kontakt    mapa strony  
    polski   english

Przetwarzanie i analiza obrazów w biologii

Współpraca:

W Instytucie Informatyki Stosowanej opracowywane są algorytmy przetwarzania i analizy obrazów do zastosowań biologicznych. Proponowane rozwiązania dotyczą głównie roślin uprawnych, namnażanych w warunkach eksperymentalnych i poddawanych rozmaitym zabiegom hodowlanym we wczesnych fazach rozwoju.

Analiza obrazu dotyczy:

Analizom poddawane są zarówno obrazy pochodzące z tradycyjnych metod obrazowania jak i z tomografu optycznego OCT. W 2012 roku zespół otrzymał dofinansowanie z MNiSW na wyposażenie stanowiska do dwu- i trójwymiarowej wizualizacji podpowierzchniowych struktur w tkankach organizmów oraz w materiałach z wykorzystaniem wysokorozdzielczej optycznej koherentnej tomografii (OCT). W ramach stanowiska funkcjonują obecnie dwa aparaty oferujące długość fali w zakresie podczerwieni 800 i 1300 nm.


Przegląd realizowanych zagadnień:
 
Wykrywanie linii papilarnych na podstawie wewnętrznych warst skóry w obrazach uzyskanych za pomocą optycznej tomografii koherentnej
 
Algorytm wykrywania linii papilarnych bazuje na wykryciu dobrze widocznych w obrazie OCT skóry granic: powietrze - warstwa rogowa oraz epiderma - skóra właściwa. Analizie podlega obraz wolumetryczny (C-skan), analizowany w płaszczyźnie xzy oraz yzx. Wykrywanie granic polega na lokalizacji dwóch najsilniejszych sygnałów optycznych w kolejnych A-skanach.
Publikacja:
Joanna Sekulska-Nalewajko, Jarosław Gocławski, Dominik Sankowski. The Detection of Internal Fingerprint Image Using Optical Coherence Tomography. Image Processing and Communication, 2017 - w przygotowaniu.
Analiza podpowierzchniowych struktur korzeni południowoamerykańskiej rośliny Schkuhria pinnata z zastosowaniem optycznej tomografii koherentnej (OCT), w celu wykrycia położenia kanałów żywicznych.
 
Wydobycie i ocenę cech wolumetrycznych kanałów w obrazie OCT wykonano metodą rozrostu regionów. Badania wykonywano we współpracy z Instytutem Fizyki UMK w Toruniu.
Publikacja:
Joanna Sekulska-Nalewajko, Jarosław Gocławski, Marzena Wielanek, Ewa Gajewska, Szymon Tamborski. A Method for Thiarubrine Canals Extraction in Optical Coherence Tomography Images of Schkuhria Pinnata Roots. Image Processing and Communication, 19(2-3): 151-160, 2014.

Automatyczny pomiar przestrzeni zasiedlanej w podłożu porowatym przez różne gatunki grzybów przeznaczonych do produkcji oligomerów i nanowłókien celulozowych na drodze biodegradacji masy roślinnej.
 
Badania wykonywano w ramach grantu POIG (2010-2012) dotyczącego zastosowania biomasy do wytwarzania materiałów polimerowych przyjaznych środowisku, beneficjent Instytut Biotechnologii Technicznej Politechniki Łódzkiej.
Publikacja:
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., A graph-based approach to the segmentation of images with mould filled foam matrices. Image Processing and Communication, 17(4): 59-70, 2012.

Ocena reakcji roślin dyniowatych (ogórek, dynia) na stres biotyczny i abiotyczny na podstawie zmian barwnych w blaszkach liściowych.
 
W ramach reakcji obronnej na zakażenia wirusowe i bakteryjne oraz różnego rodzaju abiotyczne czynniki środowiskowe rośliny produkują reaktywne związki tlenu (Reactive Oxygen Species, ROS), które mogą wpływać na ich metabolizm. Po zaaplikowaniu sztucznego barwnika koncentracja ROS w liściach uwidaczniana jest w postaci nieregularnych obszarów o różnym natężeniu koloru i wielkości. W algorytmie wykrywającym zmiany barwne wykorzystano m. in.  dwuwarstwową sieć neuronową.
 
