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

Gaze-Based Human-Robot Interaction by the Brunswick Model

We present a new paradigm for human-robot interaction based on social signal processing, and in particular on the Brunswick model. Originally, the Brunswick model copes with face-to-face dyadic interaction, assuming that the interactants are communicating through a continuous exchange of non verbal social signals, in addition to the spoken messages. Social signals have to be interpreted, thanks to a proper recognition phase that considers visual and audio information. The Brunswick model allows to quantitatively evaluate the quality of the interaction using statistical tools which measure how effective is the recognition phase. In this paper we cast this theory when one of the interactants is a robot; in this case, the recognition phase performed by the robot and the human have to be revised w.r.t. the original model. The model is applied to Berrick, a recent open-source low-cost robotic head platform, where the gazing is the social signal to be considered

Psr1p interacts with SUN/sad1p and EB1/mal3p to establish the bipolar spindle

Regular Abstracts - Sunday Poster Presentations: no. 382During mitosis, interpolar microtubules from two spindle pole bodies (SPBs) interdigitate to create an antiparallel microtubule array for accommodating numerous regulatory proteins. Among these proteins, the kinesin-5 cut7p/Eg5 is the key player responsible for sliding apart antiparallel microtubules and thus helps in establishing the bipolar spindle. At the onset of mitosis, two SPBs are adjacent to one another with most microtubules running nearly parallel toward the nuclear envelope, creating an unfavorable microtubule configuration for the kinesin-5 kinesins. Therefore, how the cell organizes the antiparallel microtubule array in the first place at mitotic onset remains enigmatic. Here, we show that a novel protein psrp1p localizes to the SPB and plays a key role in organizing the antiparallel microtubule array. The absence of psr1+ leads to a transient monopolar spindle and massive chromosome loss. Further functional characterization demonstrates that psr1p is recruited to the SPB through interaction with the conserved SUN protein sad1p and that psr1p physically interacts with the conserved microtubule plus tip protein mal3p/EB1. These results suggest a model that psr1p serves as a linking protein between sad1p/SUN and mal3p/EB1 to allow microtubule plus ends to be coupled to the SPBs for organization of an antiparallel microtubule array. Thus, we conclude that psr1p is involved in organizing the antiparallel microtubule array in the first place at mitosis onset by interaction with SUN/sad1p and EB1/mal3p, thereby establishing the bipolar spindle.postprin

Removal of antagonistic spindle forces can rescue metaphase spindle length and reduce chromosome segregation defects

Regular Abstracts - Tuesday Poster Presentations: no. 1925Metaphase describes a phase of mitosis where chromosomes are attached and oriented on the bipolar spindle for subsequent segregation at anaphase. In diverse cell types, the metaphase spindle is maintained at a relatively constant length. Metaphase spindle length is proposed to be regulated by a balance of pushing and pulling forces generated by distinct sets of spindle microtubules and their interactions with motors and microtubule-associated proteins (MAPs). Spindle length appears important for chromosome segregation fidelity, as cells with shorter or longer than normal metaphase spindles, generated through deletion or inhibition of individual mitotic motors or MAPs, showed chromosome segregation defects. To test the force balance model of spindle length control and its effect on chromosome segregation, we applied fast microfluidic temperature-control with live-cell imaging to monitor the effect of switching off different combinations of antagonistic forces in the fission yeast metaphase spindle. We show that spindle midzone proteins kinesin-5 cut7p and microtubule bundler ase1p contribute to outward pushing forces, and spindle kinetochore proteins kinesin-8 klp5/6p and dam1p contribute to inward pulling forces. Removing these proteins individually led to aberrant metaphase spindle length and chromosome segregation defects. Removing these proteins in antagonistic combination rescued the defective spindle length and, in some combinations, also partially rescued chromosome segregation defects. Our results stress the importance of proper chromosome-to-microtubule attachment over spindle length regulation for proper chromosome segregation.postprin

Technology 2003: Conference Proceedings from the Fourth National Technology Transfer Conference and Exposition, Volume 1

Proceedings from symposia of the Technology 2003 Conference and Exposition, December 7-9, I993, Anaheim, CA. Volume 1 features the Plenary Session and the Plenary Workshop, plus papers presented in Advanced Manufacturing, Biotechnology/Medical Technology, Environmental Technology, Materials Science, and Power and Energy

Retinal Vessel Segmentation via Structure Tensor Coloring and Anisotropy Enhancement

Retinal vessel segmentation is one of the preliminary tasks for developing diagnosis software systems related to various retinal diseases. In this study, a fully automated vessel segmentation system is proposed. Firstly, the vessels are enhanced using a Frangi Filter. Afterwards, Structure Tensor is applied to the response of the Frangi Filter and a 4-D tensor field is obtained. After decomposing the Eigenvalues of the tensor field, the anisotropy between the principal Eigenvalues are enhanced exponentially. Furthermore, this 4-D tensor field is converted to the 3-D space which is composed of energy, anisotropy and orientation and then a Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization algorithm is applied to the energy space. Later, the obtained energy space is multiplied by the enhanced mean surface curvature of itself and the modified 3-D space is converted back to the 4-D tensor field. Lastly, the vessel segmentation is performed by using Otsu algorithm and tensor coloring method which is inspired by the ellipsoid tensor visualization technique. Finally, some post-processing techniques are applied to the segmentation result. In this study, the proposed method achieved mean sensitivity of 0.8123, 0.8126, 0.7246 and mean specificity of 0.9342, 0.9442, 0.9453 as well as mean accuracy of 0.9183, 0.9442, 0.9236 for DRIVE, STARE and CHASE_DB1 datasets, respectively. The mean execution time of this study is 6.104, 6.4525 and 18.8370 s for the aforementioned three datasets respectively

Microscopy Conference 2017 (MC 2017) - Proceedings

Das Dokument enthält die Kurzfassungen der Beiträge aller Teilnehmer an der Mikroskopiekonferenz "MC 2017", die vom 21. bis 25.08.2017, in Lausanne stattfand