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Fluorescence Lifetime Imaging Camera: Image Analysis, Optimization and Enhancement

Lin, Zhuang

German Title: Fluoreszenz-Lebensdauer-Imaging Kamera: Bildanalyse, Optimierung und Verbesserung

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Abstract

Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) is an imaging technique for producing an image based on differences in fluorescence lifetimes. The present thesis is devoted to analyzing a novel Fluorescence Lifetime Imaging Camera (FLI-Cam) system. The principle of the applied camera system is based on the Time-of-Flight (ToF) technique, which was originally designed for 3D depth scene imaging. Such a camera provides a high frame rate and realizes direct nanosecond-range fluorescence lifetime sensing. The main scope of this thesis is to deliver an optimized solution and rapid sophisticated algorithm for the FLI-Cam system with high accuracy. New time-gated schemes and heterodyne modulation scheme for FLIM using the pulse-based and continuous-wave-based (phase-based) ToF camera, respectively, are presented. In order to optimize the performance of the FLI-Cam system, a thorough statistical analysis is implemented and the photon economy of our FLIM techniques is investigated. Various operation modes and experimental parameters for the measurement have been studied and optimized. The presented theoretical result is validated by numerical simulations using the Monte Carlo method and real experiments. For the enhancement of the FLIM images from our system, the vector-valued total variation technique is applied to improve the quality of FLIM images for the first time. It shows better performance than other existing approaches.

Translation of abstract (German)

Die Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM) ist eine Bildgebungstechnik, welche auf den Unterschieden in der Fluoreszenzlebensdauer eines Farbstoffes basiert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse eines neuartigen Kamerasystems "Fluorescence Lifetime Imaging Camera" (FLI-Cam), dessen Funktionsprinzip auf der so genannten Time-of-Flight (ToF) Technik basiert. Diese Technik wird bereits bei der 3D Bildgebung eingesetzt. FLI-Cam soll eine Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer im Nanosekundenbereich ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines geeigneten, für das FLI-Cam-Kamerasystem optimierten und schnellen Auswerte-algorithmus mit hoher Genauigkeit. Es werden sowohl ein neues Schema zum zeitlichen Abtasten des Lichtsignals bei pulsbasierten ToF-Kamerasystemen als auch ein heterodynes Modulationsschema für phasenbasierte ToF-Messtechnik präsentiert. Zur Optimierung des Messverfahrens wurden eine statistische Analyse durchgeführt und die Photoneneffizienz der FLI-Cam-Messtechnik untersucht. Unterschiedliche Operationsmodi und experimentelle Parameter wurden studiert und konnten so optimiert werden. Die präsentierten theoretischen Ergebnisse wurden anhand von Monte-Carlo-Simulationen und realen Experimenten validiert. Zur Verbesserung der FLIM-Messdaten-qualität wurde ein vektorbasiertes Variationsverfahren, welche deutlich bessere Ergebnisse als bereits existierende Methoden lieferte, eingesetzt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 2. May 2012
Date Deposited: 31. Jul 2012 11:44
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 004 Data processing Computer science
Uncontrolled Keywords: Fluorescence lifetime , FLIM , Time-of-Flight camera , F-value , Phasor plot , Denoising
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