In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

The vasomotor axon reflex can be evoked in peripheral epidermal nociceptive C-fibers to induce local vasodilation. This neurogenic flare response is a measure of C-fiber functional integrity and therefore shows impairment in patients with small fiber neuropathy. Laser Doppler flowmetry (LDF) and laser Doppler imaging (LDI) are both techniques to analyze vasomotor small fiber function by quantifying the integrity of the vasomotor-mediated axon reflex. While LDF assesses the flare response following acetylcholine iontophoresis with temporal resolution at a single defined skin point, LDI records flare responses with spatial and temporal resolution, generating a two-dimensional map of superficial blood flow. LDF is characterized by a high intra- and interindividual measurement variability, which is smaller in LDI due to its spatial resolution. Nevertheless, LDI still lacks standardized methods for image analysis. Consequently, use of the technique currently remains on an experimental level. Here, we sought to review the current literature on laser Doppler assessment of vasomotor function and discuss potential future applications of established techniques as well as those that are still experimental.

The shape of a tissue or entire organ is important for its biological function. Tissue and organ shapes arise from molecular activities that control and execute cellular processes, such as oriented cell divisions, cell shape changes or cell rearrangements. However, how molecular activities control cellular processes during the shaping of organs is not well understood. This thesis spotlights two aspects of organ shaping based on Drosophila egg chambers as model tissue. One focus lies on three-dimensional imaging of cellular mechanics during development and the other aspect dissects the molecular function of the fat2 gene, that is crucial for tissue elongation in Drosophila egg chambers.:TABLE OF CONTENTS 1 SUMMARY ................................................................................................................... I 2 ZUSAMMENFASSUNG ...............................................................................................III 3 TABLE OF CONTENTS ................................................................................................V 4 LISTS ..........................................................................................................................10 5 INTRODUCTION ........................................................................................................16 6 AIMS OF THE THESIS ...............................................................................................40 7 MATERIALS AND METHODS .....................................................................................41 8 RESULTS ....................................................................................................................58 9 DISCUSSION .............................................................................................................92 10 ACKNOWLEDGEMENTS .......................................................................................103 11 REFERENCES ........................................................................................................105 12 APPENDIX ..............................................................................................................118 13 ERKLÄRUNG ..........................................................................................................123

Mikrochips zur Tierkennzeichnung bestehen aus verschiedenen metallischen Materialien. Diese treten in der Magnetresonanztomographie in Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern. So verursachen die ferromagnetischen Materialen der Mikrochips gravierende fokale Bildstörungen. Diese Suszeptibilitätsartefakte können die Beurteilbarkeit der Halsregion erheblich einschränken. Ziel der Studie war, den Einfluss des Sequenztyps auf die Größe des Artefakts zu untersuchen und herauszufinden, welche Möglichkeiten zur Artefaktreduktion bei Veränderung bestimmter Sequenzparameter bestehen. Zusätzlich sollte geklärt werden, wie groß der Abstand zwischen Spinalkanal und Mikrochip mindestens sein muss, um spinale Strukturen beurteilen zu können. In das Untersuchungsgut der Studie gingen die Kadaver von 26 Katzen und 2 Hunden ein. An einem 0,5-Tesla-MRT wurde für verschiedene Sequenztypen (SE-Sequenzen, TSE-Sequenzen, GRE-Sequenzen) und Kombinationen modifizierter Sequenzparameter (Echozeit (TE), Voxelgröße, Ausleserichtung) das Ausmaß der Artefakte ermittelt. Berechnet wurde der Flächeninhalt des Artefakts (cm2). Dieser wurde dann als prozentualer Anteil zur Fläche des Halsquerschnitts angegeben. Diese Berechnung erfolgte für alle untersuchten Einstellungen an transversalen Aufnahmen. Eine ergänzende computertomografische Untersuchung dienste dazu, die Distanz zwischen Spinalkanalund Mikrochip zu messen. Die Untersuchungen der Studie haben gezeigt, dass TSE-Sequenzen wegen ihrer geringeren Artefaktanfälligkeit den SE- und GRE-Sequenzen vorgezogen werden sollten. Besonders kleine Artefakte konnten bei einer T1-TSE-Sequenz mit kleiner TE (10 ms) und kleiner Voxelgröße (große Akquisitionsmatrix von 256 x 256 Pixel, kleines Field of View (FOV) von 160 mm, geringe Schichtdicke (ST) von 2 mm) erreicht werden. Durch Anpassung der Kodierrichtung war es möglich, die Form und Richtung des Artefaktes zu beeinflussen. Lag das Zentrum des Mikrochips näher als 19 mm von der Mitte des Wirbelkanals entfernt, ließen sich auch mit dieser optimierten Sequenz die spinalen Strukturen auf Höhe des Mikrochips nicht beurteilen. Die Größe und Form der Suszeptibilitätsartefakte konnten durch die Wahl des Sequenztyps und Modifikation von Sequenzparametern verändert werden. Dies ist besonders bei kleinen Tieren von Bedeutung. Bei diesen kann es aufgrund der geringen Distanz zwischen Mikrochip und Wirbelsäule zur Beeinträchtigung der MR-Bildauswertung kommen. Eine T1-gewichtete TSE-Sequenz mit kleiner Echozeit (10 ms) und kleiner Voxelgröße (Akquisitionsmatrix 256 x 256 Pixel, FOV 160 mm, ST 2 mm) bietet bei 0,5 Tesla das größte Potenzial zur Artefaktreduktion.

