In vivo aplikace holografické endoskopie

Simple item page
but.committeeprof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda) Ing. Petr Bouchal, Ph.D. (člen) Ing. Oto Brzobohatý, Ph.D. (člen) Mgr.Silvie Bernatová, Ph.D. (člen) RNDr. Jan Balvan, Ph.D. (člen)cs
but.defenceDizertační práce Mgr. Terezy Tučkové se věnuje vývoji pokročilých metod pro zobrazování hlubokých mozkových struktur in vivo pomocí multimodového optického vlákna. Tento velmi tenký holografický endoskop umožňuje zkoumání procesů probíhajících v mozku bez jeho výrazného mechanického poškození. Téma je velice aktuální a stanovené cíle byly splněny. Vyvinutá metodologie má potenciál pro rozvoj zobrazovacích metod, které umožní studium a porozumění funkcí mozku na dosud nevídané úrovni. Dizertační práce tedy nepřispívá jen k rozvoji mikroskopie, ale potenciálně i k rozvoji v medicíně. . V průběhu obhajoby paní Mgr. Tučková zodpověděla na dotazy oponentů i členů komise uspokojivě a prokázala výborné znalosti ve zkoumané problematice.cs
but.jazykangličtina (English)
but.programPokročilé materiály a nanovědycs
but.resultpráce byla úspěšně obhájenacs
dc.contributor.advisorUhlířová, Hanaen
dc.contributor.authorChmelíková, Terezaen
dc.contributor.refereeBrzobohatý,, Otoen
dc.contributor.refereeBouchal, Petren
dc.date.accessioned2025-03-27T10:39:14Z
dc.date.available2025-01-30cs
dc.date.available2025-03-27T10:39:14Z
dc.date.created2023cs
dc.description.abstractPokrok v porozumění komplexním mozkovým funkcím závisí na schopnosti opticky dosáhnout jakékoli vybrané struktury a oblasti živého mozku se subbuněčným rozlišením při minimálním poškození tkáně. Zpřístupňování hlubších oblastí tkání rozptylujících světlo je v současnosti umožněno zejména vývojem optických endoskopických sond, například mikroendoskopy s gradientními čočkami (GRIN) a svazky optických vláken. Pokrok v metodách holografické modulace světla dosažený v poslední době přinesl jako další nadějný směr pro zobrazování s vysokým rozlišením hluboko ve tkáních použití vícevidových optických vláken (MMF) jako zobrazovacích prvků. Ve srovnání s endoskopy založenými na GRIN čočkách a svazcích optických vláken poskytují MMF nejvyšší poměr rozlišení obrazu ku tloušťce sondy a způsobují minimální poškození tkáně. Úvodní část práce poskytuje přehled o nejmodernějších technologiích hloubkového zobrazování mozku in vivo, vícevidové vláknové endoskopii a jejích principech s cílem představit související technologii. Hlavním technologickým zaměřením práce je použití digitálního mikrozrcátkového zařízení (DMD) k modulaci světla, šířící se MMF sondou. To umožňuje rychlé rastrování fluorescenčního vzorku v zobrazovací rovině za distální hranou vlákna. Byla sestrojena optická sestava využívající tohoto principu, bylo dosaženo vysoké stability a byly pečlivě vyhodnoceny zobrazovací vlastnosti. Ty byly demonstrovány na 2D a 3D fluorescenčních fantomových vzorcích. Dále jsme vyvinuli metodu zpracování obrazu, zlepšující jeho kvalitu a umožňující dosáhnout plného potenciálu difrakčně omezeného rozlišení. Použití algoritmů využívajících regularizované iterativní inverze, případně regularizované přímé pseudoinverze, zvyšuje kontrast a rozlišení obrazu. Další cestou k ex vivo a in vivo zobrazování bylo použití geneticky modifikované myši. Identifikovali jsme vhodné myší modely a ex vivo zobrazování mozku ukázalo, že snímky trpí silným fluorescenčním signálem pozadí z oblastí mimo ohniskovou rovinu. Proto se další práce zaměřila na vývoj technologie útlumu světla založené na konfokálním principu. Byla sestrojena optická sestava pro konfokální filtraci "dírkovou clonkou" s použitím speciální sondy složené z MMF s odstupňovaným indexem lomu spojeného s MMF se skokovým indexem, a druhého DMD. Během zobrazování byl fluorescenční signál shromážděný GRIN-SI-MMF sondou filtrován