Geometry Processing of Conventionally Produced Mouse Brain Slice Images

Brain mapping research in most neuroanatomical laboratories relies on conventional processing techniques, which often introduce histological artifacts such as tissue tears and tissue loss. In this paper we present techniques and algorithms for automatic registration and 3D reconstruction of conventionally produced mouse brain slices in a standardized atlas space. This is achieved first by constructing a virtual 3D mouse brain model from annotated slices of Allen Reference Atlas (ARA). Virtual re-slicing of the reconstructed model generates ARA-based slice images corresponding to the microscopic images of histological brain sections. These image pairs are aligned using a geometric approach through contour images. Histological artifacts in the microscopic images are detected and removed using Constrained Delaunay Triangulation before performing global alignment. Finally, non-linear registration is performed by solving Laplace's equation with Dirichlet boundary conditions. Our methods provide significant improvements over previously reported registration techniques for the tested slices in 3D space, especially on slices with significant histological artifacts. Further, as an application we count the number of neurons in various anatomical regions using a dataset of 51 microscopic slices from a single mouse brain. This work represents a significant contribution to this subfield of neuroscience as it provides tools to neuroanatomist for analyzing and processing histological data.Comment: 14 pages, 11 figure

Algorithmic options for joint time-frequency analysis in structural dynamics applications

The purpose of this paper is to present recent research efforts by the authors supporting the superiority of joint time-frequency analysis over the traditional Fourier transform in the study of non-stationary signals commonly encountered in the fields of earthquake engineering, and structural dynamics. In this respect, three distinct signal processing techniques appropriate for the representation of signals in the time-frequency plane are considered. Namely, the harmonic wavelet transform, the adaptive chirplet decomposition, and the empirical mode decomposition, are utilized to analyze certain seismic accelerograms, and structural response records. Numerical examples associated with the inelastic dynamic response of a seismically-excited 3-story benchmark steel-frame building are included to show how the mean-instantaneous-frequency, as derived by the aforementioned techniques, can be used as an indicator of global structural damage

Deformable kernels for early vision

Early vision algorithms often have a first stage of linear filtering that 'extracts' from the image information at multiple scales of resolution and multiple orientations. A common difficulty in the design and implementation of such schemes is that one feels compelled to discretize coarsely the space of scales and orientations in order to reduce computation and storage costs. This discretization produces anisotropies due to a loss of traslation-, rotation- scaling- invariance that makes early vision algorithms less precise and more difficult to design. This need not be so: one can compute and store efficiently the response of families of linear filters defined on a continuum of orientations and scales. A technique is presented that allows (1) to compute the best approximation of a given family using linear combinations of a small number of 'basis' functions; (2) to describe all finite-dimensional families, i.e. the families of filters for which a finite dimensional representation is possible with no error. The technique is general and can be applied to generating filters in arbitrary dimensions. Experimental results are presented that demonstrate the applicability of the technique to generating multi-orientation multi-scale 20 edge-detection kernels. The implementation issues are also discussed

Detergency and its implications for oil emulsion sieving and separation

Separating petroleum hydrocarbons from water is an important problem to address in order to mitigate the disastrous effects of hydrocarbons on aquatic ecosystems. A rational approach to address the problem of marine oil water separation is to disperse the oil with the aid of surfactants in order to minimize the formation of large slicks at the water surface and to maximize the oil-water interfacial area. Here we investigate the fundamental wetting and transport behavior of such surfactant-stabilized droplets and the flow conditions necessary to perform sieving and separation of these stabilized emulsions. We show that, for water soluble surfactants, such droplets are completely repelled by a range of materials (intrinsically underwater superoleophobic) due to the detergency effect; therefore, there is no need for surface micro/nanotexturing or chemical treatment to repel the oil and prevent fouling of the filter. We then simulate and experimentally investigate the effect of emulsion flow rate on the transport and impact behavior of such droplets on rigid meshes to identify the minimum pore opening (w) necessary to filter a droplet with a given diameter (d) in order to minimize the pressure drop across the mesh and therefore maximize the filtering efficiency, which is strongly dependent on w. We define a range of flow conditions and droplet sizes where minimum droplet deformation is to be expected and therefore find that the condition of is sufficient for efficient separation. With this new understanding, we demonstrate the use of a commercially available filter--without any additional surface engineering or functionalization--to separate oil droplets from a surfactant stabilized emulsion with a flux of 11,000 L m$^{-2}$ hr$^{-1}$ bar$^{-1}$. We believe these findings can inform the design of future oil separation materials

