Similarity Measurement of Breast Cancer Mammographic Images Using Combination of Mesh Distance Fourier Transform and Global Features

Similarity measurement in breast cancer is an important aspect of determining the vulnerability of detected masses based on the previous cases. It is used to retrieve the most similar image for a given mammographic query image from a collection of previously archived images. By analyzing these results, doctors and radiologists can more accurately diagnose early-stage breast cancer and determine the best treatment. The direct result is better prognoses for breast cancer patients. Similarity measurement in images has always been a challenging task in the field of pattern recognition. A widely-adopted strategy in Content-Based Image Retrieval (CBIR) is comparison of local shape-based features of images. Contours summarize the orientations and sizes images, allowing for heuristic approach in measuring similarity between images. Similarly, global features of an image have the ability to generalize the entire object with a single vector which is also an important aspect of CBIR. The main objective of this paper is to enhance the similarity measurement between query images and database images so that the best match is chosen from the database for a particular query image, thus decreasing the chance of false positives. In this paper, a method has been proposed which compares both local and global features of images to determine their similarity. Three image filters are applied to make this comparison. First, we filter using the mesh distance Fourier descriptor (MDFD), which is based on the calculation of local features of the mammographic image. After this filter is applied, we retrieve the five most similar images from the database. Two additional filters are applied to the resulting image set to determine the best match. Experiments show that this proposed method overcomes shortcomings of existing methods, increasing accuracy of matches from 68% to 88%

Technology 2001: The Second National Technology Transfer Conference and Exposition, volume 2

Proceedings of the workshop are presented. The mission of the conference was to transfer advanced technologies developed by the Federal government, its contractors, and other high-tech organizations to U.S. industries for their use in developing new or improved products and processes. Volume two presents papers on the following topics: materials science, robotics, test and measurement, advanced manufacturing, artificial intelligence, biotechnology, electronics, and software engineering

Quantification of Stem Cell Derived Cardiomyocyte Beating Mechanics using Video Microscopy Image Analysis

