Real-time segmentation for tomographic imaging

In tomography, reconstruction and analysis is often performed once the acquisition has been completed due to the computational cost of the 3D imaging algorithms. In contrast, real-time reconstruction and analysis can avoid costly repetition of experiments and enable optimization of experimental parameters. Recently, it was shown that by reconstructing a subset of arbitrarily oriented slices, real-time quasi-3D reconstruction can be attained. Here, we extend this approach by including realtime segmentation, thereby enabling real-time analysis during the experiment. We propose to use a convolutional neural network (CNN) to perform real-time image segmentation and introduce an adapted training strategy in order to apply CNNs to arbitrarily oriented slices. We evaluate our method on both simulated and real-world data. The experiments show that our approach enables realtime tomographic segmentation for real-world applications and outperforms standard unsupervised segmentation methods

Low-latency big data visualisation

Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, Methoden aufzuzeigen, „Big-Data“-Archive zu organisieren und zentrale Elemente der enthaltenen Informationen zu visualisieren. Anhand von drei wissenschaftlichen Experimenten werde ich zwei „Big-Data“- Herausforderungen, Datenvolumen (Volume) und Heterogenität (Variety), untersuchen und eine Visualisierung im Browser präsentieren, die trotz reduzierter Datenrate die wesentliche Information in den Datensätzen enthält

A generalization of Otsu method for linear separation of two unbalanced classes in document image binarization

The classical Otsu method is a common tool in document image binarization. Often, two classes, text and background, are imbalanced, which means that the assumption of the classical Otsu method is not met. In this work, we considered the imbalanced pixel classes of background and text: weights of two classes are different, but variances are the same. We experimentally demonstrated that the employment of a criterion that takes into account the imbalance of the classes' weights, allows attaining higher binarization accuracy. We described the generalization of the criteria for a two-parametric model, for which an algorithm for the optimal linear separation search via fast linear clustering was proposed. We also demonstrated that the two-parametric model with the proposed separation allows increasing the image binarization accuracy for the documents with a complex background or spots.We are grateful for the insightful comments offered by D.P. Nikolaev. This research was partially supported by the Russian Foundation for Basic Research No. 19-29-09066 and 18-07-01387

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Automated image analysis system for studying cardiotoxicity in human pluripotent stem cell-Derived cardiomyocytes

BackgroundCardiotoxicity, characterized by severe cardiac dysfunction, is a major problem in patients treated with different classes of anticancer drugs. Development of predictable human-based models and assays for drug screening are crucial for preventing potential drug-induced adverse effects. Current animal in vivo models and cell lines are not always adequate to represent human biology. Alternatively, human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) show great potential for disease modelling and drug-induced toxicity screenings. Fully automated high-throughput screening of drug toxicity on hiPSC-CMs by fluorescence image analysis is, however, very challenging, due to clustered cell growth patterns and strong intracellular and intercellular variation in the expression of fluorescent markers.ResultsIn this paper, we report on the development of a fully automated image analysis system for quantification of cardiotoxic phenotypes from hiPSC-CMs that are treated with various concentrations of anticancer drugs doxorubicin or crizotinib. This high-throughput system relies on single-cell segmentation by nuclear signal extraction, fuzzy C-mean clustering of cardiac α-actinin signal, and finally nuclear signal propagation. When compared to manual segmentation, it generates precision and recall scores of 0.81 and 0.93, respectively.ConclusionsOur results show that our fully automated image analysis system can reliably segment cardiomyocytes even with heterogeneous α-actinin signals.Computer Systems, Imagery and MediaAlgorithms and the Foundations of Software technolog

Registration of serial sections: An evaluation method based on distortions of the ground truths

Registration of histological serial sections is a challenging task. Serial sections exhibit distortions and damage from sectioning. Missing information on how the tissue looked before cutting makes a realistic validation of 2D registrations extremely difficult. This work proposes methods for ground-truth-based evaluation of registrations. Firstly, we present a methodology to generate test data for registrations. We distort an innately registered image stack in the manner similar to the cutting distortion of serial sections. Test cases are generated from existing 3D data sets, thus the ground truth is known. Secondly, our test case generation premises evaluation of the registrations with known ground truths. Our methodology for such an evaluation technique distinguishes this work from other approaches. Both under- and over-registration become evident in our evaluations. We also survey existing validation efforts. We present a full-series evaluation across six different registration methods applied to our distorted 3D data sets of animal lungs. Our distorted and ground truth data sets are made publicly available.Comment: Supplemental data available under https://zenodo.org/record/428244