Automated Morphology Analysis of Nanoparticles

The functional properties of nanoparticles highly depend on the surface morphology of the particles, so precise measurements of a particle's morphology enable reliable characterizing of the nanoparticle's properties. Obtaining the measurements requires image analysis of electron microscopic pictures of nanoparticles. Today's labor-intensive image analysis of electron micrographs of nanoparticles is a significant bottleneck for efficient material characterization. The objective of this dissertation is to develop automated morphology analysis methods. Morphology analysis is comprised of three tasks: separate individual particles from an agglomerate of overlapping nano-objects (image segmentation); infer the particle's missing contours (shape inference); and ultimately, classify the particles by shape based on their complete contours (shape classification). Two approaches are proposed in this dissertation: the divide-and-conquer approach and the convex shape analysis approach. The divide-and-conquer approach solves each task separately, taking less than one minute to complete the required analysis, even for the largest-sized micrograph. However, its separating capability of particle overlaps is limited, meaning that it is able to split only touching particles. The convex shape analysis approach solves shape inference and classification simultaneously for better accuracy, but it requires more computation time, ten minutes for the biggest-sized electron micrograph. However, with a little sacrifice of time efficiency, the second approach achieves far superior separation than the divide-and-conquer approach, and it handles the chain-linked structure of particle overlaps well. The capabilities of the two proposed methods cannot be substituted by generic image processing and bio-imaging methods. This is due to the unique features that the electron microscopic pictures of nanoparticles have, including special particle overlap structures, and large number of particles to be processed. The application of the proposed methods to real electron microscopic pictures showed that the two proposed methods were more capable of extracting the morphology information than the state-of-the-art methods. When nanoparticles do not have many overlaps, the divide-and-conquer approach performed adequately. When nanoparticles have many overlaps, forming chain-linked clusters, the convex shape analysis approach performed much better than the state-of-the-art alternatives in bio-imaging. The author believes that the capabilities of the proposed methods expedite the morphology characterization process of nanoparticles. The author further conjectures that the technical generality of the proposed methods could even be a competent alternative to the current methods analyzing general overlapping convex-shaped objects other than nanoparticles

An improved joint optimization of multiple level set functions for the segmentation of overlapping cervical cells

In this paper, we present an improved algorithm for the segmentation of cytoplasm and nuclei from clumps of overlapping cervical cells. This problem is notoriously difficult because of the degree of overlap among cells, the poor contrast of cell cytoplasm and the presence of mucus, blood, and inflammatory cells. Our methodology addresses these issues by utilizing a joint optimization of multiple level set functions, where each function represents a cell within a clump, that have both unary (intracell) and pairwise (intercell) constraints. The unary constraints are based on contour length, edge strength, and cell shape, while the pairwise constraint is computed based on the area of the overlapping regions. In this way, our methodology enables the analysis of nuclei and cytoplasm from both free-lying and overlapping cells. We provide a systematic evaluation of our methodology using a database of over 900 images generated by synthetically overlapping images of free-lying cervical cells, where the number of cells within a clump is varied from 2 to 10 and the overlap coefficient between pairs of cells from 0.1 to 0.5. This quantitative assessment demonstrates that our methodology can successfully segment clumps of up to 10 cells, provided the overlap between pairs of cells is <0.2. Moreover, if the clump consists of three or fewer cells, then our methodology can successfully segment individual cells even when the overlap is ∼0.5. We also evaluate our approach quantitatively and qualitatively on a set of 16 extended depth of field images, where we are able to segment a total of 645 cells, of which only ∼10% are free-lying. Finally, we demonstrate that our method of cell nuclei segmentation is competitive when compared with the current state of the art.Zhi Lu, Gustavo Carneiro, and Andrew P. Bradle

Reconstruction and Simulation of Cellular Traction Forces

Biological cells are able to sense the stiffness, geometry and topography of their environment and sensitively respond to it. For this purpose, they actively apply contractile forces to the extracellular space, which can be determined by traction force microscopy. Thereby cells are cultured on elastically deformable substrates and cellular traction patterns are quanti- tatively reconstructed from measured substrate deformations, by solving the inverse elastic problem. In this thesis we investigate the influence of environmental topography to cellular force generation and the distribution of intracellular tension. For this purpose, we reconstruct traction forces on wavy elastic substrates, using a novel technique based on finite element methods. In order to relate forces to single cell-matrix contacts and different structures of the cytoskeleton, we then introduce another novel variant of traction force microscopy, which introduces cell contraction modeling into the process of cellular traction reconstruction. This approach is robust against experimental noise and does not need regularisation. We apply this method to experimental data to demonstrate that different types of actin fibers in the cell statistically show different contractilities. We complete our investigation by simulation studies considering cell colonies and single cells as thermoelastically contracting continuum coupled to an elastic substrate. In particular we examined the effect of geometry on cellular behavior in collective cell migration and tissue invasion during tumor metastasis

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

Image Processing and Simulation Toolboxes of Microscopy Images of Bacterial Cells

Recent advances in microscopy imaging technology have allowed the characterization of the dynamics of cellular processes at the single-cell and single-molecule level. Particularly in bacterial cell studies, and using the E. coli as a case study, these techniques have been used to detect and track internal cell structures such as the Nucleoid and the Cell Wall and fluorescently tagged molecular aggregates such as FtsZ proteins, Min system proteins, inclusion bodies and all the different types of RNA molecules. These studies have been performed with using multi-modal, multi-process, time-lapse microscopy, producing both morphological and functional images. To facilitate the finding of relationships between cellular processes, from small-scale, such as gene expression, to large-scale, such as cell division, an image processing toolbox was implemented with several automatic and/or manual features such as, cell segmentation and tracking, intra-modal and intra-modal image registration, as well as the detection, counting and characterization of several cellular components. Two segmentation algorithms of cellular component were implemented, the first one based on the Gaussian Distribution and the second based on Thresholding and morphological structuring functions. These algorithms were used to perform the segmentation of Nucleoids and to identify the different stages of FtsZ Ring formation (allied with the use of machine learning algorithms), which allowed to understand how the temperature influences the physical properties of the Nucleoid and correlated those properties with the exclusion of protein aggregates from the center of the cell. Another study used the segmentation algorithms to study how the temperature affects the formation of the FtsZ Ring. The validation of the developed image processing methods and techniques has been based on benchmark databases manually produced and curated by experts. When dealing with thousands of cells and hundreds of images, these manually generated datasets can become the biggest cost in a research project. To expedite these studies in terms of time and lower the cost of the manual labour, an image simulation was implemented to generate realistic artificial images. The proposed image simulation toolbox can generate biologically inspired objects that mimic the spatial and temporal organization of bacterial cells and their processes, such as cell growth and division and cell motility, and cell morphology (shape, size and cluster organization). The image simulation toolbox was shown to be useful in the validation of three cell tracking algorithms: Simple Nearest-Neighbour, Nearest-Neighbour with Morphology and DBSCAN cluster identification algorithm. It was shown that the Simple Nearest-Neighbour still performed with great reliability when simulating objects with small velocities, while the other algorithms performed better for higher velocities and when there were larger clusters present

Automated Morphology Analysis of Nanoparticles

The functional properties of nanoparticles highly depend on the surface morphology of the particles, so precise measurements of a particle's morphology enable reliable characterizing of the nanoparticle's properties. Obtaining the measurements requires image analysis of electron microscopic pictures of nanoparticles. Today's labor-intensive image analysis of electron micrographs of nanoparticles is a significant bottleneck for efficient material characterization. The objective of this dissertation is to develop automated morphology analysis methods. Morphology analysis is comprised of three tasks: separate individual particles from an agglomerate of overlapping nano-objects (image segmentation); infer the particle's missing contours (shape inference); and ultimately, classify the particles by shape based on their complete contours (shape classification). Two approaches are proposed in this dissertation: the divide-and-conquer approach and the convex shape analysis approach. The divide-and-conquer approach solves each task separately, taking less than one minute to complete the required analysis, even for the largest-sized micrograph. However, its separating capability of particle overlaps is limited, meaning that it is able to split only touching particles. The convex shape analysis approach solves shape inference and classification simultaneously for better accuracy, but it requires more computation time, ten minutes for the biggest-sized electron micrograph. However, with a little sacrifice of time efficiency, the second approach achieves far superior separation than the divide-and-conquer approach, and it handles the chain-linked structure of particle overlaps well. The capabilities of the two proposed methods cannot be substituted by generic image processing and bio-imaging methods. This is due to the unique features that the electron microscopic pictures of nanoparticles have, including special particle overlap structures, and large number of particles to be processed. The application of the proposed methods to real electron microscopic pictures showed that the two proposed methods were more capable of extracting the morphology information than the state-of-the-art methods. When nanoparticles do not have many overlaps, the divide-and-conquer approach performed adequately. When nanoparticles have many overlaps, forming chain-linked clusters, the convex shape analysis approach performed much better than the state-of-the-art alternatives in bio-imaging. The author believes that the capabilities of the proposed methods expedite the morphology characterization process of nanoparticles. The author further conjectures that the technical generality of the proposed methods could even be a competent alternative to the current methods analyzing general overlapping convex-shaped objects other than nanoparticles

Biological image analysis

In biological research images are extensively used to monitor growth, dynamics and changes in biological specimen, such as cells or plants. Many of these images are used solely for observation or are manually annotated by an expert. In this dissertation we discuss several methods to automate the annotating and analysis of bio-images. Two large clusters of methods have been investigated and developed. A first set of methods focuses on the automatic delineation of relevant objects in bio-images, such as individual cells in microscopic images. Since these methods should be useful for many different applications, e.g. to detect and delineate different objects (cells, plants, leafs, ...) in different types of images (different types of microscopes, regular colour photographs, ...), the methods should be easy to adjust. Therefore we developed a methodology relying on probability theory, where all required parameters can easily be estimated by a biologist, without requiring any knowledge on the techniques used in the actual software. A second cluster of investigated techniques focuses on the analysis of shapes. By defining new features that describe shapes, we are able to automatically classify shapes, retrieve similar shapes from a database and even analyse how an object deforms through time

Compressed Sensing Beyond the IID and Static Domains: Theory, Algorithms and Applications

Sparsity is a ubiquitous feature of many real world signals such as natural images and neural spiking activities. Conventional compressed sensing utilizes sparsity to recover low dimensional signal structures in high ambient dimensions using few measurements, where i.i.d measurements are at disposal. However real world scenarios typically exhibit non i.i.d and dynamic structures and are confined by physical constraints, preventing applicability of the theoretical guarantees of compressed sensing and limiting its applications. In this thesis we develop new theory, algorithms and applications for non i.i.d and dynamic compressed sensing by considering such constraints. In the first part of this thesis we derive new optimal sampling-complexity tradeoffs for two commonly used processes used to model dependent temporal structures: the autoregressive processes and self-exciting generalized linear models. Our theoretical results successfully recovered the temporal dependencies in neural activities, financial data and traffic data. Next, we develop a new framework for studying temporal dynamics by introducing compressible state-space models, which simultaneously utilize spatial and temporal sparsity. We develop a fast algorithm for optimal inference on such models and prove its optimal recovery guarantees. Our algorithm shows significant improvement in detecting sparse events in biological applications such as spindle detection and calcium deconvolution. Finally, we develop a sparse Poisson image reconstruction technique and the first compressive two-photon microscope which uses lines of excitation across the sample at multiple angles. We recovered diffraction-limited images from relatively few incoherently multiplexed measurements, at a rate of 1.5 billion voxels per second

Computational Methods for Segmentation of Multi-Modal Multi-Dimensional Cardiac Images

Segmentation of the heart structures helps compute the cardiac contractile function quantified via the systolic and diastolic volumes, ejection fraction, and myocardial mass, representing a reliable diagnostic value. Similarly, quantification of the myocardial mechanics throughout the cardiac cycle, analysis of the activation patterns in the heart via electrocardiography (ECG) signals, serve as good cardiac diagnosis indicators. Furthermore, high quality anatomical models of the heart can be used in planning and guidance of minimally invasive interventions under the assistance of image guidance. The most crucial step for the above mentioned applications is to segment the ventricles and myocardium from the acquired cardiac image data. Although the manual delineation of the heart structures is deemed as the gold-standard approach, it requires significant time and effort, and is highly susceptible to inter- and intra-observer variability. These limitations suggest a need for fast, robust, and accurate semi- or fully-automatic segmentation algorithms. However, the complex motion and anatomy of the heart, indistinct borders due to blood flow, the presence of trabeculations, intensity inhomogeneity, and various other imaging artifacts, makes the segmentation task challenging. In this work, we present and evaluate segmentation algorithms for multi-modal, multi-dimensional cardiac image datasets. Firstly, we segment the left ventricle (LV) blood-pool from a tri-plane 2D+time trans-esophageal (TEE) ultrasound acquisition using local phase based filtering and graph-cut technique, propagate the segmentation throughout the cardiac cycle using non-rigid registration-based motion extraction, and reconstruct the 3D LV geometry. Secondly, we segment the LV blood-pool and myocardium from an open-source 4D cardiac cine Magnetic Resonance Imaging (MRI) dataset by incorporating average atlas based shape constraint into the graph-cut framework and iterative segmentation refinement. The developed fast and robust framework is further extended to perform right ventricle (RV) blood-pool segmentation from a different open-source 4D cardiac cine MRI dataset. Next, we employ convolutional neural network based multi-task learning framework to segment the myocardium and regress its area, simultaneously, and show that segmentation based computation of the myocardial area is significantly better than that regressed directly from the network, while also being more interpretable. Finally, we impose a weak shape constraint via multi-task learning framework in a fully convolutional network and show improved segmentation performance for LV, RV and myocardium across healthy and pathological cases, as well as, in the challenging apical and basal slices in two open-source 4D cardiac cine MRI datasets. We demonstrate the accuracy and robustness of the proposed segmentation methods by comparing the obtained results against the provided gold-standard manual segmentations, as well as with other competing segmentation methods