Until recently, the studying of human cardiac cells had been a difficult and to some extent dangerous task due to the risks involved in cardiac biopsies. Induced pluripotent stem cell technology enables the conversion of human adult cells to stem cells, which can be further differentiated to cardiac cells. These cells have the same genotype as the patient from whom they were derived, allowing the studying of genetic cardiac diseases, as well as the cardiac safety and efficacy screening of pharmaceutical agents using human cardiac cells instead of animal cell models. Using the stem cell derived cardiac cells in these studies, however, requires novel and specialized measurement methods for understanding the functioning of these cells.Long QT syndrome and catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) are genetic cardiac diseases, which can induce deadly arrhythmias. The induced pluripotent stem cell derived cardiac cells allow the studying of these diseases in laboratory conditions. A greater understanding of these diseases is important for prevention of sudden cardiac death, more accurate diagnosis, and development of possible treatment options. In order to understand the functioning of these cells, new methods are sought after. Traditionally, the electrical function of these cells are measured. However, the primary function of the cardiac cells is to beat in order to pump blood for circulation. The methods to quantify this mechanical function, the contraction and relaxation movement of cells, has been in lesser focus.The main objective of this work is to develop a measurement method, which allows the in vitro quantification of biomechanics of single human cardiac cells using video microscopy. The method uses digital image correlation to determine movement occurring in cardiac cells during contractile movement. The method is implemented in a software tool, which enables the characterization and parametrization of the cardiomyocyte beating function. The beating function itself can be affected by environmental factors, pharmacological agents and cardiac disease.Here, the quantification of mechanical function is performed using digital image correlation to estimate displacement between subsequent video frames. Velocity vector fields can then be used to calculate signals that characterize the contraction and relaxation movement. We estimate its accuracy in cardiac cell studies using artificial data sets and its feasibility with concurrent electrical measurements. Cardiac diseases are studied by quantifying beating mechanics from Long QT and CPVT specific cell lines. Traditional electrophysiological measurements are used for validation and comparison. The interaction between calcium and contraction is studied with a simultaneous measurement of biomechanics and calcium imaging.This thesis resulted a new and accessible analysis method capable of measuring cardiomyocyte biomechanics. This method was determined to be non-toxic and minimally invasive, and found capable to be automated for high-throughput analysis. Due to not harming the cells, repeated measurements are enabled. Using the method, we observed for the first time abnormal beating phenotypes in two long QT associated mutations in single cardiomyocytes. Further, we demonstrated a concurrent calcium and motion measurement without background corrections. This provided also evidence that this combined analysis could be particularly useful in some cardiac disease cases. The methods and results shown in the thesis represent key early advances in the field.The method was implemented in a software tool, which enabled cell biologists to use it different stages of cardiomyocyte studies. Overall, the results of the thesis represent an accessible method of studying cardiomyocyte biomechanics, which improves the understanding of contraction-calcium coupling and paves way for high-throughput analysis of cardiomyocytes in genetic cardiac disease and pharmacological research.Viime aikoihin asti ihmisen sydämen solujen tutkiminen on ollut vaikeaa ja vaarallista, sillä näytepalojen ottamiseen sydämestä liittyy paljon riskejä. Menetelmä indusoitujen pluripotenttien kantasolujen tuottamiseen sallii aikuisten solujen muuntamisen takaisin kantasolumuotoon, josta ne voidaan vielä erilaistaa sydänsoluiksi. Näillä soluilla on sama geeniperimä kuin potilaalla, josta ne on johdettu. Tämä luo mahdollisuuden tutkia geneettisiä sydänsairauksia, ja sallii lääkeaineiden sydänturvallisuuden ja tehokkuuden tutkimisen käyttäen ihmisen sydänsoluja eläinkokeiden sijaan. Kantasolupohjaisten sydänsolujen käyttäminen näissä tutkimuksissa kuitenkin vaatii uusia ja erityisiä mittausmenetelmiä solujen toiminnan ymmärtämiseksi.Pitkä QT-syndrooma (LQTS) ja katekolamiiniherkkä polymorfinen kammiotakykardia (CPVT) ovat perinnöllisiä sydänsairauksia, jotka voivat aiheuttaa kuolemaan johtavia rytmihäiriöitä. Indusoiduista pluripotenteista kantasoluista johdettujen sydänsolujen avulla voidaan tutkia näitä sairauksia laboratorio-oloissa. Ymmärtämällä paremmin näitä sairauksia voidaan saavuttaa tarkempia diagnooseja ja kehittää mahdollisia uusia hoitomuotoja sydänperäisten äkkikuolemien estämiseksi. Uusia mittausmenetelmiä tarvitaan, jotta näiden solujen toimintaa voidaan tutkia. Näiden solujen toiminnallisuutta on perinteisesti tutkittu mittaamalla niiden sähköistä toimintaa. Sydänsolujen pääasiallinen tehtävä on kuitenkin mekaaninen: pumpata verta sydämestä verenkiertoon. Tätä solujen supistumista ja rentoutumista mittaavia menetelmiä on tutkittu vähemmän.Tämän väitöskirjan päämäärä on kehittää mittausmenetelmä, jolla voidaan määrittää yksittäisten ihmisen sydänsolujen biomekaniikkaa in vitro videomikroskopiaa käyttäen. Menetelmä käyttää digitaalista kuvien korrelaatiota määrittämään sydänsoluissa supistusliikkeen aikana tapahtuvan liikkeen. Menetelmää käytetään ohjelmistotyökalussa, jolla voidaan karakterisoida ja parametrisoida sydänsolun syketoimintaa. Syketoimintaan voi vaikuttaa niin ympäristötekijät, lääkeaineet kuin sydänsairaudetkin.Tässä väitöskirjassa sydänsolujen mekaanista toimintaa mitataan videomikroskopian avulla määrittämällä liikettä videon peräkkäisistä kuvista digitaalista kuvakorrelaatiota käyttäen. Saaduista nopeusvektorikentistä lasketaan supistumista ja rentoutumista kuvaavia signaaleja. Arvoimme sen tarkkuutta sydänsolututkimuksissa käyttäen keinotekoisia tietoaineistoja ja sen soveltuvuutta yhtäaikaisilla sähköisillä mittauksilla. Tutkimme perinnöllisiä sydänsairauksia (LQTS ja CPVT) mittaamalla sykinnän mekaniikkaa yksittäisistä sydänsoluista, jotka ovat johdettu näitä sairauksia kantavien potilaiden kantasolulinjoista. Perinteisiä sähköfysiologisia mittauksia käytetään menetelmän validointiin ja vertailuun. Kalsiumin ja sykinnän vuorovaikutusta tutkitaan yhtäaikaisella biomekaniikan ja kalsiumaineenvaihdunnan mittauksella.Tämän väitöskirjan tuloksena saatiin aikaan uusi ja helposti lähestyttävä menetelmä sydänlihassolujen biomekaniikan tutkimiseen. Menetelmä ei ole soluille haitallinen ja se vaikuttaa solujen toimintaan perinteisiin menetelmiin verrattuna vain vähän. Se on automatisoitavissa suuria näytemääriä varten. Koska se ei vahingoita soluja, mittaukset voidaan myös toistaa samoilla soluilla. Tätä menetelmää käyttäen havaitsimme ensimmäisinä kahdesta eri LQT1-mutaatiota kantavista potilaista johdetuissa yksittäisissä sydänsoluissa poikkeavia sykintätyyppejä. Lisäksi, osoitimme yhtäaikaisen kalsiumin ja liikkeen mittauksen olevan mahdollinen ilman laskennallisia taustan korjauksia ja havaitsimme, että näin yhdistetystä analyysista voi olla erityistä hyötyä sydänsairauksien tutkimisessa. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät ja tulokset edustavat alan tärkeitä ensimmäisiä edistysaskelia.Tätä menetelmää käytettiin väitöskirjan ohella tehdyssä ohjelmistotyökalussa, jota voidaan käyttää sydänlihassolujen tutkimuksen eri vaiheissa. Väitöskirjan tuloksena syntynyt helposti lähestyttävä menetelmä sallii sydänlihassolujen biomekaniikan analyysin. Sen avulla voidaan myös ymmärtää paremmin supistusliikkeen ja kalsiumin kytkentää. Kokonaisuutena, väitöskirja luo pohjaa sydänlihassolujen suurten näytemäärien analyysille sydänsairauksien ja lääkeaineiden tutkimuksessa