BIOMEDICAL IMAGING
Inleiding
Deze cursus omvat volgende onderwerpen;
o How to see objects smaller than de resolution of the eye?
o How to visualise specific macro-molecules in cells?
o How to track (sub)-cellular dynamics
o How to obtain throughput and boost information content?
o How to label samples for microscopy?
o How to bypass the diffraction limit?
o How to image in tick specimen?
o How to see true molecular detail?
o How to annotate and analyse images?
Biochemie vertelt iets over welke informatie en hoeveel informatie men heeft. Microscopie vertelt iets
meer over wanneer en waar iets gebeurt. Microscopie zal dan ook de complexiteit van een organisme
onthullen. Deze imaging kan men op verschillende manieren bekomen. Image-based biomarkers zullen
hierbij een grote rol spelen.
Beeldvorming kan men op verschillende manieren, niveaus, schalen,… bekomen.
Bovenop de klassieke beeldvorming kan men verschillende dimensies toevoegen. Zo kan men fusies
uitvoeren van verschillende technieken waardoor de complexiteit zal stijgen en men meer inzichten
zal kunnen krijgen.
Het oog is een krachtige detector. Het beeld dat gecapteerd wordt, wordt geprojecteerd op de retina.
De retina bestaat uit lichtgevoelige cellen die het signaal gaan omzetten in elektrische impulsen.
Het oog heeft een limiterend vermogen om punten van elkaar te scheiden. Het vermogen om twee
punten van elkaar te scheiden, noemt men de resolutie. Het oog heeft een resolutie van 0,1mm. Om
de resolutie te verbeteren kan men gebruik maken van een vergrootglas. Wanneer men een beeld wil
vormen van de afzonderlijke cellen van een organisme zal men gebruik maken van een microscoop.
Een microscoop maakt gebruik van een lenzen systeem. Minimaal gebruikt men twee lezen.
Dat men met behulp van een microscoop meer kon zien dan met het blote oog had men al heel snel
door. De revolutie van de microscoop begint namelijk al in de 14de eeuw. Over de tijd heen heeft de
microscoop verschillende vormen aangenomen. Microscopie heeft dus al een zeer lage weg afgelegd.
Tot op heden zijn er verschillende innovaties aan de gang.
, BIOMEDICAL IMAGING
Basics van de microscopie
Eigenschappen van golven:
- Golflengte
- Frequentie
- Amplitude
- Snelheid
- Fase
- Polarisatie
Licht is een samenstelling van golven. Deze golven zullen zich onderscheiden door hun golflengte. De
golflengtes die wijn kunnen zien liggen tussen de 400nm en 700nm. Het zichtbare licht is dus slechts
een marginale fractie van het elektromagnetische spectrum.
Dit spectrum gaat van radiogolven tot gammastralen. Elektromagnetische radiogolven zijn fluctuaties
tussen elektrische en magnetische golven dewelke energie kunnen transporteren.
Zichtbaar licht is niet anders dan het andere licht van het elektromagnetische spectrum met dat
verschil dat de mens dit licht kan zien.
Het oog kan enkel intensiteit en kleur onderscheiden. Fase veranderingen zal men dus niet kunnen
waarnemen. Faseveranderingen kunnen wel worden omgezet in amplitude veranderingen dewelke
men wel zal kunnen zien.
Elektromagnetische radiatie kan men eveneens beschrijven als een stroom van fotonen. Fotonen zijn
massaloze partikels die door de ruimte reizen met de eigenschappen van golven met de snelheid van
licht.
, BIOMEDICAL IMAGING
Principes van golven:
Golven stoppen niet wanneer het einde van een medium wordt bereikt. De golven ondergaan
verschillende gedragingen. Specifiek zijn dit reflectie, refractie en diffractie.
Zichtbaar licht zal steeds vertragen in een medium verschillend van vacuüm. Het
gevolg hiervan is refractie. De refractieve index is gelijk aan de snelheid van licht
𝑐
in vacuüm gedeeld door de snelheid van licht in het medium. 𝑛 = 𝑣
Refractie ofwel breking bedriegt het oog. Men zal dus de breking in rekening
dienen te houden zodat men in de microscopie geen dingen gaat zien die er
eigenlijk niet zijn of toch niet op de plaats. Men kan hierbij de vergelijking maken
sin 𝜃 𝑛
met de plaats van een vis is water. sin 𝜃1 = 𝑛1
2 2
REFRACTIE Refractie is afhankelijk van de golflengte. Elke kleur zal een verschillende breking
hebben. Dit is dan ook de reden waarom men bij een valavond de kleur rood tot
het laatst zal zien. Men spreekt van dispersie.
