Development of an experimental image processing tool and flow-cytometry based electromagnetic scattering analysis for medical diagnosis of red blood cell pathology
Kırmızı kan hücresi patolojisinin tıbbi teşhişi için deneysel gorüntü işleme aracının ve akış-sitometri esaslı elektromanyetik saçılım analizinin geliştirilmesi
- Tez No: 651726
- Danışmanlar: PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK, PROF. DR. AYHAN ALTINTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 157
Özet
Biyolojik hücrelerin morfolojik, biyofiziksel ve biyokimyasal özellikleri yaşam bilimleri, tıbbi teşhis gibi birçok alan için kritik biyobelirteçlerdir. İşaretsiz, yüksek verimli sınıflandırma ve hücresel bilgilerin tek hücre düzeyinde tespiti tıbbi teşhis icin çok değerlidir. Özellikle, görüntü analitiğinde etkin bir algoritma biyomedikal araştırmalarında ve sağlık alanında önemi giderek artan laboratuvar ortamındaki teşhislerde önemli bir rol oynamaktadır. Tek biyolojik hücrelerdeki morfolojik/biyofiziksel değişiklikler orak hücre hastalığı gibi hematolojik hastalıklarla ilişkilendirilmektedir. Demir eksikliği, kronik kan kaybı ve hemoliz gibi birden fazla nedeni olabilecek anemi (kansızlık), tahmini iki milyar insanı veya dünya nüfusunun %30'unu etkileyen yaygın bir sağlık sorunudur. Anemik hastalarda hemoglobin konsantrasyonunun sürekli olarak ölçülebilme yeteneği, hemoglobin izlenmesini kolaylaştırması, akut anemi tespitini iyileştirmesi, komplikasyonları ve masrafları önlemek için önemli bir potansiyele sahiptir. Şu anda, birçok klinik laboratuvarında hücresel bilgilerin tek hücre düzeyinde ölçülmesindeki zorluk, karmaşık laboratuvar örneğinin hazırlanması ve veri analizi prosedürlerini gerektirir. Burada, düşük oksijen altında zaman içinde göründükleri gibi kırmızı kan hücrelerinin (KKH'lerin) alt türlerinin (normal, orta ve oraklı KKH'ler dahil) sınıflandırılmasının doğruluğunu geliştirmek için sınır integral denklem yöntemine (Muller Sınır İntegral Denklem Yöntemi ile) dayanan bir hesaplamalı hücre morfolojisi yapısı, görüntü tabanlı akış sitometrisi (GAS) ve yeni bir kuluçkalama prosedürünün hızlı gaz değişimi deneysel protokolü ile kombinasyonu sunulmaktadır. Bu çalışmada, su simülasyonlar ve deneyler için sonuçlar verilmektedir: Hücreler deoksijenasyona maruz kaldıkça, görüntüleme tabanlı bir akış sitometrisi ile orak oranını takip etmek için zamandaki değişikliklerini inceledik. GAS'daki“gerçek”normal, orta ve orak hücre bölgesi sınırlarının daha iyi tanımlanmasını sağlamak icin GAS verilerindeki kullanıcı tanımlı özel bir maskeden elde edilen yeni bir ̧sekil niceleme özelliği ölçütü olarak Orak Indeksi parametresi önerilmektedir. Özellikle, çalışmanın esas değeri, literatürde ilk kez olarak sınır ̧sekil yapılarına göre esas alınan ışık saçılım analizinin her bir KKH alt türü için kırılma indisi dağılımını sağlamak üzere GAS tarafından ölçülen yan saçılım (YSC-A) deseni ile örtüştüğü gösterilmektir. Ayrıca, Balb/cJ fare türünden alınan KKH'lerde Discocyte/Stomatocyte/Echinocyte (D/S/E) alt türlerinin oranını kontrol etmek i ̧cin farklı iyonik güçler ve ozmolarite koşullarını uyguladık. Alınan örneklerin analizi, analitik (yani geleneksel) ve görüntü bazlı akış sitometrisi (AS'ler) kullanılarak yapıldı. Tahmin edilen hücresel bilgiler, GAS'deki parlak ve karanlık alan görüntülerinden elde edilen deneysel verilerimizin beklenen sonuçları ile iyi bir uyum gösterdi. Öngörülen saçılım modelindeki detaylı bilgi, geleneksel AS'lerde otomatik KKH morfolojik örüntüsünü elde etmek amacıyla açı ile çözülmüş ışık saçılım tekniğimizin kullanılmasına ve geleneksel AS verilerinin işaretsiz analizi için KKH alt tür hedef alanlarının keşfedilmesine olanak sağlar. Açı ile çözülmüş ışık saçılım yöntemi ve GAS yada geleneksel AS aracığıyla belirli bir deneyde bir hücre popülasyonundan elde edilecek KKH alt türlerini tanımlamak için kullanılacak veri analiz prosedürünü belirgin şekilde azaltabiliriz. Bu yaklaşımımız, karmaşık laboratuvar işlemlerinden, ışık mikroskobunda veya AS'lerdeki manual yolluklama analizi ve floresan boyamasından kaçınmak icin klinik prosedüründe kullanılan mevcut manual protokollerin değiştirilmesine yol açabilir. Bu çalışma, yöntemimizin sağlam ve objektif karakterizasyonun ve anemi durumunun takibinde kullanılma potansiyeline sahip olmasını ve yaşam süresinin azalmasına, hasar veya acı verici krizlere neden olan kronik anemiye yol açacak durumlar için hızlı bir eylem sağlama potansiyeline sahip olmasını göstermektedir ve ayrıca şu anda önerilen veya klinik çalışmalarda kullanılan anti-ortaklaşma ajanların değerlendirilmesinde de faydalı olacaktır.
