Összefoglaló Háttér A dolgozat témáját az élettan és biofizika egy sajátos jelenségét vizsgáló kutatások keretén belül alkalmazott számítógépes módszerek képezik. A jelenség izomsejteken belül történik és az izom kontrakciót megvalósító folyamatokat foglalja magába, amelyeknek fontos szereplője a sejten belüli kalcium, mint biológiai üzenethordozó. A tanulmányozott folyamatot először 1993-ban rögzítették konfokális mikroszkóppal, fluoreszcencia alapú képalkotó módszerekkel. Az intracelluláris térrészben történő kalciumkoncentráció változásokat összefoglalóan elemi kalciumfelszabadulási eseményeknek nevezzük, amelyekből léteznek egész sejtre kiterjedő (globális) és csak kis térrészben megjelenő (lokális) események. A néhány mikron átmérőjű térben lezajló események rögzítésének eszköze a konfokális mikroszkóp volt a kutatások utóbbi 20 esztendejében, az esemény megfigyelése Ca2+ ionokhoz kötődő festékek fluoreszcens tulajdonságán keresztül lehetséges. A festék megvilágítása lézer sugárral történik, a konfokális mikroszkóp működéséből adódóan az ily módon felfogott jelek igen kis térrészből rögzítik a jelenség dinamikáját. Ezen a területen a mérési folyamatok vezérlése és rögzítése is számítógépes módszerekkel történik, és szükség van számítógépes módszerekre az eredmények kiértékelésénél is. A konfokális mikroszkóppal készített mérések egy, vagy több dimenziós képek formájában tárolódnak, ezek elemzése képfeldolgozási módszerekkel történik, amelyek közt helyet kapnak a klasszikus képfeldolgozás területébe sorolt, illetve a speciális, mikroszkóp képek feldolgozását biztosító módszerek, különös tekintettel a fluoreszcens képalkotásra. A biofizika, valamint az élettan tárgykörébe tartózó lokális kalcium események paraméterszámítása numerikus módszerekkel történik. A numerikus számítások bemenetét a képfeldolgozás során lokalizált események területeinek mérési adatai jelentik. A tézis hátterét jelentő kutató munka elemi kalciumfelszabadítási események automatikus és interaktív elemzéséhez kötődik, a módszerek a Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrumának Élettani Intézetében folytatott kísérletek folyamán kerültek alkalmazásra. Célkitűzések A tézis fontosabb célkitűzései: a) Konfokális mikroszkóppal készült line-scan képek elemzése számítógépes kép és jelfeldolgozási módszerekkel. Ezek a képek az Élettani Intézetben készültek elemi Ca2+ események biofizikai mechanizmusainak tanulmányozására végzett kísérletekben, munkánk első szakaszában klasszikus kis frekvenciás konfokális mikroszkópokkal (a mikroszkóp sor pásztázási periódusa 1 ms körüli). b) Vázizomban történő, konfokális mikroszkóppal (elsősorban line-scan típusú képek létrehozásával) rögzített Ca2+ események tanulmányozása, statisztikai feladatok megoldásához szükséges paraméterek számítása, Ca2+ esemény jellemzők meghatározása és számítása olyan esetekben, amikor nem létezik az irodalomban általánosan elfogadott módszer erre, pl. Ca2+ „ember” (parázs) típusú események esetében. A kidolgozott módszerek alkalmazása kísérleti adatok feldolgozásában. c) Az esemény detektálási algoritmusok hatékonyságának és megbízhatóságának vizsgálata kalcium eseményeket tartalmazó line-scan képeken. Az algoritmusok konfigurálható paramétereinek hatását lemérve az optimális beállíthatóság elemzése. d) A kidolgozott algoritmusok és elemzési módszerek adaptálása nagy frekvenciás line-scan képek elemzéséhez. A nagy frekvenciás (pásztázási periódus 50 μs körüli), modern mikroszkópok által rögzített képeken ugyanazok a jelenségek más alakzattal jelennek meg, mint a klasszikus képeken. e) A témakörben általánosan használható függvény csomag és grafikus felületű feldolgozó programok kidolgozása az a-d pontokban említett feladatokhoz. Módszerek A fejezetben a konfokális képalkotás területére jellemző kérdések kerülnek bemutatásra, utána a területre jellemző fontosabb kép és jelfeldolgozási módszerekkel foglalkozom. Ebben a részben mutatom be részletesen a line-scan típusú, tér és idő koordinátájú képek jellegzetességeit, és az elemzésükhöz szükséges előfeldolgozó eljárásokat (normalizálás, zajszűrés). A tézis egyik fontos témája a line-scan képeken való eseménydetektálás, bemutatásra kerülnek