Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Mathematik

Fachgebiet: Angewandte Mathematik

Betreuer: Prof. Dr. Konrad Engel



Dipl.-Math. Harald Birkholz
(e-mail: harald.birkholz@uni-rostock.de )

Mathematical Methods for the Quantification of Actin-Filaments in Microscopic Images

In der Zellbiologie werden konfokale, Laser-Raster-mikroskopische Aufnahmen vom Aktin-Filament humaner Osteoblasten erstellt um den Fortschritt der zellulären Entwicklung zu beurteilen. Das Aktin-Filament kann als geometrisch eingebetteter Graph von Graten im Bild-Relief modelliert werden. In der Literatur ist der Ansatz über morphologische Skelettierung einer kumulativen Niveaumenge gut dokumentiert. Der Gegenstand dieser Arbeit ist ein verfeinerter Ansatz, um genauere quantitative Aussagen über die Menge von Graten im Bild-Relief und damit über das Aktin-Filament in seiner Erscheinung in konfokalen Mikroskopieaufnahmen zu gewinnen. Dazu spielen automatische Vorverarbeitung, Markierung und Quantifizierung zusammen um insgesamt die Fähigkeit des menschlichen Betrachters anzunähern, die Filamente intuitiv richtig zu erkennen. Die erreichte Genauigkeit ist durch numerische Experimente mit mehreren Zufallsmodellen der Daten und mit Anwendungsdaten zu bereits bestätigten Hypothesen belegt.

In cell biology confocal laser scanning microscopic images of the actin filament of human osteoblasts are produced to assess the progress of cellular development. The actin filament can be regarded as a geometrically embedded graph of bright ridges in the image relief. The approach using skeletonization of a cumulative level set is well documented in the literature. This thesis aims at an advanced approach for more accurate quantitative measurements about the morphology of the bright-ridge set of microscopic images and thus about the actin filament in its appearance in confocal laser scanning microscopic images. Therefore automatic preprocessing, tagging and quantification interplay to approximate the capabilities of the human observer to intuitively recognize the filaments correctly. The achieved accuracy is proven by numerical experiments with random models of the data and with application data for already confirmed hypotheses.