Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Obrazowanie optyczne
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFM-2-304-TO-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Techniki obrazowania i biometria
Kierunek:
Fizyka Medyczna
Semestr:
3
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
dr hab. Matuszak Zenon (Zenon.Matuszak@fis.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr hab. Matuszak Zenon (Zenon.Matuszak@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Celem kursu jest przedstawienie podstaw teoretycznych rozmaitych metod obrazowania optycznego, ze szczególnym uwzględnieniem mikroskopii, oraz ich zastosowań do rozwiązywania zagadnień biomedycznych.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W002 Student posiada wiedzę o obrazach oraz sposobach ich analizy, ekstrakcji i opisu cech obrazu przydatnych w zastosowaniach biomedycznych FM2A_W02, FM2A_W06, FM2A_W01 Kolokwium,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_W003 Student posiada wiedzę o układach optycznych i sposobach formowania obrazów optycznych, mikroskopii optycznej i jej rodzajach oraz obszarach zastosowań biomedycynie FM2A_W02, FM2A_W06, FM2A_W03, FM2A_W05, FM2A_W01, FM2A_W07 Kolokwium
Umiejętności
M_U001 Student posiada praktyczne umiejętności otrzymywania wizualnych i cyfrowych obrazów mikroskopowych o pożądanej jakości w mikroskopii transmisyjnej i odbiciowej FM2A_U04, FM2A_U01, FM2A_U02, FM2A_U05 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 Student potrafi prawidłowo opracować dane obrazowe stosując różne metody analizy cyfrowej obrazu. Samodzielnie wskazać i obliczyć najistotniejsze cechy otrzymanego obrazu z punktu widzenia jego interpretacji FM2A_U04, FM2A_U02, FM2A_U05 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U003 Student zna zasady tomografii optycznej i potrafi przekształcać sekwencje obrazów 2D w końcowy obraz 3D FM2A_U04, FM2A_U05 Kolokwium,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole wykonującym ćwiczenie laboratoryjne FM2A_K02, FM2A_K01 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty FM2A_K02, FM2A_K01 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji,
Wykonanie projektu
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W002 Student posiada wiedzę o obrazach oraz sposobach ich analizy, ekstrakcji i opisu cech obrazu przydatnych w zastosowaniach biomedycznych + - + + - - - - - - -
M_W003 Student posiada wiedzę o układach optycznych i sposobach formowania obrazów optycznych, mikroskopii optycznej i jej rodzajach oraz obszarach zastosowań biomedycynie + - + + - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student posiada praktyczne umiejętności otrzymywania wizualnych i cyfrowych obrazów mikroskopowych o pożądanej jakości w mikroskopii transmisyjnej i odbiciowej - - + + - - - - - - -
M_U002 Student potrafi prawidłowo opracować dane obrazowe stosując różne metody analizy cyfrowej obrazu. Samodzielnie wskazać i obliczyć najistotniejsze cechy otrzymanego obrazu z punktu widzenia jego interpretacji + - + + - - - - - - -
M_U003 Student zna zasady tomografii optycznej i potrafi przekształcać sekwencje obrazów 2D w końcowy obraz 3D + - + + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole wykonującym ćwiczenie laboratoryjne - - + + - - - - - - -
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty - - + + - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

