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Mikroskopie-Treff.de - Übersicht  -  Mikroskopie
Thema: Dekonvolution

 
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Ra_Engelmann



Anmeldung: 12.07.2001
Posts: 37
Wohnort: Magdeburg

BeitragVerfasst am: 15.07.2001, 10:22
   Titel: Dekonvolution

Antworten mit Zitat

Bei der Erstellung von 3D-Ansichten aus konfokalen Bildstapeln ergeben sich oft nur mässig gute Resultate bei Ansicht auf die Z-Achse. Diese Ansicht ist aber oft gerade gewünscht, schliesslich ist das konfokale Mikroskop ja prinzipiell in der Lage, optische Schnitte quasi wie ein virtuelles Mikrotom zu legen. Die konfokale Blende kann allerdings nur in X/Y-Richtung defokussierte Bildbestandteile entfernen. In Z-Richtung ist dies dagegen prinzipbedingt nur sehr eingeschränkt möglich. Ein Punkt wird dadurch auch am besten Konfokalmikroskop in der Z-Ansicht meist spindelförmig verzerrt.

Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die 2-Photonen-Anregung, bei der die räumliche Anordnung der konfokalen Blende nurmehr eine untergeordnete Rolle spielt. Die 2-Photonen-Anregung ist in sich konfokal, da nur an einem Ort im Präparat die notwendige Anregungsenergie und damit ein Fluoreszenzbild erzeugt wird. Dies gilt jetzt für alle Dimensionen, weshalb Ansichten auf die Z-Achse mit 2-Photonen-Anregung meist besser gelingen als mit 1-Photonen Technik. Allerdings ist die generelle Auflösung mit 2-Photonen-Anregung schlechter. Der Punkt bleibt zwar ein Punkt, ist aber weniger scharf (und hell).

Ein anderer Lösungsweg ist die Software-Dekonvolution. Dekonvolution ist eine Methode zur Beseitigung von komplexen Bildstörungen, wie sie z.B. durch Bewegungen, Linsenfehler oder andere Einflüsse entstehen. Die Dekonvolution erfasst dieses Störungen möglichst exakt und rechnet sie zielgerichtet aus dem Bild heraus. Im Gegensatz zu Filtern o.ä. Werkzeugen bleiben ungestörte Bildbereiche dabei auch unbearbeitet. Sollten die Störungen nicht genau zu beschreiben sein, kann näherungsweise mit der Blinddekonvolution gearbeitet werden, bei der mit vorgefertigten Formeln gearbeitet wird, die typischen Fehlern entsprechen.

Im Grunde benötigt jedes konfokale Mikroskop eine Dekonvolutionssoftware für die Z-Achse. Dies würde quasi die fehlende konfokale Blende mit senkrechter Orientierung simulieren. Die Dekonvolution kann aber auch mehr. Sie kann die Wirkung der konfokalen Blende insgesamt simulieren, so dass ein Software-konfokales Mikroskop ohne typische Hardware realisiert werden kann. Es ist lediglich ein gutes Videomikroskop erforderlich. Nachteilig für solche Systeme waren bisher die hohen Anforderungen bezüglich Rechenleistung (Workstation) und die notwendige genaue Abstimmung auf die Mikroskopoptik, wodurch Systempreise entstanden, die nicht fern von echten konfokalen Mikroskopen lagen.

In letzter Zeit sind jedoch von fast allen einschlägigen Herstellern komplette Dekonvolutionsmikroskope auf den Markt gebracht worden, die einen erheblichen Preisvorteil gegenüber konfokalen Systemen bieten. Die gewohnte Windows-Umgebung ist hier inzwischen die Regel und erleichtert den Umgang erheblich. Zudem sind solche Systeme immer echtfarbfähig, und eignen sich so insbesondere für die extensive Mehrfachfluoreszenz sowie Time-Lapse- und GFP-Anwendungen.

Dekonvolution im biologischen Bereich ist immer noch sehr teuer. Dies liegt weniger in der Komplexität der Software als vielmehr in der beschränkten Marktgrösse begründet. Für die ersten Gehversuche mit Dekonvolution sollte man deshalb auf einen Markt ausweichen, der erheblich grösser ist als der biologische. Dies ist die Astrophysik. Dekonvolution ist hier schon lange das etablierte Mittel, um Störungen durch Erdrotation oder Luftverzerrungen aus Teleskopbildern zu entfernen. Fluoreszenzbilder und Teleskopbilder schwach leuchtender Himmelskörper sind sich anwendungstechnisch sehr ähnlich. Der Astronomiemarkt ist aber durch die Vielzahl an Sternwarten, Planetarien, astronomischen Vereinigungen und Hobbyastronomen sehr gross. Die Nutzung von hochempfindlichen Videokameras ist in dieser Szene absolut etabliert, und es gibt ein erstaunliches Angebot an Hochleistungskameras (z.T. als preiswerte Bausätze) für nicht-institutionelle Kunden. Zwangsläufig gibt es auch ein vielfältiges Angebot an professionellen Dekonvolutionsprogrammen, die alle unter Windows laufen und die drastisch billiger sind als vergleichbare Angebote im biologischen Bereich. Nicht das Problem macht den Preis, sondern der Markt. Und während die Hobbymikroskopieszene sehr konservativ nur die traditionelle Lichtmikroskopie betreibt (die im Hellfeld ja auch voll genügt), sind die Hobbyastrophysiker incl. jeder Dorfsternwarte ganz erpicht darauf, mindestens halbprofessionell mit neuestem technischen Equipment zu arbeiten (sie brauchen es letztlich auch). Daher ergeben sich enorme Preisunterschiede zwischen Dekonvolutionsprogrammen im biologischen und im astrophysikalischen Bereich.

Natürlich ist die Masse dieser Programme für 2D-Bilder optimiert. Auch erfolgt die Dekonvolution nicht in Echtzeit, sondern als Nachbearbeitung. Dies ist aber für den Einsteiger, der ein normales Fluoreszenzmikroskop besitzt, gar kein Nachteil. Zudem bieten die astronomischen Programme nützliche Zusatzwerkzeuge zur Erstellung von Montagen oder zur Fusion von Bildern, sowie zur Entfernung von Störungen mit graduellem Verlauf. Die Programme sind leider sehr physikalisch in der Nomenklatur, und man ertrinkt zunächst in möglichen Parametern. Aber das ist auch eine gute Schule. Nicht gleich aufgeben, wenn sich nicht sofort das richtige Werkzeug findet.

Für den langfristigen Forschungseinsatz wird man natürlich nicht um ein professionelles Dekonvolutionssystem eines biologischen Herstellers herumkommen. Aber auch diese Systeme bieten inzwischen erstaunliche Leistungen und mehr Flexibilität als konventionelle Konfokalmikroskope, für vergleichbar wenig Geld. Und wie gesagt: eigentlich braucht jedes Konfokalmikroskop eine Dekonvolution für die Z-Achse.

Ralf Engelmann


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Bernd



Anmeldung: 22.07.2001
Posts: 12

BeitragVerfasst am: 08.08.2001, 19:50
   Titel: Dekonvolution

Antworten mit Zitat

Gibt es Übersichts-Literatur zu den mathematischen Grundlagen und der programmtechnischen Praxis der Dekonvolutionsverfahren?


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