Wanneer men overgaat van het ene medium naar het andere medium, zal er dus
breking optreden. Maar onder een specifieke hoek zal licht reflecteren.
Coherent licht zal zich verspreiden wanneer het een opening passeert die kleiner
is dan de golflengte van het licht. Men spreekt van diffractie. Diffractie is dus het
afbuigen van licht. Aangezien het licht zal worden afgebogen, zal het niet op
eenzelfde moment aankomen waardoor men een diffractie patroon krijgt.
DIFFRACTIE 𝜆
sin 𝜃 = 𝑑
Wanneer twee diffractiepatronen elkaar tegen komen zal men interferentie
krijgen. Interferentie zal fase omzetten in amplitudeveranderingen. Men maakt
een onderscheid in constructieve en destructieve interferentie.
- Constructieve interferentie zal een versterking van de golven geven.
- Destructieve interferentie zal een uitdoving van de golven geven.
INTERFERENTIE
, BIOMEDICAL IMAGING
Het menselijk oog:
In de retina zal men twee verschillende cellen kunnen onderscheiden die ervoor zullen zorgen dat
men zal kunnen zien. Mens preekt van staafjes en kegeltjes. De staafjes en kegeltjes zullen het
visuele beeld doorgeven aan de hersenen via de optische zenuw.
• Kegeltjes
Het menselijk oog is capabel om kleuren te onderscheiden in het visuele licht. Het spectrum loopt
van violet (400nm) tot rood (700nm).
• Staafjes
Het oog kan een onderscheid maken in intensiteit. Men kan zwart van wit onderscheiden en al het
grijs ertussen.
Het oog kan enkel intensiteit en kleur onderscheiden. Fase veranderingen zal men dus niet kunnen
waarnemen. Faseveranderingen kunnen wel worden omgezet in amplitude veranderingen dewelke
men wel zal kunnen zien.
Lens theorie:
Bij een perfecte convexe lens kan men verschillende regels onderscheiden.
1. Parallelle stralen komen samen in het
brandpunt.
2. Stralen uit het brandvlak komen parallel
uit.
3. Stralen die door het centrum worden
niet beïnvloed
Inleiding
Deze cursus omvat volgende onderwerpen;
o How to see objects smaller than de resolution of the eye?
o How to visualise specific macro-molecules in cells?
o How to track (sub)-cellular dynamics
o How to obtain throughput and boost information content?
o How to label samples for microscopy?
o How to bypass the diffraction limit?
o How to image in tick specimen?
o How to see true molecular detail?
o How to annotate and analyse images?
Biochemie vertelt iets over welke informatie en hoeveel informatie men heeft. Microscopie vertelt iets
meer over wanneer en waar iets gebeurt. Microscopie zal dan ook de complexiteit van een organisme
onthullen. Deze imaging kan men op verschillende manieren bekomen. Image-based biomarkers zullen
hierbij een grote rol spelen.
Beeldvorming kan men op verschillende manieren, niveaus, schalen,… bekomen.
Bovenop de klassieke beeldvorming kan men verschillende dimensies toevoegen. Zo kan men fusies
uitvoeren van verschillende technieken waardoor de complexiteit zal stijgen en men meer inzichten
zal kunnen krijgen.
Het oog is een krachtige detector. Het beeld dat gecapteerd wordt, wordt geprojecteerd op de retina.
De retina bestaat uit lichtgevoelige cellen die het signaal gaan omzetten in elektrische impulsen.
Het oog heeft een limiterend vermogen om punten van elkaar te scheiden. Het vermogen om twee
punten van elkaar te scheiden, noemt men de resolutie. Het oog heeft een resolutie van 0,1mm. Om
de resolutie te verbeteren kan men gebruik maken van een vergrootglas. Wanneer men een beeld wil
vormen van de afzonderlijke cellen van een organisme zal men gebruik maken van een microscoop.
Een microscoop maakt gebruik van een lenzen systeem. Minimaal gebruikt men twee lezen.
Dat men met behulp van een microscoop meer kon zien dan met het blote oog had men al heel snel
door. De revolutie van de microscoop begint namelijk al in de 14de eeuw. Over de tijd heen heeft de
microscoop verschillende vormen aangenomen. Microscopie heeft dus al een zeer lage weg afgelegd.
Tot op heden zijn er verschillende innovaties aan de gang.
