojection of mean faces, per vertex t-test and principal component analysis. Statistically significant differences in the facial morphology were shown for all the syndromes vs. control. Observed dysmorphies in WBS (narrow forehead, bitemporal narrowing, periorbital fullness, bulbous and anteverted nasal tip, malar flattening, protrusion of both lips, pointed chin) mostly confirmed existing knowledge of the typical phenotype. The morphology in WBS is thus strongly specific and manifested in most of the patients. During ontogeny, the dysmorphic features associated with increased facial convexity become pronounced, while the other typical features remain relatively stable. In contrast to the control, the retrusion of the chin occurs during the development. Observed dysmorphic traits in NS (less prominent supraorbital ridges,...
|
|
|
X-ray computed tomography analysis of mouse embryonic heart
Dobrovodská, Daniela ; Oberta, Peter (referee) ; Zikmund, Tomáš (advisor)
Rentgenová počítačová tomografie je univerzální technika umožňující nedestruktivní trojrozměrné (3D) zobrazování. Je široce používána v průmyslu pro metrologii a charakterizaci materiálů. V poslední době našla svůj význam také v biologii a vývojové vědě, kde 3D rekonstruovaná data poskytují komplexnější informace o vzorku než konvenční 2D zobrazovací metody. Kromě toho může vytvářet vysoce kvalitní snímky různých biologických vzorků. Překážkou při zobrazování biologických vzorků může být velmi podobný koeficient útlumu měkkých tkání, a proto je nutné použít barvení chemickou látkou. Tato práce si klade za cíl pomocí mikropočítačové tomografie vizualizovat a kvalitativně vyhodnotit srdce embryonálních myší E17.5 a představit nejlepší barvící protokol. Dále byla zavedena metodika pro zvýraznění rozdílů mezi myší divokého typu a mutantem. Rigaku nano 3DX byl použit pro experimenty s mezi-komorovou přepážkou myšího srdce a po nastavení specifických parametrů zařízení byl použit algoritmus pro zvýraznění fáze. Nakonec byla provedena validace $\mu$ CT dat se snímkami z konfokálního mikroskopu.
|
|
|
The immune response of naïve mice infected with the neuropathogenic schistosome Trichobilharzia regenti
Macháček, Tomáš
Helminth neuroinfections represent a serious health issue, but the mechanisms of the host immune response often remain neglected despite the fact they might contribute to pathogenesis. This is partly due to the unavailability of clinical samples and the lack of suitable laboratory models. Herein, I focused on the characterization of several aspects of the immune response of mice infected with the neuropathogenic avian schistosome Trichobilharzia regenti. After the percutaneous infection of mice (accidental hosts), most T. regenti schistosomula are entrapped and eliminated in the skin, but the parasite antigens initiating the protective immune reaction are not known. Our in vitro experiments revealed that T. regenti cathepsin B2, a cysteine peptidase used for the skin penetration, activates bone marrow-derived dendritic cells much stronger than the parasite homogenate, suggesting its role in initiating the mixed type1/2 host immune response. However, some schistosomula manage to escape from the skin and continue their migration to the spinal cord. Here they crawl preferentially within the white matter which we demonstrated by the robust 3D imaging techniques, ultramicroscopy and micro-CT. The invasion of the spinal cord is accompanied by striking hypertrophy of astrocytes and microglia. We showed...
|
|
|
The immune response of naïve mice infected with the neuropathogenic schistosome Trichobilharzia regenti
Macháček, Tomáš
Helminth neuroinfections represent a serious health issue, but the mechanisms of the host immune response often remain neglected despite the fact they might contribute to pathogenesis. This is partly due to the unavailability of clinical samples and the lack of suitable laboratory models. Herein, I focused on the characterization of several aspects of the immune response of mice infected with the neuropathogenic avian schistosome Trichobilharzia regenti. After the percutaneous infection of mice (accidental hosts), most T. regenti schistosomula are entrapped and eliminated in the skin, but the parasite antigens initiating the protective immune reaction are not known. Our in vitro experiments revealed that T. regenti cathepsin B2, a cysteine peptidase used for the skin penetration, activates bone marrow-derived dendritic cells much stronger than the parasite homogenate, suggesting its role in initiating the mixed type1/2 host immune response. However, some schistosomula manage to escape from the skin and continue their migration to the spinal cord. Here they crawl preferentially within the white matter which we demonstrated by the robust 3D imaging techniques, ultramicroscopy and micro-CT. The invasion of the spinal cord is accompanied by striking hypertrophy of astrocytes and microglia. We showed...
|
|
|
The immune response of naïve mice infected with the neuropathogenic schistosome Trichobilharzia regenti
Macháček, Tomáš ; Horák, Petr (advisor) ; Bilej, Martin (referee) ; Schabussova, Irma (referee)
Helminth neuroinfections represent a serious health issue, but the mechanisms of the host immune response often remain neglected despite the fact they might contribute to pathogenesis. This is partly due to the unavailability of clinical samples and the lack of suitable laboratory models. Herein, I focused on the characterization of several aspects of the immune response of mice infected with the neuropathogenic avian schistosome Trichobilharzia regenti. After the percutaneous infection of mice (accidental hosts), most T. regenti schistosomula are entrapped and eliminated in the skin, but the parasite antigens initiating the protective immune reaction are not known. Our in vitro experiments revealed that T. regenti cathepsin B2, a cysteine peptidase used for the skin penetration, activates bone marrow-derived dendritic cells much stronger than the parasite homogenate, suggesting its role in initiating the mixed type1/2 host immune response. However, some schistosomula manage to escape from the skin and continue their migration to the spinal cord. Here they crawl preferentially within the white matter which we demonstrated by the robust 3D imaging techniques, ultramicroscopy and micro-CT. The invasion of the spinal cord is accompanied by striking hypertrophy of astrocytes and microglia. We showed...
|
guest ::
