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Entwicklung eines hochauflösenden Ophthalmoskops mit strukturierter Beleuchtung und Beiträge zur Verbesserung der zugrundeliegenden Mikroskopiemethode

Best, Gerrit

English Title: Development of a Structured Illumination Ophthalmoscope for High Resolution Imaging of the Human Eyeground and Improvements to Structured Illumination Microscopy

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Abstract

Die strukturierte Beleuchtung stellt eine die ganze Bildfläche simultan betrachtende Fluoreszenzmikroskopietechnik dar. Durch computergestützte Nachbearbeitung, die sogenannte Rekonstruktion, der mit einem periodischen Muster beleuchteten Aufnahmen lassen sich superauflösende Bilder erzeugen. Die konventionelle Rekonstruktion strukturiert beleuchteter Daten benötigt ein geringes relatives Rauschniveau, also ein starkes Signal, um gute Ergebnisse zu erreichen, was in der Praxis insbesondere bei lebenden Objekten oftmals nicht realisierbar ist. Daher wurde eine entfaltungsbasierte Methode, die auf einer Sortierung der Bildpunkte beruht, zur Rekonstruktion strukturiert beleuchteter Daten entwickelt, welche einen deutlich geringeren Einfluss des Rauschens auf das Ergebnis aufweist. Eine weitere bisherige Einschränkung der strukturierten Beleuchtung liegt in der geringen Größe des aufnehmbaren Bereichs. Um dennoch die superauflösende Untersuchung großer Volumina zu ermöglichen, wurde ein Verfahren zur Bildzusammenführung erarbeitet, das das Bleichen der Fluoreszenz berücksichtigt. Die altersbedingte Makuladegeneration ist die häufigste Erblindungsursache in der westlichen Welt. Zur Aufzeichnung mit dieser Erkrankung einhergehender, autofluoreszenter Veränderungen im Augenhintergrund mit hoher Auflösung, wurde ein Ophthalmoskop mit strukturierter Beleuchtung entwickelt und seine Leistungsfähigkeit im Rahmen einer klinischen Studie überprüft. Die Gegenüberstellung mit einem leistungsfähigen konventionellen Vergleichsprodukt zeigt eine deutlich verbesserte Auflösung des erhaltenen Bildes. Dadurch kann die entwickelte Technik einen entscheidenden Beitrag zur besseren Untersuchung und Diagnose der Makuladegeneration liefern.

Translation of abstract (English)

Structured Illumination Microscopy is a technique based on patterned illumination, which illuminates the whole sample with spatially modulated light, followed by complex data postprocessing (reconstruction) in order to extract super-resolution information. The conventional reconstruction methods are very noise sensitive and therefore require strong signal in the data acquired. However, this is difficult to achieve in many cases such as imaging of living specimen. To overcome this drawback, an iterative deconvolution-based reconstruction method relying on a pixel-sorting scheme was developed. Simulation as well as real-world microscopic data provide proof of the alternative method's superiority. Another limitation of SIM has been posed by the restriction to small observable areas. Therefore an image stitching method was devised to nevertheless be able to analyse large volumes. Furthermore, a structured illumination ophthalmoscope (SIO) was developed to study age-related macular degeneration (AMD). Accompanied by the accumulation of auto-fluorescent particles in the retina, AMD is the main cause of blindness in the Western world. A clinical trial shows that the new method is able to generate images at higher resolution and quality than previously obtainable. As a result, the developed SIO contributes to improved diagnosis and research on AMD.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Cremer, Prof. Dr. Dr. Christoph
Date of thesis defense: 25 June 2014
Date Deposited: 07 Jul 2014 07:50
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Medizinische Fakultät Heidelberg > Universitäts-Augenklinik
Subjects: 000 Generalities, Science
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: Mikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Bildverarbeitung, Medizintechnik, Augenheilkunde
Uncontrolled Keywords: structured illumination microscopy
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