Background: In PET/MRI, linear photon attenuation coefficients for attenuation correction (AC) cannot be directly derived, and cortical bone is, so far, usually not considered. This results in an underestimation of the average PET signal in PET/MRI. Recently introduced MR-AC methods predicting bone information from anatomic MRI or proton density weighted zero-time imaging may solve this problem in the future. However, there is an ongoing debate if the current error is acceptable for clinical use and/or research. Methods: We examined this feature for [18F] fluorodeoxyglucose (FDG) brain PET in 13 patients with clinical signs of dementia or movement disorders who subsequently underwent PET/CT and PET/MRI on the same day. Multiple MR-AC approaches including a CT-derived AC were applied. Results: The resulting PET data was compared to the CT-derived standard regarding the quantification error and its clinical impact. On a quantitative level, −11.9 to +2 % deviations from the CT-AC standard were found. These deviations, however, did not translate into a systematic diagnostic error. This, as overall patterns of hypometabolism (which are decisive for clinical diagnostics), remained largely unchanged. Conclusions: Despite a quantitative error by the omission of bone in MR-AC, clinical quality of brain [18F]FDG is not relevantly affected. Thus, brain [18F]FDG PET can already, even now with suboptimal MR-AC, be utilized for clinical routine purposes, even though the MR-AC warrants improvement.

A major goal in biological imaging is to visualize interactions of different tissues, often fluorescently labeled, during dynamic processes. Only a few of these labels fit into the available spectral range without overlap, but can be separated computationally if the full spectrum of every single pixel is known. In medical imaging, hyperspectral techniques show promise to identify different tissue types without any staining. Yet, microscopists still commonly acquire spectral information either with filters, thus integrating over a few broad bands only, or point-wise, dispersing the spectra onto a multichannel detector, which is inherently slow. Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) and optical projection tomography (OPT) are two techniques to acquire 3D microscopic data fast, photon-efficiently and gently on the specimen. LSFM works in fluorescence mode and OPT in transmission. Both are based on a fast widefield detection scheme where a 2D detector records the spatial information but leaves no room to acquire dispersed spectra. Hyperspectral imaging had not yet been demonstrated for either technique. In this work, I developed a line-scanning hyperspectral LSFM and an excitation scanning OPT to acquire 5D data (3D spatial, 1D temporal, 1D spectral) and optimized the performance of both setups to minimize acquisition times without sacrificing image contrast, spatial or spectral information. I implemented and assessed different evaluation pipelines to classify and unmix relevant features. I demonstrate the efficiency of my workflow by acquiring up to five fluorescent markers and the autofluorescence in \\zf and fruit fly embryos on my hyperspectral LSFM. I extracted both concentration maps and spectra for each of these fluorophores from the multidimensional data. The same methods were applied to investigate the transmission data from my spectral OPT, where I found evidence that OPT image formation is governed by refraction, whereas scattering and absorption only play a minor role. Furthermore, I have implemented a robust, educational LSFM on which laymen have explored the working principles of modern microscopies. This eduSPIM has been on display in the Technische Sammlungen Dresden for one year during the UNESCO international year of light. / Ein wichtiges Ziel biologischer Bildgebung ist die Visualisierung des Zusammenspiels von verschiedenen, meist fluoreszent markierten, Geweben bei dynamischen Prozessen. Nur wenige dieser Farbstoffe passen ohne Überlapp in das zur Verfügung stehende Spektrum. Sie können jedoch rechnerisch getrennt werden, wenn das gesamte Spektrum jedes Pixels bekannt ist. In medizinischen Anwendungen versprechen hyperspektrale Techniken, verschiedene Gewebetypen markierungsfrei zu identifizieren. Dennoch ist es in der Mikroskopie noch immer üblich, spektrale Information entweder mit Filtern über breiten Bändern zu integrieren, oder Punktspektren mithilfe von Dispersion zu trennen und auf einem Multikanaldetektor aufzunehmen, was inhärent langsam ist. Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM) und Optical Projection Tomography (OPT) nehmen 3D Mikroskopiedaten schnell, photoneneffizient und sanft für die Probe auf. LSFM arbeitet mit Fluoreszenz, OPT in Transmission. Beide basieren auf schneller Weitfelddetektion, wobei die räumliche Information mit einem 2D Detektor aufgenommen wird, der keinen Raum lässt, um die getrennten Spektren zu messen. Hyperspektrale Bildgebung wurde bis jetzt für keine der zwei Techniken gezeigt. Ich habe ein hyperspektrales LSFM mit Linienabtastung und ein OPT mit Wellenlängenabtastung entwickelt, um 5D Daten (3D räumlich, 1D zeitlich, 1D spektral) aufzunehmen. Beide Aufbauten wurden hinsichtlich minimaler Aufnahmezeit optimiert, ohne dabei Kontrast, räumliche oder spektrale Auflösung zu opfern. Ich habe verschiedene Abläufe zum Klassifizieren und Trennen der Hauptkomponenten implementiert. Ich nehme bis zu fünf Fluorophore und Autofluoreszenz in Zebrafisch- und Fruchtfliegenembryos mit dem hyperspektralen LSFM auf und zeige die Effizienz des gesamten Ablaufes, indem ich Spektren und räumliche Verteilung aller Marker extrahiere. Die Transmissionsdaten des spektralen OPT werden mit denselben Methoden untersucht. Ich konnte belegen, dass die Bildformation im OPT massgeblich von Brechung bestimmt ist, und Streuung und Absorption nur einen geringen Beitrag leisten. Außerdem habe ich ein robustes, didaktisches LSFM gebaut, damit Laien die Funktionsweise moderner Mikroskopie erkunden können. Dieses eduSPIM war ein Jahr lang in den Technischen Sammlungen Dresden ausgestellt.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