Zespół opracował także alternatywną metodę badawczą reaktywnych związków tlenu z zastosowaniem darmowej aplikacji Fiji (ImageJ). W przypadku wykorzystania pluginu prosimy o wskazanie referencji do artykułu poniżej.
 
Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J. Chojak-Koźniewska J., Kuźniak E. Automated image analysis for quantification of reactive oxygen species in plant leaves. Methods - accepted manuscript DOI: 10.1016/j.ymeth.2016.05.018.
 
Pozostałe publikacje:
Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J. The computer evaluation of surface colour changes in cultivated plants influenced by different environmental factors. In: Computer Vision in Robotics and Industrial Applications. D. Sankowski [ed.]. Computer Vision Series (3). World Scientific Publishing: 437-471, 2014.
Kuźniak E., Świercz U., Chojak J., Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J. Automated image analysis for quantification of histochemical detection of reactive oxygen species and necrotic infection symptoms in plant leaves. Journal of Plant Interactions 9(1): 167-174. (2014).
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., Kuźniak E., Neural network segmentation of images from stained cucurbits leaves with colour symptoms of biotic and abiotic stresses. Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., 2012, Vol. 22, No. 3, 669–684. [PDF]
Kuźniak E., Chojak J., Świercz U., Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J. Interaction between salt stress and angular leaf spot (Pseudomonas syringae pv. lachrymonas) in cucumber. Vegetable Crops Research Bulletin (2012), 77: 5-16. [PDF]
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., An image segmentation method to reveal regions of stress manifestation in stained cucurbits’ leaves using LVQ neural network, Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2011, 105-118, ISSN 1429-3447 [PDF]

Segmentacja autoradiogramów (obrazów) znakowanych tymidyną w celu określenia zawartości radioaktywnego znacznika (trytu) wbudowanego do DNA jąder komórkowych rzodkiewki. Ilość znacznika stanowi podstawę do zdefiniowania poziomu syntezy DNA  w komórkach roślinnych. Obok pokazano przykładowe obrazy komórek roślinnnych znakowanych radiograficznie przed i po automatycznej detekcji skupień markera
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., Anioł P. Metoda segmentacji obrazów mikroskopowych komórek roślinnych znakowanych radiograficznie do wyznaczania poziomu syntezy DNA w jądrach komórkowych. Zeszyty Naukowe AGH Nr. 3, Automatyka Tom 11 . Kraków, 2007, s. 75 – 87.
 
Ilościowa ocena zakłóceń procesu mitozy na podstawie przetwarzania i analizy obrazów komórek merystematycznych cebuli. Opracowany system rozpoznaje poszczególne fazy mitozy, a poprzez wyznaczanie dodatkowych parametrów - indeksu mitotycznego, zawartości mikrojąder, frekwencji podstawowych typów aberracji mitozy mogących świadczyć o zakłóceniach procesu podziału - stanowi narzędzie do detekcji zakłóceń wzrostu tkanek roślin związanych między innymi z zanieczyszczeniami środowiska np. skażeniami chemicznymi czy promieniowaniem jonizującym. Do określenia faz mitozy wyznaczono szereg ilościowo opisanych cech chromosomów oraz zastosowano drzewo decyzyjne. 
 
Goclawski J., Sekulska-Nalewajko J., Anioł P. The segmentation of meristematic Allium cell images and extraction of nuclei features for the purpose of mitotic index evaluation. Proceedings of the 4th International IEEE Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design MEMSTECH’2008, May 21-24 (2008), Polyana, Ukraine.
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., Anioł P. Metoda automatycznego wyznaczania indeksu mitotycznego populacji komórek cebuli z wykorzystaniem drzewa decyzyjnego. Zeszyty Naukowe AGH, Automatyka, 2008, t.12, z.3: 641-656.
 
Algorytm wspomagający badanie cech morfologicznych i topologii komórek tytoniu typu BY-2. BY-2 jest to szczep posiadający specyficzne cechy ułatwiające jego hodowlę i późniejsze wykorzystanie do badań nad fizjologią komórek roślinnych, takie jak szybki wzrost i łatwość synchronizacji cyklu komórkowego całej linii hodowlanej. Jednakże przebywanie komórek w zawiesinie w trakcie hodowli powoduje, że podczas obserwacji w preparatach znaleźć mogą się zarówno przypadkowe aglomeraty komórek jak i naturalnie tworzone łańcuchy, co utrudnia wizualną inspekcję i prawidłowe zaklasyfikowanie faz hodowlanych. Przygotowany algorytm wspomaga zliczanie komórek poprzez automatyczne rozróżnianie poszczególnych typów agregacji komórek.
 
