Modeli urejenosti za optično mikroskopijo bioloških tkiv

Urejenost tkiv in njihova arhitektura sta pomembna vidika pri določanju različnih tipov, stopenj in malignosti patologij. Edem in vnetje med drugim povrzočita spremembe v ureditvi tkiva preko vpliva na urejenost celic, njihovo velikost, obliko in gostoto. Določanje in kvantizacija teh sprememb je pomemben vidik patologije, ki mu deloma pomaga digitalna histologija. Slednja se običajno zanaša na geometrijske lastnosti celic in različne statistične metrike urejenosti, ki pa žal ne ponujajo poglobljenega vpogleda v spremembe v tkivih. V fiziki je problem urejenost in arhitekture splošnih vzorce dobro poznana tema, saj ureditev vzorcev igra pomembno vlogo pri vplivu na fizikalne lastnosti snovi. V fiziki trdne snovi kristalna mreža opisuje urejenost atomov, medtem ko urejenost dolgih molekul tekočih kristalov v mehki snovi popiše direktorsko polje. Opazovanje structure vzorcev v Fourierovem prostoru je še en primer pogosto uporabljane tehnike za opis structure in urejenosti v mnogih področjih fizike. V sklopu tega projekta predlagamo razvoj konceptov, analognih opisanim, in njihov prenos v digitalno histologijo. Predlagamo študijo structure tkiva in njegove urejenost preko analize v Fourierove prostoru, kjer se problem določanja usmeritev in karakterističnih dolžin poenostavi. Nadalje predlagamo razvoj algoritmov, ki bodo omogočali izračun konstruktov ekvivalentnih kristalni mreži in direktorskemu polju. Tovrsten pogled na problem bo nato uporabljen za določanje lastnosti tkiv kot so njihova pravilnost, gostota in usmerjenost. Nenazadnje takšen pristop omogoča opazovanje nepravilnosti v drugače zdravem tkivu, ki ustrezajo lokaliziranim sprememba. Te spremembe se v tkivni mreži in tkivnem direktorskem polju odražajo kot lokalizirani defekti. V prvi fazi projekta bo razvit sistem za polarizacijsko občutljive meritve na osnovi hiperspektralnega mikroskopa. Takšen pristop bo omogočal zajem multi-modalnih slik. Nadalje bodo posnete slike različnih patologij z različno urejenostjo. Slike bodo posnete z navadno mikroskopijo z belo svetlobo, hiperspektralno mikroskopijo in polarizacijsko občutljivo mikroskopijo. Slike bodo za obdelavo pripravljene s pred-obdelavo, podatki iz hiperspektralnih slik pa bodo izluščeni s fizikalnimi modeli interackije svetloba-snov in ob pomoči analize glavnih komponent. Nadalje bodo slike koregistrirane na ista področja in skupaj z referenčnimi oznakami področji, ki jih bodo pripravili patologi, sestavljene v podatkovno zbirko. V naslednjem koraku bodo razviti in testirani algoritmi, ki bodo omogočali določanje tkivne mreže in tkivnega direktorskega polja. Na osnovi tkivne mreže in direktorskega polja bomo izračunali značilke urejenost in arhitekture, ki jih bomo tudi preverili. Slike bomo preučevalu tudi v Fourierovem preostoru in tam določali značilke, kot je spektralna entropija slik, karakteristične skale velikost komponent in kotna odvisnost. Nenazadnje bodo predlagane značilke preverjetne in primerjane z opazljivimi spremembami v tkivih, določili pa bomo tudi njiho statistično moč za določanje sprememb v tkivih. V sklopu tega projekta bomo torej za prenos v biomedicinsko uporabo razvili in pripravili metode iz drugih področij fizike, ki omogočajo določanje urejenosti vzorcev. Tekom procesa bomo razvili nove algoritme in značilke, ki jih bomo sproti preverjali. Nove metode bodo že tekom razvoja sledile smernicam za razvoj kvantitativnih slikovnih biomarkejev, kar bo pomagalo pri njihovem prenosu v klinično okolje.