az irodalomba fellelhető fontosabb detektáló módszerek. A képeken található háttérzaj kezelése centrális kérdés, így foglalkozom a zajszűrés lehetőségeivel is. A kalcium eseményekhez kötött biofizikai paraméterek számítása ugyancsak megoldandó gyakorlati célkitűzés, így itt mutatom be a tudományos közösség által általánosan elfogadott módszereket kalcium spark eseményekre. A dolgozatban alkalmazott algoritmusok egy csoportja diszkrét wavelet transzformációra épül, így a módszertani részben az alkalmazott transzformáció is bemutatásra kerül. A transzformációt Starck és Murtagh alkalmazta először csillagászati képek elemzésére (Starck és mtsai. 1998a), illetve von Wegner és mtsai. (2006) konfokális képekre. Az transzformáció egyik neve à trous transzformáció (stacionárius wavelet transzformáció név alatt is ismert). Wavelet függvényként a köbös B-spline skálafüggvényre épülő waveletet használtam (akárcsak a módszer bevezetői), ennek tulajdonságai különlegesen alkalmassá teszik orvos-biológiai képek elemzésére (véges intervallumon definiáltak, egyszerű algoritmusok alakíthatóak használatukkal, szimmetrikusak, optimális idő-frekvencia lokalizáló tulajdonságaik vannak). Eredmények Ebben a fejezetben négy pontban mutatom be az elért eredményeket, és ezzel támasztom alá a célkitűzésben felsorolt célokat. Az első részben bemutatom a klasszikus, úgynevezett kettős küszöbölő detektáló módszer alkalmazásával elért eredményeket, ezt munkám első időszakában használtam. A képek előfeldolgozására egy fotókorrekciós eljárást fejlesztettem, ezt is ebben a részben mutatom be előfeldolgozó eljárásként. A fejezet második részében a sparkok biofizikai paraméterszámításával kapcsolatos megoldásokat ismertetem. Ugyanitt mutatok be egy új módszer kalcium „ember” (parázs) típusú események paraméterszámítására. A fejezet harmadik részében az à trous wavelet alapú zajszűrés és detektálás saját implementációját mutatom be egy és kétdimenziós esetekre. Foglalkozom egy előszűrési eljárással is (tüskeszűrés, amelyet szintén az à trous waveletre építek). A Továbbiakban az egy dimenziós detektáló algoritmus használatának lehetőségével kalcium „ember” események esetében, mivel ez az eljárás jobb eredményeket ad nem izotróp kiterjedésű események esetében. Itt megadok egy eljárást „ember” típusú események detektálására. Végül a negyedik részben a wavelet alapú detektálás megbízhatóságát, illetve szenzitivitását elemzem egy, a klasszikus módszerrel összehasonlító mérés sorozatban. A mérésben elvégzett teszteket szimulált képeken végeztem, itt mind a háttérzaj, mind pedig az események szimulálására saját módszereket is alkalmaztam (háttérzaj generálása kísérleti képek felhasználásával, esemény szimuláció). A fejezetben konkrét detektálási és zajszűrési paraméter értékekre adok meg megbízhatóság és szenzitivitást jellemző valószínűségeket. Ezek alátámasztják az a feltevést, hogy a wavelet módszer megbízhatóbb és nagyobb szenzitivitást mutat kalcium sparkok esetében. A wavelet módszert teszteltem egy tüskeszűrő előfeldolgozás esetére is, amely növeli a módszer megbízhatóságát jelentős szenzitivitás veszteség nélkül. A mérések figyelembe vételével a detektálási és zajszűrési algoritmusok paramétereinek választása lényegesen egyszerűbbé válik gyakorlati kísérletek kiértékelésében. Diszkusszió A tézis befejező fejezetében tárgyalom a módszerek Élettani Intézetben történő kutatásokban való alkalmazása folyamán felmerült kérdéseket. Ugyanitt mutatom be a módszerek alkalmazásának lehetőségét nagy frekvenciás line-scan képekre is. Ezeken a képeken a spakok más alakzatban jelennek meg a nagyobb sebességű pásztázás miatt, így a nem izotróp formációkat az egy dimenziós à trous transzformációra épülő módszerekkel lehet detektálni. Ugyanitt adok meg egy paraméterszámítási eljárást nagyfrekvenciás képeken regisztrált sparkokra. A kutatás folyamán megvalósított eredmények összefoglalója megtalálható a Tézisfüzetben. Az elemzés gyakorlati megvalósítása folyamán a MATLAB (The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States) programozási környezetet használtam. A munkám folyamán alap algoritmusokat implementáló függvénycsomagokat, interaktív grafikus felülettel rendelkező elemző programokat, illetve automata elemzést biztosító eljárásokat fejlesztettem. Következményeként a fontosabb eljárások egy-egy függvénycsomag részeként felhasználhatóak új feldolgozások gyors előállítására. A módszereket több kutatás keretén belül használtuk az Élettani Intézetében, amint a „A kiértékelési módszerek használata kísérletekben” című szakaszban megadott publikációk tükrözik.