1. Podstawowe parametry systemu optycznego (2 godz.)
• rodzaje elementów optycznych i ich własności
• tor optyczny – definicje pojęć, użyteczne relacje
• Źródła światła – oświetlacze, oświetlenie, elementy optyki macierzowej
• Podstawowe materiały optyczne i ich charakterystyka
2. Detekcja sygnałów optycznych (2 godz.)
• Podstawy fizyczne detekcji sygnałów optycznych
• Podstawowe typy detektorów promieniowania optycznego, charakterystyka i zastosowania
• Przestrzenna i czasowa struktura detekcji
• Fotografia i matryce detektorów optycznych
• Oko jako system optyczny
3. Optyczne układy obrazujące (2 godz.)
• Formowanie obrazu przez soczewkę, ograniczenia dyfrakcyjne systemów optycznych
• oświetlenie niekoherentne i koherentne, rozdzielczość, aberracje.
• kalibracja przestrzenna i fotometryczna
• Obraz kolorowy. Wrażenie barwy i sposoby kodowanie barw
• Obraz jako źródło informacji
4. Podstawy fizyczne mikroskopii optycznej i tomografii optycznej (2 godz.)
• Mikroskopia transmisyjna i odbiciowa.
• Obrazy amplitudowe i fazowe.
• Mikroskopia interferencyjna i polaryzacyjna
• Mikroskopia fluorescencyjna i wielospektralna
• Mikroskopia konfokalna i mikroskopia 3D
5. Zastosowanie mikroskopii w badaniach biomedycznych (1 godz.)
• Zastosowania klasyczne – cytologia i histologia
• Mikroskopia w środowiskach optycznie nieprzezroczystych
• Transport światła w środowiskach optycznie nieprzezroczystych – modelowanie Monte Carlo
• Mikroskopia i tomografia optyczna: badania in vivo

Ćwiczenia laboratoryjne:

1. Mikroskopia transmisyjna. Obraz w jasnym i ciemnym polu (3 godz.).
Efekty kształcenia:
• Student zna zasady posługiwania się mikroskopem optycznym w reżimie transmisyjnym
• Student potrafi objaśnić rolę poszczególnych elementów systemu optycznego i ich wzajemne współdziałanie w tworzeniu obrazu
• Student potrafi zarejestrować obraz cyfrowy i dobrać warunki optymalne warunki rejestracji dla różnych powiększeń mikroskopu oraz dla rozmaitych rodzajów preparatów w celu jego analizy

2. Mikroskopia odbiciowa (2 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student zna zasady posługiwania się mikroskopem optycznym w reżimie odbiciowym
• Student potrafi objaśnić rolę poszczególnych elementów systemu optycznego i ich wzajemne współdziałanie w tworzeniu obrazu, szczególnie oświetlenia
• Student potrafi zarejestrować odbiciowy obraz cyfrowy i dobrać warunki optymalne warunki rejestracji dla różnych powiększeń mikroskopu i dla preparatów o rozmaitych rodzajach powierzchni
3. Obraz i jego analiza I (3 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student potrafi scharakteryzować i przekształcić otrzymane cyfrowe obrazy mikroskopowe. Zna i umie stosować pojęcia: rozmiaru wyświetlanego obrazu, kalibracji wyświetlania, rozdzielczości, digitalizacji, histogramu, kontrastu, liniowości skali szarości, szumu.
• Student zna i umie stosować podstawowe operacje morfologiczne: binarne operacje morfologiczne, segmentację obrazu, krawędziowanie, erozja, oraz operacje na skali szarości: gradienty, filtry

4. Obraz i jego analiza II (3 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student potrafi stosować podstawowe elementy analizy kształtu w 2D(morficzne): kontury i aproksymacja krzywymi kształtu i obliczanie pola, symetrie, momenty statystyczne , potrafi wyekstrahować cechy z obrazu
• Student zna pojęcie fraktala oraz wymiaru fraktalnego i potrafi obliczyć wymiar fraktalny rozmaitych obrazów
5. Synteza obrazu w 3D (3 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student zna zasady rekonstrukcji obrazu w 3D z przekrojów
• Student potrafi przeprowadzić rekonstrukcję 3D dla obrazów mikroskopowych uzyskanych przy rozmaitych głębiach ostrości

Ćwiczenia projektowe:

Przewidziana jest realizacja projektu, w którym student wykonuje zdjęcia cyfrowe (serię) wybranego preparatu, analizuje otrzymany obraz i podaje możliwie najpełniejszą charakterystykę jego cech.
Ocenia ich przydatność z punktu widzenia zastosowań.

