Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Statistical analysis of selected parameters of biological cells investigated with digital holographic microscopy

Patryk Kamil Nienałtowski

Abstract

The motivation to implement this engineering thesis is the progressive development of quantitative phase imaging methods in biomedical applications, as well as the need for statistical analysis of the results obtained in these methods. In particular I have focused on the statistical analysis of the phase results of cell cultures obtained in the digital holographic microscope (DHM). The uniqueness of DHM consists in capability to analyze transparent or quasitransparent cells in the label-free (no interference of markers with biomaterial) and quantitative manner. Due to this feature digital holographic microscopy can become the basic tool for cell and tissue investigations and in the future even replace traditional optical imaging. The aim of the engineering thesis is to develop a methodology and tools for statistical analysis of selected cell parameters based on phase measurements. The thesis contains the review of available solutions for the analysis of biological images and the assessment of their utility for phase images analysis. Due to numerous disadvantages of the available solutions and their incongruity to DIC requirements I had decided that a new software for image processing and analysis of an integrated phase should be developed. The algorithms should ensure proper image preprocessing and segmentation, individual cells separation and determination of their individual parameters. The software developed in the thesis was tested on two examples of analysis of DIC results, namely investigations of the cultures of: NIH3T3 fibroblasts and HaCaT keratinocytes. The results for fibroblast analysis were obtained by MSc M. Baczewska in the laboratory at the Westfalen University of Wilhelm in Münster. HaCaT keratinocyte cultures were prepared by a team from the Medical University of Warsaw and I carried out the holographic measurements of cells during their apoptosis process in the laboratory of the Institute of Micromechanics and Photonics, WUT. Both measuring systems were based on the Mach-Zehnder interferometer architecture with a camera capturing the off-axis image plane holograms. This allowed to use in both cases the simplified method of phase reconstruction by the Fourier Transform Method. The comparison of statistical results of the analysis performed at live and fixed NIH3T3 fibroblasts has showed clear differences in the values of dry mass and phase volume for the significance level of 6%. It was also found that the surfaces of live and fixed fibroblasts do not differ from each other with a 3% probability of error. In the case of HaCaT keratinocyte series, the ability to monitor and analyze different stages of cell life based on the parameters correlated with measured phases was demonstrated. The tools developed during this thesis and the obtained results create good basis for introducing a digital holographic microscope as a quantitative tool for full and reliable analysis of biophysical parameters of biological material.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Patryk Kamil Nienałtowski (FM) Patryk Kamil Nienałtowski,, Faculty of Mechatronics (FM)
Title in Polish
Analiza statystyczna wybranych parametrów komórek biologicznych zmierzonych w układzie cyfrowego mikroskopu holograficznego
Supervisor
Małgorzata Kujawińska (FM/IMPh) Małgorzata Kujawińska,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Certifying unit
Faculty of Mechatronics (FM)
Affiliation unit
The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)
Study subject / specialization
, Mechatronika
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
07-02-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Małgorzata Kujawińska (FM/IMPh) Małgorzata Kujawińska,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM) Wojciech Krauze (FM/IMPh) Wojciech Krauze,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Keywords in Polish
fazowe obrazowanie ilościowe, cyfrowa mikroskopia holograficzna, segmentacja obrazów biologicznych, sucha masa, fibroblasty NIH3T3, keratynocyty HaCaT, analiza statystyczna.
Keywords in English
quantitative phase imaging, digital holographic microscopy, biological image segmentation, dry mass, NIH3T3 fibroblasts, HaCaT keratinocytes, statistical analysis
Abstract in Polish
Motywacją do realizacji niniejszej pracy inżynierskiej jest postępujący rozwój metod fazowego, ilościowego obrazowania w zastosowaniach biomedycznych i równocześnie zapotrzebowanie na analizę statystyczną wyników uzyskiwanych w tych metodach. W szczególności skoncentrowałem się na analizie statystycznej wyników fazowych hodowli komórkowych pozyskanych w układzie cyfrowego mikroskopu holograficznego (CMH). Wyjątkowość stosowania CMH polega na możliwości uzyskania informacji ilościowej o komórce, bez konieczności jej znakowania i ingerencji w strukturę komórki. Dzięki temu cyfrowa mikroskopia holograficzna może się stać podstawowym narzędziem do badań komórek i tkanek, a w przyszłości nawet zastąpić tradycyjne obrazowanie optyczne. Celem pracy jest opracowanie metodyki i narzędzi do analizy statystycznej wybranych parametrów komórek bazujących na pomiarach fazowych. W pracy przeprowadziłem przegląd dostępnych rozwiązań, służących do analizy obrazów biologicznych oraz ocenę możliwości ich wykorzystania do analizy obrazów fazowych. Ze względu na liczne wady dostępnych rozwiązań i ich niedopasowanie do wymagań CKO zdecydowałem, że należy opracować nowy program do przetwarzania i analizy obrazów fazy zintegrowanej, który zapewni właściwe przygotowanie obrazów, segmentację, wyodrębnienie i wyznaczenie parametrów komórek. Opracowane w pracy oprogramowanie przetestowałem na przykładzie analizy wyników z CKO uzyskanej w ramach badań hodowli dwóch typów komórek: fibroblastów NIH3T3 i keratynocytów HaCaT. Wyniki do analizy fibroblastów zostały pozyskane przez mgr. M. Baczewską w laboratorium na Westfalskim Uniwersytecie Wilhelma w Münster. Hodowle keratynocytów HaCaT zostały przygotowane przez zespół z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, a ich pomiary podczas procesu apoptozy przeprowadziłem na CKO w laboratorium Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki PW. Oba układy pomiarowe bazują na architekturze interferometru Mach-Zehndera z rejestracją hologramów w płaszczyźnie obrazu. Pozwoliło to na wykorzystanie jednakowej dla danych pochodzących z obu laboratoriów, uproszczonej metody rekonstrukcji fazy z wykorzystaniem metody transformaty Fouriera. Porównanie statystycznych wyników analizy żywych i utrwalonych fibroblastów NIH3T3 wykazało wyraźne różnice w wartościach suchej masy i objętości fazowej dla poziomu istotności równego 6%. Ustalono również, że powierzchnie żywych i utrwalonych fibroblastów nie różnią się od siebie z prawdopodobieństwem popełnienia błędu na poziomie 3%. W przypadku serii pomiarowych keratynocytów HaCaT wykazałem możliwość analizy etapu życia i rozwoju komórki na podstawie parametrów uzyskanych z przetwarzania informacji fazowej. Wyniki analizy statystycznej przeprowadzonej w niniejszej pracy są podstawą do wprowadzenia cyfrowego mikroskopu holograficznego jako narzędzia do pełnej i rzetelnej analizy parametrów biofizycznych materiału biologicznego.
File
  • File: 1
    278317_inz.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 31536

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT87dfea914fe14c11a57e322cf23cebc4/
URN
urn:pw-repo:WUT87dfea914fe14c11a57e322cf23cebc4

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page