Summary Background The main topic of this thesis are computer based methods used by a specific field of research in physiology and biophysics: calcium signaling in muscle cells. As a biological messenger, intracellular calcium plays an important role in muscle excitation-contraction process. Intracellular local calcium concentration changes induce the muscle contraction, these are termed intracellular calcium release events in muscle cells. They have been first observed in 1993 by methods based on fluorescence imaging. In this area measurements are controlled by computers, moreover, evaluation of the results need also computational techniques. Confocal microscopes register signals as one, two or multidimensional images, in consequence measurement interpretation is based on methods used in image and signal processing. Some of the applied image processing methods belong to classical methods, some to special methods established in fluorescent imaging. The biophysical and physiological parameters appear as main features of these events, and are calculated traditionally by numerical methods, notably the input of these calculations are microscope registered data of the detected events. Background of this thesis is an ongoing research activity targeting the study of elementary calcium release events in muscle cells organized at the Department of Physiology, Research Centre for Molecular Medicine, Medical and Health Science Centre, University of Debrecen. Goals The primary goal of the thesis was to adapt well known computer based methods to this field of research, the secondary goal was to develop new methods for the area. My research and developmental activity included the following: a) Analysis of line-scan confocal images based on image and signal processing methods. The images were registered at the Department of Physiology during research studies of elementary calcium release events. The first period of these research programs was characterized by the recording of classical line-scan images (scanning period around 1 ms/line). b) Study of elementary calcium events in skeletal muscle by calculating biophysical parameters needed for statistical processing, first of all by applying known and generally accepted methods. Calculating event characteristic features for cases when no established method exists, like in the case of calcium „ember”-s. c) Study of efficiency and reliability of elementary calcium event detection methods on line scan images. Our intent was to specify guidelines, how to set up algorithm configuration in order to achieve the best results in experimental data analysis. d) Adoption of event detection and parameter calculation methods used for classical line-scans to the analysis of high frequency line scan images. Events on high frequency line scans (scanning period ~ 50 μs/line) appear with a different calcium event kinetics. e) Implementation of a software library and analysis programs for the above mentioned research activities. Methods First the confocal imaging methods related to the thesis are mentioned, next the most used image and signal processing methods are presented. Properties of line scan (main image type used in this thesis, coordinates in space and time) images images are presented also in this chapter with the most important image preprocessing methods (normalization, photobleaching correction). Elementary calcium event detection on confocal images is one of the main topics of the thesis, in consequence the known signal and image processing methods to achieve this goal are presented. Noise handling is a central task when working with line-scan images, so filtering methods are discussed. Calculation of elementary calcium release events characterizing biophysical parameters represents also a practical task of the