Der Alterungsprozess ist mit einem breiten Spektrum von Veränderungen der Gehirnstruktur und -funktion, sowie altersbedingter kognitiver Verschlechterung und pathologischer Neurodegeneration verbunden. Jahrelange Forschungen haben gezeigt, dass Pathologien wie neurofibrilläre Bündel, Amyloid Ablagerungen (Aβ) und zerebrovaskuläre Störungen zur Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit im Alter und bei der Alzheimer Demenz (AD) beitragen. Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Lebensstilfaktoren die Fähigkeit, mit Pathologien umzugehen, fördern. Hierbei handelt es sich um die sogenannten Resilienzfaktoren. Im Gegensatz dazu stehen die Risikofaktoren, welche die Vulnerabilität für kognitive Verschlechterung und Neurodegeneration erhöhen und diese Prozesse beschleunigen können. Diese Arbeit exploriert Risiko- und Resilienzfaktoren in einem breiten Spektrum von Probanden, von kognitiv normalen älteren Menschen über Personen mit leichter kognitiver Beeinträchtigung bis hin zu Personen mit klinischer AD mittels einer holistischen Integration behavioraler Messungen und Markern multimodaler Neurobildgebung. Basierend auf vier Studien untersucht diese Dissertation die Assoziation von AD und zerebrovaskulärer Störungen, funktioneller Konnektivitätsnetzwerke und Kognition in einem gepoolten Datensatz bestehend aus 645 Individuen. Zusammenfassend erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation die Literatur zu Resilienz- und Risikofaktoren im Kontext gesunden Alterns und AD, indem sie eine holistische Integration der komplexen Mechanismen während des Alterungsprozesses liefert. / Aging alone is associated with a wide range of alterations in brain structure and function as well as age-associated cognitive decline and pathological neurodegeneration. Years of research have shown that brain pathology such as neurofibrillary tangles, amyloid deposition (Aβ), and cerebrovascular pathology contribute to decline of cognitive functions in aging and Alzheimer’s Disease (AD). Recent research has pointed out that certain lifestyle factors contribute to the ability to cope with pathology, known as resilience factors, while in contrast, risk factors can accelerate and increase the vulnerability towards cognitive decline and neurodegeneration. This work explores risk and resilience factors across a diverse spectrum of participants ranging from cognitively intact older adults, to mild cognitive impairment (MCI), and clinical AD with a holistic integration of behavioral measures and multimodal neuroimaging markers. Based on four studies this dissertation investigates the association of AD and cerebrovascular pathology, functional connectivity networks and cognition in a pooled data set of 645 individuals. In summary, our results shed light on the diverse mechanistic underpinning of functional brain networks, hinting at the complex interplay between the brain’s functionality at-rest and the multiple pathological processes. Overall, these findings extend the literature on the resilience and risk factors in the context of healthy aging and AD, while providing a holistic integration of the complex mechanisms at play during the aging process.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

3-dimensional imaging often requires substantial effort since information along the optical axis is not straight forward gatherable. In many applications it is aimed for depth information along the direction of view. For example fluidic mixing processes and the environmental interaction on a microscopic scale are of particular importance for e.g. pharmaceutical applications and often demand for 3D information. This problem is often solved by stereoscopic approaches, where two cameras are used in order to gather depth information by triangulation technique. Another approach is to scan the object through the focal plane in order to get sharp images of each layer. Since the before mentioned approaches require a lot of video data to be evaluated it would be more convenient to get depth mapping within a single camera recording and without scanning. Here we present a tunable 3D depth-mapping camera technique in combination with dynamic aberration control. By using an incoherent light source, only one camera and a spatial light modulator (LCoS-SLM), it is a simply applicable and highly scalable technique. A double-helix point spread function (DH-PSF) is generated for light emerging from the bserved focal plane. Each object appears as a double-image on the camera. Within the orientation of the double-image, depth information along the optical axis is encoded. By using an additional adaptive element (deformable mirror) the technique is combined with wide-field aberration correction. Here we combine a tunable 3D depth camera with dynamic aberration control in one imaging system.