Detail předmětu

Mikroskopická zobrazovací technika

FEKT-FMZTAk. rok: 2018/2019

Předmět je koncipován jako detailní přehled technik v oblasti světelné mikroskopie. Důraz je kladen na korektní a přiměřené objasnění základních pojmů. Předmět pokrývá oblast teorie světelné mikroskopie včetně pokročilých zobrazovacích technik.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- popsat prostorové šíření elektromagnetické vlny,
- vyjmenovat a vysvětlit význam jejich parametrů,
- definovat základní pojmy z optiky,
- aplikovat Fresnelovy koeficienty pro konkrétní případy,
- popsat jednoduchý optický systém maticovým zápisem,
- popsat princip světelného mikroskopu,
- popsat funkci jednotlivých komponent mikroskopu,
- posoudit základní optické vady a jejich vliv na výsledný obraz,
- srovnat vlastnosti polarizační mikroskopie, temného pole, fázového kontrastu a Nomarského kontrastu,
- popsat stavbu a aplikace fluorescenčního mikroskopu,
- popsat stavbu a aplikace laserového konfokálního mikroskopu,
- vysvětlit princip dvou-fotonové mikroskopie,
- vysvětlit princip TIRF metody,
- diskutovat, porovnat a vybrat detektory světelného záření.
- vybrat vhodnou mikroskopickou techniku pro danou aplikaci.

Prerekvizity

Student by měl být schopen vysvětlit základní optické zákony a měl by znát základy popisu elektromagnetického pole. Měl by mít také dostatečný matematický základ v oblasti maticového počtu.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává 10 protokolů z laboratorních cvičení.

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocení protokolů z laboratoří: 0 - 40 bodů
Hodnocení závěrečné zkoušky: 0 - 60 bodů
Závěrečná zkouška je zaměřena na testování znalostí jednotlivých principů ve světelné mikroskopii.

Osnovy výuky

1. Základy geometrické a vlnové optiky.
2. Fresnelovy koeficienty.
3. Maticový popis optických systémů.
4. Oko jako optický systém.
5. Základní konstrukční řešení mikroskopu.
6. Detektory - lavinové diody, fotonásobiče, CCD, CMOS, hybridní detektory, princip funkce a parametry.
7. Mikroskopie temného pole.
8. Fázový kontrast - princip vzniku kontrastu v obraze.
9. Stereomikroskopie.
10. Nomarského diferenciální interferenční kontrast.
11. Hoffmanův modulační kontrast.
12. Fluorescenční mikroskopie.
13. Laserová skenovací (konfokální) mikroskopie.
14. Dvoufotonová a vícefotonová mikroskopie. TIRF mikroskopie.
15. Optická koherentní mikroskopie.
16. Speciální fluorescenční mikroskopické techniky.
17. Moderní a superrozlišovací mikroskopické techniky - STED, STORM/PALM, SIM.
18. Základy elektronové mikoskopie.

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům základní orientaci v oblasti světelné mikroskopie, jednotlivých technikách a jejich principech a také využití v medicínských a biologických aplikacích.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní praktika jsou povinná a v případě omluvené absence je možná náhrada poslední výukový týden po domluvě s vyučujícím.

Základní literatura

D. B. Murphy Fundamentals of light microscopy and electronic imaging, Wiley-Liss, 2001
J. Kuběna, Úvod do optiky, MU Brno 1994, skriptum
P. Mouroulis Visual Instrumentation, McGraw-Hill, 1999

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BTBIO-F magisterský navazující

    obor F-BTB , 2 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D.

Osnova

1. Geometrická optika a vlnová optika - základní optické zákony, jevy a pojmy (interference, aberace, difrakce, polarizace světla), optické komponenty. Interakce světla s hmotou (tkání) - absorpce, rozptyl, útlum, fluorescence, fosforescence, autofluorescence.
2. Oko, jako optický systém, který se podílí na zobrazení. Anatomie oka. Některé zákony spojené s procesem vidění (skotopické, fotopické vidění, Weber - Fencherův zákon, Stiles - Crawfordův efekt, časová adaptační křivka při skotopickém vidění).
3. Popis optických systémů, kvantitativní hodnocení kvality těchto systémů (optická přenosová funkce, modulační přenosová funkce, Strehl ratio, aberační vlnoplocha)
4. Základní konstrukční řešení mikroskopu. Popis a vlastnosti jednotlivých komponent - tělo mikroskopu, okulár, objektiv, kondenzor, zdroje světla. Příklady mikroskopů jednotlivých výrobců.
5. Klasická a digitální mikroskopie, detektory - CCD, CMOS. Vlastnosti těchto detektorů především z hlediska poměru signál-šum, prostorového rozlišení, rychlosti snímání. Video-mikroskopie.
6. Přímý a invertovaný mikroskop - rozdíly v konstrukčním řešení. Mikroskopie temného pole - princip, konstrukce, aplikace. Fázový kontrast - fyzikální a matematický popis jevu fázového kontrastu, konstrukční řešení, aplikace.
7. Stereomikroskopie - princip stereo zobrazování, konstrukční řešení, zpracování naměřených snímků, využití. Nomarského diferenciální interferenční kontrast (DIC), Hoffmanův modulační kontrast (HMC).
8. Fluorescenční mikroskopie - jev fluorescence, princip zobrazování, konstrukční řešení, fluorescenční barviva, využití.
9. Laserová skenovací mikroskopie - princip snímání scény s postupným zaváděním informace. Laserová konfokální mikroskopie - princip konfokality, vliv na prostorové rozlišení. Fluorescenční konfokální mikroskopie, dvoufotonová a vícefotonová mikroskopie.
10. Optická koherentní mikroskopie a tomografie - využití jevu interference pro tomografické snímání scény. Systémy pracující v časové a spektrální oblasti. Aplikace.
11. Další pokročilé techniky zobrazování - TIRFM, FRAP, FRET, STED, holografická mikroskopie.
12. Příprava vzorků pro světelnou mikroskopii. Měření na živých organismech - kontraktilita srdečních buněk. Aplikace mikroskopických principů v oftalmologii, dermatologii, endoskopii.
13. Základní postupy při zpracování mikroskopických snímků - vytváření disparitních map ze stereoskopických snímků, dekonvoluce, vytváření zaostřeného snímku z více snímků snímaných s různou rovinou zaostření.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D.
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D.
Ing. Eva Orságová

Osnova

1. Úvodní laboratorní cvičení - seznámení se s technickým vybavením mikroskopické laboratoře a s jednotlivými úlohami. Úvod do softwarového prostředí NIS - Elements.
2. Základní operace s obrazem v prostředí Matlab.
3. Práce se stereomikroskopem, vliv osvětlení, rekonstrukce disparitní mapy.
4. Měření modulační přenosové funkce optické soustavy s využitím fotoaparátu Nikon a různých typů objektivů.
5. Zpracování obrazu z optického konfokálního mikroskopu.
6. Měření vlastností fluorescenčního barviva pomocí spektrofotometru.
7. Použití imerzních objektivů, základní techniky analýzy obrazů v prostředí NIS-Elements.
8. Mikroskopie v temném poli a fázový kontrast.
9. Mikroskopování v polarizovaném světle, Malusův zákon.
10. Měření vlnové délky světla pomocí mikroskopu a interferometrických metod.
11. Simulace v geometrické optice.
12. Měření s Hartmann-Shackovým aberometrem
13. Náhradní cvičení.