Efekt kształcenia: konsolidacja wiedzy, umiejętności otrzymywania i analizy obrazu mikroskopowego

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 60 godz
Punkty ECTS za moduł 2 ECTS
Udział w wykładach 12 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 8 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 15 godz
Przygotowanie do zajęć 14 godz
Wykonanie projektu 5 godz
Udział w ćwiczeniach projektowych 6 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (L), projektu (P) oraz z opanowania materiału wykładu w formie kolokwium zaliczeniowego(Z) obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z kolokwium zaliczeniowego (Z), wykonania projektu (P) i z ćwiczeń laboratoryjnych (L):
OK = 0.3 x Z + 0.4 x L + 0.4 x P

Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej (OK) wymaga uzyskania pozytywnej oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (L), projektu (P) oraz kolokwium zaliczeniowego (Z).
Ocena końcowa (OK) uzyskana w drugim terminie nie może być wyższa niż 4.0.
Ocena końcowa (OK) uzyskana w trzecim terminie nie może być wyższa niż 3.0.

Wymagania wstępne i dodatkowe:

Nie podano wymagań wstępnych lub dodatkowych.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. Ostrowski M. (koordynator), Informacja Obrazowa, WNT, Warszawa, 1992.
2. Bielecki Z., Rogalski A., Detekcja sygnałów optycznych, WNT, Warszawa, 2001
3. Sekuler R., Blake R., Perception, McGraw-Hill Publ. Comp., New York, 1990.
4. Pluta M., Mikroskopia optyczna, PWN, Warszawa, 1982.
5. Meyer-Arendt J.R. ,Wstęp do optyki, PWN, Warszawa, 1977.
6. Szczeniowski Sz., Fizyka doświadczalna, Tom IV. Optyka, PWN, Warszawa, 1983
7. Młodkowski S., Aktywność wizualna człowieka, PWN, Warszawa, Łódź, 1998.
8. Wu Q., Merchant F., Castelman K.R, Microscope Image Processing, Academic Press, Amsterdam, 2008.
9. Baldock R., Graham J. (eds.), Image Processing and Analysis. A Practical Approach, Oxford Univ. Press. 2000

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. Matuszak Z., Sawow A., Wasilewska-Radwańska M., Photodynamic therapy of pigmented tumors. Computer modeling of optical properties of synthetic melanin with the use of Monte Carlo method, Bio-Algorithms & Med-Systems, 2005,1,1/2, 237-240.
2. Matuszak Z., Photodynamic therapy of melanoma. Monte Carlo modeling of light transport in human pigmented skin, Bio-Algorithms and Med-Systems, 2011,7(2), 85-93.
3. Szczygieł M., Boroń B., Szczygieł D., Szafraniec M., Susz A., Matuszak Z., Urbanska K., and
Fiedor L., Real-time Non-invasive Transdermal Monitoring of Photosensitizer Level in vivo for Pharmacokinetic Studies and Optimization of Photodynamic Therapy ProtocolJ Anal Bioanal Tech, 2014, 5: 227 doi:10.4172/2155-9872.1000227.
4. Matuszak Z., Sawow A., Waslewska-Radwanska M., Quantitative Estimation of Porphyrin Concentration Synthesized by S91 Melanoma Cells after Topical Administration, of 5-aminolevulinic Acid (5-ALA). Application to PDT Therapy., Polish. J. Environmental Studies.2006, 15(4A), 157-160.
5. Matuszak Z., Photodynamic therapy of melanoma. Monte Carlo modeling of light transport in human pigmented skin, Bio-Algorithms and Med-Systems, 2011,7(2), 85-93.

Informacje dodatkowe:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Ćwiczenia laboratoryjne:
Pod koniec semestru przewidziany jest dodatkowy termin ćwiczeń (ogłaszany 2 tygodnie wcześniej na tablicy ogłoszeń i przez prowadzących), w którym można wykonać pomiary, których student z przyczyn losowych nie mógł wykonać w pierwotnym terminie. Studenci mogą wówczas odrabiać ćwiczenia po uprzednim uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia w jego grupie oraz odpowiedzi z części teoretycznej, potwierdzonej wpisem do protokołu.
Ćwiczenia projektowe:
Przewidziany jest dodatkowy termin ćwiczeń, w którym student możne wykonać pomiary, a których z przyczyn losowych nie mógł wykonać w uzgodnionym uprzednio terminie.

Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.