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

Volumetric analysis of HeLa cancer cells imaged with serial block face scanning electron microscopy

This dissertation investigates the volumetric analysis of a variety of cervical cancer cells called HeLa cells. HeLa cells were derived from cervical cancer cells taken from Henrietta Lacks at the Johns Hopkins Hospital and hence the name HeLa remains. The shape of cells is important as the regular or irregular shape of the cell and its structures can be related to some conditions of health or disease. In this dissertation, a traditional image processing algorithm to segment the nuclear envelope of HeLa cells imaged with Serial Block Face Scanning Electron Microscopy is proposed. The algorithm is fast, robust and accurate and it was compared against different deep learning architectures. Three deep learning architectures were deployed through transfer learning and U-Net was trained from scratch for semantic segmentation of HeLa cells. The algorithm outperformed all four deep learning architectures and active contours (snakes) in both accuracy and time as suggested by the similarity metrics. The segmented nuclear envelope was further investigated through a visualisation technique to obtain a graphical model. This model provides volume and surface metrics which can be used to compare different cells. Wild-type of HeLa cells were compared against Chlamydia trachomatis-infected HeLa cells and geometric differences were revealed. The open-source image processing algorithm, developed in programming environment of Matlab® (The MathworksTM, Natick, USA), provides cell segmentation in a fraction of manual segmentation time therefore it is an alternative to expensive commercial software and manual segmentation, which is still widely used despite the significant disadvantages of time and inter- and intra-user variability

Deep Learning for Detection and Segmentation in High-Content Microscopy Images

High-content microscopy led to many advances in biology and medicine. This fast emerging technology is transforming cell biology into a big data driven science. Computer vision methods are used to automate the analysis of microscopy image data. In recent years, deep learning became popular and had major success in computer vision. Most of the available methods are developed to process natural images. Compared to natural images, microscopy images pose domain specific challenges such as small training datasets, clustered objects, and class imbalance. In this thesis, new deep learning methods for object detection and cell segmentation in microscopy images are introduced. For particle detection in fluorescence microscopy images, a deep learning method based on a domain-adapted Deconvolution Network is presented. In addition, a method for mitotic cell detection in heterogeneous histopathology images is proposed, which combines a deep residual network with Hough voting. The method is used for grading of whole-slide histology images of breast carcinoma. Moreover, a method for both particle detection and cell detection based on object centroids is introduced, which is trainable end-to-end. It comprises a novel Centroid Proposal Network, a layer for ensembling detection hypotheses over image scales and anchors, an anchor regularization scheme which favours prior anchors over regressed locations, and an improved algorithm for Non-Maximum Suppression. Furthermore, a novel loss function based on Normalized Mutual Information is proposed which can cope with strong class imbalance and is derived within a Bayesian framework. For cell segmentation, a deep neural network with increased receptive field to capture rich semantic information is introduced. Moreover, a deep neural network which combines both paradigms of multi-scale feature aggregation of Convolutional Neural Networks and iterative refinement of Recurrent Neural Networks is proposed. To increase the robustness of the training and improve segmentation, a novel focal loss function is presented. In addition, a framework for black-box hyperparameter optimization for biomedical image analysis pipelines is proposed. The framework has a modular architecture that separates hyperparameter sampling and hyperparameter optimization. A visualization of the loss function based on infimum projections is suggested to obtain further insights into the optimization problem. Also, a transfer learning approach is presented, which uses only one color channel for pre-training and performs fine-tuning on more color channels. Furthermore, an approach for unsupervised domain adaptation for histopathological slides is presented. Finally, Galaxy Image Analysis is presented, a platform for web-based microscopy image analysis. Galaxy Image Analysis workflows for cell segmentation in cell cultures, particle detection in mice brain tissue, and MALDI/H&E image registration have been developed. The proposed methods were applied to challenging synthetic as well as real microscopy image data from various microscopy modalities. It turned out that the proposed methods yield state-of-the-art or improved results. The methods were benchmarked in international image analysis challenges and used in various cooperation projects with biomedical researchers