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Cell cultures are monitored to develop new drugs, to find efficient ways to produce vaccines and to perform toxicity tests. The cells are cultivated in an incubator and the monitoring steps such as the acquisition of images and the counting of cells are often done outside. As part of a research project, novel bright field miniature microscopy prototypes were developed. These prototypes were designed to work inside the incubator, and hence, they need to be very small. In this thesis, image processing methods for these systems (at different development stages) are presented. These methods made the systems usable for cell monitoring in an incubator. This is a main contribution of the thesis. Our analyses of the system and its components helped to improve the development of the systems. A calibration procedure and algorithms for adjusting the illumination and the focus position of these systems are introduced. Moreover, the proposed preprocessing steps such as illumination correction and contrast enhancement improved the image quality. An image processing library and a cell monitoring software using the library were developed. An algorithm for counting cells in images of the prototype system was included in the image processing library. Features for viability determination were investigated and also included in the library. Another main contribution is related to all bright field microscopes. They have the following effect in common: Focusing of very thin (phase) objects differs from focusing of objects that are thicker and less transparent for light. This effect is investigated in detail, explained, and the calculation of different useful focus positions for phase objects is derived. The optical focus position can be used for applications such as phase retrieval. Slightly defocused cell images with a maximum in contrast at small details can be useful for applications such as cell segmentation or cell analysis. Strongly defocused cell images with a maximum in contrast for the cell borders can be used for applications such as cell detection. Zellkulturen werden überwacht, um neue Medikamente zu entwickeln, um effiziente Herstellungswege für Impfstoffe zu finden und um Toxizitätsprüfungen durchzuführen. Die Zellen werden in einem Brutschrank kultiviert und Überwachungsschritte wie die Erzeugung von Bildern und das Auszählen der Zellen werden meist außerhalb durchgeführt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden neuartige Hellfeldmikroskope entwickelt. Diese Systeme wurden so entwickelt, dass sie im Brutschrank funktionieren und sind daher sehr klein. In dieser Arbeit werden Bildverarbeitungsmethoden für diese Systeme (in unterschiedlichen Entwicklungsstufen) vorgestellt. Diese Methoden machen das System benutzbar für die Zellüberwachung in einem Brutschrank. Dies ist ein Hauptbeitrag der Arbeit. Es werden Analysen des Mikroskopsytems und seiner Komponenten gezeigt, die die Entwicklung des Systems unterstützten. Ein Verfahren zur Kalibrierung und Algorithmen zur automatischen Anpassung der Beleuchtung und der Fokusposition werden eingeführt. Vorverarbeitungsschritte wie die Korrektur von Beleuchtungsinhomogenitäten und eine Kontrastverbesserung verbessern die Bildqualität. Eine Bildverarbeitungsbibliothek und eine Zellüberwachungssoftware, die diese Bibliothek benutzt, wurden entwickelt. Ein Algorithmus zur Auszählung der Zellen wurde in die Bildverarbeitungsbibliothek portiert. Merkmale zur Beurteilung der Lebensfähigkeit von Zellen wurden untersucht und auch in die Bildverarbeitungsbibliothek übernommen. Ein weiterer Hauptbeitrag bezieht sich generell auf Hellfeldmikroskope. Sie zeigen folgenden Effekt: Die Fokussierung von sehr dünnen Objekten (Phasenobjekten) unterscheidet sich von der Fokussierung von dickeren Objekten, die weniger lichtdurchlässig sind. Dieser Effekt wird genau untersucht, erklärt und die Berechnung mehrerer nützlicher Fokuspositionen für Phasenobjekte wird abgeleitet. Der optische Fokus kann für Verfahren zur Rekonstruktion der Phase verwendet werden. In leicht defokussierten Bildern besitzen kleine Details einen sehr hohen Kontrast. Diese Bilder können für die Segmentierung von Zellen oder die Analyse der Zellen verwendet werden. In stärker defokussierten Bildern besitzen die Zellgrenzen einen sehr hohen Kontrast. Diese Bilder können für die Zelldetektion verwendet werden. |