research, correspondingly the established methods used by the scientific community are enumerated for calcium sparks. A part of the algorithms used in the thesis are built on a discrete wavelet transform, so in addition the Methods chapter presents the à trous or stationary wavelet transform. Previously the transform was first used for image processing by Starck and Mourtagh (1998) in astronomy and von Wegner et al. (2006) for confocal images. As wavelet function the wavelet based in the cubic B-spline was used, notably for the excellent properties in medical and biological image processing (compact support, simple and fast implementation, symmetric scaling and wavelet function, optimal time-frequency localizing properties). Results In this chapter four areas are covered in order to support the goals of the thesis. The first part covers results obtained during the beginning period of the research work by using the classical double threshold algorithm. A photobleaching correction algorithm implementation is presented here also as a preprocessing solution for line scans. Secondly methods for spark parameter calculations are discussed. Afterwards a new method of parameter calculation for elementary calcium release event of type calcium „ember” is presented. Third part of the Results chapter presents the applied implementation of the à trous algorithm in one and two dimensions, used for noise filtering and event detection. A new spike filter built upon the first two, high frequency component wavelet levels is presented. Next the detection of non isotropic events by the one dimensional transform is discussed and an algorithm to detect calcium „ember” events is presented. Finally, the fourth area evaluates the reliability and sensitivity of the à trous wavelet based detection in measurements comparing it to the classical solution. Results of tests performed on simulated images are evaluated. As for creating simulated images a method based on experimental images is also presented (outside methods of generating noise with a known distribution) moreover, methods of creating simulated events are discussed. Probabilities characterizing positive predictive value (PPV) and sensitivity (S) are given for selected parameter values and amplitude of calcium spark events (in relative fluorescence units). We conclude, that wavelet based detection is characterized by better PPV and S values on calcium spark events containing line scans. The wavelet detection method is evaluated in case of prefiltering for spikes also, and achieves better reliability without significant sensitivity loss. Based on the conducted tests, parameter selection for noise filtering and detection algorithms in experiment analysis is straightforward. Discussion Eventually this chapter discusses some aspects revealed by applying the methods in calcium release event experiments at the Department of Physiology. The chapter also presents the analysis of high frequency line-scans by the presented methods. On high frequency line-scans (scanning period around 50 μs/line) calcium sparks appear with a different shape compared to classical line scans (scanning period around 1 ms/line). A method based on the one dimensional à trous transform considering detection of this non isotropic shaped events is presented. Next parameter calculation for high frequency line-scans is discussed, and the calculation of a new parameter characterizing calcium release is mentioned (slope of signal mass). Results of the research are summarised in the Thesis document. To solve the practical tasks related to data analysis we used the MATLAB (The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States) environment. As a result, we developed a function library containing all our basic algorithms for calcium event analysis, in addition two GUI based applications and automatic analysis methods were implemented. The methods were used during various research projects at Department of Physiology, Research Centre for Molecular Medicine, Medical and Health Science Centre, University of Debrecen (Szigeti et al. 2007; Lukács et al. 2008; Almássy et al. 2008; Fodor et al. 2008; Szabó et al. 2010; Vincze et al. 2012).