Özet (Çeviri)
The morphological, biophysical and biochemical properties of biological cells are critical markers for many fields, including life sciences, medical diagnosis, etc. Label-free, high-throughput classification and detection of cellular information at the single-cell level are invaluable for medical diagnostics. In particular, an efficient algorithm for image analytics plays an important role in biomedical research and in vitro diagnostics with grow importance for healthcare. Morphological/bio- physical alterations in single biological cells have been associated with hematologic diseases, such as sickle cell disease. Anemia, which has multiple causes, such as iron deficiency, chronic blood loss and hemolysis, is a prevalent health problem affecting an estimated two billion people or 30% of the world's population. The ability to measure hemoglobin concentration in anemic patients continuously has significant potential to facilitate hemoglobin monitoring, improve the detection of acute anemia, and avoid the complications and expense. Currently, a major challenge in many clinical laboratories, quantification of cellular information at the single-cell level requires complex laboratory sample preparation and data analysis procedures. Here, we demonstrate that the combination of a novel incubation procedure with rapid gas exchange, image-based flow cytometry (IFC) and a computational cell morphology framework, based on the boundary integral equation method (with the use of Muller Boundary Integral Equation Method) is presented to improve the accuracy of classification of red blood cells (RBCs) subtypes (including normal, intermediate and sickled RBCs) as they appear in time under low oxygen. In this dissertation, the results of the following numerical simulations and experiments are presented: We have investigated the changes in time to follow the rate of sickling with IFC as cells undergo deoxygenation. We have proposed a new shape quantification feature criteria as a Sickle Index parameter obtained from a user-defined custom mask in the IFC data to pro- vide better identification of“true”normal, intermediate and sickle cell region boundaries in IFC. Especially, the main merit of the study lies in showing for the first time that the light scattering analysis based on boundary shape structures is correlated with the measured side scattering (SSC-A) pattern realized by IFC to provide the refractive index distribution for each RBC subtypes. Moreover, we applied different ionic strengths and osmolarity conditions to control the ratio of Discocyte/Stomatocyte/Echinocyte (D/S/E) subtypes in murine RBCs. Analysis of samples were performed using conventional and image-based flow cytometry (FC). The predicted cellular information showed good agreement with the expected results of our experimental data extracted from bright-field and dark-field images in IFC. The rich information on the predicted scattering pattern makes our angle-resolved light scattering technique for the purpose of the automatic RBC morphological profile in conventional FC, and discover RBC subpopulation target areas for the label-free analysis of conventional FC data. With this approach, we are able to notably reduce the data analysis procedure to identify RBC subtypes from a cell population in a given experiment through IFC or conventional FC with an angle-resolved light scattering method. Our approach could lead to replacing current manual protocols in the clinical procedure to avoid com- plex laboratory processes, and manual gating analysis and fluorescent stains in light microscopy or FCs. This study shows that our method has the potential to be used robust and objective characterization, and follow-up care of anemia status, and to provide a rapid action for the conditions that would lead to chronic anemia condition causing to a reduced lifespan, organ damage or painful crisis, and will be useful for the evaluation of anti-sickling agents which are currently proposed or are in clinical trials.
Benzer Tezler
- Radyal pompa çarkları içerisindeki üç boyutlu sürtmeli ve sürtmesiz akışın sayısal analizi
Full 3D viscous and inviscid analysis of flow in radial pump impelleri
AŞKIN KARAKAS
- Vision based positioning ABB IRB 140 robot for gas leakage test automation
Gaz kaçak test otomasyonu için ABB IRB 140 robot için görüntü tabanlı pozisyonlama
AKIN İLKER SAVRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN KUMBASAR
- Dalgacık dönüşümü kullanılarak zirai-meteorolojik verilerin hata teşhis ve tamiri
Fault diagnosis and repair of agricultural meteorological data using wavelet transform
NİGAR TUĞBAGÜL ALTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgi Teknolojileri Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. B. BERK ÜSTÜNDAĞ
- Mimari kesit aracıyla sentetik üretim: Oditoryum örneği
Synthetic generation with the architectural section tool: An example of auditorium
ŞEMSİ BARIŞ TERZİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM
DR. ÖZGÜN BALABAN