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., Anioł P. A segmentation method for microscope images of BY‑2 tobacco cells in suspension cultures. IEEE Proceedings of the VI-th International Conference of Young Scientists MEMSTECH, Lviv-Polyana, 20-23 April 2010,  Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine.
 
Ocena zmian topologicznych i morfologicznych korzeni pszenicy hodowanych w warunkach stresu abiotycznego.
 
 
Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J., Gajewska E., Wielanek M. An automatic segmentation method for scanned images of wheat root systems with dark discolourations. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science (2009), vol. 9(4): 831-847 (PDF)
Gocławski J.,  Sekulska-Nalewajko J., Gajewska E., Wielanek M. Automatyczny pomiar długości korzeni siewek pszenicy  z hodowli hydroponicznej przy wykorzystaniu metod przetwarzania i analizy obrazów, Automatyka. Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej. 2009: 831-847.
Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., "Segmentation and geometry identification of white roots in two-dimensional scanner images", IEEE Proceedings of the V-th International Conference of Young Scientists MEMSTECH, Lviv-Polyana 2009, pp. 73-76, 2009
 
Ocena stopnia porażenia jabłoni zarazą ogniową (organizm infekujący - bakteria Erwinia amylovora) na podstawie zmian w blaszkach liściowych.
 
 
Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., Gajewska E., Wielanek M. An algorithm to extract first and second order venation of apple-tree leaves stained for H2O2 detection. Automatyka. Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2010.
 
Pomiar zawartości DNA w jądrach komórkowych wybarwianych metodą Feulgena przy wykorzystaniu komputerowego cytometru obrazowego. Wykryte odchylenia od normy rozkładu zawartości DNA mogą być wskazaniem zakłóceń wzrostu roślin, a w komórkach zwierzęcych służyć prognozowaniu wczesnych stadiów nowotworu. Obrazy obok przedstawiają wynik segmentacji jądra komórkowego i przykładowy histogram IOD (Integrated Optical Density) dla określonej populacji komórek glonów.
 
   
 
Pozostałe publikacje:
  1. Gajewska E., Drobik D., Wielanek M., Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., Mazur J., Skłodowska M. Alleviation of nickel toxicity of wheat seedlings by selenium supplementation. Biological Letters. 2013.
  2. Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., An image analysis method for the evaluation of green pigment reduction in wheat leaves under the influence of heavy metals. IEEE Proceedings of the VIII-th International Conference of Young Scientists MEMSTECH, Lviv-Polyana, Ukraine 2012, 2012.
  3. Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., An image analysis method for the automatic measurement of selected morphological features of wheat shoots. Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2011, 243-257, ISSN 1429-3447 [PDF]
  4. Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., A semi-automatic method for the discrimination of diseased regions in detached leaf images using fuzzy c-means clustering. IEEE Proceedings of the VII-th International Conference of Young Scientists MEMSTECH, Lviv-Polyana 2011, 2011.
  5. Gocławski J.,  Sekulska-Nalewajko J., „Komputerowe przetwarzanie i analiza obrazów w ocenie zjawisk zachodzących w komórkach i tkankach roślin”. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Elektryka, 121, 2010, pp. 311-331.
  6. Rowińska Z., Gocławski J., Sekulska-Nalewajko J. The perspectives of applying OCT technology to the investigations of selected biological materials and processes. Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2010.
  7. Sekulska-Nalewajko J., Gocławski J., Algorytm segmentacji obrazów mikroskopowych okrzemek w preparatach z zanieczyszczeniami osadowymi, Automatyka. Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2009: 971-986.
 
Zespół:

dr Joanna Sekulska-Nalewajko
dr inż. Jarosław Gocławski

powrót do góry


Redakcja:
Joanna Sekulska-Nalewajko
Jarosław Gocławski

Ostatnia modyfikacja:
2017-07-13 15:01:13, Joanna Sekulska-Nalewajko