Método de elementos finitos aplicado à microscopia de desfocalização

Autor: José Maria Caquito Júnior
Přispěvatelé: Ubirajara Agero Batista, Lívia Siman Gomes, Gerald Weber, Leandro Malard Moreira
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
Popis: CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A microscopia de desfocalização é uma técnica que vem sendo empregada no Laboratório de Física de Sistemas Biológicos da UFMG para caracterizar objetos transparentes, como células e guias de onda. Através dela podemos obter parâmetros morfológicos e biomecânicos de células vivas utilizando apenas um microscópio óptico operando em campo claro. A partir de duas imagens desfocalizadas, é possível realizar a reconstrução 3D da amostra por meio da resolução de duas equações diferenciais. Apesar de bastante conveniente para o estudo de amostras biológicas, a aplicação da técnica é limitada pelo custo computacional para a análise dos dados. Este trabalho teve como objetivo encontrar uma maneira mais eficiente para realizar a reconstrução 3D. Para isso, desenvolvemos programas em Python que recebem duas imagens desfocalizadas como entrada e retornam a espessura e assimetria da célula. Para o cálculo da assimetria, a parte mais demorada do processo, os programas utilizam o método de elementos finitos por meio da plataforma Fenics. Realizamos testes para três situações diferentes: reconstrução de objetos de fase simulados, reconstrução de uma hemácia e a reconstrução de um cardiomiócito. Para os dois primeiros casos pudemos comparar os resultados obtidos aqui com aqueles obtidos pelos métodos que já haviam sido estabelecidos em trabalhos anteriores. O principal resultado deste trabalho foi a diminuição substancial no tempo necessário para realizar a reconstrução. Os novos programas demoram cerca de 10 s para realizar a reconstrução de células partindo de imagens com 128×128 pixels enquanto, para a metodologia anterior a este trabalho, o processo demorava cerca 7200 s em hardware similar. Por fim, conseguimos realizar a reconstrução de um cardiomiócito, uma célula consideravelmente maior, também em cerca de 10 s. Esses resultados indicam que o método de elementos finitos é uma boa alternativa para o cálculo da assimetria, retornando resultados rapidamente mesmo para imagens com resolução mais alta. Esses resultados abrem perspectivas para o uso da microscopia de desfocalização para o estudo de processos celulares dinâmicos. Defocusing microscopy is a technique that has been used at the Physics Laboratory of Biological Systems at UFMG to characterize transparent objects, such as cells and waveguides. Through it we can obtain morphological and biomechanical parameters of living cells using only an optical microscope operating in bright field. From two defocused images, it is possible to perform the 3D reconstruction of the sample by solving two differential equations. Despite being quite convenient for the study of biological samples, the application of the technique is limited by the computational cost of data analysis. This work aimed to find a more efficient way to perform the 3D reconstruction. For this, we develop Python programs that take two defocused images as input and return the cell thickness and asymmetry. For the asymmetry calculation, the most time-consuming part of the process, the programs use the finite element method through the Fenics platform. We performed tests for three different situations: reconstruction of simulated phase objects, reconstruction of a red blood cell and reconstruction of a cardiomyocyte. For the first two cases, we were able to compare the results obtained here with those obtained by the methods that had already been established in previous works. The main result of this work was the substantial decrease in the time needed to perform the reconstruction. The new programs take around 10 s to perform cell reconstruction starting from images with 128×128 pixels while, for the methodology prior to this work, the process took around 7200 s on similar hardware. Finally, we were able to perform the reconstruction of a cardiomyocyte, a considerably larger cell, also in about 10 s. These results indicate that the finite element method is a good alternative for the asymmetry calculation, returning results quickly even for higher resolution images. These results open perspectives for the use of defocusing microscopy to study dynamic cellular processes.
Databáze: OpenAIRE
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