@phdthesis{Prohaska2007,
  author    = {Prohaska, Steffen},
  title     = {Skeleton-based visualization of massive voxel objects with network-like architecture},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-14888},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2007},
  abstract  = {This work introduces novel internal and external memory algorithms for computing voxel skeletons of massive voxel objects with complex network-like architecture and for converting these voxel skeletons to piecewise linear geometry, that is triangle meshes and piecewise straight lines. The presented techniques help to tackle the challenge of visualizing and analyzing 3d images of increasing size and complexity, which are becoming more and more important in, for example, biological and medical research. Section 2.3.1 contributes to the theoretical foundations of thinning algorithms with a discussion of homotopic thinning in the grid cell model. The grid cell model explicitly represents a cell complex built of faces, edges, and vertices shared between voxels. A characterization of pairs of cells to be deleted is much simpler than characterizations of simple voxels were before. The grid cell model resolves topologically unclear voxel configurations at junctions and locked voxel configurations causing, for example, interior voxels in sets of non-simple voxels. A general conclusion is that the grid cell model is superior to indecomposable voxels for algorithms that need detailed control of topology. Section 2.3.2 introduces a noise-insensitive measure based on the geodesic distance along the boundary to compute two-dimensional skeletons. The measure is able to retain thin object structures if they are geometrically important while ignoring noise on the object's boundary. This combination of properties is not known of other measures. The measure is also used to guide erosion in a thinning process from the boundary towards lines centered within plate-like structures. Geodesic distance based quantities seem to be well suited to robustly identify one- and two-dimensional skeletons. Chapter 6 applies the method to visualization of bone micro-architecture. Chapter 3 describes a novel geometry generation scheme for representing voxel skeletons, which retracts voxel skeletons to piecewise linear geometry per dual cube. The generated triangle meshes and graphs provide a link to geometry processing and efficient rendering of voxel skeletons. The scheme creates non-closed surfaces with boundaries, which contain fewer triangles than a representation of voxel skeletons using closed surfaces like small cubes or iso-surfaces. A conclusion is that thinking specifically about voxel skeleton configurations instead of generic voxel configurations helps to deal with the topological implications. The geometry generation is one foundation of the applications presented in Chapter 6. Chapter 5 presents a novel external memory algorithm for distance ordered homotopic thinning. The presented method extends known algorithms for computing chamfer distance transformations and thinning to execute I/O-efficiently when input is larger than the available main memory. The applied block-wise decomposition schemes are quite simple. Yet it was necessary to carefully analyze effects of block boundaries to devise globally correct external memory variants of known algorithms. In general, doing so is superior to naive block-wise processing ignoring boundary effects. Chapter 6 applies the algorithms in a novel method based on confocal microscopy for quantitative study of micro-vascular networks in the field of microcirculation.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Garz2013,
  author    = {Garz, Andreas},
  title     = {Nichtlineare Mikroskopie und Bilddatenverarbeitung zur biochemischen Analyse synchronisierter Chlamydomonas-Zellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-66904},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2013},