ve vzdáleném poli sondy, kde se pro každý skenovací ohniskový bod vytváří prstenec. Prstencovitý signál se pak oddělí pomocí masky na DMD2, čímž se také oddělí signál pocházející z ohniska od signálu vznikajícího mimo ohnisko. Na experimentech s použitím fantomového vzorku fluorescenčních mikrokuliček i fixované mozkové tkáně bylo prokázáno, že toto konfokální filtrování vede k zeslabení signálu pozadí, tedy signálu z mimoohniskových rovin, čímž se zvyšuje kontrast a rozlišení snímků. Tento princip konfokální filtrace v holografickém endoskopu byl rovněž demonstrován pomocí nové MMF sondy s bočním zobrazováním. Práce ukazuje jen kousek skládačky dlouhodobého komplexní vývoje optimálního nástroje pro hloubkové tkáňové zobrazování s vysokým rozlišením. Holografický endoskop využívající MMF byl zdokonalen tak, že může sloužit k rutinnímu několikahodinovému zobrazování biologických tkání s možností útlumu světla pocházejícího mimo ohniskovou rovinu. Endoskop byl testován při zobrazování fantomových vzorků i fixovaných plátků myšího mozku a in vivo cév až do hloubky 5 mm.en
dc.description.abstractThe progress in understanding of complex brain function is conditioned by the ability to optically access any chosen structure and area in the living brain with minimal tissue damage and with sub-cellular resolution, The progress in accessing deeper into the light-scattering tissue stands nowadays largely on the development of optical endoscopic probes such as microendoscopes with incorporated graded index (GRIN) lenses and fibre-optic bundles. Due to recent advancements in holographic light shaping methodology, using multimode optical fibres (MMF) as imaging elements has become promising for high resolution imaging deep in the tissue. In comparison to GRIN-based endoscopes and fibre bundles endoscopes, MMFs provide the highest ratio of image resolution and probe thickness causing minimal tissue damage. This thesis first provides an overview of the current state-of-the-art in vivo deep brain imaging technology, multi-mode fibre-based endoscopy and its principles to introduce the related technology. The main technological focus of the thesis stands on using a digital micro-mirror device (DMD) to modulate light through the MMF probes. This enables fast raster scanning of the fluorescent sample at the imaging plane of the fibre distal facet. An optical setup exploiting this principle has been built, its imaging properties carefully evaluated, and high stability reached. Its imaging abilities have been demonstrated on 2D and 3D fluorescent phantom samples. Consequently, we have developed an image post-processing procedure to enhance the detected image and reach the full diffraction-limited resolution potential. Using algorithms, one based on a regularised iterative inversion and second on regularised direct pseudo-inversion, lead to enhancement of the image contrast and resolution. Further, we used genetically modified mice to move towards ex vivo and in vivo imaging. Suitable mouse models were identified and its ex vivo brain imaging showed that the images suffer from strong background fluorescent signal from out-of-focus planes. Therefore, further work focused on technological development for light attenuation based on the confocal principle. An optical setup for confocal “pinhole” filtration has been built using a custom-made probe consisting of graded-index MMF spliced at the tip of the step-index MMF and a second DMD. The fluorescent signal collected by the GRIN-SI-MMF was filtered in the probe far field where for every scanning focal point it forms an annular ring. This ring-signal, and thus also the out-of-focus signal, was then separated using a mask on DMD2. On a set of experiments using phantom sample of fluorescent microspheres and fixed brain tissue it has been demonstrated