Matematické metody pro zpracování obrazu v biologických pozorováních

Abstract

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.

The dissertation deals with the image processing in digital holographic microscopy and X-ray computed tomography. The focus of the work lies in the proposal of data processing techniques to meet the needs of the biological experiments. Transmitted light holographic microscopy is particularly used for quantitative phase imaging of transparent microscopic objects such as living cells. The phase images are affected by the phase aberrations that make the analysis particularly difficult. Here, we present a novel algorithm for dynamical processing of living cells phase images in a time-lapse sequence. The algorithm compensates for the deformation of a phase image using weighted least squares surface fitting. Moreover, it identifies and segments the individual cells in the phase image. This property of the algorithm is important for real-time cell quantitative phase imaging and instantaneous control of the course of the experiment. The efficiency of the propounded algorithm is demonstrated on images of rat fibrosarcoma cells using an off-axis holographic microscope. High resolution X-ray computed tomography is increasingly used technique for the study of the small rodent bones micro-structure. In this part of the work, the trabecular and cortical bone morphology is assessed in the distal half of rat femur. We developed new method for mapping the cortical position and dimensions from a central longitudinal axis with one degree angular resolution. This method was used to examine differences between experimental groups. The bone position in tomographic slices is aligned before the mapping using the propound standardization procedure. The activity of remodelling process of the long bone is studied on the system of cortical canals.