  abstract  = {Unter geeigneten Wachstumsbedingungen weisen Algenkulturen oft eine gr{\"o}ßere Produktivit{\"a}t der Zellen auf, als sie bei h{\"o}heren Pflanzen zu beobachten ist. Chlamydomonas reinhardtii-Zellen sind vergleichsweise klein. So betr{\"a}gt das Zellvolumen w{\"a}hrend des vegetativen Zellzyklus etwa 50-3500 µm³. Im Vergleich zu h{\"o}heren Pflanzen ist in einer Algensuspension die Konzentration der Biomasse allerdings gering. So enth{\"a}lt beispielsweise 1 ml einer {\"u}blichen Konzentration zwischen 10E6 und 10E7 Algenzellen. Quantifizierungen von Metaboliten oder Makromolek{\"u}len, die zur Modellierung von zellul{\"a}ren Prozessen genutzt werden, werden meist im Zellensemble vorgenommen. Tats{\"a}chlich unterliegt jedoch jede Algenzelle einer individuellen Entwicklung, die die Identifizierung charakteristischer allgemeing{\"u}ltiger Systemparameter erschwert. Ziel dieser Arbeit war es, biochemisch relevante Messgr{\"o}ßen in-vivo und in-vitro mit Hilfe optischer Verfahren zu identifizieren und zu quantifizieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Puls-Amplituden-Modulation(PAM)-Fluorimetriemessplatz zur Messung der durch {\"a}ußere Einfl{\"u}sse bedingten ver{\"a}nderlichen Chlorophyllfluoreszenz an einzelnen Zellen vorgestellt. Die Verwendung eines kommerziellen Mikroskops, die Implementierung empfindlicher Nachweiselektronik und einer geeignete Immobilisierungsmethode erm{\"o}glichten es, ein Signal-zu-Rauschverh{\"a}ltnis zu erreichen, mit dem Fluoreszenzsignale einzelner lebender Chlamydomonas-Zellen gemessen werden konnten. Insbesondere wurden das Zellvolumen und der als Maß f{\"u}r die Effizienz des Photosyntheseapparats bzw. die Zellfitness geltende Chlorophyllfluoreszenzparameter Fv/Fm ermittelt und ein hohes Maß an Heterogenit{\"a}t dieser zellul{\"a}ren Parameter in verschiedenen Entwicklungsstadien der synchronisierten Chlamydomonas-Zellen festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die bildgebende Laser-Scanning-Mikroskopie und anschließende Bilddatenanalyse zur quantitativen Erfassung der wachstumsabh{\"a}ngigen zellul{\"a}ren Parameter angewandt. Ein kommerzielles konfokales Mikroskop wurde um die M{\"o}glichkeit der nichtlinearen Mikroskopie erweitert. Diese hat den Vorteil einer lokalisierten Anregung, damit verbunden einer h{\"o}heren Ortsaufl{\"o}sung und insgesamt geringeren Probenbelastung. Weiterhin besteht neben der Signalgewinnung durch Fluoreszenzanregung die M{\"o}glichkeit der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) an biophotonischen Strukturen, wie der zellul{\"a}ren St{\"a}rke. Anhand der Verteilungsfunktionen war es m{\"o}glich mit Hilfe von modelltheoretischen Ans{\"a}tzen zellul{\"a}re Parameter zu ermitteln, die messtechnisch nicht unmittelbar zug{\"a}nglich sind. Die morphologischen Informationen der Bilddaten erm{\"o}glichten die Bestimmung der Zellvolumina und die Volumina subzellularer Strukturen, wie Nuclei, extranucle{\"a}re DNA oder St{\"a}rkegranula. Weiterhin konnte die Anzahl subzellul{\"a}rer Strukturen innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellverbunds ermittelt werden. Die Analyse der in den Bilddaten enthaltenen Signalintensit{\"a}ten war Grundlage einer relativen Konzentrationsbestimmung von zellul{\"a}ren Komponenten, wie DNA bzw. St{\"a}rke. Mit dem hier vorgestellten Verfahren der nichtlinearen Mikroskopie und nachfolgender Bilddatenanalyse konnte erstmalig die Verteilung des zellul{\"a}ren St{\"a}rkegehalts in einer Chlamydomonas-Population w{\"a}hrend des Wachstums bzw. nach induziertem St{\"a}rkeabbau verfolgt werden. Im weiteren Verlauf wurde diese Methode auch auf Gefrierschnitte h{\"o}herer Pflanzen, wie Arabidopsis thaliana, angewendet. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass viele zellul{\"a}re Parameter, wie das Volumen, der zellul{\"a}re DNA- und St{\"a}rkegehalt bzw. die Anzahl der St{\"a}rkegranula durch eine Lognormalverteilung, mit wachstumsabh{\"a}ngiger Parametrisierung, beschrieben werden. Zellul{\"a}re Parameter, wie Stoffkonzentration und zellul{\"a}res Volumen, zeigen keine signifikanten Korrelationen zueinander, woraus geschlussfolgert werden muss, dass es ein hohes Maß an Heterogenit{\"a}t der zellul{\"a}ren Parameter innerhalb der synchronisierten Chlamydomonas-Populationen gibt. Diese Aussage gilt sowohl f{\"u}r die als homogenste Form geltenden Synchronkulturen von Chlamydomonas reinhardtii als auch f{\"u}r die gemessenen zellul{\"a}ren Parameter im intakten Zellverbund h{\"o}herer Pflanzen. Dieses Ergebnis ist insbesondere f{\"u}r modelltheoretische Betrachtungen von Relevanz, die sich auf empirische Daten bzw. zellul{\"a}re Parameter st{\"u}tzen welche im Zellensemble gemessen wurden und somit nicht notwendigerweise den zellul{\"a}ren Status einer einzelnen Zelle repr{\"a}sentieren.},
  language  = {de}
}