that this confocal filtering leads to attenuation of the background signal, the signal from the out-of-focus planes thus enhancing the images contrast and resolution. This principle of confocal filtering in the holographic endoscope has been also demonstrated using a novel side-view MMF probe. This work shows a piece of a puzzle in a long-term complex development of an optimal tool for deep-tissue and high-resolution imaging. The MMF-based holographic endoscope has been advanced to routine imaging of biological tissue in range of hours with the feature of out-of-focus light attenuation. The endoscope has been tested on imaging of phantom samples as well as fixed mouse brain slices and in vivo vasculature down to depth of 5 mm.cs
dc.description.markPcs
dc.identifier.citationCHMELÍKOVÁ, T. In vivo aplikace holografické endoskopie [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2023.cs
dc.identifier.other146330cs
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11012/250618
dc.language.isoencs
dc.publisherVysoké učení technické v Brně. CEITEC VUTcs
dc.rightsPřístup k plnému textu prostřednictvím internetu byl licenční smlouvou omezen na dobu 2 roku/letcs
dc.subjectHolografická endoskopieen
dc.subjectmikroendoskopieen
dc.subjectoptické vláknoen
dc.subjectvícevidové vláknoen
dc.subjectmodulátor světlaen
dc.subjectdigitální mikro-zrcátkové zařízeníen
dc.subjectpřenosová maticeen
dc.subjectfluorescenční zobrazováníen
dc.subjectvýpočetní vylepšení obrazuen
dc.subjectmyší modelyen
dc.subjectgenotypizaceen
dc.subjectpříprava vzorku tkáněen
dc.subjectzobrazování ex vivoen
dc.subjectkonfokální zobrazováníen
dc.subjectpotlačení světla z oblastí mimo ohniskovou rovinuen
dc.subjectzobrazování in vivoen
dc.subjectHolographic endoscopycs
dc.subjectmicroendoscopycs
dc.subjectoptical fibrecs
dc.subjectmultimode fibrecs
dc.subjectlight modulatorcs
dc.subjectdigital micro-mirror devicecs
dc.subjecttransmission matrixcs
dc.subjectfluorescence imagingcs
dc.subjectcomputation image enhancementcs
dc.subjectmouse modelcs
dc.subjectgenotypizationcs
dc.subjecttissue preparationcs
dc.subjectex vivo imagingcs
dc.subjectconfocal imagingcs
dc.subjectout-of-focus light suppressioncs
dc.subjectin vivo imagingcs
dc.titleIn vivo aplikace holografické endoskopieen
dc.title.alternativeIn vivo application of holographic endoscopycs
dc.typeTextcs
dc.type.driverdoctoralThesisen
dc.type.evskpdizertační prácecs
dcterms.dateAccepted2023-01-30cs
dcterms.modified2023-02-02-16:15:55cs
eprints.affiliatedInstitution.facultyCEITEC VUTcs
sync.item.dbid146330en
sync.item.dbtypeZPen
sync.item.insts2025.03.27 11:39:14en
sync.item.modts2025.01.30 00:31:57en
thesis.disciplinePokročilé nanotechnologie a mikrotechnologiecs
thesis.grantorVysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. Středoevropský technologický institut VUTcs
thesis.levelDoktorskýcs
thesis.namePh.D.cs
Files
Original bundle
Now showing 1 - 5 of 6
Thumbnail Image
Name:
final-thesis.pdf
Size:
4.33 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
file final-thesis.pdf
Download
Thumbnail Image
Name:
thesis-1.pdf
Size:
2.92 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
file thesis-1.pdf
Download
Thumbnail Image
Name:
Posudek-Vedouci prace-Posudek_skoliteleTT.pdf
Size:
643 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
file Posudek-Vedouci prace-Posudek_skoliteleTT.pdf
Download
Thumbnail Image
Name:
Posudek-Oponent prace-Posudek_Brzobohaty_no_signature.pdf
Size:
268.68 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
file Posudek-Oponent prace-Posudek_Brzobohaty_no_signature.pdf
Download
Thumbnail Image
Name:
Posudek-Oponent prace-Posudek_Dr_Bouchal_nosignature.pdf
Size:
155.08 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
file Posudek-Oponent prace-Posudek_Dr_Bouchal_nosignature.pdf
Download
Collections
2023