Master's Thesis

Comparison of different imaging methods of collagen fibers for biomechanical applications

Final Thesis 12.67 MB

Author of thesis: Ing. Timea Bedeová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Anna Hrubanová

Reviewer: Ing. Petr Hájek, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the comparison of polarized light microscopy and quantitative geometric-phase holographic microscopy for imaging the orientation of collagen fibres in soft biological tissues. The orientation of collagen fibres significantly affects the mechanical properties of tissues and represents an important input parameter of computational models. The research part is focused on the structure and properties of collagen and current imaging methods used to determine the orientation of collagen fibres. In the experimental part of the work, samples of porcine Achilles tendon are measured using both microscopic methods. Subsequently, they are compared through statistical analysis and a computational model. The aim of the work is to compare both methods and evaluate their advantages and limitations.

Keywords:

Polarized light microscopy, geometric-phase holographic microscopy, orientation and dispersion of collagen fibres, material model

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka ve vymezeném čase prezentovala svoji závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy k závěrečné práci, které byly studentkou zodpovězeny. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Čím byla dána špička napětí pro úhel zhruba 110° a jaká je globální orientace? Dá se uvedené měření použít i např. pro zkoušky tahem na běžném trhacím stroji? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A výborně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D. (člen)
Ing. László Iván, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Anna Hrubanová

Předložená diplomová práce vznikla ve spolupráci s Ústavem fyzikálního inženýrství a zabývá se porovnáním světelné polarizační mikroskopie a holografické mikroskopie pro zobrazení kolagenních vláken v biologických vzorcích měkkých tkání.

Rešeršní část práce je věnována teoretickému popisu metod pro získání rozložení kolagenních vláken v měkkých tkáních. Grafická úroveň i logické uspořádání jsou na velmi vysoké úrovni. Práce je psána ve slovenském jazyce, tudíž pravopis se neodvažuji hodnotit, nicméně práce je velmi dobře čitelná s minimem překlepů.

Následně studentka provedla velmi velké množství experimentální práce, přičemž pracovala zcela samostatně a velice obstojně si poradila i s problémem porovnání snímků získaných z různých mikroskopických metod. Ráda bych vyzvedla její velmi svědomitý a proaktivní přístup, díky kterému se podařilo práci dokončit včas a získat zajímavé výsledky.

Práce byla nad rámec cílů rozšířena o citlivostní analýzu získaných parametrů modelu materiálu na napjatost ve šlaše pomocí výpočtového modelování. Výpočtová část práce je jako zbytek práce na velmi dobré úrovni, přičemž si studentka poradila i s implementací anizotropního modelu materiálu.

Studentka pracovala aktivně v průběhu celého magisterského studia, svoji práci vypracovala samostatně téměř bez zásahů vedoucí a práci pravidelně konzultovala. Všechny cíle práce byly splněny a výsledky jsou velice dobře využitelné pro následující výzkum. K její práci nemám žádné výhrady a navrhuji tedy hodnocení A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Hájek, Ph.D.

V posuzované diplomové práci je studován vliv dvou mikroskopických metod na úhel orientace vláken kolagenu v prasečí Achillově šlaše. Rešeršní část dává práci solidní základ, jsou v ní shrnuty aktuální poznatky ze sledované oblasti, v některých místech by ale k bezpečné identifikaci zdroje měly přibýt citace. Těžištěm práce je experimentální část. Tuším, že za měřením vzorků tak, aby byly jejich výsledky z obou metod srovnatelné, se ukrývá velké množství omylů, ladění a práce, které nejsou v textu na první pohled vidět. Svázání výsledků a algoritmu na jejich vyhodnocení je obdivuhodné, protože měření se musela dít při znalosti tohoto algoritmu. Vzájemným srovnáním výsledků a ověřením rozdílů statistickými metodami by byly cíle práce splněny – nadto jsou k práci přidány výpočtové analýzy kolagenního vlákna, na nichž se daly ukázat také rozdíly v napětí pro jednotlivé naměřené parametry jednou či druhou metodou. V mnohých pasážích praktické části bych místo slovního popisu algoritmů a postupů ocenil více rovnic a u některých veličin chybí popis. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Dokázala byste najít stejné místo na obr. 4.7 a 4.8, aby bylo vidět, že barevné mapy skutečně odpovídají lokální orientaci vláken pro každý pixel?
  2. V kapitole 4.2 píšete, že nejlépe byla struktura šlachy vidět při světle o vlnové délce 550 nm a z tohoto důvodu jste nastavila RGB složky v kameře na (86,150,94), vlnové délce 550 nm ale spíš odpovídá RGB = (163, 255, 0). Jaký měly tyto hodnoty účel? Nemohla se díky nim výsledná natočení posunout o konstantní úhel?
  3. Na histogramech na obr. 5.4. je vidět, že u posledního histogramu, kde jsou srovnány pixely ze společné oblasti, je vždy menší počet pixelů než u odpovídajícího histogramu z původního snímku. Je to dáno tím, že by byly převzorkovány oba snímky z obou metod nebo tím, že společná oblast vyloučí pixely ze snímků z obou metod, nebo něčím jiným?
  4. Při porovnávání výsledných napětí ve výpočtových analýzách pracujete s inženýrským, skutečným nebo jiným napětím? Jak to souvisí s použitým modelem materiálu?
  5. V jaké fázi algoritmu vyhodnocení shodných oblastí dochází ke slučování pixelů (a průměrování jejich hodnot) a k jejich rozdělování (a interpolaci hodnot). Děje se to konkrétně před ořezáním oblasti nebo po něm a proč?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová