Accelerating Sensitivity Analysis in Microscopy Image Segmentation Workflows

With the increasingly availability of digital microscopy imagery equipments there is a demand for efficient execution of whole slide tissue image applications. Through the process of sensitivity analysis it is possible to improve the output quality of such applications, and thus, improve the desired analysis quality. Due to the high computational cost of such analyses and the recurrent nature of executed tasks from sensitivity analysis methods (i.e., reexecution of tasks), the opportunity for computation reuse arises. By performing computation reuse we can optimize the run time of sensitivity analysis applications. This work focuses then on finding new ways to take advantage of computation reuse opportunities on multiple task abstraction levels. This is done by presenting the coarse-grain merging strategy and the new fine-grain merging algorithms, implemented on top of the Region Templates Framework.Comment: 44 page

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

Helmholtz Portfolio Theme Large-Scale Data Management and Analysis (LSDMA)

The Helmholtz Association funded the "Large-Scale Data Management and Analysis" portfolio theme from 2012-2016. Four Helmholtz centres, six universities and another research institution in Germany joined to enable data-intensive science by optimising data life cycles in selected scientific communities. In our Data Life cycle Labs, data experts performed joint R&D together with scientific communities. The Data Services Integration Team focused on generic solutions applied by several communities

py4DSTEM: a software package for multimodal analysis of four-dimensional scanning transmission electron microscopy datasets

Scanning transmission electron microscopy (STEM) allows for imaging, diffraction, and spectroscopy of materials on length scales ranging from microns to atoms. By using a high-speed, direct electron detector, it is now possible to record a full 2D image of the diffracted electron beam at each probe position, typically a 2D grid of probe positions. These 4D-STEM datasets are rich in information, including signatures of the local structure, orientation, deformation, electromagnetic fields and other sample-dependent properties. However, extracting this information requires complex analysis pipelines, from data wrangling to calibration to analysis to visualization, all while maintaining robustness against imaging distortions and artifacts. In this paper, we present py4DSTEM, an analysis toolkit for measuring material properties from 4D-STEM datasets, written in the Python language and released with an open source license. We describe the algorithmic steps for dataset calibration and various 4D-STEM property measurements in detail, and present results from several experimental datasets. We have also implemented a simple and universal file format appropriate for electron microscopy data in py4DSTEM, which uses the open source HDF5 standard. We hope this tool will benefit the research community, helps to move the developing standards for data and computational methods in electron microscopy, and invite the community to contribute to this ongoing, fully open-source project