Entwicklung informatischer Methoden zur Auswertung hyperspektraler Mikroskopie-Daten für die Bestimmung und Lokalisation von Nanopartikeln im Gewebe

Stipendiatin/Stipendiat: Undral Erdenetsogt

Die Erforschung toxischer Umwelt-Wirkungen von Nanopartikeln (NP) sowie die Untersuchung von Eigenschaften solcher Materialien in der Biomedizin erfordern auch eine intensive Beobachtung von Nanopartikeln im zellulären Umfeld. Um dieses zeit- und kosteneffizient durchführen zu können, bedarf es u.a. eines lichtmikroskopischen Analyseverfahrens für solche biologischen Proben. Deshalb beschäftigt sich diese Promotion mit der Fragestellung des automatisierten Identifizierens und Lokalisierens von Nanopartikeln in Gewebeproben, wobei die Dunkelfeldmikroskopie und das Hyperspektral-Imaging als lichtmikroskopische Techniken angewendet werden. Es soll ein computergestütztes Nachweisverfahren konzipiert und in Software umgesetzt werden, mit dem sich mikroskopische Aufnahmen von NP-belasteten Zellproben weitgehend automatisiert analysieren lassen.
Im bisherigen Arbeitsverlauf konnten auf allen im Antrag beschriebenen Teilgebieten Fortschritte erzielt werden. So wurde ein Bildverarbeitungsverfahren zum Extrahieren von Zell- und Zellkernkonturen aus Mikroskop-Aufnahmen entwickelt. Die wesentlichen Verarbeitungsschritte dabei sind Kontrasterhöhung, Konturerkennung und –Glättung. Weiterhin gelang es, Nanopartikel anhand ihrer Spektren sowohl in Referenzlösungen als auch in Gewebeproben zu erkennen. Somit ist es möglich, Nanopartikeln in Zellstrukturen zu lokalisieren. Auch bei der Identifizierung von Nanopartikeln, bzw. ihrer Materialien, konnten erste Ergebnisse erzielt werden. Durch Approximation der NP-Spektren durch eine geeignete mathematische Funktion (z.B. Polynome, Splines) konnten anhand berechneter Funktions-parameter (z.B. Polynomkoeffizienten) Merkmalsvektoren für die Spektrumcharakterisierung gebildet werden, die für einen Vergleich der Spektren genutzt werden können. Die Untersuchungen wurden in Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Arbeits- und Zeitplan erfolgreich durchgeführt und zum Teil bereits veröffentlicht.

Förderzeitraum:
01.07.2015 - 28.02.2018

Institut:
Universität Duisburg-Essen
Medizinische Fakultät

Betreuer:
Prof. Dr. Martin Wiemann

E-Mail: E-Mail schreiben

Publikationen:

  • Nanopartikeldetektion in Zellpräparaten mit dem Hyperspektral-Imaging-Verfahren
    Erdenetsogt U, Vennemann A, Wiemann M, Lipinski HG (2016): Nanopartikeldetektion in Zellpräparaten mit dem Hyperspektral-Imaging-Verfahren. In: Tolxdorff T, Deserno TM, Handels H, Meinzer HP (Hrsg.): Bildverarbeitung für die Medizin 2016: Algorithmen – Systeme – Anwendungen. Reihe Informatik aktuell, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2016, pp. 242-247