Solving the tasks of subsurface resources management in GIS RAPID environment

Purpose. Solving the tasks of subsurface resources management based on the created GIS RAPID geoinformation technology. Methods. Close spatial relationships of lineament network characteristics and earthquake epicenters were detected in 3 seismically active areas located in the mountainous regions of Central Europe. Digital elevation models (DEM) based on ASTER satellite surveys and earthquake epicenter data were used. The nature of spatial relationship of lineament network and vein ore objects was studied in the territory of Congo DR, in the Lake Kivu area using space imagery. Gold ore objects were searched and forecasted in Uzbekistan in the site of Jamansai Mountains. High- resolution imagery from QuickBird 2 satellite, geophysical field surveys, geological and geochemical data were used. Findings. It was found that a significant number of epicenters are located in areas of high concentration of “non-standard” azimuths lineaments – from 27 to 34% of the total number of lineaments. It was revealed that 59.6% of the epicenters are located within 10% of sites with the highest values of complex deformation maps; 50% of the areas with the highest values of these maps contain, on average, 89% of all earthquake epicenters. It was found that satellite image lineament concentration maps with “non-standard” azimuths reflect the spatial relationship with known deposits much better than the concentration map of all lineaments. It was detected that the total area of gold ore objects perspective sites is about 20 km2. Originality. The use of GIS RAPID in a number of earth’s crust areas has allowed to establish new regularities linking the networks of physical field and landscape lineament characteristics with ore bodies and earthquake epicenters localization. Practical implications. A new technology has been developed for solving geological forecasting and prospecting problems. The technology can be used to solve a wide range of practical problems, especially in difficult geological conditions when searching for deep objects weakly presented in external fields and landscape.Мета. Рішення задач надрокористування на базі створеної геоінформаційної технології ГІС РАПІД. Методика. Виявлення тісних просторових взаємозв’язків різноманітних характеристик мереж лінеаментів і епіцентрів землетрусів проводилося у 3 сейсмоактивних ділянках, розташованих в гірських районах Центральної Європи. Використовувалися цифрові моделі рельєфу (DEM), побудовані за зйомками зі супутника ASTER і дані по епіцентрах землетрусів. Дослідження характеру просторового взаємозв’язку мережі лінеаментів і жильних рудних об’єктів проводилися на території Демократичної Республіки Конго, в районі озера Ківу із використанням космічних зйомок. Дослідження пошуку та прогнозу золоторудних об’єктів виконувалися в Узбекистані на ділянці Джамансайскіх гір. Використовувалися високоточні космічні зйомки зі супутника QuickBird 2, зйомки геофізичних полів, геологічні та геохімічні дані. Результати. Виявлено, що значна частина епіцентрів приурочена саме до ділянок підвищеної концентрації лінеаментів “нестандартних” азимутів, складаючи від 27 до 34% загального числа лінеаментів. Встановлено, що 59.6% епіцентрів знаходяться всередині 10% території ділянок, що володіють найвищими значеннями комплексних карт деформацій; 50% території з найвищими значеннями цих карт вміщають, в середньому, 89% усіх епіцентрів землетрусів. Визначено, що карти концентрації лінеаментів космознімків з “нестанартними” азимутами значно краще відображають просторовий взаємозв’язок з відомими родовищами у порівнянні з картою концентрації всіх лінеаментів. Встановлено, що сумарна площа перспективних ділянок золоторудних об’єктів склала близько 20 км2. Наукова новизна. Застосування ГІС РАПІД на ряді ділянок земної кори дозволило встановити нові закономірності, що зв’язують характеристики мережі лінеаментів фізичних полів і ландшафту з локалізацією рудних тіл та епіцентрів землетрусів. Практична значимість. Розроблено нову технологію рішення прогнозних і пошукових геологічних завдань, яка може застосовуватися для вирішення широкого кола практичних задач, особливо у складних геологічних умовах при пошуках глибокозалягаючих об’єктів, що слабо виявляються в зовнішніх полях і ландшафті.Цель. Решения задач недропользования на базе созданной геоинформационной технологии ГИС РАПИД. Методика. Выявление тесных пространственных взаимосвязей разнообразных характеристик сетей линеаментов и эпицентров землетрясений проводилось в 3 сейсмоактивных участках, расположенных в горных районах Центральной Европы. Использовались цифровые модели рельефа (DEM), построенные по съемкам со спутника ASTER, и данные об эпицентрах землетрясений. Исследования характера пространственной взаимосвязи сети линеаментов и жильных рудных объектов проводились на территории Демократической Республики Конго, в районе озера Киву с использованием космических съемок. Исследования поиска и прогноза золоторудных объектов выполнялись в Узбекистане на участке Джамансайских гор. Использовались высокоточные космические съемки со спутника QuickBird 2, съемки геофизических полей, геологические и геохимические данные. Результаты. Выявлено, что значительная часть эпицентров приурочена именно к участкам повышенной концентрации линеаментов “нестандартных” азимутов, составляя от 27 до 34% общего числа линеаментов. Установлено, что 59.6% эпицентров находятся внутри 10% территории участков, обладающих наивысшими значениями комплексных карт деформаций; 50% территории с наивысшими значениями этих карт вмещают, в среднем, 89% всех эпицентров землетрясений. Определено, что карты концентрации линеаментов космоснимков с “нестанартными” азимутами значительно лучше отражают пространственную взаимосвязь с известными месторождениями по сравнению с картой концентрации всех линеаментов. Установлено, что суммарная площадь перспективных участков золоторудных объектов составила около 20 км2. Научная новизна. Применение ГИС РАПИД на ряде участков земной коры позволило установить новые закономерности, связывающие характеристики сети линеаментов физических полей и ландшафта с локализацией рудных тел и эпицентров землетрясений. Практическая значимость. Разработана новая технология решения прогнозных и поисковых геологических задач, которая может применяться для решения широкого круга практических задач, особенно в сложных геологических условиях при поисках глубокозалегающих объектов, слабо проявляющихся во внешних полях и ландшафте.The work is performed as a part of planned research of the geoinformation systems department of the Dnipro University of Technology. The results are obtained without any financial support of grants and research projects. The authors express appreciation to reviewers and editors for their valuable comments, recommendations, and attention to the work