, BIOMEDICAL IMAGING
Basics van de microscopie
Eigenschappen van golven:
- Golflengte
- Frequentie
- Amplitude
- Snelheid
- Fase
- Polarisatie
Licht is een samenstelling van golven. Deze golven zullen zich onderscheiden door hun golflengte. De
golflengtes die wijn kunnen zien liggen tussen de 400nm en 700nm. Het zichtbare licht is dus slechts
een marginale fractie van het elektromagnetische spectrum.
Dit spectrum gaat van radiogolven tot gammastralen. Elektromagnetische radiogolven zijn fluctuaties
tussen elektrische en magnetische golven dewelke energie kunnen transporteren.
Zichtbaar licht is niet anders dan het andere licht van het elektromagnetische spectrum met dat
verschil dat de mens dit licht kan zien.
Het oog kan enkel intensiteit en kleur onderscheiden. Fase veranderingen zal men dus niet kunnen
waarnemen. Faseveranderingen kunnen wel worden omgezet in amplitude veranderingen dewelke
men wel zal kunnen zien.
Elektromagnetische radiatie kan men eveneens beschrijven als een stroom van fotonen. Fotonen zijn
massaloze partikels die door de ruimte reizen met de eigenschappen van golven met de snelheid van
licht.
, BIOMEDICAL IMAGING
Principes van golven:
Golven stoppen niet wanneer het einde van een medium wordt bereikt. De golven ondergaan
verschillende gedragingen. Specifiek zijn dit reflectie, refractie en diffractie.
Zichtbaar licht zal steeds vertragen in een medium verschillend van vacuüm. Het
gevolg hiervan is refractie. De refractieve index is gelijk aan de snelheid van licht
𝑐
in vacuüm gedeeld door de snelheid van licht in het medium. 𝑛 = 𝑣
Refractie ofwel breking bedriegt het oog. Men zal dus de breking in rekening
dienen te houden zodat men in de microscopie geen dingen gaat zien die er
eigenlijk niet zijn of toch niet op de plaats. Men kan hierbij de vergelijking maken
sin 𝜃 𝑛
met de plaats van een vis is water. sin 𝜃1 = 𝑛1
2 2
REFRACTIE Refractie is afhankelijk van de golflengte. Elke kleur zal een verschillende breking
hebben. Dit is dan ook de reden waarom men bij een valavond de kleur rood tot
het laatst zal zien. Men spreekt van dispersie.
Wanneer men overgaat van het ene medium naar het andere medium, zal er dus
breking optreden. Maar onder een specifieke hoek zal licht reflecteren.
Coherent licht zal zich verspreiden wanneer het een opening passeert die kleiner
is dan de golflengte van het licht. Men spreekt van diffractie. Diffractie is dus het
afbuigen van licht. Aangezien het licht zal worden afgebogen, zal het niet op
eenzelfde moment aankomen waardoor men een diffractie patroon krijgt.
DIFFRACTIE 𝜆
sin 𝜃 = 𝑑
Wanneer twee diffractiepatronen elkaar tegen komen zal men interferentie
krijgen. Interferentie zal fase omzetten in amplitudeveranderingen. Men maakt
een onderscheid in constructieve en destructieve interferentie.
- Constructieve interferentie zal een versterking van de golven geven.
- Destructieve interferentie zal een uitdoving van de golven geven.
INTERFERENTIE
, BIOMEDICAL IMAGING
Het menselijk oog:
In de retina zal men twee verschillende cellen kunnen onderscheiden die ervoor zullen zorgen dat
men zal kunnen zien. Mens preekt van staafjes en kegeltjes. De staafjes en kegeltjes zullen het
visuele beeld doorgeven aan de hersenen via de optische zenuw.
• Kegeltjes
Het menselijk oog is capabel om kleuren te onderscheiden in het visuele licht. Het spectrum loopt
van violet (400nm) tot rood (700nm).
• Staafjes
Het oog kan een onderscheid maken in intensiteit. Men kan zwart van wit onderscheiden en al het
grijs ertussen.
Het oog kan enkel intensiteit en kleur onderscheiden. Fase veranderingen zal men dus niet kunnen
waarnemen. Faseveranderingen kunnen wel worden omgezet in amplitude veranderingen dewelke
men wel zal kunnen zien.
Lens theorie:
Bij een perfecte convexe lens kan men verschillende regels onderscheiden.
1. Parallelle stralen komen samen in het
brandpunt.
2. Stralen uit het brandvlak komen parallel
uit.
3. Stralen die door het centrum worden
niet beïnvloed
